BENCZE GYÖRGY
A CERN részecskegyorsítói

A 20. század elsõ felében a fizikai kutatások motorja kétségtelenül Európa volt, elég végiggondolni az utat az elektron felfedezésétõl az atommag és annak részei megismeréséig, vagy a relativitáselmélettõl a kvantummechanikáig. Ám a történelem megtörte ezt a tradíciót, és míg Európában az ötvenes évekhez érve még a radioaktivitáson és a kozmikus sugarakon alapuló egyszerû berendezések domináltak, Amerikában már felismerték, hogy egyrészt a továbblépés már ennél kifinomultabb berendezéseket igényel, másrészt az alapkutatásba történõ befektetés a gazdasági és a technológiai fejlõdés hajtóereje.

Érett a gondolat, hogy a számtalan nagy tradíciójú egyetem és kutatóhely ellenére semelyik európai ország sem képes egymaga felvenni a versenyt. Már 1949-ben a Lausanne-i Európai Kulturális Konferencián Louis de Broglie felvetette egy európai tudományos centrum létrehozásának ötletét. 1950-ben, az UNESCO 5. általános konferenciáján Firenzében született meg a javaslat egy közös európai laboratórium felállításáról. Elsõ lépésként 1951-ben megalakult a Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (egy lehetséges átültetése: Európai Atommag-kutatási Tanács), rövidítve CERN. Ez valóban tanács volt, amely 1953-ban határozta el egy központi laboratórium létrehozását Genf körzetében. A 12 ország által 1954. szeptember 29-én formálisan is megalapított, ma már 20 tagállamot és 7 megfigyelõi státussal rendelkezõ országot, illetve szervezetet számláló intézet hamarosan túllépett az atommag tanulmányozásán, de a név (mind az atommag, mind a tanács, de legfõképpen az igen ismertté vált rövidítés) megmaradt.

Mára már a CERN a részecske (vagy nagyenergiás) fizika elismert fellegvára, amit elsõsorban a világon valóban egyedülálló, és nem csak a tagországok számára elérhetõ gyorsító komplexumnak köszönhet. Ez nemcsak újabb és újabb energiarekordok felállítását jelenti, hanem azt a széles nyalábspektrumot is, amit a felhasználók megtalálnak az elektrontól a hadronokon át a nehézion- (oxigén, kén vagy ólom) nyalábokig. Természetesen mindegyik részecskét külön berendezés hozza létre, de mindegyikük hasonló fokozatokon megy keresztül, az egyik gyorsítótól a másikra átlépve és ott tovább gyorsulva. A CERN-ben jelenleg mintegy tíz, egymáshoz kapcsolódó gyorsító található. A „mintegy” nem a tízig számolás nehézségére utal, hanem arra, hogy a CERN, mint élõ intézet állandóan, változik, és a gyorsítók sem mûködnek örökké. Így például az 1971-ben indult és 1984-ben leállított ISR (Intersecting Storage Rings), a világon elsõként létrehozott proton–proton ütközés helyszíne, ma az LHC-mágneseknek és az épülõ LHC-detektoroknak ad otthont. A világ jelenleg legnagyobb méretû gyorsítója, a LEP pedig a tervek szerint 2000-ben befejezi mûködését. (A teljes komplexum 1996-os, a legteljesebb állapotot mutató vázlati képe a színes borítóoldalon látható.)  

A proton-szinkrotrontól a nagy elektron–pozitron ütköztetõig

Az 1959-ben átadott és azóta folyamatos mûködõ Proton Synchrotron (PS) 200 m átmérõjû, a maximális protonenergia 28 GeV. Természetesen számtalan átalakításon ment keresztül az indulás óta, hiszen egyre újabb igényeket kellett kiszolgálnia. A PS elektront, protont és anti-párjukat, továbbá nehéziont képes gyorsítani. A részecskék forrása proton esetében hidrogéngáz, az elektront fémfelületrõl nyerik, míg a nehézatomokat a hatvanas évek óta használt (persze nem az akkori technikájú) ECR (Electron Cyclotron Resonance) forrásokkal ionizálják.

