Bonifác
10 °C
16 °C

Budapesttől az űrbe küldött antianyag-detektorig

2011.05.19. 14:41
Tizenhat éves kutatás érett be azzal, hogy hétfőn az Endeavour űrsikló az űrbe juttatta az Alpha Magnetic Spectrometer nevű detektort. A szerkezet többek között az antianyagot és a sötét anyagot fogja kutatni a Földön elképzelhetetlen körülmények között. Az egyedülálló eszköz egyik legfontosabb egységének szoftvere egy magyar származású kutató vezetésével készült.

Az antianyag a részecskefizika egyik nagy talánya. A tudomány jelenlegi állása szerint minden részecskének létezik vele azonos tömegű, de néhánlhy kvantumfizikai jellemzőjében ellentétes párja, azaz antirészecskéje. Az antirészecskékből antianyag épülhet fel, azonban ha ez találkozik az ismert részecskékből álló anyaggal, annihiláció zajlik le – anyag és antianyag megsemmisül, és az annihilációban nagy energia szabadul fel.

AMS-2

A fizikusok ma úgy gondolják, hogy amikor nagyjából 13,7 milliárd évvel ezelőtt megtörtént az ősrobbanás, ugyanannyi anyag és antianyag keletkezett – viszont mivel a világegyetemünk szemmel láthatóan anyagból áll, valahogyan megborult ez az egyensúly, úgynevezett szimmetriasértés történt. Hogy ennek mi volt az oka, azt nem tudni, de a kutatók úgy számolják, hogy nagyjából minden tízmilliárd antirészecskére eggyel több részecske jutott, és a ma ismert teljes világegyetem ezekből a plusz részecskékből áll.

Hogy ehhez a nagyon régen történt és megfoghatatlan folyamathoz közelebb kerüljünk, a fizikusok a legnagyobb részecskegyorsító, a 2009-ben beindított LHC egyik kísérletét, az LHCb-t is antianyag-kutatásokra építették, és a CERN több egyéb antianyag-kísérletet is folytat antiproton-lassítójában. Ebben már sikerült antianyagot csapdába ejteni, de még ezeknek a kísérleteknek és az LHC-nek is vannak korlátai. A legnagyobbt részecskegyorsítóban ellenőrzött körülmények között, mesterségesen állítanak elő nagy energiájú részecskéket, de a tervek szerint csak 7 teraelektronvoltig (TeV) fogják növelni az ütköztetett részecskék energiaszintjét.

endeavour-launchpad

A kozmikus sugárzással azonban több millió TeV-es részecskék is érik a Földet, ezeket azonban nem könnyű közvetlenül megfigyelni, mert reakcióba lépnek a légkörrel. Erre a problémára megoldást jelenthet egy igen érzékeny, az űrbe telepített részecskedetektor, de csak most jutott el odáig a technológia, hogy ez az álom megvalósulhasson. Az Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) nevű műszer hétfőn hagyta el a Földet az Endeavour űrsiklóval, és a tervek szerint legalább tíz évig fog adatokat küldeni a fizikusoknak. A szerkezet egyik legfontosabb műszerének szoftvere egy magyar származású kutató, Millinger Márk vezetésével készült.

Akinek a szoftver jutott

Millinger Márk 1980-ban született Budapesten, majd amikor hatéves volt, szüleivel Németországba költözött. Ott végezte el az általános- és a középiskolát, aztán fizikát kezdett tanulni az Erlangen-Nürnbergben található Friedrich-Alexander Egyetemen. Érdeklődése hamar a kozmológia és a részecskefizika felé fordult, és amikor eljött a szakdolgozatírás ideje, már kifejezetten olyan kísérletet keresett, amivel kozmikus részecskéket lehetett vizsgálni. Az interneten talált egy cikket az AMS-ről, és rögtön pályázatot adott be a műszer fejlesztésében részt vevő két német – a karslruhei és az aacheni – egyetemre. Kapott is egy ösztöndíjat az Aacheni Egyetem fizikai kutatóintézetében, ahol az utóbbi években az AMS-programban dolgozhatott.

Millinger Márk a Johnson Űrközpontban
Millinger Márk a Johnson Űrközpontban

Amikor Millinger Aachenbe került, a műszer már nagyrészt kész volt, ugyanis az AMS története a fiatal kutató középiskolás éveivel egy időben, 1995-ben kezdődik. Egy tajvani származású, de a bostoni MIT-n dolgozó tudós, Samuel C. C. Ting ekkor javasolta az AMS program elindítását. Ting vezetésével és az amerikai energiaügyi minisztérium szponzorálásával hamarosan el is kezdődött egy primitív detektorprototípus, az AMS-01 tervezése. Ting akkoriban már elismert tudós volt, 1976-ban Nobel-díjat kapott részecskefizikai kutatásaiért.

