István, Vajk
15 °C
22 °C

Magyarok publikálták először az LHC rekordját

2010. 02. 03. 15:40
| Módosítva: 2010. 02. 22. 14:50
Az ELTE és a KFKI RMKI három kutatóját érte az a megtiszteltetés, hogy először publikálhattak 2,36 teraelektronvolton történt ütközéseket. A rekord energiaszintet a CERN gyorsítójában, az LHC-ben állították elő, ahol még magasabb energián fogják keresni a rejtélyes Higgs-bozont. A részecskevadászatban jól jönnek majd a magyarok mérései.

A részecskefizikai kutatások európai intézete, a CERN 2008. szeptemberében indította be a világ legnagyobb részecskegyorsítóját, a Large Hadron Collidert (LHC, Nagy Hadronütköztető). A szerkezet akkor csak néhány napig működött, majd egy súlyos üzemzavar miatt le kellett állítani. Ez legfeljebb csak néhány újságírónak jött jól, akik így lejuthattak a szerkezet alagútjaiba (lásd helyszíni riportjainkat), mert a tudósok nagy bánatára a részecskefizika eddigi legnagyobb kísérletét csak bő egy év, az üzemzavarban megsérült mágneselemek kicserélése és több biztonsági fejlesztés után, 2009 novemberében lehetett újra elindítani.

LHC damage 1 01
Két sérült mágneselem találkozása

A részecskegyorsítók energiáját gigaelektronvoltban, illetve teraelektronvoltban mérik (1 TeV = 1000 GeV). A TeV a Joule-lal ekvivalens, de annál mintegy tízmilliószor kisebb mértékegység, ami azt jelzi, hogy milyen energiájú protonok ütköznek a gyorsítóban – minél nagyobb ez az energiaszint, annál nagyobb az esélye annak, hogy a rengeteg ütközés között történik különleges esemény, esetleg egy eddig még nem ismert részecske (vagy a pánikmédia szerint egy mindent elnyelő fekete lyuk) keletkezik.

Korábban a Chicago melletti Fermilab gyorsítója, a Tevatron érte el a legnagyobb, ember által előállított energiaszintet: a ma is működő szerkezet 0,98 TeV-re képes felgyorsítani a protonokat és antiprotonokat, így 1,96 TeV-es ütközéseket produkál (egy ütközésben részt vevő két részecske energiáját összeadva kapjuk meg az ütközés energiáját). Az újraindult LHC eleinte csak az előgyorsító energiáján működött, azaz 450 GeV-es protonok ütköztek benne 900 GeV-en, de mivel minden jól ment, a CERN mérnökei még novemberben adtak egy kis kakaót a gyorsítóra. Ekkor 1,18 TeV-en száguldottak a protonok a szerkezetben, és december elején meg is történtek az első 2,36 TeV-es ütközések. Bár az LHC tervezett csúcsenergiája 14 TeV, már a 2,36-os eredménnyel megdőlt a Tevatron rekordja. És e rekord ütközéseiről először három magyar fizikus publikálhatott tanulmányt.

Higgs, a Szent Grál

A kutatás Siklér Ferenc, a KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet (RMKI) Részecskefizikai Főosztályának tudományos főmunkatársa, Veres Gábor, az ELTE Atomfizikai Tanszék adjunktusa (egyben a CERN kutatási ösztöndíjasa), valamint a szintén ELTÉ-s Krajczár Krisztián doktorandusz vezetésével zajlott, és további 8-10 ember dolgozott velük a Boston melletti MIT-ről. A tanulmány a Journal of High Energy Physics legújabb számában fog hamarosan megjelenni, de csütörtöktől letölthető egy prepint szerverről.

lhc kutatok
Siklér Ferenc, Veres Gábor és Krajczár Krisztián

Mivel éppen hogy csak beindult az LHC, a tanulmány nyilván még nem a Higgs-bozont írja le, mégsem érdektelen a titokzatos részecske után indult hajtóvadászatban. A fizikusok túlnyomó része szerint létező, ám egyelőre eléggé misztikus Higgs-bozon most a kvantumfizika a Szent Grálja: azon túl, hogy a felfedezése szinte biztos Nobelt érne, továbblendítené a tudományágat, elsősorban a különböző részecskefizikai modellek finomítása által. Az LHC négy nagy műszeregyüttese közül kettő, a 12500 tonnás CMS és a feleekkora ATLAS kimondottan a Higgs-bozon levadászására épült, az előbbinél dolgozik a három magyar kutató.

A fizikusok feltételezése szerint az ősrobbanás pillanatában súlytalan volt az anyag, majd hirtelen tömeget nyert egy mezőnek köszönhetően. Ez volna a Higgs-mező, amit a Higgs-bozon közvetít. Az ma ismert anyag tömege főként a protonok és a neutronok tömegéből adódik össze. Ezeknek a részecskéknek a tömege viszont nem a Higgs-részecskétől származik, hanem a kvantum-színdinamika törvényei határozzák meg: ez az a témakör, amellyel az első cikk is foglalkozik.

Sűrű pionleves kaonmártással

„Egy induló részecskegyorsítóban először referenciaméréseket érdemes végezni: azt, hogy egyetlen proton-proton ütközésben mennyi részecske keletkezik, és hogy ezek milyen tulajdonságúak” – magyarázza Siklér. „Ez fontos mérés, és az LHC valós adatain készült első publikáció is ilyen volt. Ennek szerzői azonban még csak 900 GeV-es ütközéseket írtak le az ALICE detekronál, és csak a keletkező töltött részecskék számát vizsgálták meg. Mi a részecskék szögeloszlásán kívül impulzuseloszlásukat is meghatároztuk 900 GeV-en és 2,36 TeV-en is, ahol még nem tudtuk, pontosan mire számíthatunk.”

