Európa az élen: ütközési világrekord a CERN-ben

Kedden újabb nagy siker született az európai részecskefizikai kutatóközpontban, a CERN-ben: az eddigi legnagyobb energiájú ütközések történtek a részecskefizikában.

Az eddigi legnagyobb energiájú ütközések nyomai az ATLAS kísérletnél

December 8-án (kedden) este a nagy hadronütköztetőben (Large Hadron Collider) köröző két részecskenyalábot első alkalommal gyorsították fel egyszerre nagyobb energiára, nyalábonként 1,18 teraelektronvoltra (TeV, a mértékegységet lásd keretes írásunkban).

Ezután a nyalábok ütközése is megtörtént, így az LHC-ben 2,36 TeV-es ütközések zajlottak. Elsőként az ATLAS kísérlet detektorai rögzítették az ütközéseknél történt eseményeket.

Ezzel újabb világcsúcs született a CERN-ben: az eddigi maximális ütközési energia 1,96 TeV volt, amelyet az amerikai Tevatron gyorsítóval értek el. Az új eredménnyel Európa az élre tört: immár nem csupán az eddigi legnagyobb nyalábenergiák, de a legnagyobb energiájú ütközések is az LHC-hez kötődnek. A különbség nem rejt magában felfedező potenciált, de egy újabb mérföldkő azon az úton, amelyen még nagyobb energiájú ütközések következnek, új fizikai felfedezések ígéretével.

Mint arra Jéki László cikksorozatából sokan emlékezhetnek, az LHC egy úgynevezett ütközőnyalábos gyorsító, azaz a két gyorsítócsőben egymással ellentétes irányban és közel fénysebességgel száguldó részecskecsomagokat bizonyos pontokon - a négy nagy kísérlet, a négy hatalmas detektorkomplexum területén - összevezetik, így a nyalábok szembetalálkoznak. A részecskék egy része összeütközik, ami rövid időre óriási energiát szabadít fel, olyan állapotokat teremtve kísérleti körülmények között, amelyek vizsgálatával az anyag legmélyebb szerkezetének megértéséhez kerülhetünk közelebb.

Ismerkedés az energiaegységekkel

A részecskegyorsítókkal való "barátkozáshoz" elengedhetetlen a magfizikában és részecskefizikában használatos energiaegységek megismerése. 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)

Lépésről lépésre

Mint arról korábbi cikkeinkben olvashattak, az LHC újbóli beüzemelése fokozatosan, lépésről-lépésre zajlik. A "bekapcsolás" 2009. november 20-án késő este történt meg, amikor mindkét irányban körbevezették a proton-nyalábokat, először a 2008-as nagy meghibásodás óta.

November 23-én érték el először azt az állapotot, hogy a két részecskenyaláb egyszerre körözött az LHC-ben, így röviddel ezután megtörténtek az első nyaláb-nyaláb ütközések. Ezek energiája még csak 900 GeV volt (az előgyorsító rendszer energiája), továbbá fókuszálatlan és kis luminozitású (lásd keretes írásunkban) nyalábokról volt szó. A kísérletek érzékelték az ütközéseket, de a belső detektorok még nem voltak üzemben. A nyalábokat ugyanis biztosan "kézben kell tartani", hogy garantálni lehessen a stabil körülményeket az ütközések során. Ellenkező esetben a detektorok belső részei károsodhatnak.

Illusztráció az LHC-ben haladó nyalábokról. Egy dipólmágnesbe "bepillantva" látható mindkét nyalábvezető cső, benne a protoncsomagokkal

November 30-án az 1-es és 2-es nyalábban is sikerült 1,18 TeV-re felgyorsítani a protonokat. Ez világcsúcsnak számít, mert az amerikai Tevatron 0,98 TeV-es maximumot tud.

December 4-6-án újabb fontos eredmények születtek: az LHC átváltott stabil nyaláb módba 450 GeV-en. A stabil nyalábokban olyan feltételek uralkodnak, amelyek a megfelelő ütköztetésekhez kellenek: a stabil nyalábokban oda és akkor érkeznek a részecskecsomagok, ahová szeretnék a fizikusok. Az első (november 23-ai) ütközéseknél még nem voltak stabil nyalábok, és a nyalábok még csak egy-egy részecskecsomagból álltak. December 4-6-án azonban először két, majd négy csomag volt egy-egy nyalábban. A stabil nyalábokkal ütközések is voltak, hogy a négy kísérlet mérni tudjon 900 GeV-en, és folytatódhasson a detektorok kalibrációja. A nyalábok stabilitása lehetővé tette a belső detektorok felkapcsolását.

