Pál
15 °C
32 °C

Az LHC-t nem lehet felfogni

2013.07.12. 11:31
A svájci-francia határon működtetett Nagy Hadronütköztető a világ legnagyobb és legbonyolultabb kísérletegyüttese, amiben fizikusok egész serege figyeli, ahogy a közel fénysebességgel ütköző atommagokból és protonokból müonok, hadronok és bozonok lesznek. Halandó ember igazából fel sem fogja, mit is jelent az előző mondat második fele, még akkor sem, ha személyesen nézi meg, mi is ez az egész. Mi azért megpróbáltuk.

Az LHC-ban sétálni olyan, mint síelni: az ember akkor bukja a legnagyobbat, mikor már úgy érzi, kezdi érteni és átlátni, miről is van szó valójában. Az NA61 SHINE nevű kísérletben, ahol a részecskék nem egymással ütköznek, hanem egy fix céltárgynak csapják őket, bemehettünk abba a hatalmas mágnesbe, ami a mérést végző kamrák körül van.

Nagyjából mintha egy toronydaru ellensúlyának belsejében járnánk, hárman simán elférünk benne, még falatozhatnánk is, ha nem kéne vigyázni a méregdrága és törékeny berendezésekre. Az egyik ott dolgozó magyar kutató, László András magyarázza, mit is látunk, itt egy mágnes, ott egy vertex TPC, de nem bírok magammal, és rákérdezek, mi az a fényes dolog, ami pont a berendezés közepén lóg a plafonon. András megakad, rám néz, és a magabiztos tudósok finom eleganciájával közli, hogy az ott bizony egy úgynevezett lámpa.

Nagyon nagy ágyúval nagyon pici verébre

Az LHC, vagyis a Nagy Hadronütköztető nagy, drága és bonyolult valami, amiben kicsi, ritka és bonyolult valamiket keresnek. Tavaly júliusban például pont találtak egyet, és ekkor, valami érthetetlen módon a fizikát általában legkésőbb középiskolában nagy megkönnyebbülve letudó emberiség beleszeretett a fizikusokba meg a bozonokba. Amikor lehetőségünk adódott, hogy ellátogassunk az idén márciusban két évre leállított részecskegyorsítóba, és olyan helyekre nézzünk be, ahova általában csak azok mennek, akik ötnél kevesebb hogyishívják használata nélkül tudják elmondani, mi is az a kvark-gluon plazma, még azt gondoltuk, hogy egy látogatás segít abban, hogy az elemi részecskékkel leginkább a The Big Bang Theory című sorozat szereplőinek tábláin megjelenő képletekben találkozó ember egyszer csak átlássa, hogy is megy az Ősrobbanás utáni néhány másodperc vizsgálata.

„Az LHC a világ legbonyolultabb berendezése, és a benne található négy kísérlet a következő négy a rangsorban” – foglalja össze Szilássi Zoltán (MTA Atommagkutató Intezet) LHC CMS nevű kísérletében résztvevő magyar fizikus, aki lassan 15 éve dolgozik kint, 8 éve kint is él. „Igazából egy-egy detektor nem sokkal bonyolultabb, mint egy atomtengeralattjáró...flotta” – foglalja össze a kétnapos látogatás első reggelén, mi vár ránk valójában. A napirend szerint a négy nagy kísérlet közül mi azt a kettőt látogatjuk meg, ahol a legerősebb a magyar jelenlét, a CMS mellett ez az ALICE nevű detektort jelenti, ahol például azt a bizonyos kvark-gluon plazmát, az univerzum ősállapotában megtalálható ősrészecskelevest előállítják és vizsgálják a szakemberek.

Az LHC-val kapcsolatban unalomig ismételt, kvízjátékokban is legkésőbb a százezres kérdés környékén előkerülő adatok a valóságban egészen lehengerlők. A protonokat, ólomatommagokat illetve aranyionokat fénysebességre gyorsító csöveknek helyet adó, föld alatti körgyűrű 27 kilométeres, ami a térképen nézve nem nagy cucc, autóval azonban jó húsz perc, míg az egyik helyről a másikra érünk.

