Mini ősrobbanások az LHC-ben

Szombatról vasárnapra virradó éjjel megtörténtek az első ólomion-ütközések a világ legnagyobb részecskegyorsítójában, a svájci-francia határon található Large Hadron Colliderben. A kísérletben részt vevő tudósok ujjongva nyilatkoztak a sajtónak, mini ősrobbanásokat emlegettek. „Ellenőrzött körülmények között hihetetlenül forró és sűrű, tízbillió fokos, szubatomikus tűzlabdákat hoztunk létre” – mondta például David Evans, a Birminghami Egyetem kutatója a Daily Mailnek. „A történelminek is mondható pillanat 2010. november 7-én, 0 óra 35 perckor jött el, ekkor kezdődött el az adatgyűjtés az ólom-ólom ütközésekben" – lelkendezett a magyar nyelvű Cernblog.

Hosszú út vezetett idáig. A 2008 őszén beüzemelt LHC egy súlyos üzemzavar miatt több mint egy évig állt, aztán amikor tavaly ősszel beindult, a fizikusok terv szerint először protonokat ütköztettek benne, hogy az e célra tervezett CMS és ATLAS detektorokkal (óriási műszeregyüttesekkel) megpillanthassák a részecskefizika standard modelljéből nagyon hiányzó feltételezett részecskét, a Higgs-bozont. Az ALICE detektornál dolgozók közben türelmetlenül vártak, de most eljött az ő idejük.

Meddig darabolható egy atom?

Az LHC protonütköztetéseinél van esély arra, hogy azokban valamilyen eddig még nem ismert részecske keletkezzen. A közel fénysebességre gyorsított protonok a tervek szerint 7 TeV (teraelektronvolt, gyakorlatilag a joule-lal ekvivalens energiamértékegység) energiával csattannak majd, 14 TeV-es ütközéseket hoznak létre (ütközéskor a két proton energiája összeadódik). Idén félgőzön működött az LHC, vagyis a protonokat csak 3,5 TeV-re gyorsították (a teljes csúcsenergiához át kell szerelni a berendezést), de az így létrehozott 7 TeV-es ütközések is rávernek az eddigi rekorder chicagói Tevatron gyorsító 1,96 TeV-es részecskekaramboljaira. Az elmúlt hónapokban az LHC-ben több százezer terabájtnyi adatot gyűjtöttek, a részecskegyorsító tervezett leállása alatt lesz mit elemezniük a fizikusoknak – akár még a Higgs-bozont is megtalálhatják.

A leállás előtt azonban az LHC-t üzemeltető CERN, a részecskefizikai kutatások európai intézete a novemberi nehézion-ütközésekben adatot gyűjt egy másik fontos kísérlethez, ami időutazásként is felfogható – ennek célja ugyanis a világegyetem ősanyagának előállítása. A tudomány mai állása szerint amikor az ősrobbanás megtörtént, a többek között a protonokat és neutronokat is alkotó elemi részecskék, a kvarkok és gluonok néhány pillanatig szabadon léteztek. Aztán ahogy az univerzum elkezdett lehűlni, a kvarkok és a köztük kölcsönhatást közvetítő gluonok összeálltak például protonokká és neutronokká, a ma ismert részecskék „kifagytak” ebből a kvark-gluon plazmának nevezett őslevesből.

A fizikusok azt remélik, hogy az ólomion-ütköztetésekben létrehozhatják újra ezt az őslevest, még ha csak igen kis térben és szemvillanásnyi ideig is. Azt várják, hogy amikor a majdnem fénysebességre gyorsított ólomionok összecsókolóznak, a kvarkok és gluonok újra szabad állapotba kerülnek. Végső soron tehát a kísérlet azoknak az erőfeszítéseknek a folytatása, amelyek során az anyagot először atomokká szedték, majd felfedezték az atommagot, később pedig olyan részecskéket, mint a proton vagy a neutron. Ha minden jól megy, az LHC-ben a proton és a neutron is darabjaira esik majd.

Borotvált ólom

Az ősleves létrehozásához szükséges feltételeket legkedvezőbben stabil és nagyjából gömb alakú nehézionok ütköztetésével lehet elérni. Az alak azért fontos, mert a gömb alakú részecskék ütközését könnyebb kiértékelni. Ezért választották az LHC nehézion-ütközéseihez az ólom atommagját, és a korábbi rekorder nehézion-ütköztető részecskegyorsítóban, az amerikai Brookhaven National Laboratory által 2000 óta működtetett RHIC-ben is ezért ütköztek aranyionok. Az uránatommag ugyan mindkettőnél nehezebb stabil ion, viszont krumpli alakú, és nagy bizonytalanságot adna a méréseknél, hogy két krumpli hogyan találta el egymást.

Az LHC nehézion-kísérlete egy hevített ólomdarabbal kezdődik. A hevítés hatására egyszeresen-kétszeresen pozitívan töltött ólomatommagok szakadnak le. Ezeket egy lineáris előgyorsítóban kicsit meggyorsítják, majd belelövik egy nagyon vékony alumíniumfóliába. A fólia leborotválja a maradék elektronokat az atommagokról, így marad egy 82-szeresen pozitívan töltött, 82 protont és 126 neutront tartalmazó, nagyjából 10^-14 méter átmérőjű atommag. Ezt gyorsítják tovább több fokozaton, és persze egyszerre több nehézion is kering a berendezés 27 kilométeres, föld alatti körgyűrűjében.