Az elsõ lépésként egy lineáris gyorsító (LINAC) következik, külön mindegyik részecsketípusra, mivel tömegük nagyon eltérõ, az ólomioné mintegy 400 000-szerese az elektronénak. Ebben a lépésben az elérhetõ energia 500 MeV (elektron), 50 MeV (proton) illetve 4,2 MeV/nukleon (ólomion). A proton és a nehézion ezután egy 1 GeV-es Booster-be kerül, mielõtt beinjektálódik a PS gyorsítóba. Az elektronok elõször tárolódnak, és tovább gyorsulnak az EPA (Electron–Positron Accumulator) gyûrûben. A pozitronok elektronok nehézfém céltárgyon való ütköztetésével nyerhetõk, majd szintén az EPA-ban tárolódnak. Ezután mindegyik típusú nyaláb a PS-ben gyorsul tovább. Egy ciklus 2,4 másodperc, majd a nyalábok továbbkerülnek az SPS (Super Proton Synchrotron), illetve a LEP gyorsítóra, a protonnyaláb ezenkívül részben az ISOLDE-t (Isotope Separator On Line) és az East Hall elnevezésû mérõhely öt mérõnyalábját szolgálja ki, részben az antiproton elõállításának forrása.

A Super Proton Synchrotron (SPS) egy 6 km kerületû, föld alá süllyesztett alagútban helyezkedik el. Eredetileg proton gyorsítására készült – ezt a feladatát továbbra is ellátja –, de ma már elektron–pozitron elõgyorsítóként a LEP-et is kiszolgálja. Ezenkívül nehéziont is gyorsít, az ólommal (208Pb) elért 158 GeV/nukleon, azaz 33 TeV teljes energia világrekordnak számít. A mérõhelyekre kivezetett proton energiája 450 GeV, amely egy berillium céltárgynak ütköztetve a részecskék széles skálájával (elektron, pion, kaon, müon, proton) látja el a kísérleteket.

Az SPS történetének legfényesebb szakasza kétségkívül a nyolcvanas évekhez kötõdik. A korábban említett ISR proton–proton ütköztetõn szerzett tapasztalatok alapján döntötte el a CERN 1978-ban, hogy az SPS-t proton–antiproton ütköztetõként üzemelteti, így az elérhetõ energia az ISR akkori 62 GeV tömegközponti energiájához képest majdnem megtízszerezhetõ. Ennek a lépésnek a fõ motivációja a W- és a Z-részecskék kísérleti kimutatása volt. A legnagyobb gondot a kellõ mennyiségû antiproton felhalmozása és egybentartása jelentette. A probléma megoldása a holland Simon van der Meer nevéhez fûzõdik és – legalábbis elvileg – meglepõen egyszerû és elegáns. A pálya egyik szakaszán elhelyezett monitor érzékeli a nyaláb állapotát, és egyenes úton a jelet a gyorsító átellenes pontjára küldi. Mivel a gyorsító kör alakú, az átmérõ mentén küldött jel hamarabb ér oda, mint az antiprotonnyaláb, és így van idõ a mágnesek áramának megfelelõ korrekciójára. A sztohasztikus hûtésnek (stohastic cooling) elnevezett, és azóta elterjedten használt módszer fényesen bevált, lehetõvé téve 1983-ban a W- és Z-részecskék kimutatását a Carlo Rubbia olasz fizikus vezette UA1-es detektor segítségével. E felfedezés Rubbiát és van der Meert (és elsõ ízben fennállása óta a CERN-t) Nobel-díjhoz juttatta már a következõ évben.

Még 1981-ben, amikor az SPS-en éppen hogy csak regisztrálták az elsõ proton–antiproton ütközéseket, a CERN határozatot hozott a következõ, ezúttal elektron–pozitron gyorsító megépítésérõl. Ez a határozat azt jelentette, hogy a CERN létrehozza a világ legnagyobb tudományos létesítményét, a 27 km átmérõjû LEP (Large Electron-Positron collider) tárológyûrût, amelyre négy kísérletet terveztek.
 

