VESZTERGOMBI GYÖRGY
Nagyenergiás gyorsítók az LHC után
Ha valaki látott már közelről egy modern nagy energiájú részecskegyorsítót, bizonyosan elámult annak hatalmas méretein és áttekinthetetlennek tűnő bonyolultságán, így azt valami egészen különös jelenségnek tartja. Eközben fel sem vetődik benne, hogy valójában az egyik legközönségesebb mindennapi eszközről van szó, hiszen a tévé képernyője, illetve a számítógép (képcsöves) monitorja sem más, mint egy-egy komplett részecskegyorsító (1. ábra), amely tartalmazza a tudományos csúcsrendszerek minden lényeges alapelemét:
- részecskeforrás (elektronok repülnek ki az izzított katódból), és a kb. 20 kV-os elektromos tér adja a gyorsító erőt;
- a nyalábvezérlő és fókuszáló mágneses tér ( bár ez a képcsőbeli viszonylag alacsony energiákon elektromos térrel is megoldható, az analógia egyértelműsége érdekében korlátozódjunk most a mágneses esetre );
- a céltárgy szerepét a képcső ernyője játssza, amelybe ütközve a felgyorsult elektronok másodlagos részecskéket, fotonokat generálnak, amelyek a szemben és agyban a látható kép érzetét keltik.

1. ábra. A televízió képernyője, mint az egyik legnépszerűbb űrészecskegyorsító
Nagy energiákon az alapelv pontosan ugyanaz, csak éppen a részletek változnak a kutatási céloknak megfelelően. Ahhoz, hogy a távolinak tűnő, LHC utáni jövőbeli gyorsítók újszerűségét kellően értékelni tudjuk, szükség van arra, hogy kicsit részletesebben megvizsgáljuk ezen alapelvek alkalmazását a jelenlegi rendszerekben. Minden gyorsító az ion- vagy elektronforrással kezdődik. Mivel ez a végenergiától független, ezért most ezzel a témával nem foglalkozunk. Annál fontosabb, hogy megértsük magának a gyorsítási folyamatnak a lényegét. Itt több olyan alapvető körülményt kell figyelembe venni, ami sajnos behatárolja a variációs újítási lehetőségeket. Egyrészt csak olyan részecskét lehet gyorsítani, aminek az élettartama legalább arra elegendő, hogy az a rendszeren végigfusson. Ez a feltétel látszólag fölöslegesnek tűnik, de mindjárt átérezzük ennek a fontosságát, ha pionokat vagy müonokat próbálunk gyorsítani. A másik ilyen triviális feltétel, amelyet nem árt tudatosítani: csak elektromos térrel és csak töltött részecskét lehet gyorsítani (2.a ábra).

2. ábra. A töltött részecskét az elektromos tér gyorsítja (bal oldali ábra), a mágneses tér pedig eltéríti (jobb oldali ábra)

Gravitációs térrel elvileg lehetne semleges részecskét is gyorsítani, de valószínűleg a következő évszázad folyamán még nem leszünk abban a helyzetben, hogy a szükséges erősségű gravitációs tereket létrehozzuk. A magerők erőssége nem kétséges, hiszen nagyságrendekkel meghaladja az elektromos térerősséget, ezek hatótávolsága azonban sajnos csak az atommag méreteire terjed ki. Fontos megjegyezni, hogy szűkebb értelemben gyorsítani mágneses térben nem lehet, mert a Lorentz-erő, amely a részecske sebességéből és a mágneses térerő szorzatából adódik, csak a részecske repülési irányát képes megváltoztatni, de a sebesség abszolút értékét és így az energiáját nem (2.b ábra).

Mivel általában egységnyi töltéseket gyorsítunk az elektromos térben, ezért természetes, hogy energiaegységnek az elektronvoltot vezetjük be. Ez egyenlő azzal az energiával, amelyet egy elektron 1 V potenciálkülönbség befutása után nyer. Hogy ez valóban milyen kényelmes mindennapi érték, azt jól jellemzi, hogy kb. ekkora gyorsítást érhetünk el, ha egy

