A fizika Szent Grálját keresi a detektorok királya

Huszonegy méter hosszú, tizenöt méter átmérőjű, 12 500 tonnás hordó, számtalan érzékelővel, kábellel és egy gigantikus mágnessel, amelynek méretét egy francia városka utcáinak szélessége szabta meg:  ez a nagy hadron ütköztető talán legizgalmasabb észlelőberendezése, a CMS, a kompakt müon szolenoid detektor. Megalkotása a világ egyik legnagyobb tudományos együttműködése, amelyben mintegy háromezer fizikus és mérnök vett részt. A detektortól várt legfontosabb eredmény látszólag egyszerű: meg kell találni egy régóta keresett részecskét. Tejinder Virdee, a CMS-program vezetője műhelytitkokról is mesélt.

Peter Higgsnél talán senki nem várja jobban a CMS megfigyeléseit - keresik a róla elnevezett, kulcsfontosságú részecskét

A közkeletű példával élve, ha szeretnénk megismerni egy karóra belső szerkezetét és működését, akkor még az utolsó megoldások között sem jutna eszünkbe, hogy minél nagyobb erővel összecsapjuk egy másik karórával, majd a kirepülő rugók és fogaskerekek megfigyeléséből vonjuk le következtetéseinket. A részecskék világában azonban egyelőre nincs jobb módszerünk - ezért építették meg a világ legnagyobb részecskegyorsítóját, a nagy hadron ütköztetőt, amelynek talán legfontosabb detektora az óragyártás hazájában, Svájcban található.

A 27 kilométeres alagútban egymással szemben száguld majd a két, először szeptember 10-én körbevezetett protonnyaláb, hogy aztán a négy detektorrendszer területén ütköztessék őket, és a kirepülő "alkatrészekből", azaz a másodlagos részecskezápor nyomvonalának, energiájának és egyéb jellemzőinek megfigyeléseiből levonják a tanulságokat az anyag legmélyebb szerkezetére vonatkozóan. A négy nagy észlelőrendszer egyike a gigantikus a kompakt müon szolenoid detektor - a szavak angol megfelelőinek kezdőbetűi alapján CMS -, az emberiség egyik, ha nem a legösszetettebb és legbonyolultabb kísérleti eszköze.

A CMS megfigyeléseit talán senki nem várja annyira izgatottan, mint egy idős angol fizikus, Peter Higgs. Mivel ő jósolta meg a létezését, róla nevezték el azt a részecskét, amelynek az elméleti fizikusok többsége szerint léteznie kell, máskülönben a részecskék világát leíró, ma általánosan elfogadott elméletben, az úgynevezett Standard Modellben értelmezhetetlen a többi részecske tömege. Az elmélet szerint - amelyet születésekor még mulatságosnak tartottak, és az anekdota szerint Higgst csak azért hívták meg neves egyetemekre, hogy kinevethessék - ez a részecske ad tömeget a többinek, miközben valamilyen rejtélyes, számunkra nem érzékelhető módon kölcsönhat velük. Nincs mese, a nagy hadron ütköztetővel meg kell találni a Higgs-bozont (ez a hivatalos neve), vagy ki lehet dobni a mostani tankönyveket, és jöhetnek az észbontó alternatív magyarázatok.

"Ez a plafon fog leszakadni, ha meglesz a Higgs" - mondja Vesztergombi György fizikus professzor a CMS monitorokkal zsúfolt irányítótermében. Ez a gyorsító már elég nagy a nagy tömegű részecske észleléséhez, de a feladat így sem lesz egyszerű: akár három évig is tarthat a keresés. A fizika Szent Gráljaként is emlegetett Higgs-bozon fontosságával ugyanis már csak a ritkasága vetekszik. Vesztergombi ahhoz hasonlítja a feladatot, mintha a Csendes-óceánban egyetlen hal lenne, és mi azt szeretnénk kifogni úgy, hogy egymás után vaktában merítjük a hálónkat a vízbe. Csak sok-sok milliárd ütközés után várják a CMS-től annak képnek az összeállását, amely a Higgs-bozon felbukkanásával, majd azonnali bomlásával magyarázható. A felfedezés tehát statisztikai alapon megy majd, a szokásos plusz-mínusz eltéréssel, de a fizikusok zöme szerint egyértelmű lesz. Nagyon nagy szerencse kellene az úgynevezett "arany-formulához", egy olyan speciális bomláshoz, amikor egy kísérlet során valóban azonnal kiugrana, hogy "itt járt" a Higgs.

Vesztergombi György a CMS irányítótermében

A magyarok hozzájárulása is igen jelentős a detektorrendszerhez - mondja Vesztergombi, a CMS kísérletek magyar vezetője. Debreceni fizikusok készítették el azt a lézeralapú pozícionáló rendszert, amellyel a müondetektorok (lásd az ábrán) belső részeinek elmozdulásait, illetve ezek nagyságát tudják követni. Ezek a részek ugyanis külső hatásokra (például hőmérsékletváltozásra) egymáshoz képest millimétereket mozognak, ami probléma lenne a részecskepályák detektálásában, ezért ezt figyelembe kell venni az eredmények értékelésénél. A hatméteres kamrák szálainak helyzetét, a részecskepályák megfelelő rekonstrukciója végett, tizedmilliméteres pontossággal kell meghatározni.

A CMS szerkezete - a részleteket lásd a szövegben

Ha a CMS-t egy óriási hordónak tekintjük, akkor mindkét végén egy-egy nagy dugó van - magyarázza egy ábrán Vesztergombi, aki a KFKI RMKI kutatóival ezeknek a dugóknak a felépítésén dolgozott (az ábrán Very-forward calorimeter néven). Ezek valójában igen összetett kvarcszálas detektorok: 3 méter átmérőjű és 2 méter hosszú vastömbök, amelyekbe rengeteg egy milliméteres lyukat fúrtak. (Előre kifúrt lemezekből préselték össze a dugókat, egy speciális orosz hegesztési technológiával, amelyet eredetileg az atombombák gyártásához dolgoztak ki.) Az orosz-amerikai-magyar-török együttműködéssel készült szerkezetek lyukaiba aztán a magyarok rakták be a kvarcszálakat, egy év alatt körülbelül félmillió darabot. Ezeknek a műszereknek a segítségével a CMS szívében történő ütközések során keletkezett részecskék erre repülő részének összes energiáját meg lehet mérni. Bár a "dugó" a térszögnek csak minimális hányadat foglalja el, a két dugón ugyanannyi részecske megy át, mint a "hordó" teljes területén. Ehhez hozzáadva a detektor többi részében észlelt energiákat, ki lehet számolni a részecskék együttes energiáját. Az ütközésben felszabadult energia és a részecskék összes energiájának különbsége az, amit a feltételezett szuperszimmetrikus részecskék (lásd sorozatunk 7. részében) elvihetnek.

A nagy hadron ütköztető (LHC) elindítása alkalmából interjút adott az [origo]-nak Tejinder Virdee, a rendszer egyik legnagyobb észlelőberendezésének, a CMS detektornak a vezetője. A továbbiakban részletesen bemutatjuk a detektort, valamint az interjú legérdekesebb részleteit, amelyet magyar feliratú videofelvételen követhetnek nyomon.