Ráadják a kakaót az LHC-re

Az LHC 2008 szeptemberében indult el, majd egy komoly üzemzavar miatt több mint egy évre leállt. Amikor tavaly ősszel újraindították, óvatosan, kis energiaszinten helyezték üzembe és csak pár ezer protont keringettek, majd ütköztettek a francia-svájci határon levő részecskegyorsító föld alatti, 27 kilométeres körgyűrűjében.

Csomagolt proton

Egy részecskegyorsító képességeit általában azzal az energiaszinttel jellemzik, amilyen energiájú részecskéket a szerkezet képes pályán tartani és ütköztetni. Ezt az energiát gigaelektronvoltban vagy teraelektronvoltban mérik (1 TeV = 1000 GeV) – ez egy, a Joule-lal ekvivalens, de annál mintegy tízmilliószor kisebb mértékegység. 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 keletkezik.

Az LHC előtt a chicagói Fermilab Tevatronja volt a legnagyobb részecskegyorsító, ebben 0,98 TeV-es protonok hoztak létre 1,96 TeV-es ütközéseket (ütközéskor a két találkozó proton energiája összeadódik). Ezt az LHC tavaly decemberben megdöntötte, amikor 1,18 TeV-es protonokkal produkált 2,36 TeV-es karambolokat (magyarok publikálták először a rekordot). Most 3,5 TeV a protonnyalábok energiája, vagyis 7 TeV-es ütközések történnek a részecskegyorsítóban. A gyorsító ütközéseinek tervezett csúcsenergiája 14 TeV, azaz a mostaninak éppen duplája – ehhez azonban bő egy évre le kell állítani a szerkezetet és átszerelni a protonokat pályán tartó szupravezető mágneselemek illesztéseit.

A CERN-nek azonban más módjai is vannak az LHC hatékonyságának növelésére. Az utóbbi hónapokban azon dolgoztak, hogy minél több csomagban keringjenek a protonok a körgyűrűben és ezek minél nagyobb valószínűséggel ütközzenek. Az LHC kísérleteinek főkoordinátora, Mike Lamont szerdán elmondta a LiveSciencne-nek, hogy induláskor még mindkét irányban csak egy-egy csomag proton száguldott a gyorsítóban, de most már 256 a csomagok száma, és mindegyik csomagban százmilliárd proton van. A csomagok számát év végéig szeretnék 400-ra növelni.

Ezzel párhuzamosan a nyalábok további fókuszálása is zajlik majd. A fizikusoknak az az érdeke, hogy a csomagok minél kisebb területen találkozzanak az LHC nagy műszeregyüttesei, detektorai előtt. A szűkebb nyaláb ugyanis több ütközést jelent, a több ütközés pedig nagyobb esélyt arra, hogy történik valami érdekes felfedeznivaló. Most körülbelül 60 mikron átmérőjű területen (nagyjából egy emberi hajszál keresztmetszete) találkoznak a százmilliárd protonos csomagok, de Lamont szerint ezt az átmérőt tovább tudják szűkíteni év végéig. Jelenleg egyébként másodpercenként körülbelül hatmillió ütközés történik az LHC-ben, de Lamont szerint ennek akár a százszorosa is elérhető a jövőben.

Higgs és SUSY

A csomagszám növelésének és a nyalábfókuszálásnak is az a célja, hogy minél több adatot nyerjenek az LHC-ból még a nagy leállás előtt. A nagy adattömeg azért fontos, hogy legyen mit elemezni, amíg a gyorsítót átszerelik, és hogy minél nagyobb esélye legyen annak, hogy megtalálják az LHC fő célpontjai közül kettőt: a Higgs-bozont és a szuperszimmetrikus részecskéket.

A Higgs-bozon egy semleges töltésű elemi részecske, aminek a létezését a részecskefizika standard modellje –, vagyis az elektromágneses, az erős és a gyenge kölcsönhatást leíró és egyesítő modell – már megjósolta. Illetve egész pontosan névadója, a skót Peter Higgs jósolta meg még 1964-ben. Higgs azt kívánta megmagyarázni, hová tűnik el a tömeg, amikor az anyag egyre kisebb atomon belüli részecskékké törik szét. 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, és ez ad tömeget a többi részecskének. A Higgs-bozon létezését (vagy valami hasonló mechanizmus létezését) szinte az összes elmélet igazolja.

A szuperszimmetria (angol rövidítéssel SUSY) pedig a modern fizika egyik legizgalmasabb elmélete, a húrelmélet is támogatja . Eszerint az ismert részecskéknek létezik egy-egy nagyobb tömegű szuperszimmetrikus párja (szuperpartnere), amelyek ismert párjuktól egyetlen kvantumfizikai jellemzőjükben, a spinjükben különböznek. Az elmélet egyben azt is feltételezi, hogy a létező részecskéknek legfeljebb a felét ismerjük.

Ha sikerülne SUSY-részecskéket találni, és rengeteg elméleti ellentmondást feloldana. A teória állításainak ellenőrzése eddig azért nem volt lehetséges, mert az ellenőrizendő folyamatok olyan nagy energiaszinten zajlanak, aminek előállítására képtelenek voltunk. Nem tudni, hogy az LHC jelenlegi 7 TeV-es vagy akár a későbbi 14 TeV-es csúcsenergiája elég lesz-e. A válasz a legtöbb kutató szerint inkább igen, mint nem. Egyes szuperszimmetria-elméletek szerint a legkisebb szuperpartnerek már egy-két TeV-en megmutatják magukat. Bizonyítani azonban nehéz lesz a létezésüket, ugyanis a könnyű szuperpartnerek nem sok nyomot hagynak maguk után, csak némi hiányzó energiát. Ilyet pedig produkálhatnak a detektorok rétegei közt levő igen apró rések is, vagy akár egy bedöglött elektronika.