Izabella, Dalma
14 °C
24 °C
Index - In English In English Eng

Behúzták kicsit a féket a CERN-ben, hogy jobban lássák a Higgs-bozont

NAK 0466
2020.06.19. 22:08

Újabb mérföldkőhöz érkezett pénteken a CERN: a 23 tagállam képviselőiből álló CERN-tanács egyhangúlag elfogadta az intézet és a tudományterület további működését nagymértékben meghatározó Európai Részecskefizikai Stratégiai Terv megújított változatát (European Strategy Plan for Particle Physics Update – ESPPU). A közép és hosszú távú tervek frissítéséről pénteken adott ki közleményt a genfi székhelyű világlaboratórium, a tanácsi döntésről, amiben tagállamként részt vett Magyarország is, a CERN-ben folyó kutatásokban részt vevő Wigner Fizikai Kutatóközpont is hírt adott.

Hogy mit jelent a mostani tanácsi döntés a Higgs-bozon fölfedezése utáni új kutatási időszakra nézve?

A CERN, a nagyenergiás fizikai kutatások nemzetközi laboratóriuma a tagállamok és együttműködő partnerek befizetéseiből működik, és a most elfogadott megújított stratégia határozza meg, hogy a következő öt-tíz évben merre haladjanak a kutatások, milyen fejlesztéseket hajtsanak végre a hatalmas földalatti részecskegyorsító köröket és speciális detektorokat rejtő genfi kutatói bázison, mi legyen a célterülete az eljövendő, a Higgs-bozonhoz hasonlóan forradalmi részecskefizikai felfedezéseknek – azaz, hogy mikor, milyen ütemterv szerint, mire költsék a fizikusok az európai adófizetők pénzét.

Magyarország és a CERN

Talán kevéssé ismert széles körben hazánkban, hogy csaknem száz magyar fizikus, kutató, mérnök és informatikus dolgozik folyamatosan a CERN-ben folyó tudományos felfedező és fejlesztő tevékenységben. Számukra és közvetve a hazai kutatóhelyek számára a most elfogadott új Stratégiai Terv nagy lehetőségeket nyithat a világszínvonalú részecskefizikai projektekben való részvételre, segítve a CERN és a világközösség tudományos missziójának végrehajtását. (Az elmúlt időszakból remek példa erre a Wigner Adatközpont, amely óriási számítógépes kapacitás üzemeltetésével segítette a CERN-ben folyó adatelemzési munkát, azóta pedig a magyar kutatói közösség egyik kiemelt kiszolgálójává vált – ez az Akadémiai Felhő.)

A budapesti Wigner Fizikai Kutatóközpont közleménye úgy fogalmaz, hogy a most elfogadott stratégia azért is kiemelten fontos, mert ez fogja meghatározni a következő évtized irányait, a gyorsítóknál, a detektoroknál és az adatfeldolgozó rendszereknél alkalmazott technikai megoldások továbbfejlesztését,

mert csak így biztosítható, hogy a jelenleg használt Nagy Hadronütköztető (LHC) utódját 10-20 év múlva meg tudjuk építeni, s felfedezhessük a Higgs-bozonnál is nehezebb, újabb elemi részecskéket. A gyorsító által elért részecskeenergiák ugrásszerű megnöveléséhez forradalmi újításokat kell létrehozni és bevezetni az előttünk álló évtizedben. Ameddig ez megvalósul, a most felújított és 2021 elejétől újra működő LHC berendezéseivel vizsgálják tovább a természet elemi szerkezetét és építőköveit.

Érdemes itt kicsit feleleveníteni, hogyan is működik a világ egyik legnagyobb részecskefizikai laboratóriuma. A CERN megalapításáról szóló egyezményt 1953-ban írta alá a 12 alapító európai állam: Belgium, Dánia, Egyesült Királyság, Franciaország, Görögország, Hollandia, Jugoszlávia, a Német Szövetségi köztársaság (NSZK), Norvégia, Olaszország, Svájc és Svédország. Magyarország 1992 óta tagja a CERN-nek, amit jelenleg hazánkon kívül még 22 ország alkot: Ausztria, Belgium, Bulgária, Csehország, Dánia, Egyesült Királyság, Finnország, Franciaország, Görögország, Hollandia, Izrael, Lengyelország, Németország, Norvégia, Olaszország, Portugália, Románia, Spanyolország, Svájc, Svédország, Szerbia és Szlovákia.

