Ősanyagot keresnek ott, ahol a web született

"Ennek a folyosónak az irodáiban született a World Wide Web" – hirdeti egy emléktábla az európai részecskefizikai kutatóintézet, a CERN egyik épületében. A web alapjait Tim-Berners Lee, az intézet egyik informatikusa dolgozta ki 1990-ben, hogy megoldást találjon arra, miként kommunikálhatnak egymással könnyebben a CERN egyes részlegei, illetve a CERN és a chicagói Fermilab. A folytatást tudjuk: az akkoriban kialakult protokollokat a web ma is használja, Berners-Lee pedig 1994-ben otthagyta a CERN-t, hogy a találmányát felügyelő konzorciumot, a W3C-t vezesse.

A folyosó irodáiban ma is több száz kutató dolgozik, néhány ajtón magyar nevek sorakoznak, ők az ALICE detektornál dolgozó magyar csoport tagjai, akik az MTA KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézetből érkeztek ide. Az ALICE a világ legnagyobb részecskegyorsítója, a Nagy Hadronütköztető (angol rövidítéssel LHC) egyik óriási mérőműszere, ami nagyjából száz méter mélyen a föld alatt figyeli majd, hogy mi történik, ha két ólómatommag összecsattan.

Bolhavadászat óriásszörnnyel

Egy ilyen szerkezethez még a CERN dolgozói is nehezen juthatnak le, egy újságírónak pedig semmi esélye, de most az LHC keddi avatóünnepsége után vagyunk, ilyenkor kicsit engedékenyebbek a sajtóval. Vendéglátóink, dr. Lévai Péter, az ALICE-csoport vezetője és dr. Molnár Levente, a csoport egyik fiatal kutatója minden követ megmozgatnak, hogy megcsodálhassuk a detektort. Több órás procedúra következik, dokumentumokat töltünk ki, Lévaiék telefonokat intéznek, a várakozástól visszatérnek a különféle tanulmányi osztályokon szerzett harctéri emlékek. Aztán íriszmintát vesznek rólunk, és kapunk egy egy napra érvényes belépőt és biometrikus azonosítót, ami nyitja az ALICE liftjéhez vezető, kémfilmekbe illő, retinaszkenneres kaput.

Előző nap volt szerencsénk megnézni az LHC másik nagy detektorát, a CMS-t (az LHC négy fő detektora közül az ALICE és a CMS a legnagyobbak), persze ehhez az is kellett, hogy egy szeptemberi üzemzavar miatt hónapokra leálljon a részecskegyorsító. "Teljes üzemnél élő ember nem tartózkodhat lent, ezt a biztonsági rendszerbe is beépítették" – mondja Lévai. Az LHC alagútjaiban közel fénysebességgel száguldó részecskenyalábok, illetve az ütközésekkor keletkező részecskék ugyanis radioaktív sugárzást bocsátanak ki. Ez olyan mértékű, hogy a detektorok előtt több méternyi betonnal rakják körbe a nyalábokat vezető csövet, nehogy a detektorkamrában levő technikai berendezések is radioaktívvá váljanak.

A CMS-t csak zárt állapotban nézhettük meg, de az ALICE-nél teljes élményt kapunk. A detektort záró két óriási kapu közül az egyik nyitva van, jól rálátunk a műszer réteges szerkezetére. A csövet fedő betonelemeket éppen technikusok pakolják a helyükre, legalább tíz-tizenöt ember dolgozik most itt (egyébként nagyjából 2500 ember üzemelteti és körülbelül 7500 kutató használja a CERN gyorsítóit és detektorait), ügyet sem vetve megilletődött arcunkra. Mert mi tagadás, kicsit megszeppenünk a tizenhat méter magas, huszonhat méter széles, tízezer tonnás monstrum előtt, és próbáljuk felfogni, hogy ilyen óriási szerkezettel figyelnek majd femtométeres nagyságrendű (10^-15méter, a milliméter ezermilliárdod része) részecskéket. Mintha egy Nap méretű szörnnyel vadásznának bolhára.

Szabadságot a kvarkoknak!

