Po třetí a znovu jinak – International Masterclasses 2018 na Slezské univerzitě v Opavě

Text: Tým IMC2018, Ústav fyziky
 
OPAVA - Z čeho se skládá hmota? Proč mají částice hmotnost? Co se stane, když se setká hmota s antihmotou? Je antihmota také gravitačně přitažlivá, nebo působí odpudivě? To jsou jen některé ze zvídavých otázek, které kladou nadané děti svým rodičům a často se jim pak nedostává žádných odpovědí. A není divu, jsou to jedny z nejhlubších vědeckých otázek. Pokud jim však zvídavost vydrží až do jejich studia na střední škole, stávají se těmi nejlepšími adepty pro účast na akcích International Masterclasses in Particle Physics. Ty se pravidelně konají po celém světě a jedna z nich proběhla i ve čtvrtek 22. března 2018 na půdě Filozoficko-přírodovědecké fakulty v Opavě. Následující řádky, jakož i připojená videoreportáž, Vás seznámí s jejím průběhem.
 
Jak k tomu došlo
Když anglický fyzik Roger Barlow přišel s myšlenkou uspořádat první Masterclasses, a tomu je už více jak 20 let, sám netušil, jak se během let tento nápad rozšíří i do celé kontinentální Evropy a za Atlantik. Netušili jsme ani my, kam nás cesta zavede, když jsme k nám před dvěma lety prvně zvali studenty, aby strávili jeden den prací částicového fyzika z CERNu. Celý projekt u nás uvedl v život RNDr. Josef Juráň, Ph.D. z Ústavu fyziky, který se během svých pracovních výjezdů měl možnost podrobně seznámit s popularizací vědy v zahraničí. Proměnit olovo ve zlato, to umějí i ve sběrných surovinách, ovšem provést přechod od znalosti, jak zpřístupnit vědu i běžnému občanovi, až ke konkrétní realizaci, navíc naroubované do lokálních podmínek Slezské univerzity v Opavě, to již vyžadovalo i jisté odvahy. Byl to však krok, který se zdál zcela přirozený. Stejně přirozenou je i hlavní idea celé akce: učit se vlastní prací a přemýšlením. Experimentální fyzikové v oborech částicové fyziky konají pokusy na vysoce specializovaných zařízeních v ceně mnoha miliard (konkrétně, výstavba LHC — Velkého hadronového srážeče v CERN – stála zhruba 8 miliard dolarů). Taková implementace vědeckých pokusů v rámci středoškolských akcí není možná, avšak jsou-li už data jednou profesionály změřena, jejich zpracování může provádět každý. I to stačí, aby člověk lehce pronikl do tajů nitra hmoty. Pokud tedy chce...  A letos bylo zájemců opravdu hodně, téměř šedesát.
Zatímco jsme ve dvou předchozích pilotních ročnících akce studenty oslovovali nepřímo skrze jejich učitele na několika vybraných školách (v naivním domnění, že se jedná o školy přírodovědně zaměřené, což se letos, alespoň soudě dle jejich zastoupení, příliš neprokázalo), nově jsme zkusili dát možnost všem, prostřednictvím registračního formuláře na webových stránkách mc.physics.cz. Tak se k nám mohl přihlásit opravdu kdokoliv. Ten, koho vybere učitel, ještě nemusí být skutečný zájemce.
 
