Higgs-gyárrá változik a Nagy Hadronütköztető

2013.07.11. 14:39

Jövőre már az eredetileg tervezett ütközési energiával üzemelhet a Higgs-bozonokat kereső részecskegyorsító, a Genf közelében lévő Nagy Hadronütköztető, az LHC.

A protonok már most is közel fénysebességgel száguldanak a 27 kilométer kerületű gyorsítógyűrűben, mégis úgy a legkönnyebb elképzelni a jövőre debütáló fejlesztést, mintha az LHC vezetője egy autóban a komótos cammogás után a padlóig nyomná a gázpedált. A világ egyik legnagyobb tudományos kísérletének bejárására két napunk volt, ám így is csak a töredékét sikerült megnéznünk.

A gyorsítót már az eredeti tervek szerint is a 2014-től elérhető 13 teraelektronvoltos proton-proton ütközések létrehozására építették meg, ám egy 2008 szeptemberében bekövetkezett baleset, és az azt követő féléves karbantartás miatt eddig csak a tervezett energia felével használták a gyorsítót.

A Nagy Hadronütköztető alagútjaFotó: Szedlák Ádám - Origo

Maximumra csavarják a gyorsítót

A részecskegyorsítók megértéséhez szükséges a magfizikában és a részecskefizikában használt energiaegységek ismerete. 1 elektronvolt (eV) az a mozgási energia, amelyre egy elektron 1 Volt feszültségkülönbséget befutva szert tesz. Az LHC-ben fellépő ütközés energia ennek billiószorosa, ez a teraelektronvolt, a TeV. Az LHC-ben keringő nyalábok mozgási energiája 2014-től 6,5 teraelektronvolt lesz, és mivel a detektorban két nyaláb ütközik szinte frontálisan, ennek az energiának duplájával kell számolni. Így mondhatjuk, hogy a CERN-ben 13 teraelektronvoltos ütközések jönnek létre jövő évtől.

A 2013-as leállás és fejlesztés nem az utolsó az LHC történetében. A gyorsító várhatóan 2018-ban fog átesni egy komolyabb fejlesztésen, amely során a rendszer luminozitását fogják növelni. Ez a mérőszám azt fejezi ki, hogy milyen gyakran ütköznek részecskék a detektorokban.

A nyaláb a CERN fő terméke

A Higgs-bozon észleléséhez a mostani, nyalábonkénti 3,5 TeV energiaszint is elégnek bizonyult. A Higgs-esemény azonban annyira ritka, hogy a felfedezésben résztvevő CMS és ATLAS detektorok az ütközések számához képest elenyésző mennyiséget észleltek. A CMS detektorban körülbelül 150 Higgs-eseményt rögzítettek, az ATLAS nevű detektorban pedig ennél valamivel kevesebb észlelés volt. A nagyobb energia és a nagyobb luminozitás azért lesz hasznos, mert így már Higgs-gyárrá változhat a Nagy Hadronütköztető.

Az LHC-vel hosszú távú tervei vannak a CERN-nek is, tudtuk meg az intézmény főigazgatójától, Rolf Heuer professzortól. A kutatóhely azzal számol, hogy a 2030-as évekig használatban marad a mostani gyorsító. Heuer arra számít, hogy a következő tizenhat évben kiderül, milyen típusú és erejű gyorsítót és milyen detektorokat kell építeni majd, hogy még többet tudjunk meg a világegyetem keletkezéséről és a részecskék felépítéséről.

Az ALICE-detektorFotó: Szedlák Ádám - Origo

A Nagy Hadronütköztető leállítását mindenki kihasználja - tudtuk meg a CERN-ben szoftvermérnökként dolgozó Jurcsó Pétertől. Jurcsó a kutatóhely nagy titkát is elárulta, azt, hogy a CERN valójában szolgáltató szereppel rendelkezik, egy közel fénysebességgel haladó proton- vagy ionnyalábbal látja el a kísérleteket üzemeltető kutatókat. A nyaláb mellé számos egyéb szolgáltatás is tartozik: nagy sebességű internet, számítóközpont, és az ezeket működtető szakmérnökök. A CMS-hez vagy az ALICE-hoz hasonló kísérletek nem állnak a CERN tulajdonában - az ezeket felépítő egyetemeké és cégeké a berendezés - de szoros a szimbiózis. A leállás azonban a CERN-nek is hasznos, most nyugodtan lehet olyan fejlesztéseket végezni - például mágneseket cserélni - amelyek hosszú leállásokat és morcos kutatókat eredményeznének.

