Magyarok vezetésével publikálták az LHC új rekordját

A részecskefizikai kutatások európai intézete, a CERN egy komoly üzemzavar után tavaly novemberben indította újra részecskegyorsítóját, a Large Hadron Collidert. A berendezésben nyalábokba rendezett protonokat kezdtek gyorsítani és ütköztetni, és még novemberben megdöntötték egy fontos rekordot: a nyalábok energiáját sikerült 1,18 teraelektronvoltra növelni (a korábbi rekord a chicagói Tevatroné volt 0,98 teraelektronvolttal).

A rekord arra való, hogy megdöntsék

A teraelektronvolt (TeV) a Joule-lal ekvivalens kategóriájú mértékegység, a fizikusok ezzel jelzik a részecskegyorsítókban a közel fénysebességgel száguldó részecskék energiáját. Minél nagyobb ez az érték, annál gyorsabban száguld a részecske, és annál nagyobb az esélye annak, hogy két ilyen részecskecsomag ütközésekor valamilyen korábban nem tapasztalt jelenséget, esetleg egy eddig nem ismert részecskét figyelnek meg a tudósok.

Decemberben megtörténtek az első, 2,36 TeV-es ütközések (kétszer 1,18 TeV, ütközéskor összeadják a két találkozó részecske energiáját), és mint februárban megírtuk, ezen ütközések eredményeit magyar kutatók vezetésével és a bostoni MIT közreműködésével értékelték ki és publikálták először. A kutatók az LHC egyik detektoránál (hatalmas műszeregyüttesénél), a CMS-nél dolgoznak, ahol egyébként körülbelül 2500 ember vesz részt a kísérletekben.

Márciusban a CERN mérnökei 3,5 TeV-re növelték a nyalábok energiáját, majd hónap végén lezajlottak ezen az energiaszinten is az újabb rekordnak számító, 7 teraelektronvoltos ütközések. A magyarok, akik februárban publikáltak, többedmagukkal most is az elsők között adtak közzé tanulmányt arról, mi történik az ütközésekben. Ez tehát a CMS-együttműködés második megjelent cikke a novemberi indulás óta, és mindkettő magyar vezetéssel készült.

Ütközések

Bár a tanulmányhoz szükséges adatok előállításához 38 ország 166 intézetének több mint kétezer tudósa és mérnöke járult hozzá, az első 7 TeV-es adatok kiértékelését egy maroknyi csapat vezette: Siklér Ferenc, a KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet Részecskefizikai Főosztályának tudományos főmunkatársa, Veres Gábor, az ELTE Atomfizikai Tanszék adjunktusa (egyben a CERN kutatási ösztöndíjasa), a szintén ELTÉ-s Krajczár Krisztián doktorandusz és további 8-10 ember az MIT-ről.

„Az első 7 TeV-es ütközések után hat perccel már voltak előzetes eredményeink, de több mint hat hét kellett ahhoz, hogy végleges eredményeket produkáljunk és azt elfogadtassuk a kollégáinkkal” – fogalmaz Veres. „Ezután a cikket beküldtük az egyik legrangosabb fizikai folyóiratba, a Physical Review Letters-be.” A PRL-nél egy alapos ellenőrzés után elfogadták a cikket és szerdán publikálták. Emellett az a megtiszteltetés érte a magyarokat, hogy a PRL szerkesztői egy rövid összefoglalót is közöltek a cikkről a honlapjukon. Ezzel a tanulmány bekerült egy rangos gyűjteménybe, amely a fizika összes területét lefedi, és ahova a legfontosabb fizikai eredmények kerülnek.

Az LHC (és a CMS detektor) egyik fő célja a Higgs-bozon nevű titokzatos részecske megtalálása – ha sikerülne igazolni a létezését, pontosítani lehetne a részecskefizika több elméletét és modelljét, mindenekelőtt a négy alapvető kölcsönhatás közül hármat (az elektromágnesest és az elemi részecskék közti erős, illetve gyenge kölcsönhatást) egyesítő standard modellt. A bozon nyomainak megfigyelésére azonban csak magasabb energiaszinten és ütközésszámon lesz lehetőség – az LHC még nem működik csúcsenergián, a nyalábok energiáját pár éven belül 3,5-ről 7 TeV-re szeretnék növelni, a jelenlegi másodpercenkénti ütközésszám pedig alig százezred része a tervezettnek (ha csúcsformában lesz az LHC, 10⁹ ütközés történik majd másodpercenként benne).

Új fizikai jelenség?

Bár nem most fog felbukkanni a Higgs-bozon, a magyarok mostani tanulmánya fontos, mert ismeretlen területre merészkedik: tudni kell, mi történik a korábban ismerteknél nagyobb energiaszinteken, hogy aztán a ritka, különleges eseményeket (például a Higgs-bozon keletkezését) fel tudják ismerni. A tanulmány legfontosabb feladata tehát az összes ütközést észlelése és az azokból származó adatok leírása. A kutatók tehát rögzítették azt ütközésekben keletkezett töltött részecskék számát, szög- és impulzuseloszlását.

Az ütközések a detektorok előtt történnek, hogy a nagy műszerek (csak a CMS 12500 tonnás) részegységei észleljék a részecskéket. A szögeloszlás azt mutatja meg, hogy a karambolban keletkező új részecskék pályája a nyalábtól milyen irányba és milyen szögben tér el, az impulzuseloszlás pedig az új részecskék lendületét adja meg. A nyalábtól nemcsak merőlegesen, hanem nagyobb szögtartományban figyelték a részecskéket.

Akárcsak a 2,36 TeV-en végzett méréseknél, 7 TeV-en is azt találták, hogy az ütközésekben mintegy negyven százalékkal több részecske keletkezett, mint azt a kisebb energiájú ütközések alapján előrejelezték a modellek. „Ez nagyon szignifikáns eltérés, az általunk mért részecskeszámot és az átlagos impulzust egyelőre nem sikerült jól beleilleszteni a létező modellek kereteibe” – mondta Veres az MTA vonatkozó közleményében. Szinte biztos, hogy ezeket a modelleket módosítani kell, a következő hónapok munkája és sok új mérési eredmény kell ahhoz, hogy eldönthessék, kisebb változatás vagy alapvető átalakítás szükséges. Az eddigi adatokból az utóbbi tűnik valószínűnek, az sem kizárható, hogy a nagyobb részecskeszám valamilyen újfajta fizikai jelenséget jelez.

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 detektornál is komoly magyar csapat dolgozik.