A gyorsító alagútja Nyalábformáló mágnesek

A munka hét éven át folyt. Maga a civilmérnöki szakasz is nem mindennapi problémákat vetett fel. Így a próbafúrások során derült ki, hogy ha mind a négy kísérletet és az alagút minél nagyobb részét szilárd sziklaalapra kívánják helyezni, nem túllépve a 150 méteres maximális mélységet, akkor a gyorsító síkját mintegy 1,4%-kal meg kell dönteni. Problémát okoztak a vízbetörések is, fõként a Jura-hegység alatt húzódó 3,5 km-es szakaszon. Más természetû kihívást jelentett a mágnesek megtervezése és beépítése. A 27 km-es, a svájci–francia határt hatszor átszelõ gyûrû mintegy háromnegyedét 4600 mágnes tölti ki, biztosítva a nyalábok körpályán tartását, fókuszálását és ütköztetését. A beépítés pontosságára jellemzõ, hogy az utólagos mérések szerint a kerület a névleges értéktõl mindössze 8 mm-rel tér el. Maga a nyaláb egy vákuumcsõben mozog, a statikus nyomás 8·10–12 torr (üzem közben két nagyságrenddel magasabb a körpálya miatti szinkrotron sugárzás hatására a vákuumcsõ belsõ falából kilépõ gáz miatt).

A LEP az utolsó az öt gyorsítóból álló sorban. A LEP-injektor (LIL) elsõ lépésben 200 MeV-es elektront küld egy céltárgyra, az így keletkezõ pozitronok és az elektronok egy második lépésben 600 MeV-re gyorsulnak. Ezt követi a 600 MeV-es akkumulátor, az EPA. A PS 3,5 GeV-re gyorsítja az elektronokat és a pozitronokat, majd az SPS következik, az energia 20 GeV. Mindezt természetesen össze kellett hangolni a PS és az SPS saját protonprogramjával, így azokat alkalmassá tették multiciklusú üzemmódra: egy protonciklust négy elektron–pozitron-ciklus követ. Így a gyorsítók egymást nem zavarva, párhuzamosan tudnak mûködni.

A négy LEP-kísérlet, az L3, ALEPH, OPAL és DELPHI a gyûrû négy szimmetrikus pontján helyezkedik el. A kis (bár egyenként 1011 részecskét tartalmazó) kötegek a kísérletek középpontjában találkoznak. A nagy részecskeszám ellenére az elektron–pozitron ütközés csak átlagban minden 40 000. találkozáskor következik csak be. A kötegek ezért órákon keresztül a gyûrûben keringenek, másodpercenként több mint 100 000 fordulatot megtéve.

A LEP az 1989-es indulás után hat éven keresztül a Z0-részecske keletkezési energiájára (45 GeV nyalábonként) volt beállítva. 1996-tól az energia csaknem megduplázásával a LEP a W+- és W-részecskék elõállítására állt rá. 1999-ben a LEP rekordot döntött, elérte a 101 GeV nyalábonkénti energiát.

Egy ekkora és ennyire egyedi berendezés, mint a LEP, még a sok gyorsítót látott tervezõket is meg tudja lepni. Az indulás után hamarosan kiderült, hogy a hatalmas méretû létesítmény hihetetlenül érzékeny. Már az elsõ idõben az energia finom, de rendszeres változására figyeltek fel. Idõbe telt, mire kiderült a bajok forrása, a Hold! Az árapályjelenség nem csak a vízben játszódik le, de a szárazföldön is. Ennek olyan csekély a mértéke, hogy nem is számolunk vele. Nos, a LEP megérezte. Megérzi azt is, ha a közeli Leman-tóban megnövekszik a vízszint és ezzel a földre nehezedõ nyomás. Ezek után nem csoda, hogy a LEP jelzi, ha valahol a távolban szeizmikus események történnek. És még mindig maradt meglepetés. Sokáig megmagyarázhatatlannak tûnõ, a mágneseknél tapasztalható finom eltérés kapott magyarázatot, amikor egy jó érzékû vagy szerencsés kutató rájött, hogy az eltérések idõpontja kísértetiesen egybeesik a Genf és Párizs között közlekedõ szupergyors vonat, a TGV menetrendjével. A vonat okozta minimális hálózati ingadozásra reagált a LEP.
 
