"Tényleg egy új világ kapujában állhatunk" - a nagy részecskeütköztetés első tanulságai

A világ legnagyobb részecskegyorsítója, a Genf melletti nagy hadronütköztető igen gyorsan és biztosan azonosította az anyag korábbi kísérletekből már megismert összetevőit. Az elemi részecskék újrafelfedezése bizonyítja, hogy a technika rendben működik. Kezdődhet a behatolás a természet, a fizika még ismeretlen területeire. Párizsban több mint ezer kutató gyűlt össze az első három hónap eredményeinek értékelésére.

A nagy hadronütköztető első eredményeit mutatták be a világ legnagyobb nemzetközi részecskefizikai konferenciáján, az ICHEP 2010-en (35th International Conference on High Energy Physics, 2010), melyet több mint ezer kutató részvételével, Párizsban rendeztek meg a héten.

Az eddigi legnagyobb, ember által létrehozott részecskeütközés 2010 márciusában történt meg a Genf melletti európai részecskefizikai kutatóintézetben, a CERN-ben. Két, egyenként 3,5 TeV energiára felgyorsított protonnyalábot irányítottak egymásnak a világ legnagyobb részecskegyorsítójában, a nagy hadronütköztetőben (Large Hadron Collider, LHC). Az így elért 7 TeV ütközési energia három és félszer volt nagyobb a korábbi rekordnál, és még mindig csak fele az LHC maximális teljesítményének. Azóta ezen az energián már rengeteg ütközési eseményt észleltek a detektorok, és közben az ütközések gyakorisága is folyamatosan növekedett. A 35. ICHEP-en az első ütközés óta eltelt három hónap kísérleteinek eredményeiről (a részecskék ütközéseiben mért adatok eddigi elemzéséről) és a további tervekről számoltak be a kutatók.

Jól ismert részecskék újrafelfedezése

Már az első mérésekben igen gyorsan sikerült kimutatni az úgynevezett Standard Modell - a ma ismert részecskéket és kölcsönhatásaikat leíró keretelmélet - által tartalmazott részecskék nagy részét, a legkisebb tömegű úgynevezett hadron-rezonanciáktól a legnehezebb top kvarkig. Ez fontos eredmény, mert azt mutatja, hogy a kísérleti berendezés jól működik. "Rátaláltunk régi jó barátainkra a részecskék világában. Ez azt jelenti, hogy az LHC készen áll az új területek felfedezésére" - mondja Rolf Heuer, a CERN főigazgatója.

Ilyen két régi jó barát a W- és Z-bozon, az úgynevezett gyenge kölcsönhatást közvetítő részecskék, melyeket harminc évvel ezelőtt éppen a CERN-ben fedeztek fel, és amelyeket most, néhány nappal az első sikeres ütköztetés után sikerült újra kimutatni.

7 TeV-es ütközési esemény az ALICE detektorban (a TeV, azaz teraelektronvolt magyarázatát lásd keretes írásunkban a cikk végén)

"Minden nagyon gyorsan és hatékonyan működik, a kalibrációtól és adatrögzítéstől kezdve az adatok feldolgozásán, elosztásán keresztül a végső fizikai elemzésig" - magyarázza a gyors sikert Fabiola Gianotti, a W- és Z-bozonokat újrafelfedező ATLAS-kísérlet szóvivője. "Ez az egész közösség erőfeszítéseinek, főként a fiatal kutatóknak köszönhető." Az LHC technológiája folyamatos hangolás, fejlesztés alatt áll, hogy elérje az optimális működési feltételeket. A luminozitás - annak mérőszáma, hogy hány proton-proton ütközés történik másodpercenként a nyalábok találkozásakor - például csaknem 1000-szeresére nőtt a márciusi első kísérlet óta, ami igen nagy mértékben növeli a hatékonyságot.