1,5 V-os ceruzaelem két vége között futtatunk át egy elektront vagy egy protont. A nyert energia csak a töltéstől függ, a tömeg nem számít,vagyis a nagyenergiájú részecske is 1 V feszültségkülönbség befutás után 1 eV pluszenergiát nyer, bár közben lehet, hogy a tömege már az eredetinek, az ún. nyugalmi tömegnek ezerszeresére nőtt. A speciális relativitáselmélet miatt ugyanis a sebessége nem nőhet minden határon túl, ezért a nagy energiákon nem a sebesség, hanem a tömeg nő. A nagyenergiájú, azaz a „relativisztikus" részecskék gyakorlatilag mind fénysebességgel repülnek. A továbbiakban ezt mindig fel is tételezzük, persze tudjuk, hogy azért egy picit mindig c alatt maradnak, mert csak a fotonokról tudjuk biztosan, hogy egzaktul fénysebességgel mennek, függetlenül attól, hogy 1 eV körüli (látható fény) vagy 100 MeV-es (akár 1 TeV-es) gamma kvantumokról van szó.

Lineáris gyorsító

A klasszikus katódsugárcsőben a kb. 20 kV-os gyorsító elektromos teret a katód és ernyő között létesített sztatikus tér hozza létre. A döntő különbség a modern részecskegyorsítóban ehhez képest az, hogy a gyorsítást időben igen gyorsan változó, nagyfrekvenciás elektromos térrel hozzák létre. Ez valóban hihetetlenül nagy trükk, hiszen ez teszi lehetővé, hogy akár elvileg végtelen nagy gyorsítófeszültséget is létrehozhassunk. A korábbi gyorsítókban abszolút korlátot jelentett, hogy semmilyen körülmények között nem lehet néhány millió voltnál nagyobb feszültségkülönbséget fenntartani. A trükk cselességét a következőképpen lehet szemléltetni (3. ábra). Vegyünk végtelen számú +1 voltos elemet. Ezeket felváltva (+1, -1,...) polaritással rákötjük a tengelyre merőlegesen álló kondenzátorok lapjaira, amelyek közepén egy kis lyuk van a részecskéknek az áthaladására. Ha a t=0-ban az elektron egy adott cellában van, akkor ott a térerő gyorsítja, és t=+1-kor ér a cella végére. Ekkor hirtelen megfordítjuk az elemek polaritását, így a következő cellában megint gyorsító teret talál a részecske, és t=2-kor már 2 eV-tal nagyobb lesz az energiája. „n" cella befutása után az energiája n eV lesz, vagyis úgy érhetünk el akármilyen nagy eV-nyi energiát, hogy a rendszerben sehol sem lép fel ±1 V-nál nagyobb feszültségkülönbség!

3. ábra. A lineáris gyorsító alapelve: a változó polaritású kondenzátorlemezek

A csoda az, hogy ez gyakorlatban meg is valósítható, ha az 1 V-os egyedi cellák helyett rádiófrekvenciás „haladó hullámot" indukálunk a gyorsító elektródái között. Ezen a hullámon „szörföznek" a gyorsítható részecskék. A mai gyorsítókban kb. 250 MHz-es rövidhullámokat használunk az úgynevezett üregrezonátorokban.

Cirkuláris gyorsító

A fenti elven működő lineáris gyorsítókkal elvileg akármekkora energia elérhető, de gyakorlati határt szab a maximális hossz, hiszen a Föld átmérőjénél hosszabb egyenes pályát nehéz lenne készíteni. A hatásfokot növelni lehet a cellánkénti térerő növelésével, de mindkét szempontból (hossz és térerő) a gyakorlati korlátot a pénzügyi költségek jelentik. A nagy energiájú gyorsító építésének kettes számú nagy trükkje: ugyanazon (rövid és olcsó ) lineáris gyorsítón ugyanazokat a részecskéket többször futtatjuk át. Itt jön be a mágneses dipól-tér. A szinkrotronok alapelve a következő: adott egy gyűrű, amelynek a kerülete mentén mágneses dipólokat helyezünk el (4. ábra). A dipólok tere merőleges a gyűrű síkjára és a térerősség 0 és Bmax között szabályozható. A gyűrű nem egészen tökéletes kör, általában néhány helyen lineáris szakasz(oka)t iktatnak be, ezekben lehet a lineáris gyorsító(ka)t elhelyezni. A gyorsítás menete a következő: a forrásból E0 kezdő energiával egy részecskecsomagot lövünk be a LIN-be, ahonnan E1 = E0+ DE energiával jön ki. A B0 erősségű dipól-tér egy kör után visszavezeti a részecskéket a LIN-be, és onnan kijőve E2 = E0 + 2DE energiával már a megnövelt B1 = B0 + DB tér fogja újra visszavezetni a LINbe, és így tovább mindaddig DB-vel növeljük a teret, amíg el nem érjük Bmax-ot.
4. ábra. A cirkuláris gyorsító gyűrűszerű elrendezése
A szinkrotron gyorsító ára attól függ, hogy mekkora az R és Bmax. A közönséges normál hőmérsékletű vasmágnesek esetén Bmax=1,5 tesla, szupravezető mágnes esetén jelenleg az LHC-ben tervezett BLHC=8,5 tesla jelenti a gyakorlatilag elérhető maximumot. A LEP alagútban elhelyezhető hadrongyorsító effektív sugara R=3 km, mivel a hajlító dipólmágnesek a 27 km-es kerületnek csak egy részét tölthetik ki.
Ezért a jelenleg elérhető legnagyobb nyalábenergia: ELHC =7-8 TeV

