Magyarok keresik az ősanyagot

A svájci-francia határon, a föld alatt – a domborzattól függően 80-150 méter mélyen – meghúzódó LHC a legnagyobb létező részecskegyorsító. A főgyorsító körpályájának átmérője körülbelül 8,6 kilométer, vagyis a teljes kör kerülete nagyjából 27 kilométer. Persze ezt az utat egy szemvillanás alatt teszik meg a szinte fénysebességgel száguldó részecskék, ha majd szeptember végén beindul a gyorsító.

E felgyorsított részecskék energiája több teraelektronvolt (TeV) – ez gyakorlatilag a Joule-lal ekvivalens mértékegység, 14 TeV annyi munkavégzésnek felel meg, amennyi ahhoz szükséges, hogy egy üres sörösdobozt két centiméter magasra emeljünk. Csakhogy ez a 14 TeV az LHC-ben elvégezhető legnagyobb energiájú kísérletben igen pici térfogatra sűrűsödik majd: amikor két protont ütköztetnek a részecskegyorsítóban, minden protonra 7 TeV jut (így jön ki a két protonra a 14 TeV). Ennél nagyobb energiakoncentrátumot jelenleg nem lehet két protonnal elérni, ezért ezzel a számmal szokták jelezni az LHC teljesítményét.

Nehézion-ütközéseket is végeznek majd a gyorsítóban, ekkor két ólomatommagot eresztenek egymásnak. Az ólom atomszáma 208, és minden nukleonpárra 5,5 TeV jut, ami azt jelenti, hogy az ólom-ólom ütközésekben a legnagyobb energiakoncentráció 208 * 5,5, vagyis 1144 TeV lesz – persze ez az energia jóval nagyobb térfogatba koncentrálódik, mint a proton-proton ütközésekben. Az eddigi legerősebb, hasonló elven működő részecskegyorsítóban, az amerikai Brookhaven National Laboratory által 2000 óta működtetett RHIC-ben 0,2 TeV jut egy protonra, illetve protonpárra (ott 197-es atomszámú aranyionokat ütköztetnek), ami azt jelenti, hogy nagyjából harmincszor akkora az LHC teljesítménye, mint az eddigi legerősebb részecskegyorsítóé. Ez önmagában is elég lenne ahhoz, hogy izgalommal várjuk a létesítményben folyó kísérleteket, de még érdekesebb a projekt annak tudatában, hogy mi is érintve vagyunk benne.

Magyarország ugyanis 1992 óta tagja a CERN-nek, és körülbelül az LHC költségeinek egy százalékát állta (csak tavaly egymilliárd forinttal támogatta a gyorsítót). Csekélynek tűnő anyagi kontribúció ez, de a szellemi hozzájárulás jóval nagyobb. Amikor Rolf-Dieter Heuer, a CERN főigazgatója nyár elején nálunk járt, a magyar szakembereknek tartott előadásában az európai részecskefizikai kutatások három alappillérét nevezte meg: gyorsítófejlesztés, detektorfejlesztés és a számítóközpont fejlesztése. Mindhárom területen dolgoznak magyarok, de hogy megértsük, pontosan min, ahhoz előbb meg kell ismerkednünk a részecskegyorsító működésével.

1200 szupermágnes

"A részecskegyorsítóban részecskecsomagokat állítanak elő, és minden csomag nagyjából egymillió részecskét tartalmaz" – magyarázza dr. Lévai Péter, a KFKI RMKI egyik vezető fizikusa Heuer előadása után. "Ezek a csomagok néhány méteres közökkel követik egymást. Ahhoz, hogy ütközések jöjjenek létre, egymással szembe kell küldeni a részecskecsomagokat, mégpedig nagyon sokszor, hogy az ilyen eseményeket vizsgáló műszeregyüttesek, detektorok közepén esemény történjen." Ez tehát az elv, amire kétféle megoldás létezik, a lineáris és a ciklikus részecskegyorsító. Az előbbiben egyenes pályát járnak be a részecskék, tehát a felgyorsított részecskék elvesznek, így újra kell őket termelni. A ciklikus gyorsítóban megfelelő eszközökkel körpályán lehet tartani a részecskéket, amik egy idő után ütköznek, és elég mondjuk félnaponta lecserélni a csomagokat.