Az AMS-01 pár év alatt elkészült, és 1998 júniusában a Discoveryvel fel is jutott az űrbe. A prototípus bizonyította, hogy az űrbe telepített részecskedetektor koncepciója működőképes, és ezután elkezdődhetett az igazi műszer, az AMS-02 fejlesztése. Ezen a projekten 16 ország ötszáz kutatója dolgozott, és több mint egy évtizedes munka után most ért révbe.

Millinger Márk ezeket a heteket a houstoni Johnson Űrközpontban tölti, ahol az AMS beüzemelésében vesz részt. A fiatal kutatónak magától Tingtől kellett engedélyt kérnie ahhoz, hogy válaszolhasson kérdéseinkre. „Amikor az egyetemen a TRD műszert fejlesztő csoportba kerültem, már nem igazán volt munka a hardverrel, de a szoftvert még el kellett készíteni” – mondja. „Apránként a szoftver vezető fejlesztője lettem, az űrközpontban az én feladatom ellenőrizni azt, hogy a műszer jól működjön, és felügyelni a TRD kalibrálását.”

A másfél milliárd dolláros kütyü

A TRD a Transition Radiation Detector rövidítése, ez az AMS egyik legfontosabb detektora. Csőrendszerében szén-dioxid-xenon gázkeverék található, a keverékkel ütköző, nagy energiájú részecskék röntgensugárzást keltenek, ez alapján a TRD azonosítani tudja a részecskék főbb típusait. A detektorhoz külön gázellátó rendszer tartozik xenon- és szén-dioxid-tartállyal, ez körülbelül tíz évig fog gondoskodni a TRD gázának utánpótlásáról.

ams02-kennedy

„A TRD fő célja a gyors részecskék, különösen az elektronok észlelése” – magyarázza Millinger. „A kozmikus részecskék többsége azonban proton, ezért a TRD fejlesztésekor meg kellett oldanunk a protonesemények elnyomását, hogy a számunkra érdekesebb kozmikus elektronokat tudjuk vizsgálni. Nem volt könnyű feladat, mert ugyanakkora impulzusnál az elektron sebessége jóval gyorsabb, mint a protoné, tömege viszont sokkal kisebb.” Bár a kutató a műszer szoftveréért felel, az elmúlt években egyre jobban belevontak az AMS általános szoftverkörnyezetének fejlesztésébe is. „Rendszeresen vannak gyümölcsöző találkozóink a többiekkel, ezeken Ting professzor is részt vesz, és mindig szán időt arra, hogy teljesen megértse, melyik csapat hogyan áll a munkájával” – mondja.

A TRD az AMS erős mágnesén kapott helyet. A mágnes feladata a kozmikus részecskék eltérítése – e célra eleinte héliumhűtéses szupravezető mágnest terveztek, de miután az Obama-kormány meghosszabbította a Nemzetközi Űrállomás (ISS) élettartamát, a program kutatói tavaly megegyeztek, hogy állandó mágnesre cserélik a szupravezetőt. Így ugyan az AMS az eredetileg tervezetthez képest kisebb mágneses térrel rendelkezik – és így kevésbé érzékeny –, de a hélium elfogyása által szabott három év helyett legalább tíz évig működhet (nagyjából ennyi idő alatt fog elfogyni a TRD gázkeveréke).

A TRD mellett még öt fontos műszer található a mágnesen. Az Anti-Coincide Veto Counter feladata, hogy az AMS-be csapódó részecskék közül kiválassza azokat, amelyek pályája a berendezés irányába esik, és így áthaladnak minden detektorrétegen (kutatási szempontból nyilván ezek a legérdekesebbek). A Silicon Tracker érzékelőlapjai a megfigyelt részecskék pályáját követik, a Time of Flight Counter (TOF) nevű detektorpáros pedig külön figyeli a részecskék áthaladását, és ebből kiszámolja azok sebességét. A Ring Imaging Cherenkov Detector az úgynevezett Cserenkov-sugárzást figyeli, amivel tovább lehet pontosítani a TOF méréseit. Végül az Electromagnetic Calorimeter szíve rengeteg műanyagszál, amelyek több száz rétegbe rendezve várják a részecskéket – azok becsapódáskor lefékeződnek és fényt bocsátanak ki, ebből pedig lehet következtetni az energiájukra.

