Újraindítják a legnagyobb részecskegyorsítót

2008. szeptember 19. fekete nap az európai részecskefizikai kutatóintézet, a CERN krónikájában. Ezen a napon történt az a végzetes üzemzavar a Large Hadron Colliderben (LHC), ami hat tonna szuperfolyékony (és szuperdrága) hélium elfolyását okozta, bő egy évre visszavetve a modern fizika jelenleg legizgalmasabb kísérletét. Az első híradások még emberi hibát emlegettek, eszerint két mágneselem találkozásánál gyenge volt a vezérlő elektronika forrasztása, ezért ott megnőtt az ellenállás, ami végül gyilkos, több kiloamperes elektromos ívet eredményezett. Ez a kisülés átlyukasztotta a mágneselem hűtéséért felelős csövet, amiben az említett, 1,9 kelvines (azaz mínusz 271,2 Celsius-fokos) hélium cirkulált.

Ezzel beindult egy olyan láncreakció, ami a gyorsító több tucat mágneselemét megrongálta. Ezekből az elemekből körülbelül 1200 található az LHC alagútjaiban, a mágnesek belsejében keringő szuperfolyékony hélium gondoskodik arról a pokoli hidegről, ami a szupravezetés környezeti feltétele. A szupravezetés (az a fizikai jelenség, amikor az elektromos ellenállás szinte nullára csökken) pedig elengedhetetlen feltétele annak, hogy az LHC föld alatti, 27 kilométer kerületű körgyűrűjében, két nyalábban gyorsuló részecskék fénysebesség közeli sebességen száguldjanak nagyobb energiaveszteség nélkül.

A két, ellentétes irányú nyalábot az LHC óriási műszeregyüttesei, detektorai előtt vezetik össze, hogy a megfigyelt részecskeütközések alapján a tudósok pontosíthassák a kvantumfizika modelljeit és újabb információkat tudjanak meg az univerzum keletkezéséről – tavaly szeptemberben ezt a nemes feladatot kellett elhalasztani 14 hónappal. A CERN illetékesei vigasztalhatatlanok voltak, elvégre a gyorsító épp, hogy csak beindult, a leállásból legfeljebb csak néhány szakújságíró profitált, aki így lejuthatott az LHC alagútjaiba, és onnan tudósíthatott a lenyűgöző szerkezetről.

Néhány nanoohm is számít

A rendszerhiba után nem hullottak fejek a CERN-nél, pedig a javítás költsége később negyvenmillió svájci franknál állt meg (ami nem is tűnik olyan soknak annak fényében, hogy az LHC munkabérekkel együtt körülbelül hatmilliárd euróból épült). „Nem emberi hiba okozta a leállást, hanem egyszerűen nem gondolta senki, hogy ennyire érzékeny lesz a rendszer” – magyarázza dr. Lévai Péter, az MTA KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet fizikusa, az ALICE detektornál dolgozó magyar csoport vezetője. „Soha senki nem csinált még ilyen nagy teljesítményre tervezett gyorsítót korábban, itt már néhány nanoohm ellenállás is sok tud lenni.” Ezt támasztja alá az is, hogy a részletesebb vizsgálatok kiderítették, több csatlakozás is hasonló módon meggyengült, mint az, amelyiknél történetesen elfolyt a hélium.

A CERN mérnökei és fizikusai a javításokon túl az LHC-nek ezt a gyenge technológiai pontját fejlesztgették az utóbbi egy évben, átnézték és megerősítették a teljes rendszert. A szakemberek szerint az alkatrészek most már elviselnének egy olyan kisülést, ami a végzetes leállást okozta. Ezen túl a biztonsági rendszert is átszabták, a körgyűrű nyolc nagy szektorán belül zárószelepekkel további alszektorokat hoztak létre, így ha esetleg valahol megint elszáll a rendszer, a hiba csak néhány mágnest fog érinteni, és sokkal kevesebb hélium folyik el.

Persze a CERN szeretné ezt mindenképpen elkerülni, ezért sokkal óvatosabb ütemtervet határozott meg, mint tavaly. A részecskegyorsítók teljesítményét általában gigaelektronvoltban (GeV) vagy teraelektronvoltban (1 TeV = 1000 GeV) megadott számmal jelzik, utalva arra, hogy mekkora a lehetséges legnagyobb energiájú ütközés, ami végrehajtható benne (az elektronvolt ugyanis energia-mértékegység, gyakorlatilag a Joule-lal ekvivalens). Az LHC csúcsteljesítménye 14 TeV, ami akkor jön össze, ha két, 7 TeV energiájú, a fénysebesség 99,9999991 százalékával száguldó proton ütközik a gyorsítóban. Ezt azonban idén nem fogja elérni az LHC, sőt jövőre sem.

Óvatos duhajok

Amikor tavaly szeptemberben elindult az LHC, még az volt a terv, hogy pár hónapon belül felpörgetik a maximális 14 TeV-re a gyorsítót, de a rendszerhiba miatt most nagyon elővigyázatos a CERN. Az LHC már üzemképes, ismét 1,9 kelvines hélium hűti, és október 23-án három napig sikeresen teszteltek több szektort. Proton- és ólomionnyalábokat gyorsítottak, és az LHC közvetlen előgyorsítójából, az SPS-ből az LHC első szektoraiba lőtték azokat. A protonnyaláb energiája 450 GeV, a nehézionnyalábé 160 GeV volt, a rendszer gond nélkül működött ilyen kis energián (ami az SPS maximális teljesítményének felel meg).

