Leállították a nagy hadronütköztetőt

Szépen híznak a részecskenyalábok a világ legnagyobb részecskegyorsítójában, a CERN nagy hadronütköztetőjében. Az elmúlt napokban újabb rekordokat döntött meg a berendezés, amely most - részben a magasabb téli áramszámla miatt - pihen egy kicsit. A leállás ideje alatt a mérnökök tovább javítanak a rendszer üzembiztonságán, a fizikusok pedig legalább ezt az ünnepet családi körben tölthetik.

Ütközés után a CMS detektorban. A kép bal oldali részén valószínűleg egy kétmüonos esemény látható: a balra kifelé kígyózó vonalak jelzik a részecskék pályáit. A hullámos nyomvonal a mágneses tér polaritásának változásai miatt alakul ki. A piros és kék tüskék a müonok által leadott energiát jelzik

A Genf melletti CERN környékén, főképp a francia oldalon sok ember fűt árammal, ezért a téli időszakban az európai részecskefizikai kutatóintézet sokkal drágábban kapja az áramot a közeli francia atomerőműből, mint nyáron. Ez az egyik oka annak, hogy december 16-án este 6 óra körül terv szerint leállították a nagy hadronütköztető (Large Hadron Collider, LHC) működését, ami az atomreaktor kapacitásának optimális kihasználását is segíti. A téli szünet február elejéig tart.

"A CERN minden évben teljesen bezár a karácsonyi-újévi két hétben, hogy csökkentsük az energiaköltséget. A szerződésünk olyan, hogy az energiaigényes időszakokban a többszörösét fizetjük a normál árnak. Ilyenkor az épületeket elég csak temperálni. A leállás lehetővé teszi olyan karbantartások elvégzését, amelyek évközben nem megoldhatók, mert az alapinfrastruktúrát, például a számítógép- vagy telefonhálózatot, vízellátást érintik. Természetesen a nemzetközi személyzet részére a hazautazás is könnyebbé válik" - mondja Jurcsó Péter, a CERN erőforrás-tervezés és kontrolling csoportjának helyettes vezetője.

Az elmúlt közel egy hónap igazi sikersorozat volt. A november 20-i "bekapcsolástól" eljutottak a magasabb energiájú és több részecskét (protont) tartalmazó nyalábok előállításáig. 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.

Minél több proton van a nyalábokban (azaz minél nagyobb a nyalábok intenzitása), annál gyakrabban történhetnek ütközések. A növekedést úgy érik el, hogy egyre több csomagból álló nyalábokat állítanak elő.

"Képzeljük el, hogy a nyalábok olyan vonatok, amelyekben a csomagok az egyes kocsik. A kocsik hossza néhány centiméter, a köztük lévő távolság pedig néhány méter. A cél, hogy a kocsik közötti távolság pontosan 7 méter legyen. A LHC átmérője 26 659 méter, és a cél az, hogy 2808 csomag legyen egy-egy nyalábban. Az elmúlt napokban 4 csomaggal folytak a kísérletek, ami megegyezik a korábbi nagy CERN-es gyorsító, a LEP maximális csomagszámával. Ebből is látható, hogy mekkora intenzitás-növekedést jelent majd az LHC, ahol egy rövid időre már 16 csomagos nyalábokat sikerült előállítani" - mondja Lévai Péter fizikus a magyar nyelvű CERN-blogon (itt olvashatók az elmúlt napok izgalmas eseményei részletesebben).

Ez az egyik leggyakoribb látvány az irányítótermek monitorjain. Itt éppen az látható, hogy december 14-én este újabb részsikert könyvelhetett el az LHC: először sikerült egy nyalábban 16-ra növelni a részecskecsomagok számát. Ezzel az intenzitás 1,86 x 10^11 proton/nyalábra nőtt. Jól követhető, ahogy a két nyaláb (kék és piros színnel) felépült: a lépcsők az újabb és újabb csomagok "rákapcsolódását" jelzik a nyalábra

Mint arról korábban beszámoltunk, az intenzitás növekedése mellett rekordértéket értek el a nyalábenergiával is (450 GeV-ről 1,18 TeV-re emelték az energiát, a mértékegységeket lásd keretes írásunkban). Először az ATLAS detektor érzékelte ezek ütközését, majd december 12-14. között az ALICE és a CMS is rengeteg adatot gyűjtött 2,36 TeV-es ütközési energián. Korábban, alacsonyabb energián (450 GeV) pedig már sikerült hosszú ideig fennálló, úgynevezett stabil nyalábokat előállítani. 

Az LHC tehát máris számos területen rekorderedményeket ért el. Jövőre folytatódik a nyalábok energiájának és intenzitásának fokozatos emelése, erre alapulva pedig következhetnek az új fizikai felfedezések.

A szokásos téli leállás arra is lehetőséget nyújt, hogy tovább javítsanak az LHC üzembiztonságán. Az eddig elvégzett mérések során fény derült műszaki hibákra, például alacsony hatásfokkal teljesítő kártyákat, elektronikai és mechanikai egységeket azonosítottak. Ez várható volt, mert a mérések egyben a részecskefizikai detektorok legfontosabb tesztjei. Az LHC a világ talán legbonyolultabb berendezése. A sok ezer mágnes vezérlését végző elektronikák között mindig van olyan, amely ugyan meg nem romlott el, de az üzemeltetés során kiderült, hogy nem 100%-ban üzembiztos. Ugyanez mondható el a szupravezetőket figyelő több ezer reléről és diagnosztikai elemről. Ezeket most cserélni, javítani lehet.

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)