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?

Zajlanak a végső előkészületek a 27 kilométeres alagútban

Néhány hónapon belül megkezdődhetnek a kísérletek a világ legnagyobb és legújabb részecskegyorsítójában a Genf mellett lévő részecskefizikai kutatóközpontban, a CERN-ben. Az itt végzett megfigyelésekből az Univerzum kialakulásának és az anyag szerkezetének soha nem látott titkaira derülhet fény. Cikksorozatunk bevezető részében a kísérletekkel kapcsolatos biztonsági szempontokat tekintettük át, és megnyugodhattunk afelől, hogy nem lesz világvége.

De miért van szükségünk részecskegyorsítókra? Egyrészt segítségükkel szemügyre vehetjük az atomi és az atominál is kisebb, úgynevezett szubatomi világot. Másrészt a részecskegyorsítók elengedhetetlenek a legtöbb részecskefajta létrehozásához és tanulmányozásához.

Az atomok belsejében

Görög eredetű atom szavunk oszthatatlant, szétvághatatlant jelent. A fizikai kutatások a 20. században feltárták, hogy az atom különböző részekből áll, sőt az alkotórészek egy része is összetett. Egy részekből összeépített szerkezetet úgy lehet alaposan megismerni, hogy szétszedjük, egyenként alaposan szemügyre vesszük az alkotóelemeket, majd megpróbáljuk újra felépíteni a rendszert. Ez a kíváncsiság munkál a kisgyermekben, amikor szétszedi játékait, és ugyanez munkál a kutatókban is, amikor az atomot és az azt felépítő részecskéket szeretnék megismerni. A fizikusok munkáját furcsa paradoxon nehezíteni: minél jobban részeire szeretnék bontani az anyagot, annál nagyobb energiát kell ehhez befektetni, annál nagyobb, bonyolultabb kísérleti berendezéseket kell építeni.

1911-ben Ernest Rutherford (1871-1937) aranyfóliát tett ki alfa-sugárzásnak. Az alfa-részecskék többsége simán áthatolt a fólián, néhány részecske viszont visszaverődött. A brit fizikus mérési eredményeiből arra következtetett, hogy az atom belsejében egy tömör tartománynak kell lennie, amelyről az alfa-részecskék egy része "visszapattant". Megszületett az atom máig érvényes modellje: az atom közepén foglal helyet a százbilliomod méternél kisebb atommag, ez tömöríti magába az atom tömegének 99%-át. Az atommag kiterjedése tízezred része az atoménak, az atomtérfogat túlnyomó részét a mag körül keringő elektronok töltik ki.

Jobbra: a Bohr-féle atommodell a Rutherford-féle atommodell javított változata. A pozitívan töltött atommag körül keringenek az elektronok. Ma már az atom kvantummechanikai leírása teljesebb, ezt a modellt azonban egyszerűsége miatt még mindig tanítják (forrás: Wikipedia)

Rutherford kísérletei után két évtizeddel kiderült, hogy az atommagokat közel azonos tömegű elemi részecskék, pozitív töltésű protonok és semleges neutronok alkotják. A múlt század hatvanas-hetvenes éveinek elméleti modelljei és kísérleti vizsgálatai pedig feltárták, hogy a protonok és a neutronok is összetettek, belső szerkezetük van, kvarkokból állnak. Később újabb és újabb részecskéket fedeztek fel, és lassan több százra nőtt a számuk. E parányok vizsgálatához óriások adnak segítséget.

Látni a láthatatlant

A mikrovilág fogalmainak, folyamatainak többségét nehéz, vagy sokszor lehetetlen a hétköznapi, a makrovilágban megszokott fogalmakkal leírni, lehetetlen a szokásos módon elképzelni. Ilyen megfoghatatlan dolog a részecskék kettős természete is. Évszázados vitákat lezárva Albert Einstein 1905-ben kimondta, hogy a fénynek hullám- és részecsketulajdonságai egyaránt vannak, bizonyos helyzetekben a hullám-jelleg uralkodik, más helyzetekben pedig a részecske-jelleg. A két tulajdonság elválaszthatatlan. Az 1920-as években bebizonyosodott, hogy az elektronok és a protonok is rendelkeznek ezzel a kettőséggel, majd ez igaznak bizonyult valamennyi elemi részecskére.

