Indul a legnagyobb részecskegyorsító - 1. rész: Miért kellenek a gyorsítók?

A kísérleti részecskefizika mai legnagyobb eszköze, a legnagyobb részecskegyorsító, a nagy hadron ütköztető egy 27 kilométer kerületű föld alatti alagútban működik majd, ami hosszabb a budapesti metróvonalaknál. A detektorok több tíz méteresek, a belsejükben a sok tonnányi vas éppúgy megtalálható, mint a nagyon finom szerkezetek. Minden másodpercben hatalmas adatmennyiséget gyűjtenek, az események milliárdjaiból pedig a legnagyobb teljesítményű számítógépek, számítógépek hálózatai válogatják ki a néhány nagyon érdekes új jelenséget. De egyáltalán miért van szükség ezekre a gigantikus és drága szerkezetekre?

A részecskegyorsítók működési elvei

A részecskegyorsítók működési elvei nagyon egyszerűek, felépítésük viszont igencsak bonyolult, és mindig is koruk műszaki csúcsteljesítményeit testesítették meg. Gyorsítani csak elektromos töltéssel rendelkező részecskéket lehet, semlegeseket nem. Mindenekelőtt kell egy forrás, amelyből a gyorsítandó részecskéket, például az elektronokat vagy a protonokat kinyerik. A gyorsítandó részecskenyaláb pályája mentén - legyen az egyenes vagy körpálya -, tehát abban a csőben, amelyben a nyalábot mozgatják, nagy légritkítást, vákuumot kell elérni, hogy a felgyorsított részecskék ne ütközzenek idő előtt a levegő atomjaiba, molekuláiba. Az ilyen ütközés ugyanis a felgyorsított részecske elvesztésével jár, hiszen nem gyorsulhat fel a tervezett energiára, nem ér oda kísérletünk tervezett helyszínére.

A gyorsításra, az energiaközlésre az elektromos teret használják fel, a feszültségkülönbséget befutó részecske energiát vesz fel, felgyorsul. A részecskéknek az eltervezett pályán való megtartására, "kormányozására" pedig a mágneses tér szolgál. A mágneses tér eltéríti a mozgó töltést, megpróbálja körpályára terelni, ezért megfelelően kialakított mágneses térrel tetszőleges pályákra terelhetők a töltött részecskék. A különböző típusú, eltérő elvi megoldású gyorsítók elektromos és mágneses tereik kialakításában különböznek egymástól. Forrás és vákuum mindegyikhez kell, az egyedi érdekességek a gyorsításra szolgáló elektromos terek és a nyaláb vezetésére szolgáló mágneses terek kialakításában rejlenek.

Alapjában véve kétféle pálya alakítható ki: a részecskéket vagy egyenes vonal mentén gyorsítják (ezek a lineáris gyorsítók), vagy körpályán (ezek a ciklikus gyorsítók). A ciklikus gyorsítókon belül többféle típus létezik: van, ahol spirális pályát fut be a részecske (mint a ciklotronban), másutt, a nagyobb energiájú ciklikus gyorsítókban állandó a pálya köríve, itt a mágneses tér folyamatos módosításával, a mágneses tér erősségének folyamatos növelésével érik el, hogy az egyre gyorsabb részecske ugyanazon a pályán rója köreit. A gyorsítás történhet folyamatosan és impulzusokban, utóbbi esetben kis "részecskecsomagokat" mozgatnak.

Az LHC 27 kilométer kerületű alagútjában protonok fognak összeütközni

Még nagyobb energia érhető el, ha két, egymással szemben felgyorsított részecskenyaláb ütközik. Ezen az elven működnek az ún. találkozónyalábos részecskegyorsítók, és ez a folyamat valósul majd meg a nagy hadron ütköztetőben is: a két részecskenyaláb hosszú ideig gyorsul egymástól függetlenül külön-külön pályán, majd frontálisan ütköznek.

A részecskék észlelése

Az atommagfolyamatok és a részecskék közti kölcsönhatások, ütközések következményeinek kimutatására, észlelésére szolgálnak a részecskedetektorok. Az egyszerű detektorok csak a részecske jelenlétét jelzik egy adott pillanatban és helyen. A detektorok lényeges jellemzője a térbeli és időbeli felbontóképesség: minél jobbak ezek a paraméterek, annál finomabb térbeli és időbeli részleteket tudnak megkülönböztetni a kutatók, annál pontosabb választ kaphatnak arra, hogy itt és most részecske jelent meg.

Valójában ennél jóval többre kíváncsiak: azonosítani kell a részecske fajtáját. Ebben segít, ha sikerül megmérni a töltését, a tömegét. A lejátszódott folyamat megértéséhez pedig fontos információt ad a részecske energiája, mozgásának az iránya. A részecskedetektálás alapjául csaknem mindig a részecske (vagy a sugárzás) és a detektor anyagának elektromágneses kölcsönhatása szolgál. A detektorban mozgó részecske többféle módon adhat hírt a megjelenéséről: nyomot hagyhat a műszer anyagában, fényfelvillanásokat kelthet vagy elektronlavinát indíthat el. Az LHC-programban négy nagy detektor működik majd (lásd az alábbi ábrán), amelyeket sorozatunk egy későbbi cikkében mutatunk be részletesen

Égi laboratórium

Joggal merül fel az a kérdés, hogy a hatalmas, drága berendezések megépítése helyett miért nem elég a természetben spontán lezajló folyamatok tanulmányozása? Az ismert Világegyetemben mindenütt ugyanazok a fizikai törvények érvényesülnek, elvileg elég lenne tehát a természet megfigyelése is.

A világűrből érkező részecskesugárzás, a kozmikus sugárzás tanulmányozása a részecskegyorsítók, atomreaktorok elterjedése előtt a magfizika és a részecskefizika egyetlen kísérleti lehetőségét jelentette. Jelentősége ma sem csökkent, hiszen a földi laboratóriumokban elérhető részecskeenergiák milliárdszorosa is előfordul a kozmikus sugárzásban, a nagyon nagy energiájú részecskék tanulmányozására ma is csak a kozmikus sugárzás ad lehetőséget. A földi, megtervezett kísérletekkel szemben viszont ennek kétségtelen hátránya, hogy az események bekövetkezési ideje, módja nem befolyásolható, csak a megtörtént esemény jellemzőinek a rögzítésére van mód.

A részecskék világának szisztematikus, előre megtervezett vizsgálatára tehát nem marad más megoldás, mint egyre nagyobb részecskegyorsítók és detektorok építése.

* * *

A nagy hadron ütköztető építéséről, működéséről és a vizsgálatok céljairól a következő hónapokban részletesen olvashatnak sorozatunkban. A következő részben röviden áttekintjük a CERN több mint fél évszázados történetét, megismerkedünk az itt épült részecskegyorsítókkal és a velük elért legfontosabb fizikai felfedezésekkel.