December 8-án este az ATLAS elsőként érzékelt 2,36 TeV-es ütközéseket a nyalábok között.

A luminozitás gyakorlatilag a részecskenyaláb "fényességét" jelenti; értéke azt mutatja meg, mennyi ütközés történik egységnyi keresztmetszeten egységnyi idő alatt. Ez függ a körfrekvenciától (hányszor mennek körbe a nyalábok egységnyi idő, itt 1 s alatt, illetve hányszor találkoznak egymással), a két nyalábban lévő részecskék számától és az átfedő felület nagyságától (négyzetcentiméterben). A luminozitás növelése biztosítja, hogy a nyalábok ütköztetése során megfelelő számú proton-proton ütközés jöjjön létre. A luminozitás növelésének egyik módja a nyalábokban haladó részecskecsomagok számának növelése. A másik a nyalábok felületének csökkentése, azaz a nyalábok fókuszálása.

Nem veszélyes

Fekete lyukaktól sem most, sem később nem kell félni. Az LHC nyalábenergiáját fokozatosan fogják emelni, és ha elérik a maximumot (7 TeV, valamikor 2011 körül), akkor is sokkal kisebb energiájú események következnek be az ütközések során, mint amilyeneket a légkör felső részén okoznak a becsapódó kozmikus részecskék.

Fontos tudni, hogy igazi felfedező potenciál, vagyis új fizika csak jövőre lesz az LHC-ben, amikor a nyalábenergiát 3,5 + 3,5 TeV-re emelik. Az első fizikai eredmények közé tartozhatnak majd az alacsony tömegű szuperszimmetrikus részecskék, de a Higgs-bozonra akár éveket is kell majd várni, ha létezik.

Válaszokat várnak a világ nagy kérdéseire

Az LHC-vel végzett megfigyelésekből az Univerzum kialakulásának és az anyag szerkezetének soha nem látott titkaira derülhet fény. Rovatunk cikksorozatot indított a témában, amelynek bevezetőjében a kísérletekkel kapcsolatos biztonsági szempontokat tekintettük át, majd az első részben vizsgáltuk, miért van szükségünk egyáltalán részecskegyorsítókra, ezekre a gigantikus és drága szerkezetekre. A második részben a CERN eddigi részecskegyorsítóit és a korábban elért legfontosabb tudományos eredményeket ismertettük, a harmadik részben az LHC lenyűgöző technikai jellemzőit mutattuk be. A negyedik részben a kvark-gluon-plazmával, az Univerzum ősanyagával foglalkoztunk, amelyet a várakozások szerint "elkészítenek" majd végre a CERN-ben. Az ötödik részben arra kerestük a választ, hogy miért csak anyag van a Világegyetem eddig általunk megismert részében, hová lett az antianyag, illetve miért létezhet egyáltalán az anyag - az LHC ezek megválaszolásához is közelebb vihet bennünket. A hatodik részben egy kulcsfontosságú részecskével, a Higgs-bozonnal ismerkedhettek meg - amelynek megtalálása az LHC legfontosabb feladata -, majd a Standard Modellen túli részecskefizikai elméletekről olvashattak, amelyek első kísérleti alátámasztása is most először várható.

Jéki László (1942-2009)

A fenti cikksorozat szerzője Jéki László, a fizikai tudomány kandidátusa, a tudományos ismeretterjesztés kiemelkedő személyisége, aki 2009. április 22-én, hosszú betegség után elhunyt.

"Elhatalmasodó betegségével élni akarását és azt a képességét szegezte szembe, hogy magát és betegségét mintegy természeti jelenségként, kívülről szemlélte. Betegségéről teljes nyíltsággal, de az önsajnálat vagy a szánalomkeltési szándék legkisebb jele nélkül beszélt. A hogylétére vonatkozó kérdésre az ismeretterjesztő munkáiból jól ismert, feszes, de a lényeget pontosan leíró választ adott, majd soha nem mulasztotta el jellegzetes, fanyar, mégis huncut mosolyával visszakérdezni: 'és uraságod hogy van?' Többé már ezt a kérdést sem teszi fel. Nagyon hiányzik és nagyon fog hiányozni. Emlékét megőrizzük." (Részlet a Fizikai Szemlében megjelent megemlékezésből)