AMS02 Sketch L

Egy 650 processzoros szuperszámítógép is dolgozik az AMS-en. A berendezés olyan adatmennyiséget produkál majd, amit lehetetlen lenne folyamatosan és biztonságosan a Földre továbbítani, ezért a számítógép még az űrben elvégez egy előfeldolgozást. Az adatátviteli sebesség a számítógépen belül tíz gigabit per szekundum, de a Földre már másodpercenként csak két megabitnyi adatot kell küldeni. Persze egy számítógépet működtetni kell, így ennek a megoldásnak az volt az ára, hogy az AMS teljesítményigénye 2500 wattra nőtt. Ezt nehezen lehetne biztosítani, ha az AMS önálló szondaként lebegne az űrben, ezért kell a műszeregyüttest az ISS-re szerelni: onnan fogja kapni az áramot.

Az AMS kétségtelenül a legkifinomultabb részecskedetektor, amit valaha az űrbe küldtek (bár nem az egyetlen ilyen eszköz, a PAMELA nevű, műholdhoz csatolt modul 2006 óta végez antianyag-vizsgálatokat). Majdnem, 6,4 tonnás tömegével az AMS-02 a legnagyobb űrbéli antianyag-detektor. És a legdrágább is: az elmúlt másfél évtizedben nagyjából másfél milliárd dollárra duzzadt a projekt büdzséje.

Határ az antianyagcsillagos ég

A projekten dolgozó kutatók azt remélik, hogy az AMS által észlelt részecskék – akár új, eddig még nem megfigyeltek is – a részecskefizika fontos fejezeteit bővíthetik. A legfontosabb cél persze az antianyag-kutatás. Valaha rengeteg antianyag volt az univerzumban, és a fizikusok azt remélik, hogy az annihilációk után még maradt belőle „természetes” környezetében. Ha a műszernek sikerülne észlelnie antihéliummagot, az például bizonyíték lenne a cikk elején vázolt antianyag-elméletre. Az AMS-01-nek ez nem sikerült, de az AMS-02 három nagyságrenddel érzékenyebb detektor.

ams-02 on iss

A berendezés fontos adatokat szolgáltathat a világegyetem 95 százalékát kitevő, titokzatos sötét anyag, illetve sötét energia kutatásában is. A sötét anyag egyik alkotórésze lehet a neutralínó nevű feltételezett részecske, ami semleges, ezért nem hagy nyomot a detektorokban. De két neutralínó ütközhet, és ezek az ütközések töltött részecskéket hozhatnak életre – a fizikusok remélik, hogy az AMS ilyen ütközések tanúja lehet.

A következő napokban Millinger és az űrközpontban dolgozó többi részecskefizikus az AMS kalibrálását végzi el. „Meg kell értenünk, hogyan viselkedik a detektor az űrben, hogyan reagál az orbitális pálya hőmérsékletváltozásaira és más környezeti feltételekre, majd ezekhez kell igazítanunk a működését, hogy a környezettől függetlenül, egyenletesen működhessen” – magyarázza a magyar származású kutató. „Ha ez megtörtént, az egyes aldetektorok működését is egyenként ellenőrizzük, majd megkezdjük az adatgyűjtést. Szerintem az első eredmények hasonlóak lesznek a PAMELA által küldött adatokhoz, de nagyon reménykedem abban, hogy idővel észlelünk valami váratlant is. Például nem elképzelhetetlen, hogy az AMS antiszenet figyel meg. Mivel a nehezebb elemek szupernóva-robbanásokban keletkeznek, ez azt jelentené, hogy egész csillagok lehettek, vagy még lehetnek antianyagból. Óriási felfedezés lenne.”

További magyarok az antianyag közelében

A földi antianyag-kísérletekben is dolgoznak magyar kutatók. A CERN antianyag-kísérletei közül például az ASACUSA-nál vannak magyarok, a KFKI RMKI kutatója, Horváth Dezső az ottani antihidrogén-csapda készítésében is részt vett. A csapda pozicionáló állványzata készült Budapesten, egy ilyen berendezésnél alapkövetelmény, hogy a több tonnás szerkezetet a tér minden irányába tizedmilliméteres pontossággal lehessen állítani. Horváth mellett Zalán Péter gépészmérnök, az RMKI műszaki igazgatóhelyettese dolgozott sokat az állványzaton.

Rajtuk kívül még négyen vesznek részt az ASACUSA-ban: Barna Dániel japán pénzen dolgozik kint az antihidrogén-csapdánál. Tőkési Károly, a debreceni ATOMKI kutatója a dánokkal együtt vizsgálja az ütközési folyamatokat. Juhász Bertalant elcsábította Bécs, így ő a Stefan Mayer Institute színeiben dolgozik kint, az ELTE-s Sótér Anna pedig a müncheni Ludwig Maximillian Egyetem színeiben.

A kísérletek mellett magán a CERN Antiproton Lassítóján is dolgozik magyar: Bojtár Lajos villamos üzemmérnök már tíz éve vesz rész a szerkezet működtetésében.