Vendéglátóink szép lassan vezetik fel a megdöbbenést. A svájci központban beülünk a buszba, elhajtunk a schengeni egyezmény ellenére megtartott, de az idő nagy részében üres határállomáson, és ősrégi traktorokkal megművelt földek mellett fél óra alatt jutunk el az első programponthoz. A CMS kísérlet nagyjából 90 méterrel a föld alatt elhelyezett detektorának megtekintése előtt még megnézzük, milyen nehéz is egy olyan kristály, amiből 86 ezer darab van a gigantikus detektorban. Az élmény ahhoz fogható, mint mikor az ember először veszi a kezébe a higanyos üveget a kémiaszertárban: tudja, hogy az Oroszországban növesztett, ólom-wolframát kristály nehéz, az mégis majdnem kifordul a tenyeréből, mikor Veres Gábor, a CMS kísérlet nehézion-ütközéseket kutató csoportjában korábban vezető pozíciót betöltő tudós a kezébe adja.

Még kóválygunk kicsit a felszínen, aztán beszállunk a liftbe, megyünk vele hetven másodpercet lefelé, kilépünk az ajtón, aztán egy folyosón befordulva szembetaláljuk magunkat 4200 köbméternyi Kompakt Müon Szolenoiddal. A CMS 16 méter átmérőjű és 21 méter hosszú hordója ránézésre bonyolultabb, nagyobb és felfoghatatlanabb mint bármi, amit ember valaha is épített a történelem folyamán. Nemcsak a mérete sokkoló, hanem a tény, hogy ezt a gigantikus cuccot két ion vagy proton ütközésekor keletkező, vagyis az elképzelhetetlenül kicsinél is kisebb dolgok megfigyelésére használják, ráadásul sikerrel.

Van itt vagy háromszázezer kilométernyi kábel, jó néhány ezer tonna szupravezető mágnes, a korábban már említett kristályok, meg a vaskeret, amiből saccra kijönne a német hadiflotta. Az egészet odafent szerelték össze, a szeleteket pedig egyenként eresztették le. „Az eresztésre használt akna csak néhány centivel volt nagyobb, mint a detektor egy-egy darabja, így nagyon oda kellett figyelni, nyolc óra volt, míg egyet leeresztett a daru” – mondja Veres, és Szillásitól megtudjuk, hogy daru nélkül 15 másodperc is elég lett volna a dologhoz.

Elszakadt a CERNa

A hatalmas berendezés azonban bámulatos dolgokra képes. Megmondja például, milyen elemi részecskék keletkeznek az ütközésekkor, kiszámítja, hogy ezek milyen sebességgel és milyen irányba repültek szét, és így aztán a kísérleten dolgozó tudósok számos következtetést vonhatnak le. Például olyat, hogy megtalálták azt a részecskét, ami a körülöttünk látható világ szabályrendszerében, a Standard Modellben szereplő többinek tömeget, vagyis értelmet ad, és amit egy Peter Higgs nevű tudós már 1960-ban megjósolt.

A CMS pillanatnyilag áll. „Pontosabban az LHC áll, a 2015-től kezdődő kísérletek már nagyobb energián mennek majd végbe, így lecserélik a gyorsító mágneseinek egy részét” – javít ki Veres. Ez azonban a CMS rendszereinek karbantartására is nagyszerű lehetőség. Amikor ott voltunk, egy munkás egy darun állva épp egy nagy sárga valamit próbált rácsatlakoztatni a detektor egyik elemére. Próbáltuk kideríteni, hogy az illető épp kivesz vagy betesz valamit a másodpercenként negyvenmillió darab, hatvan megapixeles felvétel elkészítésére alkalmas fényképezőgépként is felfogható CMS-be, de végül nem sikerült rájönni. Veres szerint bár hosszúnak tűnik a két éves állás, de valójában szinte minden perc foglalt, az előre betervezett munkafázisokat egy hatalmas táblázat foglalja össze, van munka, amit CERN-es ember, van, amit külső vállalkozó végez el.

Másnap kiderült, hogy valószínűleg egy müonkamrát cseréltek ki, de a sárga célszerszám még az amúgy a CMS-en dolgozó, főképp a monstrum elmozdulásának monitorozásáért felelő Béni Noéminek (MTA Atommagkutató Intézet) sem volt ismerős. A 13 ezer tonnás szerkezet ugyanis nemcsak szándékosan, az erre a célra épített sűrített levegős rendszerrel mozgatható, de magától is mocorog időnként. „Hatalmas mágneses erők hatnak gyorsítás közben, de a Hold tömegvonzása, a Genfi-tó vízállása, és tavasszal még a környékbeli hegyek által felszívott víz mennyisége is mind számít” – tudjuk meg a szakemberektől.