Az ALICE (A Large Ion Collider Experiment) különleges detektor, az LHC négy fő műszere közül ugyanis ez az, amit nehézion-ütközések figyelésére terveztek. A részecskegyorsítóban az év nagyobb részében hidrogénből nyert protonokat fognak ütköztetni, de minden évben lesz majd egy hónap, amikor nehézion-fizikusok veszik át az uralmat az LHC fölött, és ekkor ólomionok keringenek a 27 kilométeres, föld alatti körgyűrűben.

A nehézion-kísérletekben egészen mást keresnek, mint a proton-proton ütközésekkor. A fizikusok azt remélik, hogy amikor a nyalábba berendezett protoncsomagok karamboloznak a detektorban, találnak valamilyen új részecskét, mindenekelőtt a részecskefizika standard modelljét kiegészítő Higgs-bozont. Ezzel szemben az elektronjaiktól megfosztott ólomatommagok (azért ólom, mert ez viszonylag stabil és gömb alakú) ütközésekor Lévai és kollégái egy állapotot keresnek, mégpedig a kvark-gluon plazmát, amit nyugodtan nevezhetünk ősanyagnak is. Ebben a plazmában az elemi részecskék szabadon találhatók, és az ősrobbanás után néhány pillanatig ez a leves alkotta az univerzumot. Aztán ahogy a világegyetem hűlni kezdett, a kvarkok és gluonok összeálltak, és a plazmából "kifagytak" a nagyobb részecskék. Igen-igen nagy energiaszinten – például akkor, amikor két ólomion fénysebességgel egymásnak ütközik – azonban a kvarkok a fizikusok reményei szerint újra szabad állapotukba kerülnek.

A nehézion-kísérletek is kicsit máshogy folynak, mint a részecskevadászat. Amikor protonnyalábok találkoznak majd az LHC-ben, másodpercenként több millió ütközés történik, az ólomionnyalábok viszont csak nyolcezret produkálnak. Ennek oka, hogy a kutatók úgy próbálják beállítani a szerkezetet, hogy egyszerre csak két ólomatommag találkozzon a detektorban. Két proton ütközésekor ugyanis körülbelül 50-200 jól észlelhető részecske keletkezik, két ólommag esetén viszont 10-15 ezer, aminek nagyjából egyötöde jól látható, de ezt a mennyiséget sem könnyű követni. A nyolcezer ütközésből csak a húsz legjobbat mentik el (minél tökéletesebben találkoznak az ionok, annál több részecske keletkezik, annál jobb az ütközés), de még így is körülbelül 150 terabájt adatot produkál egy átlagos, nehézion-kísérletekkel töltött nap.

Ezt az irdatlan adattömeget a detektor rétegei hozzák össze, amiket most élőben is megcsodálhatunk. A legfontosabb műszereket Paolo Martinengo, az egyik réteget, a nagy impulzusú részecskék észlelésére és kiválogatására alkalmas HMPID-et alkotó csoport vezetője magyarázza el. A Time of Flightnak nevezett belső réteg az ütközésekben keletkezett részecskék útját határozza meg az alapján, hogy azok milyen változásokat hoznak létre abban a levegőnél sűrűbb gázban, ami a detektor belsejében található. A scifibe illő nevű időprojekciós kamra (Time Projection Chamber, TPC) azt méri, mennyi idő alatt tették meg pályájukat a részecskék, és ez alapján már sok részecske beazonosítható. A rétegek között találunk árnyékoló ólomlemezeket is, amelyek arra szolgálnak, hogy elkülönítsék a hadron típusú részecskéket a náluk jóval kisebb leptonoktól. Végül az ólomlemezeken túl a Muon Arm, egy impresszív mágnessor észleli az egyik legfontosabb leptont, a müont, ami az ólomlemezeken is áthatol.

