Nalezli Higgse! Pátrali po něm v Opavě, Rakousku, Chorvatsku i ve Španělsku…

Autoři: Jan Hladík, Josef Juráň – Ústav fyziky, FPF SU v Opavě

OPAVA - Objev „božské částice“ – Higgsova bosonu – je čtenáři jistě znám z období před téměř čtyřmi lety. Tentokráte si však jeho nalezení mohli na základě vlastní analýzy experimentálních dat z hadronového urychlovače LHC v CERNu  připsat a vychutnat i neprofesionálové – studenti sezvaných středních škol z opavského regionu. Událo se tomu v rámci akce 12th International Masterclasses 2016. Organizačně se jedná o jednodenní soustředění odkrývající záhady mikrosvěta studentům mezi 15 až 19 lety z téměř dvou set různých koutů světa.

Ústav fyziky jako spolupořadatel
Ústav fyziky Filozoficko-přírodovědecké fakulty Slezské univerzity v Opavě byl letos rovněž při tom. V rámci České republiky se ujal role lokálního spolupořadatele. Celosvětově je projekt zastřešen organizací International Particle Physics Outreach Group, jejímž posláním je přenos nových objevů na poli částicové fyziky směrem k mládeži a šíření myšlenky, že krása přírody vychází ze vzájemných interakcí elementárních částic.
S podnětem aktivního zapojení přišel již loni RNDr. Josef Juráň, Ph.D. z Ústavu fyziky, který během svého vědecko-výzkumného působení na univerzitě v Žilině měl možnost blíže se seznámit s průběhem předchozích ročníků akce. A jelikož vstřícně k celé myšlence přistoupilo i vedení Filozoficko-přírodovědecké fakulty, nic nebránilo tomu, aby v pátek 4. března 2016 bylo v učebnách na Bezručově náměstí živo až do pozdních odpoledních hodin. Sjela se sem už od časného rána třicítka vybraných studentů 2. až 4. ročníků oblastních škol – Mendelova a Slezského gymnázia v Opavě a Gymnázia Mikuláše Koperníka v Bílovci. Je potěšitelné, že mezi  zájemci, a snad i budoucími kolegy fyziky, byly zastoupeny i dívky. Vždyť právě ženy, Marie Curie-Skłodowská a Lise Meitnerová, byly průkopnicemi na poli výzkumu jádra.

Fotoreportáž z akce najdtete na facebooku Filozoficko-přírodovědecké fakulty

Dopolední zajímavé přednášky
Jelikož se nevyžadovalo širší povědomí zúčastněných o otázkách a metodách výzkumu elementárních částic, byly pro úvodní zasvěcení připraveny tři přehledové přednášky. První z nich podal RNDr. Mikuláš Gintner, Ph.D., ze Žilinské univerzity v Žiline. Zaměřil se zejména na nezvyklosti jevů odehrávajících se v mikrosvětě, které naší zkušenosti, od dětství budované na základě poznávání makrosvěta, unikají, a zdají se nám proto podivné. Navazující přednáška doktora Juráně byla věnována nejdůležitější otázce celého dne – jak je možné experimentálně studovat a pozorovat elementární stavební kameny hmoty. Cílil na popis činnosti urychlovačů, srážečů a detektorů – našich drobnohledů ke studiu mikrosvěta; jakožto i na teoretický rámec celé problematiky, který je východiskem k experimentální činnosti a jejímu vyhodnocení. Jelikož osobně navštívil největší z předních výzkumných zařízení – Evropskou laboratoř pro fyziku částic CERN, byla jeho další přednáška protknuta množstvím vlastních fotografií, které nenásilnou formou přiblížily mnohým tak vzdálené badatelské činnosti jimi vykonávané. Celý dopolední blok se setkal se značným ohlasem. Během diskuzí bylo patrné, že studenti o věc projevují nejenom zájem, ale že vybraným tématům v obecné rovině rozumí. Nepochybně je to i projevem skutečnosti, že na domácí půdě jednoho z účastníků, Mendelova gymnázia, byl před časem umístěn detektor vysokoenergetických částic kosmického záření projektu CZELTA. Podobný tomu, jaký se nachází na pracovišti Ústavu fyziky a jenž byl veřejnosti vícekrát představen – naposledy v rámci přednáškového cyklu Einsteinův podzim 2015.