 

A nagy hadronütköztetõ

A LEP mûködése során rendkívül precíz információt szolgáltatott a Standard Modellel kapcsolatban. De természetesen már a LEP indulása elõtt komoly diszkusszió tárgya volt, hogy mi legyen a következõ lépés, hiszen magasabb energiákon nagy valószínûséggel válasz kapható azokra a kérdésekre, amelyekre a LEP nem szolgáltatott adatot, ezek közül kétségtelenül a legfontosabb annak a mechanizmusnak a feltárása, amely az anyag tömegét adja.

1994 decemberében a CERN hivatalosan is jóváhagyta az LHC (Large Hadron Collider: nagy hadronütköztetõ) megépítésének tervét. A CERN most is követte azt a pozitív hagyományt, hogy fel kell használni, ami már megvan. Így az LHC a LEP-alagútba kerül és a meglévõ gyorsítókomplexum fogja kiszolgálni. A gyorsító protont protonnal ütköztet majd 7-7 TeV nyalábonkénti energiával. Az LHC alkalmas lesz nehézionok gyorsítására is, ólom esetén a tervezett ütközési energia 1250 TeV.

Már láttuk, hogy a LEP is nehéz technikai feladatok elé állította a tervezõket. Az LHC ebbõl a szempontból sokszoros kihívást jelent.

Az ütközési energia az LHC-nél egy jó nagyságrenddel nagyobb, mint a LEP-ben. Mivel a de Broglie-hullámhossz az energiával fordítottan arányos, az ütközési hatáskeresztmetszet (a várható ütközések száma) négyzetesen csökken az energia növekedésével, a kísérletek hatásfoka csak úgy tartható meg, ha a részecskeszám ilyen arányban növekszik. Így a tervezett maximális luminozitás 1034 cm–2s–1, a LEP luminozitásának százszorosa. Ennek az elérésére a két protongyûrû mindegyikét 2835 protonköteggel töltik fel, mindegyik köteg 1011 protont tartalmaz majd (ez másképpen kifejezve 0,56 Amper nyalábáramot jelent).

A két nyaláb szembetalálkozásakor csak a részecskék nagyon kis hányada ütközik. A többiek viszont a szembejövõ nyaláb elektromágneses terének hatására elhajlanak. Ez a hatás a nagyszámú találkozás folyamán felhalmozódhat, ami nyalábvesztéshez vezethet. Ez a korábban is ismert jelenség felsõ korlátot szab a kötegben található részecskesûrûségnek. Az LHC ennek a határán fog dolgozni, hogy elérje a szükséges luminozitást.

A 27 km-es nyalábcsõben a fénysebesség közelében haladó protonköteg elektromágneses tere hatással van a következõ kötegre. Így a pozicionálási vagy energiaeltérések továbbadódnak, és ugyancsak nyalábvesztéshez vezethetnek. Ez a kollektív jelenség az LHC nyalábáramánál már veszélyes méretet ölthet. Bonyolult vezérlõrendszer szükséges ennek a jelenségnek a kiküszöbölésére.

A nyaláb – mint a LEP-nél – hosszú ideig kell, hogy fennmaradjon, ez az LHC-nél nagyjából tíz órát jelent. Ennyi idõ alatt a részecske 400 millió fordulatot tesz meg. Mindez idõ alatt a nyalábnak stabilnak kell maradnia. Ez nem könnyû, mivel bizonyos kaotikus jelenségekkel mindig számolni kell. Erre a viselkedésre nincs megfelelõ elmélet, így szimuláció segítségével lehet megválasztani a megfelelõ paramétereket, mint például a mágnesek apertúráját.