Még több adatot akar az ALICE-csoport

A jelentős magyar hozzájárulással működő ALICE kísérlet két nagy fejlesztést tervez az LHC leállása alatti időre - mondta el Barnaföldi Gergely Gábor fizikus, a magyar ALICE-csoport vezetője. A első annak a rendszernek a modernizálása, amely a detektorban keletkező adat továbbításáért felel az adatrögzítő rendszer felé. Ezt a kilencvenes évek végén a magyar KFKI-RMKI és a Cerntech Kft. fejlesztette ki az ALICE számára. A technológia annyira sikeres volt, hogy más kísérletek is átvették, sőt a CERN-en kívül is használták. Jelenleg ez a Detector Data Link (DDL) nevű rendszer másodpercenként hetven gigabájtnyi adatot tud továbbítani. A kilencvenes évek végének csúcstechnológiáját az LHC újraindításáig akarja lecserélni az ALICE-csoport. A kilencvenes évek végének csúcstechnológiáját az LHC újraindításáig akarja lecserélni az ALICE-csoport, ebben a magyarok oroszlánrészt vállalnak.

A CMS detektorFotó: Szedlák Ádám - Origo

Az ALICE-kollaboráció egy másik nagy feladatra is vállalkozott. Egy négy-öt méter átmérőjű, hat méter hosszú új időprojekciós kamrát (Time Projection Chamber, TPC) ifejlesztésében és építésében is részt vennének. Ez az alkatrész a detektor lelke, azt méri, hogy a részecskék pályáját lehet megadni a segítségével. 

Évekre előre vannak tuningötletek

A kísérletek üzemeltetői is fejlesztésre használják fel az időt. A CMS detektoron akkor is folyt a munka, amikor leereszkedtünk a nyolcvan méterrel a földfelszín alatt lévő óriási mérőberendezéshez. Új nyalábcsövet kap a detektor, az elejére és a végére pedig olyan mérőberendezések kerülnek, amelyek legyártására az LHC beindítása előtt sem pénz, sem idő nem volt. A CERN-ben dolgozó Szillási Zoltán fizikus, túránk egyik vezetője azt is elárulta, hogy a 2016-os és a 2018-as leállásra is vannak már tervek. Először a középső, tracker nevű alkatrészének egy részét cseréli majd a csapat. Később pedig a rendszerbe épített analóg kamerákat fogják újabb technológiára cserélni.

Jelenleg is a magyar szakemberek által készített technológia segítségével észlelik, hogy a 14 ezer tonnás CMS detektor hogyan torzul a rá ható erőktől, és ez hogyan befolyásolja a hagymaszerűen felépülő CMS legkülső héján elhelyezett müondetektorok helyzetét. Az óriási testre komoly, 3,8 tesla erősségű mágneses erő hat, helyzetét befolyásolja a Föld mozgása, a holdfázisok változása, a Genfi-tó vízszintje, vagy az is, hogy az LHC-tól pár kilométerre kezdődő Jura-mészkőhegység mennyire szívta meg magát vízzel. Az erők okozta deformáció milliméterekben mérhető, ami egy részecskefizikai kísérletben óriási lépték.

Retinaszkennerrel ellátott beléptető rendszer a CMS-detektorhozFotó: Szedlák Ádám - Origo

Olcsóbb lesz a kenyér a Higgs-bozontól?

A részecskék tömegét meghatározó Higgs-bozon megtalálása nincs közvetlen hatással az életünkre. "Attól, hogy megvan a Higgs, nem lesz olcsóbb a kenyér" - mondta Szillási Zoltán. A kereséshez kifejlesztett technológiák viszont bármikor feltűnhetnek az iparban. A rákos betegségek gyógyításában használt hadronterápia a részecskefizika egyik mellékterméke. "A CMS detektorban használt ólomwolfranát kristály detektorelemek pedig olyan orvosi berendezések építését teszik lehetővé, amelyek egy gépen belül MRI és PET (pozitron emissziós tomográfia) mérést is képesek végezni" - mondta James Gillies, aki fizikusból lett a CERN sajtóirodájának vezetője.

A legmeggyőzőbb példát azonban Szillási mondta, a világ első kilenc antihidrogén atomját létrehozó - és azóta is használatban lévő - LEAR gyorsító mellett. Az LHC-hez most fejlesztenek ki egy magas hőmérsékletű szupravezetővel működő energiatovábbítási rendszert, ami veszteség nélkül működik. A megoldás még a CERN-en belül is csak prototípusként létezik, ám ha húsz-huszonöt éven belül az ipar fel tudja használni a technológiát, akkor az villanyáram forradalmi, veszteségmentes továbbításától valóban olcsóbb lehet a kenyér.