Jön majd a szupernagy hadronütköztető is

A nagy hadronütköztető (Large Hadron Collider, LHC) építése még javában zajlott, amikor 2006 júliusában a CERN-tanács már a későbbi átépítéséről döntött. A 2012-2017 között tervezett fokozatos átalakítás eredményeként jön majd létre a "szuper" LHC (SLHC). Alapjában véve egyetlen, de nagyon lényeges jellemző változik majd meg: az SLHC-ban tízszer több proton-proton ütközés megy majd végbe időegység alatt, mint az LHC-ban. Ezzel alaposabban meg lehet majd vizsgálni a korábban az LHC-ban észlelt jelenségeket, és lehetőség nyílik arra, hogy ritkábban végbemenő, még az LHC-ban sem tanulmányozható dolgokat is szemügyre vegyenek.

Az időegység alatt végbemenő ütközések számát luminozitásnak nevezik a részecskefizikában. Az LHC ilyen szempontból is új korszakot nyit a részecskefizikai kutatásokban, ha a jelenleg zajló javítás után jövő tavasszal újra elindul: luminozitása sokkal nagyobb lesz, mint az eddigi gyorsítóké. A mérnökök és fizikusok azonban már a jövőt, a luminozitás további növelését tervezik.

Az előgyorsítóknál lesz a legtöbb változás

Ehhez alaposan szemügyre vették a jelenlegi rendszert. Azt keresték, hogy hol vannak a gyenge pontok, hol vannak olyan helyek, ahol a jelenlegi megoldással már nem növelhető az áthaladó részecskék száma (más szóval hol van "útszűkület"), és az egyes részegységek megbízhatóság szintjét is elemezték. Az egyértelmű következtetés: a luminozitás komolyabb megnöveléséhez nem magát az LHC-t kell majd lényegesen átalakítani, hanem az előgyorsítók rendszerét.

Korábban már bemutattuk, hogy több kisebb egység gyorsítja egyre nagyobb sebességre a protonokat, mielőtt azok belépnének az LHC-ba. Az előgyorsító láncban van olyan gyorsító is, amely még 1959-ben épült - amikor meg senki sem álmodott arról, hogy egyszer lesz egy szupravezető mágnesekből álló nagy hadronütköztető. Az ionforrás után az első gyorsítást a Linac2 végzi, majd jön a Booster, ezután a PS proton-szinkrotron, majd az SPS szuper-proton-szinkroton, innen kerülnek át a kellően előgyorsított protonok az LHC-ba (lásd a lenti ábrán).

Ebből a rendszerből az átépítés után csak az átalakított SPS marad meg, a többi gyorsító helyett újak épülnek. Az első lépcsőt a Linac4 lineáris gyorsító képezi majd, a következő fokozat is egy lineáris gyorsító, a szupravezető mágnesekkel működő LPSPL (Low-Power Superconducting Proton Linac) lesz. A régi PS proton-szinkrotron helyett új proton-szinkrotron épül, ez lesz a PS2. A PS2-ből kilépő nyaláb pedig a régi úton repül tovább: irány az SPS, majd az LHC. Az SPS sem marad azonban változatlan: mai 450 GeV energiáját 1 TeV-re viszik fel, tehát 1 TeV-es protonnyalábok lépnek majd be a szuper-LHC-ba. A korszerűsítési programnak ez a legbonyolultabb és legköltségesebb eleme.

Még nagyobb energiák

Változnak az egyes gyorsítókban elért energiák is, más lesz a szereposztás. A mai Linac2-ből 50 MeV-es protonok léptek ki, a Linac4 viszont 160 MeV-re gyorsítja majd a protonokat. A Linac4 tervezése már előrehaladt fázisban van, hamarosan a tényleges építéshez is hozzákezdenek, az üzembehelyezés tervezett időpontja 2012. A Linac4 segítségével megduplázható lesz az LHC luminozitása.