Protongyorsító esetén a szinkrotronsugárzás (az adott görbületi sugár és energia esetén) lényegesen kisebb, mint elektronok esetén, de a disszipálódó hõ – mintegy 3,7 kW – nem elhanyagolható terhet jelent a hõelvezetés szempontjából, mivel ez a szupravezetési hõmérsékleten levõ nyalábcsövet terheli. Már a LEP-nél is láttuk, hogy a nyalábcsõ falából kilépõ gáz lerontja a vákuumot. LHC-körülmények között várható, hogy a nyalábcsõ belsõ falából a szinkrotronsugárzás (kemény ultraibolya-fotonok) hatására kilépõ elektronok a protonkötegek terével kölcsönhatva instabilitást okozhatnak.

Az LHC tulajdonképpen két, egymás mellett haladó (és a kísérleteknél ütköztetett) szinkrotronból áll. Mindkettõt az SPS tölti fel 0,45 TeV energiájú protonokkal. A két mágneses csatorna gyorsítja fel a protonokat 7 TeV energiára, majd órákon keresztül tárolja és ütközteti a kötegeket, amíg a nyaláb további használatra alkalmatlanná válik és a gyorsítót ki kell üríteni és újból feltölteni.

A 7 TeV energiájú protonok 27 km-es körpályán való tartása rendkívül erõs mágnesekkel (a tervezett érték 8,33 tesla) lehetséges csak, ami szükségessé teszi szupravezetõ mágnesek alkalmazását. A két csatorna ugyanabban a kriosztátban helyezkedik majd el, ami jelentõs (25%-os) ármegtakarítást tesz lehetõvé. A nagy mágneses tér eléréséhez a mágnestekercseket 1,9 K hõmérsékletre kell lehûteni, ami még a szupravezetõ technikában is szokatlanul alacsony. További konstrukciós nehézséget okoz, hogy az így elért nagy áram (több, mint 10 000 A) nagy erõhatást (több száz tonna!) gyakorol a konstrukcióra, amit annak el kell viselnie. A szupravezetõ mágneseknél elõforduló jelenség, hogy a nem kívánt lokális hõ hatására visszaáll a normálvezetõ-állapot. Megfelelõ összeszerelési technológiával kell biztosítani, hogy ez minél ritkábban következzen be, hiszen az LHC-ben található 5000 mágnes bármelyikének a leállása órákig tartó üzemképtelenséget okozna. Várható, hogy ennek a problémának a megoldása jelentõségében túlnõ a CERN falain és szerepe lehet például elektromos energia nagy távolságú szállításában.

Természetesen az LHC-nél is várhatóak a LEP-nél tapasztalt Hold, Leman-tó és hasonló effektusok, sõt várható, hogy ezek hatása nagyobb lesz, mivel a proton nagyobb tömege révén jobban „emlékszik” bármilyen zavarra. További különbség, hogy a LEP-nél közös nyalábcsõ van, míg az LHC esetében a két nyaláb külön van választva, így a hatások még egymáshoz képest is különbözõk lehetnek. A megoldást megfelelõen kiépített monitor- és szabályozórendszer biztosíthatja.

A fenti, ízelítõül tálalt mûszaki jellegû kihívás ellenére a tervek szerint az LHC 2005-re elkészül. Fõbb paramétereit az 1. táblázat foglalja össze.

1. táblázat. Az LHC fõbb paraméterei
Energia 7 TeV
Proton/köteg 1,1·1011
Kötegszám 2835
Kötegek távolsága 7,48 m
Kötegek követési ideje 24,95 ns
Luminozitás 1·1034
Nyalábélettartam 10 h
Teljes részecskeszám 3,12·1014
Nyalábméret ütközésnél 16 mikrométer
Dipólus mágnes áram kb. 12 000 A
Dipólus tér (7 TeV-nél) 8,33 tesla

Az LHC-re telepítendõ négy kísérlet, az általános célú ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) és CMS (Compact Muon Solenoid), a nehézionra „szakosodott” ALICE (A Large Ion Collider Experiment) és a CP sértés mérését célul kitûzõ LHCb (Large Hadron Collider Beauty experiment) tervezésekor az elméletileg már megjósolt vagy feltételezett jelenségek vizsgálatára lettek méretezve. De mindenki nyitott bármilyen meglepetésre!
 