Váltakozó fókuszálás - defókuszálás

Az elv valóban egyszerű: gyorsítás és visszahajlítás. A dolog attól válik bonyolulttá, hogy a részecskéket több ezer, sőt millió fordulat után is egzaktul ugyanarra a pályára kell visszavezetni. Ahhoz, hogy ezt elérjük, egy valóban Nobel-díjas trükkre van szükség. Utólag visszanézve is csak különleges csoda, hogy a részecskéket úgy lehet az adott ideális pálya közvetlen közelében tartani gyakorlatilag időlimit nélkül, hogy váltakozva a pályára visszatérítő (azaz fókuszáló) és attól eltérítő (azaz defókuszáló) mágneses lencséken vezetjük át a nyalábot (5. ábra). A trükk lényege az, hogy a homogén dipól térrel ellentétben, amely a pályát kör alakúvá teszi, itt kvadrupól teret is alkalmazunk, amely többszörös értelemben is inhomogén. Egyrészt az adott kvadrupól, ha vertikálisan fókuszál, akkor horizontálisan defókuszál. Másrészt a térerősség a kvadrupól közepén nulla és onnan kifelé haladva lineárisan növekszik.
5. ábra. Horizontális és vertikális fókuszálás kvadrupóllencsékkel
Az alternáló fókuszálás elvét kétdimenziós vetületben érthetjük meg. Egymás után elhelyezve adva van két azonos, egymáshoz képest 90°-kal elforgatott kvadrupólmágnes. Két eset lehetséges. Vertikális vetületben nézve az első kvadrupól fókuszál és a második defókuszál, vagy ennek a fordítottja. Mindkét esetben vegyünk egy olyan részecskét, amely próbál eltérni a középvonaltól.
Az a esetben a fókuszáló tér rögtön visszafordítja a renitens részecskét. Ennek az erőteljes lépésnek a hatásosságát persze nagyban csökkenti, hogy ezután defókuszálás lép fel. Viszont itt lép be a nagy trükk! A tér inhomogenitása miatt a defókuszáló tér erőssége lényegesen kisebb lesz a korábbi fókuszáló térénél, mivel itt a részecske már közelebb lesz a középvonalhoz. Vagyis az eredőhatás a két kvadrupólon való áthaladás után végül fókuszálás lesz.
A besetben ugyanez a logika működik, de fordított előjellel. Az első lépés defókuszáló hatása miatt a második kvadrupólba a középvonaltól távolabb lép be a részecske, ezért nagyobb lesz a visszatérítő hatás, mint a korábbi eltérítő. Tehát az eredőhatás, megint fókuszálás.
A részecske töltésének az előjelére szimmetrikus az elrendezés, hiszen csak az a és b eset cserélődik fel; ha pozitív helyett negatív a részecske, akkor is az elrendezések mindegyike végül is azonos fókuszáló hatást eredményez.
A háromdimenziós mozgás esetén az a furcsa kombináció valósul meg, hogy a részecske egyszerre hajtja végre az aés b eseteket, hiszen ugyanazon kvadrupólterében, amikor horizontálisan fókuszál, akkor vertikálisan defókuszál; ez persze a második kvadrupólban pont fordítva van, így a szimmetria helyreáll, és a végeredmény egyidejű fókuszálás lesz mindkét irányban.
Tehát dipól és kvadrupól mágnesek ügyes kombinálásával a részecskéket akármeddig közel egzakt zárt vonalú pályán tarthatjuk. A gyakorlati határt a vákuum minősége jelenti. Ugyanis a maradék gázatomokkal való ütközés fokozatosan csökkentheti a nyaláb intenzitását. Ha elég jó a vákuum, akkor egy hónapig is körbe keringtethetjük a részecskéket a gyorsító gyűrűben. Ezt a CERN-ISR-ben valóban sikerült elérni, amihez persze a világűrbelinél is lényegesen jobb vákuumot kellett létrehozni. A gyakorlatban kb. egy napig érdemes fenntartani a nyalábot a működő tároló gyűrűkben.
Csak azért, hogy számszerű fogalmunk legyen arról, milyen hihetetlen pontosságot lehet elérni ezzel a váltakozó fókuszálási módszerrel, nézzük az LHC esetét. A majdnem 30 km-es kerületű gyűrűben a protonok másodpercenként 10 000 kört tesznek meg, vagyis egy nap alatt közel 109 kört, másképpen fogalmazva egy „fénynapnyi" utat tesznek meg (L=3·1010km!). Ha a világűrben ilyen messzire lenne egy céltárgy, akkor azt 20 mikron pontossággal találnánk el, ugyanis olyan jó a fókuszálás, hogy a gyorsítóban egy nap után is ilyen pontossággal tudjuk biztosítani, hogy a szembe jövő protonok találkozzanak.
Ez azt jelenti, hogy az ilyen hosszú gyorsítóval egy a Plútón is túl levő szúnyog szemét is képesek lennénk eltalálni. Ez persze nem jelenti azt, hogy ilyen pontossággal tudnánk célozni, mivel itt a célra korrigálás folyamatosan történik.

