Ve 20. století došlo k obrovskému posunutí hranic vědeckého poznání. Einsteinova speciální a obecná teorie relativity od základů změnila naše chápání prostoru, času a gravitace. Kvantová mechanika dokonce změnila samotný popis přírodních jevů: základní fyzikální veličiny, jako je poloha a hybnost, nahradila vlnovými funkcemi, operátory a pravděpodobnostmi jevů. Spojením relativity s kvantovou fyzikou vznikl nový pohled na svět, v němž hmota přestala hrát hlavní roli. Tuto roli převzaly principy symetrie, z nichž některé jsou nám v současném vesmíru skryty. Pomocí těchto principů se podařilo vybudovat velmi úspěšnou kvantovou elektrodynamiku pro popis elektromagnetické a slabé jaderné interakce a kvantovou chromodynamiku pro popis silné jaderné interakce.

Zhruba od roku 1975 však experimentální fyzika vysokých energií začala zaostávat za teorií. Teorie pokročila natolik, že každý další pokrok vyžaduje analýzu procesů při energiích, které jsou mimo dosah současných experimentálních zařízení.

V roce 1982 začali američtí fyzikové pracovat na projektu, jehož velikost a náklady neměly v historii přírodních věd obdoby: projektu supravodivého superurychlovače SSC (Superconducting Super-Collider Project). V konečné podobě projekt předpokládal vybudování prstencovitého tunelu dlouhého 85 kilometrů, který měl být vyhlouben jižně od Dallasu ve Waxahachie ve státě Texas. Uvnitř tunelu měly být uloženy tisíce supravodivých magnetů, které měly udržovat na zakřivené dráze dva svazky elektricky nabitých částic protonů. Tyto svazky se měly pohybovat proti sobě a během miliónů oběhů v prstenci měly být urychleny na energie asi dvacetkrát vyšší, než jsou dosud největší energie dosažené nejvýkonnějších urychlovačích. Náklady na stavbu byly odhadnuty na 8 miliard amerických dolarů.

Projekt superurychlovače však narazil na zásadní odpor nejen některých senátorů amerického Kongresu, ale také některých vědců, kteří dali přednost tomu, aby peníze byly věnovány na rozvoj jejich vědeckých projektů v jiných oborech. V roce 1992 probíhala jednání amerického Kongresu o osudu celého projektu. V témže roce jeden z nejvýznamnějších amerických fyziků, nositel Nobelovy ceny, skvělý popularizátor a historik vědy Steven Weinberg dokončil knihu "Snění o finální teorii" [1], v níž zdůvodnil význam vědeckého pokroku v oblasti fyziky vysokých energií. Jeho úvahy jdou do podstatně větší hloubky, než je obvyklé v popularizační literatuře. Kniha je přitom určena lidem, kteří nemají žádné znalosti fyziky a vyšší matematiky, a určitě stojí za přečtení jako dílo osvětlující význam moderní vědy.

V roce 1993 americký Kongres projekt superurychlovače SSC zastavil. V té době již byly vybudovány asi dvě pětiny tunelu a byly vynaloženy náklady asi 2 miliard amerických dolarů. První prototyp supravodivých magnetů dosáhl vynikajících vlastností a projekt mohl být během několika let úspěšně dokončen. Projekt měl vyplnit velkou mezeru v experimentální fyzice vysokých energií a díky němu se Spojené státy americké měly posunout znovu do přední linie přírodních věd. Zrušení projektu znamenalo pro fyziku vysokých energií a fyziku elementárních částic skutečnou katastrofu.