A szóhasználat úgy alakult a fizikában, hogy az anyag elemi és összetettebb építőköveire a részecske elnevezést használják, de nem szabad elfeledkezni arról, hogy a részecske kettős jellegű, hullámtulajdonságai éppoly fontosak. Az éppen hullámként megfigyelt részecske hullámhossza az energiájától függ: minél nagyobb a részecske energiája, annál kisebb, annál rövidebb hullámhossza. Minél rövidebb a hullámhossz, annál kisebb tárgyak tanulmányozhatók egy műszer segítségével, annál finomabb részleteket lehet feltárni.

Éppen ez a részecskegyorsítók működésének lényege: ahogy egyre nagyobb és nagyobb energiákat szolgáltató berendezések épültek, úgy rövidült a gyorsított részecskék hullámhossza, és a szubatomi világ egyre finomabb részletei váltak megfigyelhetővé.  Szabad szemmel nagyjából a centiméter századrészének megfelelő nagyságú dolgokat vagyunk képesek észlelni. Az optikai fénymikroszkóppal ezerszer kisebb dolgokat, a sejtek részleteit tanulmányozhatjuk. Az elektronmikroszkópban a felgyorsított elektronnyalábokkal megfigyelhetővé válnak a vírusok, a nagyobb szerves molekulák. Ha az atomokat akarjuk tanulmányozni, akkor nagyobb energiájú részecskegyorsítókra van szükségünk. Az atom magja a hétköznapi méretekhez képest elképzelhetetlenül kicsi, a nagyobb magok átmérője a méter százbilliomod része. Az atommag alkotórészei, a protonok és a neutronok még vagy tízszer kisebbek és ezek is összetett részecskék, mint említettük, kvarkokból állnak. És a kvarkokat is "látni" szeretnénk.

A nagy hadron ütköztető

A nagy hadron ütköztető (Large Hadron Collider, LHC) megépítése az emberiség egyik legnagyobb tudományos-technikai teljesítménye, amihez csak a Nemzetközi Űrállomás építése fogható, és természetesen ez is nemzetközi összefogással készült. Az LHC máris egy sor technológiai rekordot döntött meg, többek között itt van a világ legnagyobb szupravezető mágnese. A CERN legutóbbi hivatalos információi szerint a berendezés szegmenseinek lehűtése a terv szerint halad, és körülbelül augusztus végére az egész rendszerben elérik az 1,9 kelvint (ez mindössze 1,9 fokkal van az abszolút nulla fok felett, azaz valamivel több mint mínusz 271 Celsius-foknak felel meg). Ha ez bekövetkezik, megkezdődhetnek az első, még teszt-jellegű kísérletek. A hivatalos indulást idén októberre tervezik.

Egzotikus részecskék

A gyorsítók varázspálcaként segítenek új részecskék létrehozásában. A rengeteg ismert részecske közül csak nagyon kevés stabil, a többi elbomlik, más részecskévé, részecskékké alakul át. A megismerésükhöz tehát kísérleti körülmények között kell őket létrehozni. Ebben a jól ismert Einstein-féle formula, a tömeg és az energia ekvivalenciája van a segítségünkre. Ha két részecske összeütközik - például a felgyorsított, nagyenergiájú részecske az álló céltárgy valamelyik részecskéjébe ütközik -, akkor elsősorban az energiától függ, hogy milyen részecskék keletkezhetnek, a folyamatban rendelkezésre álló energia szabja meg, hogy maximum milyen tömegű részecske jöhet létre. Természetesen nem keletkezhet "akármi", teljesülni kell a megmaradási törvényeknek és bizonyos kiválasztási szabályoknak is.