Praxe bez teorie je slepá...
Budovat se má postupně, je proto zprvu nejdříve žádoucí, seznámit studenty se základy teorie. Během dopoledního přednáškového bloku jsme studenty, kteří se k nám sjeli z celkem čtrnácti středních škol rozesetých po celém Moravskoslezském kraji, seznámili se současným stavem lidského poznání o povaze hmoty a fundamentálních sil.
První přednáška doktora Mikuláše Gintnera, kterého jsme za tímto účelem pozvali ze Žilinské univerzity v Žilině pro jeho bohaté zkušenosti nabyté během pořádání všech třinácti předchozích ročníků konání akce, vyvrátila zažité představy o atomech, jakožto objektech složených z červených kuliček zvaných protony, modrých „elektronových“ kuliček a zelených „neutronových“. Základní představa, s níž vyžije převážná většina lidí.  Představil vysoce úspěšný Standardní model částic, jehož opodstatněnost se již časem prověřila, byť už dnes víme, že není tou vysněnou konečnou a vše vysvětlující teorií. Účastníky dále zasvětil do úvodu teorie Feynmanových diagramů popisujících procesy odehrávající se v mikrosvětě. Třešničkou na dortu ale bylo prozrazení „nobelovského“ triku, kterým lze prokázat existenci částic, které jinak pozorovat přímo nelze. Představme si to takto: během srážek částic urychlených na vysoké energie, původní kolizní částice (např. protony, tj. jádra atomu vodíku) zanikají a objevují se částice nové, které ale nemusejí žít dostatečně dlouho na to, abychom je mohli přímo zaznamenat, rozpadají se postupně na částice jiné, které již většinou zaznamenat lze. Jak ale poznat, zda tyto výsledné částice vznikly rozpadem něčeho jiného, mateřského, nebo zda se zrodily ve srážce náhodně jiným způsobem a třeba jejich vznik ani vzájemně nesouvisí? Byl zde nějaký mezistupeň — přechodně, krátce existující částice — nebo nebyl? Známe-li na toto odpověď, můžeme v zaznamenaných datech vyhledávat náznaky existence třeba i dosud neznámých částic. Za jejich nalezení se Nobelovy ceny občas udělují. Sem tam i teoretikům, kteří je dokázali v teoretických modelech předpovědět, jak tomu bylo třeba i v případě Petera W. Higgse (2013).
Člověk běžně částice mikrosvěta nevidí, takže se určitě nyní musíte ptát, jak vůbec některé z nich můžeme zaznamenat a hovořit o nich. O srážkových i jiných detektorech částic, práci na urychlovačích a dalších činnostech probíhajících v Centru evropského částicového výzkumu CERN referoval dr. Josef Juráň. Během obou výkladů padaly z publika zajímavé a podnětné dotazy, často oceněné tričkem s logem International Masterclasses, která jsme nechali pro tuto akci zhotovit. Obě přednášky se tak poněkud neplánovaně protáhly. Přichystané dopolední Překvapení zůstává proto nadále překvapením, které si ponecháme do dalších let a více zde prozrazovat nebudeme.
 
Teorie bez praxe je prázdná…
Praktická cvičení neprobíhají obvykle v přednáškových sálech. Dějí se v laboratořích, v našem případě počítačových laboratořích. Z důvodu omezené kapacity učeben probíhala odpolední činnost ve dvou paralelních skupinách. První z nich vedla studentka doktorského studia Teoretické fyziky a astrofyziky Mgr. Kateřina Goluchová (která vám o tom sama povypráví v přiložené videoreportáži); druhou pak Bc. Lukáš Rafaj, student závěrečného magisterského oboru Teoretická fyzika, který v rámci své diplomové práce pátrá po fyzice za Standardním modelem. Studenty — a vlastně i jejich učitele, neboť ti se účastnili analýzy rovněž — seznámili s ovládáním programu HYPATHIA, který umí zobrazit dráhové stopy a různé projevy částic v jednotlivých detektorech. Používali jej i profesionální fyzici na detektoru ATLAS. Umožňuje snadno rozpoznat jednotlivé druhy částic; místa, kde pravděpodobně vznikly; jejich energie a hybnosti. Celkovou energii srážky známe, je dána konstrukčními a provozními podmínkami daného urychlovače. A jelikož by se hybnost-energie měla zachovávat, můžeme i s jistotou říci, zda něco v tom, co reálně pozorujeme, nechybí. To něco, co detektory nedokázaly zaznamenat. Takovými částicemi mohou být neutrina, částice hypotetické temné hmoty, nebo i dosud neprokázané gravitony, ztrácející se v extra dimenzích. Rozpoznat danou situaci, vyhodnotit ji a zaznamenat potřebné hodnoty, to byl úkol pro všechny účastníky. Každý měl svoje data, každý se zapojil. Dnes se už tato činnost v CERNu děje plně automatizovaně, jednak z důvodu nutnosti zpracování velkého množství dat (řádově petabajty) a taky i kvůli vyloučení lidského faktoru z vyhodnocování. Stává se totiž, že člověk, když něco chce někde vidět, vidí věci i tam, kde nejsou. Použité vzorky dat pocházely ze skutečných měření. Pořadatelé do nich však přimíchaly i situace, které jsou sice předpovězeny teoretickými modely, avšak dosud zůstávají předmětem pouhých spekulací. Jenže obecné postupy hledání nových částic, vysvětlené v ranních přednáškách, platí i na ně. Studenti tak nenacházeli pouze dnes už „běžnou“ božskou částici — Higgsův boson — potvrzující koncept Higgsova pole dávajícího některým částicím jejich hmotnost, ale i částice, na jejichž objevení se aktuálně v CERNu usilovně pracuje. Potvrzením Higgsova bosonu nic neskončilo, nic není stále uzavřené a finální. I samotný Higgsův boson se stále proměřuje, jestli náhodou nemá trochu jiné vlastnosti, než se původně předpokládalo. Mimoto máme mnoho dalších předpovězených částic, např. supersymetrické partnery běžných částic, které dosud nikdo nepozoroval; možné černé minidíry; temnou hmotu, o jejíž podstatě dosud nic nevíme, a konec konců, možná i něco, co jsme si dosud ani neuměli představit. To vše na nás může z dat jednotlivých srážek přímo vykouknout. Profesní dráha částicového fyzika tak může být velmi zajímavá a vzrušující — stojí tedy za to zvážit, zda nezačít studovat fyziku!
 