V důsledku zrušení projektu supravodivého superurychlovače se projekt velkého srážkového urychlovače hadronů LHC (Large Hadronic Collider) Evropské rady pro jaderný výzkum CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléare) výrazně zpomalil, protože pominul tlak na jeho urychlené dokončení. Termín zahájení provozu byl posunut z roku 2000 až na rok 2005. Mnozí částicoví fyzikové, kteří se zánikem projektu supravodivého superurychlovače ztratili zaměstnání, se zapojili do projektu velkého srážkového urychlovače hadronů LHC nebo se začlenili do jedné ze tří výzkumných skupin detektorů LHC (ATLAS, CMS, ALICE). Mnozí jiní, zejména mladší fyzikové, však fyzikální kariéru zcela opustili a začali pracovat jako bankéři, vývojáři softwaru, brokeři na akciových burzách a podobně. Někteří analytici přičítají současnou nestabilitu akciového trhu přílivu bývalých mladých fyziků z projektu superurychlovače, kteří přišli se zcela novými metodami tržních manipulací. Avšak to je pouhá spekulace.

Američtí fyzikové urychlovačů částic, specializující se na vývoj a výstavbu velkých urychlovačů, zrušením dvou po sobě jdoucích projektů fyziky vysokých energií americkou vládou (projektu ISABELLE v roce 1985 a projektu SSC 1993) značně utrpěli. Přesto nyní plánují vybudování nového lineárního srážkového urychlovače NLC (Next Linear Collider) v ceně několika miliard dolarů. Tento jejich projekt je však přímou konkurencí projektu německé laboratoře DESY v Hamburgu, která navrhuje teraelektronvoltový supravodivý lineární urychlovač TESLA (Tera Electron Volt Energy Superconducting Linear Accelerator), a projektu konstruktérů z japonské laboratoře KEK, kteří plánují japonský lineární srážkový urychlovač JLC (Japan Linear Collider). Všechna navrhovaná zařízení jsou lineární. Urychlování částic se provádí po přímé dráze místo po kruhové dráze magnetického prstence v zařízení SSC a LHC. Elektrony o vysoké energii pohybem po zakřivené dráze rychle ztrácejí svoji energii synchrotronovým zářením se čtvrtou mocninou své energie. Proto elektrony a positrony s energií asi 100 GeV je nutné urychlovat po přímé dráze.

Všechny tři projekty se v řadě ohledů podobají. Všechny jsou určeny ke srážkám elektronů a positronů o energiích 0,5 až 1 TeV (10¹² eV) s luminositou (intenzitou srážek) asi 10³⁴ srážek na cm² za sekundu. Každé zařízení bude umístěno v tunelu o délce asi 30 kilometrů a bude obsahovat dva protisměrné lineární urychlovače o délce 15 kilometrů. Uprostřed tunelu budou umístěny systémy detektorů částic. Elektrony a positrony budou urychlovány v desítkách tisíc supravodivých dutinových resonátorů, které vyvinou urychlovací elektrická pole asi 50 miliónů voltů na metr délky dutiny. Konstrukce každého zařízení bude trvat 6 až 8 let, pokud se podaří získat dostatečné finanční prostředky. V současné době není celková cena lineárního urychlovače upřesněna, ale odhaduje se na 2 až 6 miliard amerických dolarů. Cena bude zřejmě přesahovat roční náklady NASA na provoz projektu mezinárodní vesmírné stanice ISSP (International Space Station Project).

Podle současných studií obě neamerická zařízení by měla být umístěna v již existujících komplexech urychlovačů v Německu a v Japonsku. Podle jedné studie by japonský lineární urychlovač měl být umístěn přímo v laboratoři KEK nedaleko Tokia v opačně orientovaných tunelech pod podzemní infrastrukturou zastavěného okolí. Podle jiné studie by měl být tunel vyhlouben konstrukčními metodami pro budování dálnic v pohoří nedaleko Tokia, protože náklady na jeho výstavbu by byly až 10 krát nižší. Avšak nebylo by možno využít existující infrastrukturu laboratoře KEK. Paprsky elektronů o vysoké energii by se využívaly také pro výkonný roentgenový laser, který by vytvářel nekoherentní i koherentní paprsky tvrdého roentgenového záření pro aplikace fyziky pevných látek a molekulární biologie.