Magyarok az ALICE-nél

Bár alig tucatnyi magyar kutató dolgozik az ALICE-nél, több rétegben is ott a kezünk nyoma. Az időprojekciós kamra tervezésében például részt vett a csoport egyik tagja, Fodor Zoltán is. A detektor adatgyűjtő rendszere sem készülhetett volna el nélkülünk: Dénes Ervin és kollégái konstruálták azt a DDL nevű kártyát, ami a detektorok kivezetéseinél található és az adatgyűjtést teszi lehetővé (az ALICE-ben nagyjából hatszázat találunk ebből). A HMPID réteg összeszerelésénél és beüzemelésénél is ott voltunk, és Lévaiék most éppen ennek a továbbfejlesztésén, a VHMPID-en dolgoznak. Ez a műszer még jobban ki tudja majd válogatni a keletkezett nagy impulzusú részecskéket, a prototípus éppen ezen a héten készül el, és a következő napokban már próbamérések is történnek majd egy tesztnyalábbal.

Az ALICE-nél készülő nagy dolgokkal azonban lehet, hogy még várni kell kicsit. Eredetileg 2009 végére tervezték az első nehézion-ütközéseket, de lehetséges, hogy a szeptemberi üzemzavar miatt ez 2010-re tolódik (az LHC csak május-június környékén indul újra). A részecskegyorsító fő célja ugyanis a Higgs-bozon felfedezése.

"Az első hónap proton-proton ütközései után fogjuk látni, hogy hány hónapra van szükségük még a kollégáknak a Higgs-vadászathoz, utána jövünk csak mi" – magyarázza Lévai. "Mert a Higgs-bozont megtalálni nem lesz könnyű, hiszen nem is tudjuk pontosan, milyen. Olyan ez, mintha egy értékes tűt keresnénk egy szénakazalban, miközben nem tudjuk, hogyan néz ki egy tű."

Jöhet még részecskeadó

Búcsút veszünk az ALICE rétegeitől, és visszatérünk oda, ahol a web született. Az épület mellett az LHC elméletifizika-történeti kiállítása, a Microcosmos található, régi részecskegyorsítók steampunkos beütésű alkatrészei állnak az udvaron. Egy mélytengeri kütyüre hasonlító berendezésről kiderül, hogy üregrezonátor (ilyenekkel gyorsítják újra a nyalábot), de megtaláljuk a kiállításon a Nobel-díjat érő w- és z-bozont észlelő szerkezetet is. Találunk még Jules Verne hőseinek utazóeszközére emlékeztető kapszulákat is, amik valójában buborékkamrák, régen a bennük levő, nagy nyomáson túlhevített folyadékon áthaladó részecskéket észlelték vele. A kiállítás legijesztőbb darabja pedig kétségtelenül egy fal, amin kattogó szikrák villannak fel: a fal a nagy energiájú kozmikus sugarak becsapódását jelzi valós időben, azokat a sugarakat amik éppen áthaladnak a látogatón.

Hogy mire jó ez a sok fura szerkezet és egyáltalán miért érdemes támogatni a részecskegyorsítókat az óriási detektoraikkal, a laikus első számú kérdése, és bár rengeteg válasz van rá, egyik sem igazán jó. Bencze György, a CMS-nél dolgozó magyarok egyik vezetője azt mondta túránk első napján, hogy még nem nagyon látni előre, mire jó ez, mint ahogy azt sem lehetett előre látni, mire lesz jó, amikor a tudósok kétszáz éve az elektromossággal játszadoztak. Meg is kérdezte annak idején az angol pénzügyminiszter Faradayt, mi értelme van a kísérleteinek, és a tudós így válaszolt: "Ön, miniszter úr, ezt egyszer még meg fogja adóztatni."

Vagyis úgy kell felfogni a részecskegyorsítós kísérleteket, mint egy egyelőre kissé homályos célú alapkutatást, ami közben rengeteg járulékos felfedezést és eredményt ad. Nemcsak a web született ugyanis a CERN és más intézetek folyosóin, hanem egy rákkezelési módszer (a hadronterápia) is, orvosi diagnosztikai eszközök (a világ részecskegyorsítóinak fele – körülbelül 9000 berendezés – a gyógyászatot szolgálja), de a mikrohullámú sütőt is a részecskefizika adta nekünk. És ki tudja, még minek lesz egyszer emléktáblája valamelyik kutatóintézet folyosóján.