Fix-target versus Collider

A gyorsítók történetében a következő trükk azon a köznapi tapasztalaton alapul, hogy ha az autóval 100 km/óra sebességgel a falnak ütközünk, az elég nagyot szól. Igazából nagy bumm akkor következik be, ha két autó ütközik frontálisan ilyen sebességgel. A kísérleti technika szédületes fejlődése olyan élesen fókuszált nyalábok létrehozását tette lehetővé, hogy bennük sikerült a részecskék sűrűségét annyira növelni, hogy ha két ilyen elektron- vagy protoncsomag találkozott, akkor közülük néhány részecske biztosan telibe találja a másikat. Ez nem elhanyagolható pontosság, hiszen protonok esetén ez kb. 10-15 m átmérőjű céltábla eltalálását jelenti.
Amikor a nyalábot álló céltárgyra lőjük, akkor fix-target kísérletről beszélünk, ilyen gyorsítók: Bevalac, AGS, SPS stb... Ha viszont két nyaláb szolgál egymás céltárgyaként, akkor colliderről (ütköztetőről), azaz ütköző nyalábos gyorsítóról van szó; ilyenek a LEP, az SppS és majd az LHC. Külön érdekesség, ha két különböző típusú nyalábot ütköztetnek, mint a hamburgi HERA-ban, ahol 30 GeV-es elektronok ütköznek 920 GeV-es protonokkal.
Hogy mennyire érdemes ütköztetőt használni, azt már egyetlen számmal is jól lehet érzékeltetni. Ha a 7+7 TeV-os LHC proton-proton ütköztető 14 TeV-os tömegközépponti energiáját fix-targetes gyorsítóval akarnánk elérni, akkor 25 000 TeV-os protonnyalábot kellene létrehozni. Arról ma még nem is álmodhatunk, hogy a 7 TeV-nál 3000-szer nagyobb energiájú részecskegyorsítót egyáltalán képesek leszünk- e valaha építeni, viszont az ütközőnyalábos technika tálcán kínálja a kutatási lehetőséget ilyen hatalmas energiák tartományában is.

Miért kell mindig nagyobb energia?