A részecskéket úgy lehet körpályán tartani, ha mágneses térrel eltérítjük őket. Minél nagyobb egy részecske energiája, annál nehezebb eltéríteni, illetve annál többet fog kisugározni az energiájából, hogy eltérülhessen (ez az úgynevezett szinkrotron sugárzás, amit egyes gyorsítókban használnak más jellegű kísérletekre, például anyagvizsgálati módszerek kifejlesztésére). Kell tehát néhány nagyon erős mágnes (régebben hagyományos vasmágnest használtak, újabban szupravezető mágneseket), amik eltérítik a részecskét, de a részecskék kisugárzott energiáját vissza is kell pótolni. Ez úgynevezett üregrezonátorokkal történik, ezekkel gyorsítják újra a részecskéket annyira, hogy ne essenek ki az ütemből.

Az LHC 27 kilométeres gyűrűje nagyjából így alakult ki: ekkora körpályánál nem veszítenek sok energiát a részecskék, vagyis nagyobb energiájú részecskéket lehet körpályán tartani. "Egy fizikus persze el tud képzelni 100-150 kilométeres gyorsítókat is, de a költségeket is látni kell" – mondja Lévai. "A 27 kilométeres gyűrűben 1200 szupravezető mágnes van, ezek ára darabonként félmillió svájci frank. Szóval nem lehet kedvünkre fokozni a gyűrű méretét. Viszont ha sikerülne egy újabb technológiai ugrást végrehajtani a szupravezető mágnesek terén, a mostani mágneseket lecserélve az LHC alagútjaiban még nagyobb teljesítményű gyorsítót építhetnénk."

Évtizedes tervek

Ez egyébként máris a CERN tervei között szerepel, pedig az LHC-ben még egyetlen ütközés sem történt – úgy tűnhet, korai még az LHC 2-ről beszélni. Részecskegyorsítókat azonban nem egy-két év alatt épít az ember. Általában 20-25 év telik el, mire egy elképzelésből egy kutatási programot végrehajtó gyorsító lesz. Heuer előadásában az egyik dián megmutatta azt a dokumentumot, ami először írta le az LHC-t és becsülte meg a teljesítményét: 1983-as dátum szerepelt az iraton. A gyorsítót 1990 körül tervezték, a benne használt technológia nagy része ma 10-15 éves. Érthető tehát, hogy a CERN-nél máris a következő gyorsítón gondolkoznak – úgy is mondhatnánk, a részecskegyorsító-építés többé-kevésbé folyamatos munka (szokványos megoldás például, hogy egy korábbi gyorsítót egy új gyorsító előgyorsítójaként hasznosítanak).

"Muszáj az embernek ennyire hosszú távon gondolkozni, ami magyar viszonyok között elképzelhetetlen" – mondja Lévai. "Ha valakihez odaállítok itthon, hogy húsz év múlva ezt meg ezt szeretném, és a következő húsz évben ilyen meg ilyen fejlesztéseket akarok végrehajtani, nem is nagyon hiszi el. Ez bizonyos értelemben behatárolja, hogy Magyarországról hogyan tudunk ezekben a programokban részt venni, igen ritkán tudunk húsz éves elkötelezettségeket felvállalni és ezekre támogatást szerezni. Nagyon kell tehát örülnünk annak, hogy a CERN tagja vagyunk, hogy ha szerény mértékben is, de részt vettünk az LHC építésében és hogy a kísérletek fizikai kiértékelésénél is ott lehetünk. A CERN tagországok közös tulajdona, így a miénk is."

Gömbfétis és alumíniumborotva

Persze jelenleg nem az LHC 2, hanem az LHC hamarosan beinduló kísérletei izgatják legjobban a tudósokat. A gyorsítónak négy fő detektora van, ezek közül az ALICE és a CMS fantázianevű detektoroknál dolgoznak nagy számban magyarok (továbbá néhányan az ATLAS és TOTEM kísérletekben). A CMS-nél a proton-proton ütközéseket vizsgálják az MTA KFKI RMKI kutatói és a Debreceni Egyetem Kísérleti Fizika Tanszékének munkatársai. Az ALICE-hez pedig a nehézion-fizikai kísérletek tartoznak, az itt dolgozó magyar csoport vezetője Lévai.

Ezekben a kísérletekben ólmot használnak majd, ami könnyen kezelhető anyag, olcsó és az atommagjának közel gömb alakja van (hasonló okok miatt választották az aranyat az RHIC-ben). Az alak azért fontos, mert a gömb alakú részecskék ütközését könnyebb kiértékelni. Az uránatom magja, az U₂₃₅ kvázi a legnehezebb stabil ion, viszont krumpli alakú, és nagy bizonytalanságot adna a méréseknél, hogy két krumpli hogyan találta el egymást. (Ugyanakkor felvetődött már, hogy az energiakoncentrációt úgy is lehetne növelni, ha csúcsával egymás felé fordított uránatommagokat ütköztetnének, ez is egy lehetséges fejlesztési irány.)