A teljes újraindítás valamikor november közepén lesz, az első ütközések pedig a december 4-ével kezdődő három napon. Ezek 900 GeV-s ütközések lesznek, 450 GeV-s protonnyalábokat ütköztetnek majd. Ha minden rendben megy, az azután következő héten 1,1 TeV-re gyorsítják a protonokat, majd egyhetes tesztidőszak után december 14-én, 15-én és 16-án újabb proton-proton ütközéseket hajtanak végre ezen az energián. Tehát az ütközések energiája 2,2 TeV lesz, ami az LHC csúcsteljesítményének valamivel kevesebb mint húsz százaléka. 2010-ben is csak ötven százalékra pörgetik a gyorsítót (ami 7 TeV-s ütközéseket jelent két 3,5 TeV-s protonnyalábbal számolva). Jövő októberig protonokat ütköztetnek, novemberben nehézionokat, majd háromhónapos leállás következik, kiértékelik a 2010-es tapasztalatokat – csak ezután, tehát legkorábban 2011-ben éri el az LHC 14 TeV-s csúcsteljesítményét (bár olyan forgatókönyv is van, hogy még ekkor is csak 10 TeV-ig növelik az energiát).

„A 2011-es ütemterv nagyban függ az addigi eredményektől” – fogalmaz Lévai. „A CERN szeretné a mágneseket jól megismerni, mert úgy tűnik, a véltnél is érzékenyebb szerkezetek. Meg kell tanulni, hogyan lehet ezeket 100 százalékos teljesítmény közelében tartani. De ha minden rendben megy, az LHC már idén decemberben felülmúlja majd a Tevatront.”

Amerika beelőzhet

A magyar fizikus nem véletlenül említi a Chicago mellett található amerikai részecskekutató intézet, a Fermilab (Fermi National Accelerator Laboratory) gyorsítóját. Jelenlegi 1,96 TeV-s csúcsteljesítményével a Tevatron a legerősebb részecskegyorsító, de a második helyre szorul majd, ha december 14-én megtörténnek az első 2,2 TeV-s ütközések az LHC-ben. Viszont a Tevatron már körülbelül öt éve csúcsteljesítményen pörög, rengeteg kiértékelendő adatot termelt. Érezhető, hogy az amerikaiak az utóbbi években rákapcsoltak, szeretnék ők megtalálni Európa előtt a nevezetes Higgs-bozont.

Az isteni részecskének is nevezett bozon létezését névadója, a skót Peter Higgs jósolta meg 1964-ben. A tudós azt akarta megmagyarázni, hová tűnik el a tömeg, amikor az anyag egyre kisebb atomon belüli részecskékké törik szét.

Feltételezése szerint az ősrobbanás pillanatában tömeg nélküli volt az anyag, majd hirtelen tömeget nyert egy mezőnek köszönhetően. Ezt az azóta Higgs-mezőnek nevezett jelenséget a feltételezett Higgs-bozon közvetíti, ez az elemi részecske ad tömeget a többi részecskének. Ha a részecskegyorsítók ütközéseiben sikerülne megtalálni a Higgs-bozont – pontosabban igazolni a létezését azok alapján a részecskék alapján, amikké bomlik –, ki lehetne egészíteni vele a részecskefizika standard modelljét, vagyis a négy alapvető fizikai kölcsönhatásból hármat – az elektromágneses, az erős és a gyenge kölcsönhatást – egyesítő modellt. Ebből ugyanis nagyon hiányzik a Higgs-bozon, és nem vitás, hogy a felfedezése Nobelt is érne.

A Tevatron előnyét az LHC a nagyobb teljesítménnyel hozhatja majd be, mert a Higgs-bozon keletkezésének valószínűsége nő az energia növelésével, ráadásul nem lineárisan. Kérdés, mennyire tud a részecske elbújni a tudósok elől – ugyanis minél nehezebb a bozon, annál könnyebben lehet ráakadni létezése bizonyítékaira. A Fermilab szerint jó esélyük van arra, hogy megelőzzék a CERN-t, az európai kutatók viszont többnyire úgy vélik, hogy ha a Tevatronban meg lehetne találni a bozont, akkor már régen megtalálták volna.

Az LHC megépítésének egyik fő motivációja a Higgs-bozon felfedezése volt, ezt fogják kutatni a proton-proton ütközésekben. A nehézionok ütköztetése azonban más célt szolgál: ezekben a kvark-gluon plazmát, vagyis az univerzum ősanyagát szeretnék megpillantani a kutatók, és a világegyetem keletkezéséről szereztnének új információkat.

Mivel a CERN tagjai vagyunk, a bozon- és a plazmavadászatban is részt veszünk. „Mind a nehézion-kísérletekre tervezett ALICE, mind a Higgs-bozont figyelő CMS detektor kísérleteiben műszakot adunk. Már most is, mert tesztek ilyenkor is folynak, a detektorok a kozmikus sugárzást is észlelik, erre is tesztelik a berendezéseket” – mondja Lévai. „Közben felkészülünk a decemberi ütközésekre, pillanatnyilag az a legfontosabb, hogy az adatgyűjtés hibátlanul megtörténjen. Aztán 2 TeV környékén már elkezdhetünk izgulni.”