Zavoláme do CERNu
Ani po téměř dvou hodinové usilovné práci, prohlížení jednotlivých srážek a následného zanášení hodnot do tabulek, dosud nikdo nevěděl, jak vše dopadlo. Rozpoznali studenti v datech to, co v nich bylo obsažené? To se ukázalo až při závěrečném vyhodnocení, kdy byla data kolektivně sesbírána a vynesena do histogramů. Souběžně s naší univerzitou se zpracování dat z experimentu ATLAS konalo téhož dne, v rámci International Masterclasses, na dalších čtyřech evropských akademických pracovištích. Jelikož každý pracoval na jiném vzorku dat, výsledné grafy byly o to bohatší. Každá ze zúčastněných stran dostala během videokonference s pracovníky v CERN možnost interpretovat jimi získané výsledky. Videokonferenci na naší straně zajistil dr. Jan Hladík z Ústavu fyziky, na straně CERNu se v roli moderátorů diskuze ujali Christopher Blake Martin, postdoktorský výzkumník hledající na detektoru ATLAS známky nové fyziky, jenž je též odborníkem ve vývoji pixelových detektorů a který se dříve účastnil na detektoru CMS přímé honby na Higgsův boson; společně s Peterem Knappem pracujícím v továrně na antihmotu. Ten je odborníkem na ochlazování pozitronů před výrobou antivodíku, aby je bylo možno úspěšně zachytit v elektromagnetických pastech. Diskuse měla standardní, přísně dané členění a pevný časový harmonogram, nebylo příliš prostoru pro improvizaci. Na úvod se jednotlivé strany představily a sdělily ostatním, co během dne zažili. Následoval rozbor výsledků, jejich fyzikální interpretace. Zde naše strana neočekávaně rozkryla, že s daty bylo organizátory manipulováno. Byly do nich podsunuty počítačově generované údaje související s hypoteckou existencí nových částic, které se začaly na histogramu projevovat. Nový objev se tedy nekonal. Následovaly volné otázky na oba moderátory. Po nich už jen rychlý přehledový zábavný testík a celý den byl u konce. Však už také bylo po páté hodině odpoledne.
 
Poděkování a pozvánka na přesrok
Hladký průběh každé rozsáhlé akce, jakou v letošním roce na naší univerzitě byly i International Masterclasses, by se neobešel bez desítek hodin svědomité přípravy, natož bez mnoha spolupracovníků, kteří byli ochotni ve svém volném čase s organizací pomoci. Letos, kromě již výše zmíněných, přiložili ruku k dílu studenti Astrofyziky a Teoretické fyziky – Bc. Ondřej Nicolas Karpíšek, Zuzana Turoňová, Vendula Doubravská a Simona Beerová. Starali se nejen o blaho všech příchozích, ale poslední dvě jmenované i o fotografický záznam, plasticky dokreslující tuto zprávu. Aktivně se rovněž zapojili i studenti Multimediálních technik, Martin Chromek a Jan Spisar. V praxi si prověřili své dovednosti na přípravě videoreportáže, kterou Vám zde také máme šanci představit. Stranou nezůstalo ani vedení Filozoficko-přírodovědecké fakulty. Poskytlo vhodné zázemí, reklamní předměty i skromné občerstvení. Obdivuhodnou vytrvalost pak projevil děkan fakulty, profesor Zdeněk Stuchlík, během podepisování všech účastnických listů. První pozitivní ohlasy, jichž se nám postupně od účastníků akce hromadně dostává, svědčí o tom, že si všichni uvedení zaslouží nejenom poděkování. Díky patří i všem došlým přihlášeným. Zachovejte nám svou přízeň, rádi se s vámi setkáme i napřesrok, byť třeba nově, jakožto se studenty některého z našich fyzikálních oborů. A ti z vás, kteří jste letos přijít nemohli, sledujte mc.physics.cz a zkuste se stavit příště. Budeme tu opět pro vás.