A mai rendszer következő elemeiben, a Boosterben és a PS-ben nem növelhető a nyalábintenzitás, és a több évtizedes működés után már a hosszú távú megbízhatóság is kétséges. A helyettesítő gyorsítók megtervezésénél nemcsak az LHC kiszolgálásával számolnak, hanem figyelembe veszik a CERN más programjait is, például a "neutrínógyárat". A szupravezetős lineáris gyorsító, az LPSPL kimenetére néhány gigaelektronvoltos nyalábot terveznek. Az új proton-szinkrotron, a PS2 pedig 50 GeV energiájú protonokat fog átadni az SPS-nek. (A mai PS 25 GeV-es protonokat szolgáltat.)

Az LPSPL és a PS2 előkészítése elérte a kutatás-fejlesztési fázist, jelenleg a tervvariánsok optimalizálásán dolgoznak. A berendezések megépítéséről a mai menetrend szerint 2011-ben döntenek. A két gyorsítót az LHC működésével párhuzamosan, annak zavarása nélkül megépíthetik. Ha 2017-re elkészülnek ezek az új berendezések, akkor az LHC-t hosszabb időre leállítják, és összekötik az új előgyorsító rendszerrel.

Ismerkedés az energiaegységekkel

1 elektronvolt (eV) az a mozgási energia, amelyre egy elektron 1 Volt feszültségkülönbséget befutva szert tesz. Többszörösei: ezerszerese a kiloelektronvolt (keV); milliószorosa, vagyis a keV ezerszerese a megaelektronvolt (MeV); a MeV ezerszerese a gigalelektronvolt (GeV). Újabban már a TeV egységre is szükség van a gyorsítók leírásánál, ez a teraelektronvolt, az eV billiószorosa, a GeV ezerszerese. (1 TeV=10³ GeV=10⁶ MeV=10⁹ keV=10¹² eV)

Az LHC és a detektorok is módosulnak

Természetesen az LHC sem ússza meg átalakítás nélkül a luminozitás növelését. Azokon a részeken módosítanak, ahol a két felgyorsított nyaláb összeütközik. Változtatni kell a nyalábokat a találkozás helyére fókuszáló rendszeren - a nyalábok mérete csökkeni fog a találkozási pontban.

Összegezve: az LHC-ba több proton lép majd be az új előgyorsító rendszerből, és ezt az intenzívebb nyalábot kisebb területre fókuszálják, így érik el majd a tízszeres luminozitás-növekedést.

Változtatni kell a detektorokon is. A két általános célú nagy detektor (ATLAS és CIMS) gyorsaságát, érzékenységét meg kell növelni. Változtatni fognak az adatgyűjtő részegységeken és teljesen kicserélik a központi, nyomokat rögzítő detektorokat. Egyes helyeken megerősítik a sugárárnyékolást, és a nyalábvezető csövek elemeit is cserélni kell.

A tízszer nagyobb luminozitású SLHC-ben alaposabban meg lehet majd vizsgálni a korábban az LHC-ban észlelt jelenségeket. Jobb lehetőség nyílik arra, hogy ritkábban végbemenő, az LHC-ban nem tanulmányozható jelenséget is szemügyre vegyenek. Az SLHC új elemeinek építése közben az LHC zavartalanul működhet.

Mint arról szeptember 10-én beszámoltunk, "bekapcsolták" a nagy hadronütköztetőt, a világ legnagyobb részecskegyorsítóját a Genf melletti nemzetközi kutatóközpontban, a CERN-ben. Szeptember 19-én héliumszivárgást jeleztek a műszerek a gyorsító alagútjában. A vizsgálatok azóta feltárták a szivárgáshoz vezető folyamatokat, és megkezdték a hibaelhárítást, de csak 2009-ben indulhat újra az LHC. Egy ennyire összetett, részben vadonatúj csúcstechnológiai megoldásokat alkalmazó hatalmas rendszer beüzemelésénél törvényszerűen számolni kell kisebb-nagyobb problémákkal, hibákkal. A mostani hiba kijavítása a szupravezetés miatt időigényes. A fizikusok azonban közben is tudnak tovább dolgozni a detektorrendszerek kipróbálásán, beszabályozásán, a számítástechnika beüzemelésén.