Most már értjük, hogyan lehet új gyorsítót építeni, de az igazi kérdés az, hogy egyáltalán miért van szükség mindig újabb és nagyobb energiájú gyorsítókra.
A kísérleti tudományok utóbbi néhány száz éves fejlődése két fő irányt mutat: távcsöveinkkel a világűr egyre nagyobb mélységeibe hatoltunk be, mikroszkópjainkkal pedig az anyag egyre finomabb szerkezetét sikerült felderíteni. A módszer lényegében azonos: a foton hullámtermészetén alapul. Az elektronmikroszkóp esetén szintén hasonló dologról van szó, csakhogy itt az anyaghullámtermészetét használjuk ki. A felbontás növelésére az ad lehetőséget, hogy anyaghullámokkal lényegesen rövidebb hullámhosszakat lehet viszonylag könnyen előállítani. Mivel a céltárgy két részlete csak akkor különíthető el, ha a távolságuk nagyobb, mint a letapogató sugár hullámhossza, ezért az adott felbontáshoz mindig hozzárendelődik egy minimális sugárnyaláb energia. A sejtek vizsgálatához például elegendő a keV-os nagyságrendű energiájú elektronnyaláb, azonban az atommag belsejének 10-17 m-es pontosságú felderítéséhez már 100 GeV-os elektronok szükségesek. Még nagyobb energiákra van szükségünk, ha ennél még sokkal finomabb részletekre van szükségünk.
A feladat nagyságát, azaz a 10-17 m-től a 0-ig való eljutást hűebben leíró paramétert kapunk, ha „log r"-t vizsgáljuk, amely skálán ez a -17-től –-ig tartó, soha be nem fejezhető útnak felel meg.
A fizikai világ egységének egyik érdekes szimbóluma, hogy a log r —> –-t kutató szupermikroszkópok, a gyorsítók energiája a +-hez tart, amely persze nem haladhatja meg a jelenlegi ismereteink szerint véges univerzum összenergiáját. Vagyis bár a log r-ben a negatív irányban indulunk el, a kísérlet végrehajtásához az egész világot kellene bevonni. Hogy a kör teljesen záruljon, azt érdemes figyelembe venni, hogy ha a távcsöveinkkel a log r-ben a pozitív végtelen irányába indulunk el, akkor az ősrobbanásig jutunk vissza, amikor az egész világ egyetlen pontba volt összesűrítve. Tehát a részecskefizika és asztrofizika végső soron ugyanazt vizsgálja.