Německá studie předpokládá, že jeden ze zdrojů elektronů a pozitronů urychlovače TESLA bude umístěn v laboratoři DESY v Hamburgu a druhý ve vesnici Westerhorn 30 kilometrů od prvního. Srážkový bod a systém detektorů by měl být umístěn ve vesnici Ellerhoop v poloviční vzdálenosti mezi Hamburgem a Westerhornem. Tunel by měl být vybudován pod zastavěnými oblastmi a zemědělskou půdou v okolí Hamburgu. Němečtí konstruktéři nepředpokládají žádné problémy nebo spory s místními obyvateli, protože zařízení DESY bylo vybudováno stejným způsobem a nový lineární urychlovač bude vybudován ještě hlouběji pod Hamburgem.

Ve Spojených státech amerických o umístění nového lineárního urychlovače dosud nebylo rozhodnuto. Pokud bude projekt schválen, očekává se podobný postup výběru umístění jako v případě zařízení SSC. Průběh výběru místa pro zařízení SSC bylo zajímavé sledovat, protože se v něm střetávaly zájmy federálního vědeckého výzkumu, politika federálních subvencí místním úřadům a regionální podpora v přímém konfliktu s odmítavým postojem části místních obyvatel s hluboce zakořeněným strachem ze všeho "jaderného". Výběr místa Waxahachie v Texasu vycházel z geologického průzkumu Austin Chalk a místo bylo zvoleno díky silné podpoře texaských senátorů v Kongresu, kteří si uvědomují pracovní a finanční přínos celého projektu.

V roce 2005 by v laboratořích CERN měl být uveden do provozu velký srážkový urychlovač hadronů LHC, na němž bude možno provádět čelní srážky protonů o energii až 7 TeV. Tato energie srážek je asi sedmkrát vyšší než energie všech tří navrhovaných lineárních urychlovačů. Proto je jistě oprávněné se ptát, proč by se za značné finanční prostředky měly konstruovat urychlovače s nižšími energiemi než LHC.

Odpověď je poněkud složitější. Protony jsou částice složené ze tří kvarků, které jsou vázány výměnou gluonů. Proton má hmotnost asi 936 MeV, ale každý kvark má hmotnost jen asi 10 MeV. Zbytek hmotnosti protonu je obsažen v gluonech a ve "Fermiho pohybu" kvarků, v kinetické energii kvarků, které jsou silnou jadernou interakcí uvězněny v malé oblasti. Při srážce dvou protonů kvarky odnášejí jen malou část celkové energie protonu. Navíc srážková energie je částečně neurčitá, protože je ovlivněna Fermiho pohybem kvarků. Proto srážkový urychlovač protonů je "brokovnice, která proti sobě vrhá broky s neurčitou energií".

Na druhé straně navrhovaný srážkový urychlovač elektronů a positronů se chová jako "velmi přesná puška". Elektrony a positrony se při srážce chovají jako "bodové" částice. Veškerá jejich energie se soustředí do místa srážky. Z tohoto důvodu srážkový urychlovač elektronů a positronů o energii 1 TeV zhruba odpovídá srážkovému urychlovači protonů o energii 10 TeV. Navíc srážková energie elektronů a positronů není ovlivněna Fermiho pohybem. Proto elektron-positronový srážkový urychlovač o energii 1 TeV bude mít zhruba stejné možnosti tvorby částic jako velký srážkový urychlovač hadronů LHC, avšak navíc umožní přesnější srážkové energie.

