Magyarok publikálták először az LHC rekordját

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.

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.

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.

„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.

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.