A 23 tagország mellett van két taggá válás előtt álló társult tag: Ciprus és Szlovénia, illetve hat társult tag: Horvátország, India, Litvánia, Pakisztán és Ukrajna. Megfigyelői státuszban vesz részt a CERN-ben folyó munkában az Egyesült Államok, Japán, Oroszország, és mint nemzetek fölött álló szervezetek az Európai Unió, az orosz Egyesített Atomkutató Intézet, valamint az Egyesült Nemzetek Nevelésügyi, Tudományos és Kulturális Szervezete (UNESCO) figyeli, ellenőrzi a CERN-ben folyó kutatást.

Mint az iménti kimerítő felsorolásból is látszik, a CERN példa nélkül álló nemzetközi tudományos projekt, amiben így vagy úgy 33 ország kutatói – tágan értelmezve mintegy húszezren – dolgoznak hosszú lejáratú részecskefizikai programok megvalósításán, az úttörő fizikai kutatások támogatásán, a műszaki, technológiai, szoftveres, hardveres infrastruktúra kiépítésén, üzemeltetésén, folyamatos fejlesztésén, a változó céloknak megfelelő átalakításán.

A CERN-ben 6-7 évente készül közös kutatási stratégia, nagyjából ilyen periódusokban gondolják újra (szép hunglish kifejezéssel: upgrade-elik) a nagy szabású projektterveket. (A legutóbbi ilyen stratégiai újratervezés 2013-ban, a Higgs-bozon felfedezése utáni évben volt.)

A közös CERN-es stratégia kialakítása úgy néz ki, hogy első körben összeül pár száz vezető kutató, akik összerakják a stratégiai upgrade vázát, és tudományos, valamint megvalósíthatósági szempontok alapján megtöltik tartalommal. Ezt minden érdekelt alaposan áttanulmányozza, hazai közegben megtárgyalják, majd a CERN európai stratégiai csoportja (European Strategy Group – ESG) összeül, és a delegáltak megvitatják, egyeztetnek a lényegi pontokat illetően. Ekkor még nem születik döntés, a tagállamok képviselői otthon újra átbeszélik, értékelik, véleményezik a stratégiát, amiről csak egy újabb, már rendkívüli nagytanácsi ülésen (Extraordinary Council Meeting – ECM) születik végleges döntés, és ekkor kerül sor a stratégia ratifikálására.

Ebbe tagállamként Magyarországnak is van beleszólása, egy szavazata hazánknak is van a CERN startégiájának elfogadásában.

2020 februárjában meg is történt a stratégia összeállítása, és tavasszal zajlott volna a tervek több körös megvitatása, aminek végén az lett volna a hivatalos zárómozzanat, hogy május 25-én Budapesten összeül az ECM, azaz Magyarországon fogadják el a CERN következő éveit meghatározó dokumentumot. Ebbe a folyamatba szólt bele a koronavírus-járvány.

A pandémia európai következményeképp a CERN genfi működését is takaréklángra kellett venni, az intézet gyakorlatilag bezárt, csak a berendezések működtetésén dolgozó mérnökök és technikusok maradhattak Genfben, a kutatók zöme csak otthonról dolgozhatott projektjein. A stratégia megvitatása is csak távmegbeszéléseken folyt, az összes személyes találkozót törölték, így a budapesti, rengeteg tudóst vonzó, hazánk szempontjából nagy presztizsű ECM-et is. Ez persze nem jelentette azt, hogy leállt a stratégia kialakításának folyamata, de kétségkívül nehézkesebben álltak össze a dolgok, és a végső, mostani bejelentés is csúszott. (A CERN-ben május közepén indult fokozatosan újra az élet.)

Miről szól a most nyilvánosságra hozott stratégia?