 

Energiaerõsítõ, a jövõ ígérete

A fentiekbõl talán úgy tûnhet, hogy a gyorsítók sorsa annyi, hogy egy adott idõszakban kiszolgálják a kutatásokat, majd vagy elõgyorsítóként élnek tovább, vagy bevonulnak a tudománytörténelettel foglalkozó irodalomba. Ebben van igazság: bár a már meghódított energiákon is van még kutatnivaló, egy gyorsító fenntartásának költségei határt szabnak a lehetõségeknek.

Vannak azonban olyan területek, ahol nem a közvetlen alapkutatás a cél. Így például az SPS jelenlegi programjának több mint a felében az LHC-re telepítendõ detektorok egyes elemeinek kipróbálása, tesztelése folyik. Az is természetes, hogy egy olyan unikális eszköz, mint egy gyorsító, helyet kér a részecskefizikán kívüli területeken is. Eléggé közismert a gyorsítók alkalmazása az orvostudományban, elsõsorban a daganatterápiában (a CERN ehhez fõként gyorsítós tapasztalatainak megosztásával járul hozzá különbözõ közös programok keretein belül). Érdemes azonban – mintegy a CERN-beli gyorsítók körüli utazás lezárásaként – megemlíteni egy olyan alkalmazási lehetõséget, amely nem ennyire közismert, de jelentõsége nem becsülhetõ túl, és ami megint csak rámutat arra, hogy napjaink sok problémájának megoldásához az alapkutatásokon keresztül vezet az út.

Ha van „korunknak problémája”, akkor az energia az. Hagyományos forrásaink korlátozottak. A nukleáris energia körüli gondok alapvetõen két probléma köré csoportosulnak: a hosszú élettertamú veszélyes nukleáris hulladék kezelése és az esetleges nukleáris katasztrófák. A CERN-ben 1993-ban született meg az energiaerõsítõ (Energy Amplifier) Rubbia és munkatársai által kidolgozott koncepciója, amely a gyorsító és a nukleáris reaktor összeházasítása. A javaslat szerint az üzemanyag tórium, amit gyorsítóban elõállított neutronnal bombáznak. A neutron elõállításához valamennyi energiára szükség van, de ennél több keletkezik a tórium hasadásakor: innen az energiaerõsítõ elnevezés. A hasadáskor termelõdõ neutronok száma nem elég egy láncreakció fenntartásához, így az erõmû nem „szaladhat meg”, ha bármilyen baj van (akár földrengés), a legrosszabb, ami történhet, hogy az erõmû leáll. A folyamat során sokkal kevesebb és sokkal kevésbé veszélyes hulladék keletkezik, így a módszer környezetvédelmi szempontból is rendkívül ígéretes. A javasolt eljárás perspektivikusan alkalmas lehet a hagyományos reaktorokban keletkezett hulladék megsemmisítésére is. Ismeretes, hogy a világ több kutatólaboratóriumában is folynak ilyen irányú vizsgálatok. Lehet, hogy a megoldást itt is a „nem szakirányú” CERN fogja nyújtani?

Ennek, a CERN alapfeladatától eltérõ kutatásnak egy bizonyos szint után ki kell kerülnie az intézetbõl, hogy szélesebb európai, sõt világegyüttmûködésben folyjon tovább. De az ötlet nem jöhetett volna létre a CERN-ben felhalmozódott tapasztalat nélkül.

***

Cikkünkben igyekeztünk a részecskefizikai kutatások fõ kísérleti eszközeit, a gyorsítókat a szakma vezetõ helyének tekintett CERN berendezésein keresztül közelebbrõl megismertetni. Mindez az eszköztár (és a CERN összes szolgáltatása) Magyarország 1992 júliusi belépése óta a hazai kutatóknak is teljes körben a rendelkezésére áll. A CERN-nel (és azon belül a gyorsítókkal) tengernyi irodalom foglalkozik. Az ismerkedés kiindulópontjaként a korszellemnek megfelelõen a http://www.cern.ch azaz a CERN honlapja javasolható.