Kicsit furcsa, hogy egy ekkora szerkezetnél tényleg minden milliméter fontos, de Veres azt is elárulja, hogy a szeletekre bontott CMS tervezésekor külön munkacsoport ügyelt arra, hogy minden egyes, a tudósok által kért szerkezet úgy kerüljön felszerelésre, hogy a leeresztés után a szerkezet egy-egy része tökéletesen illeszkedjen egymáshoz. Nézzék csak meg a képet, és képzeljék el, mennyivel lehetett ez bonyolultabb, mint egy dugig tömött bőrönd összecipzározása.

Fotózkodtunk még pár percig a partra vetett, majd feldarabolt bálnára emlékeztető detektorral, aztán újra liftbe szálltunk, mert ment az idő, és még volt hátra egy detektor.

ALICE tényleg Csodaországban van

Az ősleves létrehozására, illetve az ott keletkező részecskék tulajdonságainak mérésére kitalált ALICE nevű detektorban Barnaföldi Gergely Gábor, az MTA Wigner Fizikai Kutatóintézet munkatársa volt a kalauzunk. Ő vitt le minket a hetven méter mélyen lévő, szintén épp valamelyest kibelezett detektorhoz, és ő mondta el azt is, hogy ahogy a többi nagy kísérlet, az ALICE is a legnagyobb. „Elég nagy a tudományos verseny a négy kísérlet között, de alapvetően más jellegű is az egyes detektorokban folyó munka. Ettől függetlenül minden kísérlet a legnagyobb a maga módján: az ALICE például a legsokoldalúbb.” Barnaföldi, aki a magyar kísérleti csoport vezetője, a lehető legjobb helyre vitte kis csapatunkat: a CMS-nél valóban nem sokkal kisebb detektor szájába. Szemben állva beleláttunk a finoman szólva is érthetetlen szerkezetbe.

A kör alakú, műszerekkel iszonyatosan telezsúfolt teret középen a gyorsító csöve szelte ketté, itt látszott csak igazán az, hányszoros is a szorzó a megfigyelt cél és a megfigyelőszerkezet mérete között. Míg a CMS-ben a kaloriméter szóval ismerkedtünk meg (ami az ütközéskor keletkező részecskék energiáját méri a korábban említett ólom-wolframát kristályok segítéségével), itt az időprojekciós kamra (TPC) szóösszetétel hallatán nézünk nagyot. Nagyon leegyszerűsítve az a szerkezet lényege, hogy a rajta áthaladó részecske sebessége, irányváltoztatása és becsapódási helyes segítségével állapítják meg annak pályáját, majd azt, hogy milyen részecskéről is van szó.

Alagút a fény végén

Miután ennyit beszéltünk a gyorsítóról magáról, az ALICE óriása mellől közvetlenül ahhoz a csőhöz megyünk, amiben az egyes kísérletekhez szállítják a közel fénysebessegre gyorsított részecskenyalábokat. Az eddigi élményekhez képest a cső tulajdonképpen csalódás. Persze mit lehet várni egy 27 kilométer hosszú csőtől többet, mint hogy csőformája legyen?

Például hogy a korábban látott ábráknak megfelelően szabályos kört alkosson. Mint kiderült, az LHC gyorsítógyűrűje valójában nyolc egyenes és nyolc íves szakaszból áll össze. Az egyenes részeken van lehetőség kísérletek kialakítására, a most megismert ALICE-en és CMS-en kívül még kettő van jelenleg, a Higgs-bozon vadászatában szintén részt vevő ATLAS, illetve az anyag és az antianyag különbségeit vizsgáló LHCb (ezeket sajnos ezúttal nem tudtuk megnézni). A kanyarokban a newtoni fizika szabályai miatt kitörni vágyó részecskéket komoly mágneses potenciállal lehet csak az öt centiméter körüli átmérőjű csőben tartani, és szinte már meg sem lepődünk azon, hogy ebben az összetett feladatban is van két magyar.