„Egy-két csomaggal kezdtük a kísérletet, de a csomagok számát még idén szeretnénk harmincra növelni” – mondja dr. Lévai Péter, a KFKI RMKI fizikusa, az ALICE-nél dolgozó magyar csoport vezetője. „Egy csomagban körülbelül ötvenmilliárd ólomatommag található, de ezeket körültekintően kell ütköztetni. Amikor protonnyalábok találkoznak, egyszerre több ütközést is szét tud válogatni a rendszer, mert egy proton-proton ütközésben csak 150-200 részecske keletkezik. Ólomion-ütközésekben viszont több ezer, ezért egyszerre csak egy ütközésnek szabad történnie.”

A rendszer másodpercenként legfeljebb nyolcezer nehézion-ütközést bír, ami már komoly adattárolási nehézségeket is felvet. A nyolcezer ütközésből egy előválogatás után csak a legjobb húszat-harmincat mentik el, de ez is 1,7 gigabájtnyi információt jelent. Vagyis amikor az LHC csúcson lesz, az ólomion-kísérletek nagyjából 150 terabájt adatot szolgáltatnak majd minden nap. Most még nincs ennyi, de Lévai szerint már szombat este óta is körülbelül ötvenezer, jól értékelhető esemény adatai születtek meg. A fizikusok nyolc órás váltásokban, három műszakban ellenőrzik a méréseket és a folyamatos adatforgalmat.

Jól haladnak

Jelenleg az ólomionok nukleononként (az atommagot alkotó protonok és neutronok közös neve) 1,38 TeV energiával száguldanak és hoznak létre mini ősrobbanásokat, amikor ütköznek. Ezek nagyon kis területen történnek, de igen forrók: az Evans által említett tízbillió fokos hőmérséklet százezerszer forróbb a Nap magjában mérhetőnél. Az 1,38 TeV-es energia 14-szer több, mint amire az RHIC képes, de az LHC átépítése után még ezt is meg tudják majd duplázni. Jövőre még marad ez a 1,38 TeV-es energiaszint, a csomagok számát viszont szeretnék kétezerre növelni.

„Idén eredetileg december 10-ig végeztünk volna ütközéseket, de az indulás sokkal simábban ment, mint vártuk, így várhatóan már december első napjaiban befejezzük az idei etapot” – mondja Lévai. Január végén újraindul az LHC, akkor megint proton-proton ütközésekkel. A következő nehézionos szakasz jövő novemberben zajlik majd, 2012 pedig az említett nagy átépítés éve lesz.

És hogy mikorra várhatjuk az első hírt az őslevesről? Lévai óvatos választ ad. „A hétvégén végzett ütközésekről szerintem még a héten meglesz az első publikáció” – fogalmaz. „De a kvark-gluon plazmáról szóló cikkekre még legjobb esetben is hónapokat kell várni. A most összegyűjtött adatok arra biztos jók lesznek, hogy a RHIC méréseit megerősítsük, és ha egy kis szerencsénk van, már idén látunk valami új jelenséget. De még ha ez így is lesz, még hónapokig tart majd az adatelemzés.”

Magyarok az ALICE-nél

Magyarország 1992 óta tagja a CERN-nek, és körülbelül az LHC költségeinek egy százalékát állta, de a szellemi hozzájárulásunk jelentősebb. Az ALICE fejlesztésében is részt vettünk, az ALICE egyik egysége, a nagy impulzusú részecskék észlelésére és kiválogatására alkalmas HMPID beüzemelése magyarokkal zajlott, akik ezzel párhuzamosan fejlesztették az úgynevezett Cserenkov-sugárzást mérő VHMPID műszert. (Lásd az ALICE-ról írt helyszíni riportunkat.)

A detektor adatgyűjtő rendszere sem készülhetett volna el nélkülünk: magyar fizikusok és mérnökök konstruálták meg azt a DDL nevű kártyát, ami a detektorok kivezetéseinél található. A kártyáktól egy üvegszálkábel továbbítja az információt az adatgyűjtő számítógépekhez, másodpercenként 70 gigabájtot, extrém sugárzási viszonyok között. Mintegy 600 DDL található az ALICE-ben, de a megoldás más detektoroknál is sikert aratott.

Az ALICE-nél most tizenöt fős magyar csoport dolgozik. Egyikük, Molnár Levente napi 8 órában a HMPID aldetektornál koordinátor, egy háromfős csapat itthon elemzi az adatokat, mások a VHMPID-et tesztelik. A magunk szerény eszközeivel az adatokat feldolgozó gépparkhoz is hozzájárultunk. Az LHC adatainak megemésztése több tízezer számítógépben történik, ezek a CERN-tagok hálózatba kötött klasztereiből jönnek össze. Az RMKI-nál háromszáz gép dolgozik a CMS adataival, bő száz gép pedig az ALICE-t szolgálja.