Eddig nem látott jelenséget figyeltek meg az LHC-ben

Magyar idő szerint kedd délután öt órakor tette nyilvánossá a részecskefizikai kutatások európai intézete, a CERN az LHC legújabb eredményét. A „Hosszútávú azonos oldali korrelációk megfigyelése hadronikus kölcsönhatásokban” című publikáció egy új jelenséget ír le a proton-proton ütközésekben. A jelenséget az LHC CMS nevű detektoránál, azaz műszeregyüttesénél figyelték meg, az itt dolgozó CMS Együttműködés projekt egyik fontos felfedezése.

A gyorsítókban nagy sebességű és nagy energiájú részecskéket ütköztetnek, és a fizikusok az ütközésekben keletkezett részecskék viselkedését elemezve próbálják felfedni az univerzum és a fizika még ismeretlen területeit. Az LHC-ben minden eddiginél nagyobb, 7 teraelektronvolt (TeV) energiájú ütközések történnek, amikor két, közel fénysebességű proton karambolozik, így a gyorsítóban olyan jelenségek is előfordulhatnak – és a jelek szerint elő is fordulnak is –, amelyek korábban ismeretlenek voltak.

Rendszer a káoszban

A tanulmány nagy multiplicitású ütközéseken alapul – vagyis olyan ütközéseken, amelyekben több mint száz töltött részecske keletkezik. A CMS Együttműködés ezekben az ütközésekben arra utaló jeleket fedezett fel, hogy bizonyos részecskék valamilyen módon korreláltak, azaz nem voltak függetlenek, valahogy egymáshoz rendelődtek az ütközési pontbeli keletkezésük pillanatában. Ezeknek a korrelációknak a keresése az LHC legnagyobb részecskeszámú proton-proton ütközéseiben természetesnek is tekinthető, hiszen a részecskesűrűség ezekben már kezdi elérni a nehezebb atomok (például a réz atommagjainak) nagy energiájú ütközéseiben tapasztaltakat, ahol hasonló effektusokat már korábban is megfigyeltek.

A cikkben bemutatott tanulmányban a kutatók az egy-egy ütközésben keletkezett részecskéket minden lehetséges módon párokba állították, és minden pár esetén megmérték a két részecske repülési iránya közötti különbséget hosszanti és keresztirányban. Ezeket a Δη és Δφ betűkkel jelölték, és a párokra kiszámítottak egy korrelációs függvényt. A balra látható ábra mutatja, hogy az R korreláció hogyan függ a Δη és Δφ mennyiségektől átlagos és nagy részecskeszámú ütközésekre.

A legfeltűnőbb különbség a két ábra között egy hosszúkás hegygerinchez hasonló alakzat megjelenése Δφ=0 körül, minden Δη értéknél. Ez azt jelenti, hogy bizonyos párok részecskéi, melyek nagy Δη különbséggel rendelkeznek és közel fénysebességgel távolodnak egymástól, mégis majdnem ugyanabban az irányszögben haladnak – mintha ezek a részecskék már valamilyen kapcsolatban lettek volna, amikor az ütközési pontban megszülettek.

„Annak ellenére, hogy aktívan kutattunk ehhez hasonló jelenségek után, ennek a korrelációnak a megfigyelése valójában váratlan volt proton- proton ütközések esetén, és ez éppen emiatt annyira érdekes” – kommentálta az eredményt Guido Tonelli professzor, a CMS kísérlet vezetője. „Ez a megfigyelés jól szemlélteti nemcsak a CMS detektor képességeit és sokoldalúságát, hanem az azokat kihasználó fizikusokét is. Lépésről lépésre haladva elindultunk annak az új területnek a felfedezésére, amelyet az LHC most már hozzáférhetővé tesz a számunkra.”

A következő időszakban a kutatók alaposabban megvizsgálják a nagy részecskeszámú ütközéseket. Az LHC nyalábok intenzitását növelik, és ennek következtében a gyorsító a következő hónapokban a korábbiaknál legalább százszor több adatot fog szolgáltatni – így a jelenség részletesebben vizsgálható, az ezért felelős mechanizmus pedig jobban tisztázható lesz. Hasonló vizsgálatokat terveznek a CMS-ben a néhány hónap múlva kezdődő nehézion-ütközések során is – ezekben nem protonok, hanem ólomatommagok ütköznek majd.