Bajkó Márta olyan régóta dolgozik külföldön, hogy nemcsak a top 20 szupravezetőmágnes-szakértő egyike vált belőle, de nem is igazán tudja, hogy a részben általa is kifejlesztett eljárásoknak és részegységeknek milyen nevet is adott a magyar szakma. Ettől függetlenül tátott szájjal hallgatjuk, ahogy arról beszél, hány tesla is kell ahhoz, hogy most, illetve a 2015-ös újraindulás után a kanyarban tartsák a részecskéket. 10-12 tesla, ami annyit tesz, mintha a Sinkanzen nevű japán szupervonatból rögtön négyet szeretnénk működtetni. Mindehhez 8-12 ezer amper erősségű áram kell, no meg olyan anyagok és ötvözetek, amik elektromos ellenállása (bizonyos körülmények között) pontosan nulla.

A gyorsító konkrét működtetése azonban egyszerű szolgáltatás, legalábbis Jurcsó Péter, évek óta a CERN-nek dolgozó mérnök szerint. A szakember szerint neki és a munkatársainak egy feladata van: létrehozni azokat a körülményeket, amikre az LHC-ban működő négy nagy, illetve tucatnyi kisebb kísérletnek szüksége van. Ha ehhez nyolcezernél is több mágnes, a világegyetem átlaghőmérsékleténél is nagyobb hideg, illetve 120 tonna szuperfolyékony hélium kell, akkor ők ezeket is figyelembe veszik, elérik illetve használják.

Mielőtt az információdömpingtől zsongó fejjel visszatámolyognánk Svájcba, még megnézzük, mi is az a sztochasztikus hűtés, amiért Simon van der Meer holland fizikus 1984-ben Nobel-díjat kapott. A pofonegyszerű eljárás lényege, hogy valójában nem hűti a csomagokban száguldó protonokat, hanem sorba rendezi azokat. Egy műszer a gyorsító egy pontján megméri az optimálisnál gyorsabban vagy lassabban mozgó, illetve az ideális pályaívtől túlságosan messze haladó részecskéket, majd a szükséges adatokat a gyorsítógyűrű átellenes pontjában elhelyezett, a korrekciót elvégző műszerhez továbbítja, aminek így van ideje felkészülni a hosszabb távot megtevő, renitens részecskék megrugdosására, vagyis lassítására, gyorsítására, irányítására. „És 1986-ban ezért Nobelt lehetett kapni, nevetséges” – viccelődünk, mintha értenénk, miről beszélnek a minket kísérő fizikusok.

Az 1970-es években használt rendszert, az SPS-t, vagyis a szuper protonszinkotront még ma is használják, a több menetben gyorsított részecskék például itt haladnak át azelőtt, hogy belépnének az LHC 27 kilométeres gyűrűjébe. Ráadásul azok a neutrínók is itt keletkeznek, amik egy hibás csatlakozó miatt egy darabig elhitették az LHC tudósainak egy részével, hogy van, ami képes a fénynél gyorsabb mozgásra.

Oké, de mire jó ez az egész?

Szillási és Barnaföldi már várja a kérdést, és mondja is a szokásos választ. „A CERN kísérletei általában nem valami közvetlen piaci forgalomban felhasználható végtermék létrehozására vannak kitalálva. Ettől függetlenül azonban a világegyetem jobb megértésére tett próbálkozások közben olyan technológiák fejlődnek ki és terjednek el a világon, mint például a World Wide Web, vagyis az internet ma ismert formája, vagy épp a gyógyításban, súlyos betegségek kezelésében használt orvosi diagnosztikai eszközök.”

A szakemberek szerint általában kell néhány évtized, amíg az itt még csak kísérleti szinten használt megoldások valamelyikéből a világ többi része is tapasztal valamit. Szillási szerint a következő ilyen úgy húsz év múlva jelenhet meg. „A veszteségmentes energiatovábbítási rendszerek alapjai már készen vannak, és használjuk is őket a CERN-ben. Persze a száz vagy ezer kilométer hosszú, ellenállás nélküli áramvezeték még odébb van, de ha elterjed, akkor mondhatjuk, hogy a Higgs-bozontól lett olcsóbb a kenyér.”