Problémem současné částicové fyziky a fyziky vysokých energií je Standardní model částic - teorie fundamentálních částic a jejich interakcí, která funguje až příliš dobře. Všechna dosud shromážděná data z experimentů částicové fyziky za poslední desetiletí jsou s tímto modelem v souladu. Bohužel, Standardní model není teorií, která by poskytovala hlubší pochopení, jak vesmír na mikroskopické úrovni funguje, ale je fenomenologickou teorií, která závisí na řadě "konstant": hmotnostech částic, intenzitách interakcí a intenzitách vzájemných vazeb. [N1] Nedává žádnou představu o tom, odkud tyto konstanty pocházejí a jaké mají vzájemné souvislosti. Teoretičtí fyzikové jsou přesvědčeni, že za "fasádou" Standardního modelu se musí skrývat základnější teorie, jíž však nelze objevit bez experimentů s ještě vyššími energiemi, než máme dosud k dispozici. Experimentální fyzikové potřebují urychlovače s dostatečnou energií, aby výsledky vedly k "narušení" Standardního modelu. Musí provést experimenty, při nichž jeho předpovědi výsledků selžou. Tím se otevře cesta novým teoriím. Není však zřejmé, zda nový velký srážkový urychlovač hadronů se svojí srážkovou energií protonů 7 TeV k tomu bude dostačovat. Navrhovaný lineární srážkový urychlovač elektronů a positronů by měl být doplňujícím zařízením.

Nad navrhovaným americkým projektem lineárního urychlovače NLC (Next Linear Collider) se opět stahují mračna. Ekonomika Spojených států amerických se dosud plně nevzpamatovala z recese a americká veřejnost věnuje větší pozornost vynakládání veřejných finančních prostředků. Michael Holland z Úřadu pro plánování a rozpočet Bushovy vlády tvrdí, že účast americké federální vlády na výstavbě lineárního urychlovače nebo na jiných projektech bude podmíněna tím, jak dobře fyzikové zdůvodní, že nové zařízení bude mít význam nejen pro jejich vlastní oblast výzkumu, ale bude důležité pro americkou vědu jako celek.

Americká vláda věnuje větší podporu projektům NASA, jako je mezinárodní vesmírná stanice ISS nebo různé obranné projekty, jako národní systém protiraketové obrany. Po pádu železné opony a komunistického sovětského bloku se fyzika vysokých energií, která do té doby čerpala z podpory vlády zbrojním projektům, posunula k okraji zájmu.

Jedním z hlavních důvodů, proč byl projekt supravodivého srážkového superurychlovače SSC zastaven, byla mezinárodní neúčast. V Evropě byl budován vlastní menší projekt velkého srážkového urychlovače hadronů LHC. Prezidentovi Bushovi (staršímu) se v lednu 1992 nepodařilo přesvědčit japonského premiéra Miyazawu, aby se Japonsko na projektu SSC podílelo. Ukazuje se, že vybudování tak finančně náročného zařízení, jakým je lineární urychlovač elektronů a positronů, dnes vyžaduje mezinárodní spolupráci silných amerických, evropských a japonských skupin, které budou spolupracovat jako tým nejen při konstrukci a provozu, ale také při přesvědčování svých vlád a veřejnosti. S podobnými problémy, jako se setkávají američtí fyzikové vysokých energií, se musí setkávat fyzikové nebo třeba molekulární biologové všude na světě, pokud žádají značné finanční prostředky. Přitom dnes již není podstatné, kde takové zařízení bude v provozu. Vzájemné soupeření je tak ke škodě celé moderní vědě.

Literatura a odkazy:

[X1]  John G. Cramer: The Next Big Accelerator. Analog Science Fiction & Fact Magazine. Alternate View Column AV-110. February 2002

[X2] Japan Linear Collider Project.

[X3] US Next Linear Collider Project.

[X4]  The German Tera Electron Volt Energy Superconducting Linear Accelerator Project.

[1] Weinberg, Steven: Snění o finální teorii. Nakl. Hynek spol. s r.o., Celetná 11, 110 00 Praha 1. 1996. z amer. orig.: Dreams of a Final Theory. Pantheon Books, New York, 1993. ISBN: 80-85906-26-0

[N1] Vnitřní struktura kvarků. Natura 8/2000