Odpolední praktické cvičení

Videoreporáž připravil Jiří Grossmann

Po dobrém obědě přišlo na řadu praktické cvičení. Studenti usedli do lavic za klávesnice počítačů a po vstupní instruktáži vedené Pavlem Novákem, posluchačem oboru Učitelství fyziky-matematiky pro SŠ, se pustili do vyhodnocování dat pocházejících z měření proton-protonových srážek. V rámci projektu International Masterclasses je možné studovat data z různých experimentů probíhajících na velkém hadronovém srážeči v CERNu. Zastoupeny jsou experimenty ALICE, ATLAS, CMS a LHCb. Místní organizátoři se přiklonili k účasti na analýze dat z experimentu CMS. CMS je zkratkou pro Compact Muon Solenoid, víceúčelový detektor vystavěný kolem magnetu tvaru cívky enormních rozměrů. Jako celek má na délku přes 21 metrů a v průměru dosahuje 15 metrů, hmotnost je okolo 14000 tun. Pro nepřenosnost je reálná demonstrace detektoru a jeho činnosti jinde než v CERNu nerealizovatelná. Avšak ukázková data si lze pohodlně stáhnout prostřednictvím internetu. Na cvičení se studenti zaměřili na hledání příznaků rozpadů intermediálních bosonů slabé interakce W+/W- či Z a Higgsova bosonu. Každá dvojice studentů obdržela k analýze sadu srážek, tzv. eventů. Vizualizovali je pomocí počítačového programu iSpy a podrobně studovali zobrazené dráhy jednotlivých částic. V nich se snažili rozpoznat charakteristické podpisy hledaných částic W, Z a H. Tyto podpisy jsou předpovězeny teoretickým modelem. Vyhodnocovací procedury se příliš nelišily od postupů používaných v praxi. Celkově se v průběhu cvičení podařilo zpracovat přes 1000 eventů. To je zhruba množství srážek, které se odehrají během miliontiny sekundy činnosti LHC. Analyzovaná data byla z pedagogických důvodů organizátory předem vybrána tak, aby alespoň v několika případech vypovídala o zajímavých srážkách. Nebylo proto velkým překvapením nalézt v histogramu invariantní hmotnosti i signál Higgse. Dalším úkolem bylo vysvětlení získaných poměrů W+/W- a e/μ z nabraných statistik. Daný úkol studenti zvládli znamenitě.

Videokonference s CERNem
V odrazu faktu, že veškeré experimenty na urychlovači LHC probíhají v rámci široké mezinárodní spolupráce, vyhodnocovala se data z experimentu CMS v daný den obdobně i na dalších třech místech, jmenovitě v Santiago de Compostela (Španělsko), ve Vídni (Rakousko) a v Osijeku (Chorvatsko). Všechny lokální skupiny se mezi sebou propojily videokonferenčním mostem, který na naší straně zabezpečil RNDr. Jan Hladík, Ph.D. z Ústavu fyziky. Průběh spojení byl moderován výzkumníky z CERNu. Jednalo se o Michaela Planera, postgraduálního studenta Univerzity v Notre Dame, pracujícího na experimentu CMS; a o Rolanda Janskyho, Ph.D., zabývajícího se v CERNu profesně počítačovou fyzikou ve spojení s fyzikou částic. Na velkém projekčním plátně byla iluze fyzické přítomnosti všech v jedné místnosti tváří v tvář dokonalá. Proběhlo vzájemné představení jednotlivých skupin a jimi obdržených parciálních výsledků. Ty byly následně moderátory sloučeny a okomentovány. Další část videopřenosu byla věnována volným dotazům na oba moderující výzkumníky. A protože radost hovořit s nejpovolanějšími mezi povolanými vždy přináší neutuchající proud nových dotazů, musel být tento blok časově omezen. I vědci musejí někdy pracovat. :-)  Na úplný závěr – pro odlehčení perného dne – proběhl žertovný kvíz ve stylu hry Chcete být milionářem?. Dodejme, že konference byla vedena v anglickém jazyce. Jasné sdělení výsledků formulované s užitím odborné terminologie nečinilo studentům viditelnou potíž.

Poděkování všem pořadatelům
Byť průběhem jednodenní, rozsahem přípravných prací jednalo se o záležitost více měsíční. Na její realizaci a hladkém průběhu nesou nemalý podíl studenti (Bc. Vojtěch Sysel, Pavel Novák) a studentky (Mgr. Kateřina Goluchová, Vendula Doubravská a Simona Beerová) Ústavu fyziky, kteří provázeli všechny účastníky celým dnem a byli svými radami ochotni pomoci při počítačovém vyhodnocování dat. Aktivně se zapojil i Bc. Jiří Grossmann, student Audiovizuální tvorby, který útržky z celého dne zaznamenal ve filmové reportáži. Oddělení Multimediálních technik, vedené Mgr. Martinem Petráskem, nezištně poskytlo veškeré technické prostředky nutné k realizaci videokonference. Ruku k dílu přiložili i René Ruszó a Luděk Lazarczyk, studenti Multimediálních technik. Vstřícný přístup projevilo taktéž vedení Filozoficko-přírodovědecké fakulty. Těm všem náleží velký dík a hlavní odměnou jim budiž radost z neskrytého nadšení účastníků z průběhu celého dne. Pro veskrze kladnou odezvu a široký zájem je spolupořadatelská účast Ústavu fyziky na International Masterclasses plánována i napřesrok. Studenty se zájmem o hlubší pochopení přírody opět rádi uvítáme.

Foto: Vendula Doubravská, Simona Beerová