Nicolas Sarkozy, a Francia Köztársaság elnöke nyitotta meg hivatalosan az ICHEP 2010 konferenciát 2010. július 26-án. Harmincperces beszédében a kutatásokra fordított erőforrások fontosságát hangsúlyozta, mert ez vezethet ki a gazdasági válságból. A beszédről részletesebben a CERN-blogon olvashat

Új részecskegyorsítót tervez a CERN

Egy új, az LHC-t kiegészítő részecskegyorsító tervét is bejelentették az ICHEP-en. Az ILC (International Linear Collider), az LHC 27 kilométer kerületű, kör alakú gyorsítószerkezetével ellentétben egy 31 kilométer hosszú egyenes pályán gyorsítaná a fénysebesség közelébe a részecskéket. Gyorsítóalagútján elektronokat és antirészecskéiket, pozitronokat ütköztetnének. A program körülbelül 10 milliárd euróból, nemzetközi összefogásban valósulna meg, és a gyorsítót 2020 és 2025 között üzemelnék be először. Megépítésének helye egyelőre bizonytalan.

Nem csak a régiek

A már ismert részecskék tanulmányozása ezen a rekordnagyságú energián sok új dolgot is megmutat a kutatóknak. A nagyenergiás mérések hasznos információkkal szolgálnak a részecskék kölcsönhatását leíró modellek finomításához és végső soron az Univerzum működésének jobb megértéséhez. Minél precízebbek e modellek, annál nagyobb esély van arra, hogy a kutatók jó helyen keresgélnek majd az új, eddig ismeretlen részecskék után. "A mostani kísérletek lehetőséget nyújtanak arra, hogy a régebbi, alacsonyabb energián elvégzett mérések eredményeit újra elővegyük, összevessük őket és javítsunk azokon a becsléseken, melyeket a jövőbeli ütközések előkészítéséhez készítettünk" - mondja Jürgen Schukraft, az ALICE-kísérlet szóvivője.

Új fizika csak a leállás után?

2008 szeptemberében, néhány nappal az után, hogy az első protonok átszaladtak az LHC gyorsítógyűrűjén, a protonok gyorsításáért felelős szupravezető mágnesek csatlakozói közül egy megolvadt. A javítás után a biztonságos üzemeltetés érdekében csak félgőzzel indították újra az LHC-t. A maximális 7 TeV-es nyalábenergia csak a problematikus csatlakozók kicserélésével és egyéb apró javítások elvégzésével garantálható. Ezért a CERN 2012-ben 15 hónapra leállítja az LHC-t és vele együtt a CERN összes többi gyorsítóját is, hogy az LHC-vel kapcsolatos munkálatokra koncentrálhassanak - jelentette be a döntést a konferencián Steve Myers, az LHC technikai igazgatója. A hosszú szünet kedvezőtlenül érinti azt a több száz fizikust, akik a többi gyorsítót használó kisebb programokon dolgoznak. "Számunkra az LHC az első!" - indokolta a döntést Myers. Az új fizika igazi áttörése feltehetőleg csak az újraindítás után várható.

"A konferencián részt vevő fizikusok többsége azonban bízik abban, hogy szerencsénk lesz, és még a 2012-es nagy leállás előtt sikerül annyi értékelhető ütközési eseményt összegyűjteni, hogy azok elemzéséből bepillantást nyerhetünk a Standard Modellen túli világba" - mondta a konferencián részt vevő Lévai Péter, az MTA KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézetének munkatársa.

Lévai elmondta: a konferencia előtt nagy volt a várakozás, hogy a "nagy hajrá" lázában égő, 2 TeV energián proton-antiproton ütközéseket végző amerikai FERMILAB kutatóközössége beszámol-e valamilyen meglepetésről. (Az LHC előtt a FERMILAB tartotta az ütközési energiarekordot, és az ott dolgozó kutatók abban bíznak, hogy még az LHC igazi belelendülése előtt nagy felfedezést tesznek.) Végül csak újabb határértékeket közöltek, amelyek elérése szükséges, ha új fizikát szeretnénk tanulmányozni.

"A nagy technikai kérdés, hogy az LHC 2012-ig elérheti-e ezeket a luminozitási határokat. Érthető a részecskefizikusok felfokozott érzelmi állapota, hiszen 20 évnyi tervező, építő munka után tényleg egy új világ kapujában állhatunk, s mindenki nagyon várja már, hogy végre beléphessünk rajta" - mondja Lévai.

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)