Az eddigi kutatások alapján a részecskefizika alapja, az úgynevezett standard modell igazolást nyert azzal, hogy 2012-ben meglett például a régóta keresett szubatomi részecske, a Higgs-bozon. Az elmúlt hat év (2013-2019) stratégiája a CERN életében arról szólt, hogy megerősítették a Higgs-bozon létét, amiből a CERN emblematikus részecskegyorsítójának, a Nagy Hadronütköztetőnek (LHC) az ATLAS és a CMS nevű detektorai több ezret látta;, és emellett megalapozták az igényt, hogy ideje ismét átlépni a fizika ismert világából az ismeretlenbe – azaz, hogy föl kellene fedezni új szubatomi részecskéket.

Az LHC-t 2018-ban le is állították, hogy át tudják alakítani még nagyobb energiájú, még több (százszor több) részecskével történő ütköztetésekhez – ez lesz majd a "nagy nyalábsűrűségű nagy hadron ütköztető", a HL-LHC, azaz High Luminosity Large Hadron Collider. Az új kutatóciklus feladata kell legyen, hogy a sok tucatnyi elméleti részecskefizikai modellből ki lehessen választani azt, ami a standard modellen túlvezet: azaz pár éven belül meg kell találni azt a vezérfonalat, ami alapján a fizikusok továbbmehetnek a kutatásban.

A stratégia kialakításában egy sor húsba- és pénztárcába vágó kérdésről kellett dönteni. Ilyen például a detektorokból ömlő adatok kezelése. Az előző kutatási ciklusban 100 petabájtnyi adat gyűlt össze, a következő három évben ennek százszorosára lehet számítani. Ez pedig rengeteg adat, ennek feldolgozása a jelenlegi infrastruktúrával nagyjából a lehetetlennel egyenlő.

2013-ban még gyerekcipőben járt a mesterséges intelligencia fejlesztése, az elmúlt ciklusban a CERN adatainak feldolgozásában nem vett részt MI, nem volt még elég magas szinten a gépi tanulás. A következő években azonban nem nagyon van más választása a kutatóknak, be kell vonni a mesterséges intelligenciára épülő algoritmusokat, hogy ők bogarásszanak az adatok között, ők segítsenek kibányássza a tízezer petabájtnyi adatból azokat a tippeket, amik alapján a fizikusok tovább írhatják a részecskefizika nagy könyvét. Ezért például mindenképp el kell dönteni, hogy fektetnek-e adófizetői euromilliókat, és ha igen, mennyit, a gépi tanulás fejlesztésébe.

Az alapvető infrastruktúra fejlesztéséről is dönteni kell, mert az ideális elképzelések szerint majd valamikor – előbb vagy utóbb – építeni kell egy tízszer nagyobb energiájú föld alatti részecskegyorsítót, a 27 kilométeres kerületű LHC-nál jóval nagyobb, 80-100 kilométeres kerületű berendezést – ezt nevezik jelenleg úgy, hogy "Eljövendő Körütköztető" (Future Circular Collider – FCC). Az ebben minden eddiginél nagyobb sebességgel száguldó, hatalmas energiával ütköztetett részecskéket kör alakú pályán tartó elektromágnesek fejlesztése is szükségessé válna: a jelenlegi 8 teslás tekercsek helyett jóval erősebb, 21 teslás mágneseket tartanak megfelelőnek a fizikusok az új kísérletsorozatokhoz.

És mindeközben mindent meghatároz a rendelkezésre álló költségvetési keret, és az, hogy a felszerelések ára ciklusról ciklusra nő, esetenként többszörösére. Az FCC megépítése akár tízszer annyiba is kerülhet, mint az LHC, ami húszmilliárd euró volt – na de kétszázmilliárd eurója (azaz ennek megfelelő svájci frankja) nincs a tagállami befizetésekből gazdálkodó CERN-nek, még akkor se, ha több költségvetési évre széthúzva számolunk is vele. (Ha valakiben esetleg fölvetődne: banki kölcsönt a CERN nem tud felvenni, mert még Svájcban sincsenek olyan bankok, amik részecskefizikai kutatásokra adnak hitelt.)