Kezdődik az új fizika

A mostanra több mint háromezer tagot számláló CMS Együttműködés sikeréhez magyar kutatók is hozzájárultak, a magyar CMS-csapatot dr. Horváth Dezső, a KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet tudományos osztályvezetője vezeti. A most nyilvánosságra hozott publikáció mellett többek között az ehhez szükséges eseményválogatásra használt úgynevezett kaloriméter tervezésében és megépítésében is részt vettek magyarok. A müonok (egy részecske neve, sok ilyen keletkezik az ütközésekben) megfigyelésére alkalmas műszerek pozicionálásában is fontos szerepet vállaltak – ezek a detektorok majd a jövőbeli publikációkban kapnak nagyobb szerepet.

A jelenlegi publikáció a CMS hatodik, proton-proton adatokon alapuló cikke, amelyek egy kivétellel mind a CMS kísérlet QCD (kvantum-színdinamika) csoportjának kis impulzusú részecskékre specializálódott alcsoportjában született. A QCD csoport vezetője Siklér Ferenc, a KFKI RMKI Részecskefizikai Főosztályának tudományos főmunkatársa, az alcsoport vezetője Veres Gábor, az ELTE Atomfizikai Tanszék adjunktusa, a CERN kutatási ösztöndíjasa.

„A mostani eredmény lényege, hogy az ütköző protonnyaláboktól mérve teljesen eltérő irányokban kirepülő részecskék között is van kapcsolat” – mondta Veres a tanulmányt kommentálva. „Ez a kapcsolat nem egyszerűen az impulzus- vagy energiamegmaradás következménye, és nem is olyan kvantumkorreláció, amely egymáshoz nagyon közeli részecskék között lép fel. A megfigyelt jelenség egészen különös: egy bizonyos impulzustartományban jelenik csak meg, tehát az ütközési pontból túl kicsi vagy túl nagy sebességgel távozó részecskék között nem látható.”

A kutató szerint amíg az LHC nem érte el a 7 TeV-es ütközési energiát, ilyen sok részecske egyetlen proton-proton ütközésben sem keletkezett a laboratóriumban, valószínűleg ezért sem lehetett ezt a jelenséget eddig megfigyelni. „A jelenlegi proton-proton ütközéseket leíró modellek között egyelőre nem találtunk olyat, amelyik tartalmazza ezt a fajta korrelációt. Ez a publikáció tehát az első olyan jelenség megfigyelése az LHC-nál, amely nemcsak mennyiségileg tér el a várakozásoktól és jóslatoktól, hanem minőségileg is” – fogalmazott Veres.

Magyarok mindenhol

A részecskegyorsítóban december elején zajlottak le az első ütközések az akkor rekordnak számító 2,36 teraelektronvoltos (TeV) energiaszinten (a korábbi rekordot a Fermilab Tevatronja tartotta 1,96 TeV-vel). Ezen ütközésekről három magyar fizikus vezetésével készült az első tanulmány. Siklér Ferenc, Veres Gábor és az ELTE Atomfizikai Tanszék doktorandusza, Krajczár Krisztián referenciaméréseket végzett: azt vizsgálták, hogy egyetlen proton-proton ütközésben mennyi részecske keletkezik, és hogy ezek milyen tulajdonságúak, hogy ezeket az adatokat a későbbi, nagyobb protonszámú ütközéseknél tudják használni. Munkájukban további 8-10 ember segített a Boston melletti MIT-ről.

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 ezután is az elsők között adtak közzé tanulmányt arról, mi történik az ütközésekben – mindkét esetben azt tapasztalták, hogy a nagyobb energiaszinteken sokkal több részecske jön létre az ütközésekben, mint azt a modellek sugallják.

Bár a CERN és az LHC költségeihez csak 0,76 százalékban járultunk hozzá (a szervezet büdzséjét a tagországok GDP-arányosan dobják össze), a szakmai súlyunk jóval nagyobb. Az LHC mind a négy fő detektoránál dolgoznak magyarok, a CMS mellett 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.

Az LHC jelenlegi mérési periódusa várhatóan összesen tizennyolc hónapig tart. Ez elég lesz ahhoz, hogy a kísérletek elég adatot gyűjthessenek ezen új terület felderítéséhez minden olyan témakörben, ahol új fizikai jelenségek várhatók.