e+– e gyorsítók

Ahhoz, hogy az LHC utáni gyorsítók kutatási feladatairól beszélhessünk, néhány szót kell ejteni arról, hogy mit várunk magától az LHC-tól. Az LHC a LEP helyére kerül. Magától adódik a kérdés: miért ez a nagy hűhó? Miért nem elégedtek meg egyszerűen a LEP energiájának TeV-re növelésével? Ez elvben valóban csodálatos lenne, de a gyakorlat sajnos más. A LEP bizonyos szempontból a részecskefizika dinoszauruszának tekinthető, ugyanis ennél nagyobb cirkuláris elektrongyorsítót valószínűleg soha nem fognak építeni, mert itt minden paramétert már az ésszerűség határáig feszítettek. A probléma gyökere végtelenül egyszerű: a szinkrotronsugárzás. Az elektron a legkönnyebb töltött részecske, ezért már a legkisebb erőhatás miatt fellépő gyorsulás következtében fotonokat sugároz ki. (A proton is sugároz ilyen fotonokat, de ezek mennyisége még az LHC energiákon is elhanyagolható.) Mivel a mágneses térben irányváltoztató gyorsulás lép fel, ezért cirkuláris gyorsítóban elkerülhetetlen a szinkrotronsugárzás, amely persze az elektron energiájának rovására történik. A cirkuláris elektrongyorsító energiáját csak addig a határig lehet növelni, ameddig egy fordulat alatt több energiát tudunk betáplálni, mint amennyit az elektron ez alatt szinkrotronsugárzás miatt veszít. Az eredeti LEP esetén ez a 45 GeV energia körül következett be. Azonos pálya esetén, ha meg akarjuk duplázni a nyaláb energiáját, akkor 24=16-szor nagyobb lesz a sugárzási energiaveszteség. Ezt a LEP esetén szupravezető üregrezonátorok bevezetésével sikerült ugyan kompenzálni, de már 10-es faktor elérése teljesen lehetetlen lett volna, mert ahhoz 10 000-szer több energiát kellett volna betáplálni. Mivel az LHC 7 TeV-es proton energiája 70-szer nagyobb a LEP 100 GeV-nél, ezért itt már csillagászati, 25 milliószoros energiaigény lépne fel, ha elektronokat akarnánk gyorsítani.
A „tiszta" fizika szempontjából az elektron-pozitron ütközőnyalábos gyorsító előnyösebb, mint a proton-proton, mert az elektron mai tudásunk szerint pontszerű részecske, viszont a protonról már a Rutherford-kísérlet óta tudjuk, hogy véges méretű belső szerkezettel rendelkező bonyolult képződmény. Mivel a protonban 3 valencia-kvark van, ezért proton-proton ütközések esetén, az elemi kvark-kvark ütközésekre gyakorlatilag az összenergia egy tizede jut. Vagyis egy 700 GeV-es e+–e ütköztető ugyanarra lenne képes, mint a 7 TeV-es LHC. Érdekes módon ezt még nem tudjuk megépíteni. Ezért került előtérbe az LHC, ha be akarunk lépni a fizika egy teljesen új tartományába. A gyorsítóépítők egyik nagy kihívása éppen az, hogy milyen legyen a következő elektron-pozitron gyorsító.
Az LHC nemcsak földrajzilag, hanem a kutatási témában is a LEP nyomdokaiba lép: Higgs-bozonok és szuperszimmetrikus részecskék keresése. Felvetődik a kérdés, mit lehet még ezután kutatni. Ha minden igaz, akkor az LHC-n ezeket megtaláljuk és így tovább folytatódik az egyre unalmasabbá váló Standard Modell, illetve annak minimális szuperszimmetrikus kiterjesztésének a sikere. Hát éppen ez az! Mi van a Standard Modellen túl - erre kellenek az új ötletek és gyorsítók!
Minden új gyorsítót azért építettek, mert meg akartak bizonyosodni az akkori elmélet nagyobb energiákra való extrapolálhatóságáról. Ez általában sikerült is, de minden új energiatartomány meghódítása váratlan új jelenségek felfedezésére is vezetett. Az antiproton felfedezésére a felfedezésének dömpingjét, a 30 GeV-es brookhaveni AGS és CERN-i PS gyorsítókon az elemi részecskék részletes tanulmányozása vezetett el a kvarkmodell kidolgozására. A következő generációhoz tartozó protongyorsítók a CERN-i ISR és SPS, valamint a Fermilab TEVATRON, a SLAC elektron LINAC-jával együtt feltárták a proton parton szerkezetét. Előre „tervezett" felfedezés volt proton-antiproton (SppS) ütközésben a Z- és W-kimutatása, de általános meglepetést jelentett, hogy a t-kvarkot csak 175 GeV-es tömegnél lehetett megtalálni.
Most is óriási kérdőjelként meredezik előttünk, mi határozza meg az egyes részecskék tömegét. Létezik-e a nagy egyesülés az erős, gyenge és elektromágneses kölcsönhatások között? Miért van három generáció a kvark-lepton családokból?
Az LHC szerepe valószínűleg hasonló lesz az SppS szerepéhez a Z, W fizikában. Általában ugyanis a hadrongyorsítók a felfedezők, de csak néhány új részecskét tudnak produkálni a rendkívül zavaros háttér miatt, míg a részletes vizsgálat a megfelelő e+–e-gyorsítón történik. A LEP-en összesen 20 millió Z-t gyártottak, ami minőségi különbséget jelent az SppS néhány tucatjához képest. Ezért a 2005-ben elkészülő LHC után valószínűleg egy 0,5-1,0 TeV közötti energiájú e+–e-ütközőnyalábos gyorsító megépítése várható valamikor 2010 után. Mivel cirkuláris gyorsítót ilyen energián nem lehet építeni, ezért itt azt az újszerű megoldást fogják alkalmazni, hogy majd két lineáris gyorsító lövi egymással szembe az elektront és a pozitront. Természetesen így folyamatosan mindig új nyalábokat kell betáplálni, mert egy elektront, illetve pozitront csak egyszer lehet az ütközési zónán átvezetni.
Egyelőre három helyen folynak intenzív kutatások a lineáris elektrongyorsítók energiájának növelésére. A klasszikus megoldás a gyorsító hosszának csökkentése érdekében az, hogy növelik az elektromos gyorsító tér erősségét. Míg a LEP-ben a gradiens 7 MeV/m volt, a németországi DESYben a TESLA lineáris ütköztető 22 MeV/m-rel 30 km hosszú lenne, addig a japán KEK-ben a JLC 36 MeV/m-rel 16 km-t, az amerikai SLAC-ben tervezett NLC 55 MeV/m-rel már csak 11 km-t igényelne.
A legambiciózusabb tervet a CERN-ben készítik, amelynek a realizálása persze nem is várható 2020 előtt. Ez a CLIC nevű e+–e -gyorsító már valóban minőségileg újat jelentene, hiszen az LHC-n túlmutató 3-5 TeV-es energiatartomány meghódítására készülne (emlékezzünk: ez proton-proton gyorsítóban 30-50 TeV-et jelentene). Itt két lényegesen új tervezési elvet vezetnének be:
- A gyorsítást létrehozó haladó hullám frekvenciája 30 GHz lenne, amely a jelenlegi LEP frekvencia több mint százszorosa;
- A gyorsító teret nem klisztronokkal, hanem egy párhuzamosan haladó másik, alacsony energiájú nyaláb segítségével hoznák létre. Ezzel a „nyalábmeghajtással" 150 MeV/m-t meghaladó gyorsítási gradienst lennének képesek elérni.
Az ötlet első pillanatban lehetetlennek tűnik (sokaknak még második pillanatban is). Igazi Münchhausen báró idea, mintegy „saját hajánál" fogva akarjuk a nyalábot gyorsítani. Valóban őrült elképzelés, de van benne rendszer (6. ábra). A meghajtó 1,2 GeV-es elektronnyalábot a gyorsítandóval szemben vezetve, úgy lassítják le, hogy a lelassuló elektronok által kisugárzott fotonok megfelelő erősségű 30 GHz-es elektromos teret hozzanak létre éppen abban a pillanatban, amikor a gyorsítandó elektronok ott tartózkodnak. Az elv valóban működik, ugyanis az első kísérletek sikeresek voltak. Jelenleg tervezés alatt áll egy olyan modell, amelynek a főbb méretei már közel vannak a tervezett végső gyorsító paramétereihez, persze a kívánt hossznak parányi töredékét készítve csak el.