A részecskeszám és a töltés egyértelmű, a másik két fogalmat azonban nem árt kicsit magyarázni. Az LHC-ben két, ellentétes irányú körpályán haladnak a nyalábba rendezett protonok, ezeket a nyalábokat aztán a detektorok előtt egy helyre irányítják, frontális részecskekarambolokat idézve elő. A szögeloszlás azt mutatja meg, hogy a robbanásban keletkező új részecskék pályája a nyalábtól milyen irányba és milyen szögben tér el, az impulzuseloszlás pedig az új részecskék lendületét adja meg. Mindez a hozzáértőknek sok-sok számolással kiolvasható azokból a nyomokból, amiket a részecskék hagynak a detektor érzékeny félvezető lapocskáiban.

higgsboson
A Higgs-bozon szimulációja

„Bár a tanulmányunk nem hasonlítható egy Nobel-díjas felfedezéshez, nagy meglepetés volt a keletkező részecskék száma. 2,36 TeV-en ugyanis sokkal több részecske jött létre, mint azt a modellek sugallták” – mondja Veres. „Ez fontos referenciamérés, és arra utal, hogy ha még nagyobb energiára megyünk, ott is több részecske keletkezik majd, mint amire számítottunk. És mivel a keletkező részecskék nagy része közönséges pion és kaon, amik csak zavarnak a Higgs-bozon keresésében, fel kell készülnünk arra, hogy a vártnál sűrűbb lesz majd az a leves, amiből a Higgset kell kihalásznunk.”

66 millió részegység nem tévedhet

A kutatás adatait körülbelül negyvenezer ütközés szolgáltatta, amelyek alig két óra alatt zajlottak le az LHC-ben. Ez a negyvenezer soknak tűnik, de a részecskegyorsítós kísérletek mércéjével mérve valójában nagyon kevés. „Jelenleg a legnagyobb ütközési frekvencia tíz hertz, vagyis másodpercenként tíz ütközés zajlik. Ilyen frekvenciánál tudjuk elérni, hogy egyszerre legfeljebb csak egy ütközés történjen, és ennek adatait vizsgálhassuk. Ez szükséges a későbbi analízishez, amikor egyszerre több ütközés fog már történni” – mondja Veres. A tervek szerint egyébként a gyorsító csúcsformában, azaz 14 TeV-en másodpercenként 109 darab ütközést produkál majd vagyis nyolc nagyságrenddel többet, mint most. Ezt ugyan még sokára fogja elérni az LHC, de a másodpercenkénti 105-106 ütközés már a közeljövőben meglehet.

impulzus
A keletkező töltött részecsék nyalábirányra merőleges impulzusának eloszlása különböző szögtartományokban, a világrekord energián

Már az adatfelvétel előtt akadtak nehézségek. A CMS detektort a fizika új oldalának megismerésére tervezték, ami azt jelenti, hogy egy beépített automatizmus (szaknyelven triggerrendszer) főleg a nagy impulzusú részecskéket – elsősorban müonokat – figyeli, és ezekre készít leválogatásokat. Vagyis a CMS mögött levő rendszer alapállapotban nem rögzít minden egyes ütközést, csak az érdekesebbeket. A magyarok kísérletében viszont minden ütközésre és keletkezett részecskére szükség volt, és ehhez egy olyan triggert kellett készíteniük, ami mindent elmentett.

Az első adatfelvétel december 6-án volt, ezután a kutatók két nap alatt elkészültek a lényegi eredményekkel. Az azóta eltelt másfél hónap azzal telt, hogy meggyőzték a CMS-nél dolgozó többi 2500 embert arról, hogy az eredmények stabilak. „Ez természetes dolog, meg kell nézni, hogy a kapott adatok mennyire függnek más tényezőktől, mennyire támasztják alá a szimulációkat, időt kell adni, hogy mindenki kommentálni tudja a számainkat” – fogalmaz Siklér. „A CMS belső félvezető detektora pedig 66 millió részegységből áll, ezért az is eltart egy darabig, mire ellenőrizzük, hogy a keletkező részecskék egészen pontosan hogyan hagytak nyomott.” Ebben az intenzív ellenőrzésben jöttek jól az említett MIT-s diákok és kutatók.

Bár a CERN és az LHC költségeihez csak 0,76 százalékban járultunk hozzá (a szervezet büdzséjét a tagországok GDP-arányosan dobják össze), Veresék munkája is mutatja, hogy a szakmai súlyunk jóval nagyobb. Mind a négy detektornál dolgoznak magyarok, a CMS mellett a másik fő detektornál, a nehézion-kutatásokra szakosodott ALICE-nél is erős csapatunk van (itt majd ólomion-ütközésekben próbálják meglesni az univerzum ősanyagát, a kvark-gluon plazmát). A CMS-sel egy ütközési ponton levő TOTEM kísérletnél és az ATLAS-nál is komoly magyar csapat dolgozik.

A CERN tervei szerint 2011-ig 3,5 TeV-re növelik a nyalábok energiáját (azaz 7 TeV-es ütközéseket idéznek elő), 2013-ban pedig a gyorsító elérheti maximális, 14 TeV-es energiáját. Sokat fogunk még halászgatni abban a sűrű levesben.