Két fő csapásirány: az egyik olcsó, a másik még olcsóbb

Az egyik stratégiai irány az lehetne, ha távlati tervként az FCC megépítését tűznék ki fő célul, de csökkentett paraméterekkel, harmadannyi-feleannyi pénzből, első körben az informatikai fejlesztésekre, az új elektromágnesek megépítésére koncentrálva, második körben az ütköztető alagútjának kiásását csak 2035-ben megkezdve. Így az óvatos becslések szerint 2050-re elindulhatna az FCC-ben a nagy energiájú proton-proton (hadron) ütköztetés, aminek eredményeképp új szubatomi részecskék felfedezése válhat lehetővé.

A másik fő stratégiai irány szerint nem érdemes ennyire előreszaladni. Inkább épüljön egy új, olcsóbb, az FCC-nél kisebb, lineáris gyorsító, ami nem proton-proton, hanem elektron-pozitron ütköztető lenne. Ennek az eszköznek – az úgynevezett "elektron-pozitron Higgs-gyárnak" (electron-positron Higgs factory) az lenne a lényege, hogy kevesebb részecskét ütköztetnének benne, ami a kapott adatokat tekintve valamelyest kevesebb, jobban kezelhető adattömeggel, kisebb zajjal jár, és a feltételezések szerint így jobban észre lehet venni a jövőre vonatkozó kutatási tippeket.

Ami a CERN-ben dolgozó magyar kutatókat illeti, jelenleg új típusú gyorsító eljárásokon (lézer-plazma gyorsító), detektor megoldásokon (speciális szilikon-pixel érzékelők), és úttörő információs technológiai módszerek bevezetésén (mesterséges intelligencia és gépi tanulás alkalmazása az adatelemzésben) dolgoznak. Munkájuk nemcsak az elméleti fizikai kutatás, de számos egyéb terület fejlődéséhez is hozzájárul, innovatív megoldásaikból, kutatási eredményeikből az orvostudomány, a számítástechnika, az információtechnológia, az MI-fejlesztés is rengeteget profitál. És mint arra a Wigner közleménye felhívja a figyelmet, az új stratégiai tervbe illeszkedő kutató és fejlesztő tevékenységeket befogadó hazai laboratóriumok kialakítása, átalakítása már folyamatban van, a felkészülés fő központja a Wigner Fizikai Kutatóközpont. Nem mindegy tehát, hogy merre kormányozta mostani stratégiai döntésével a nagytanács a CERN hajóját.

Erre tart a CERN

A frissített stratégia legfontosabb kutatási területként a Higgs-bozon további tanulmányozását és a nagyon nagy energiájú ütközések határainak feszegetését tűzte célul, azzal az indoklással, hogy mindkettő nagyon fontos és egymást kiegészítő módon célozza a részecskefizika nyitott kérdéseit.

Ursula Bassler, a CERN tanácselnöke az angol és francia nyelven kiadott közleményben úgy fogalmaz, hogy több száz európai fizikus közreműködésével sikerült az új stratégiában reflektálni a CERN jövőjét illető elképzelésekre és koherens irányt szabni az európai tudománypolitikának.

A stratégia fő pontjai:

  • A CERN a következő években a HL-LHC sikeres befejezésére fog koncentrálni, az LHC folyamatban lévő, nagyobb energiájú ütköztetővé fejlesztése az európai részecskefizika egyik fő feladata marad.
  • A CERN erősíti, átalakítja és jobban fókuszálja a kutatás és fejlesztés területeit, hogy a jövőben fejlettebb részecskegyorsítót, detektorokat és számítási kapacitást tudjanak a leendő kutatási projekteknek biztosítani. A közlemény hangsúlyozza, hogy ezekből a fejlesztésekből a civil társadalomnak és gazdaságnak egy sor közvetlen haszna származhat majd, a CERN-ben elért eredmények, ahogy eddig is, ezután is eljutnak számos, a hardcore tudományon kívüli felhasználói területre, legyen az orvosi technológia, biomedicina, repülés, űrhajózás, kulturális örökségvédelem, mesterséges intelligencia, energiaipar, big data vagy robotika.
  • A CERN a HL-LHC sikeres befejezése mellett az "elektron-pozitron Higgs-gyár" létesítmény megépítését tűzte ki célul, amit a HL-LHC projekt kiaknázása után legfeljebb tíz évvel szeretnének megkezdeni. A HL-LHC a várakozások szerint 2038-ban fejezné be működését, tehát a Higgs-gyár "alapkőletétele" valamikor 2038 és 2048 között történne. A közlemény szerint az elektron-pozitron ütköztető fő feladata a 2012-ben a CERN-ben fölfedezett Higgs-bozon tulajdonságainak és más részecskékkel való kapcsolatának extrém nagy pontosságú megmérése lesz.
  • A CERN tanácsa azt javasolja, hogy a nemzetközi kutatóközösséggel összefogva készüljön egy megvalósíthatósági tanulmány egy új generációs, az elérhető legnagyobb energiájú hadronütköztetőről. Ez lenne valamikor a távoli jövőben a már említett FCC, ami a nagyon nagy energiájú ütközések határainak felderítésére szolgál majd, és aminek első lépcsőfoka az elektron-pozitron ütköztető lehet.
  • A CERN tanácsa azt is javasolja, hogy Európa továbbra is támogassa a Japánban és az Egyesült Államokban futó neutrínókísérleteket, mert a részecskefizikával határos tudományos területeken, így az asztro-részecskefizikában és az atomfizikában folyó kutatások is fontosak, csakúgy, mint az Európán kívüli államokkal való folyamatos együttműködés.
  • Végezetül, de nem utolsósorban az új irányvonal nagy hangsúlyt fektet a CERN által okozott környezeti terhelés csökkentésére. A részecskefizikai tevékenységek környezeti hatásait minden nagy projekt esetében kiemelten mérlegelik majd, és igyekeznek a minimálisra szorítani azokat, különös tekintettel az energiatakarékosságra, a megújuló energiák használatára.

Június 19-én pénteken, az új stratégia bejelentésének délutánján online konferenciát tartott Ursula Bassler, a CERN tanácselnöke, Fabiola Gianotti, a CERN főigazgatója és Halina Abramowicz, az Európai Startégia Csoport (ESG) elnöke. A CERN sajtóirodája meghívta Magyarországról az Index.hu-t és a 24.hu-t is az európai újságíróknak szervezett Zoom-tájékoztatóra, amin a CERN vezetői ismertették és értékelték a stratégia fő elemeit. Fabiola Gianotti többek között azt hangsúlyozta, hogy a most elfogadott stratégia az európai kutatások szempontjából nagyon kooperatív, előremutató, ambiciózus, ugyanakkor megfontolva halad – igaz, ez utóbbival kapcsolatban a konkrét finanszírozási kérdésre (amit többek között mi is szerettünk volna tudakolni) nem tért ki.

A CERN főigazgatója a 24.hu kérdésére elmondta, hogy szeretnének nagyot lépni előre a részecskeütköztetés energiatartományát illetően, ehhez van szükség új generációs, nagyobb és erősebb gépekre, elektromágnesekre. Erre pedig azért van szükség, mert az LHC-ben jelenleg előállítható maximális energiát szeretnék az elérhető legnagyobb mértékben meghaladni, annak körülbelül hétszeresét, legalább 100 teraelektronvoltot elérni. Ezzel a kutatók itt a Földön közelebb tudnának kerülni a kozmikus energiaszintekhez, segítségével pedig

tovább feszegetni a részecskefizikának a standard modellen túlmutató, még nyitott kérdéseit.

Ursula Bassler, a stratégiát megalkotó tanács vezetője a távolabbi jövőről, a CERN lehetőségeiről szólva azt mondta, hogy a következő évek kutatási eredményei alapján dől majd el, szükség van-e a stratégia felülvizsgálatára. A fizikusok közössége – ahogy az LHC-ban megtalált Higgs-bozon esetében is – majd közösen dönt arról, hogy az előttünk álló évtizedekben milyen irányt vegyenek az európai részecskefizikai kutatások.

(Borítókép: az LHC alagútja. Fotó: Nagy Attila Károly/Index)