6. ábra. A CLIC rádiófrekvenciás generátorának sémája (csak a pozitron lineáris gyorsítóját mutatjuk)

VLHC

A dolgok logikájából következően a CLIC után újra egy proton-proton gyorsító következne a sorban. A Very Large Hadron Collider (VLHC) esetén a 100 TeV-es energiatartomány meghódítása lenne a cél. Két irányban folynak a kutatások.  Mivel a protonok szinkrotronsugárzásának nagysága még ezen energiákon is elviselhető, ezért mindenképpen cirkuláris gyorsító építésére gondolnak. A p=0,3 BR formula szerint nagy p-t, azaz nagy energiát vagy B vagy R növelésével érhetjük el, ahol R az effektív körpálya sugara. Alacsony tér (2 tesla) esetén 2Rp=600 km adódik a gyűrű teljes kerületére, míg erős tér (12 tesla) esetén elegendő lenne 100 kmes alagút, amely a LEP/LHC alagútnak csak 3-4-szerese. Az alacsonytér-elképzelés lényege, hogy rendkívül egyszerű és olcsó, 250 m hosszú darabokból álló, tömeggyártásra kiválóan alkalmas mágneseket készítenének, amelyeket csatornaásó robotok temetnének a föld alá, vagyis még külön alagút építésére sem lenne szükség. A Fermilabben már dolgoznak egy 50 m-es próbamágnesen.
Az erős terű mágnes készítésénél a szupravezető kábel anyagának kiválasztása és megmunkálása jelenti a fő problémát. A klasszikus szupravezetőkben NbTi-ötvözetet használnak, itt a magas tér eléréséhez Nb3Sn-ötvözet kellene, amelynek a megmunkálása igen problematikus. Ugyancsak vizsgálják a különböző NbTiTa-ötvözeteket. Az LBNL-ben egy három éves programot indítottak a lehetőségek felmérésére.

Müongyorsítók

A titokzatos müon (a nehéz elektron), a legelőször felfedezett nem stabil töltött elemi részecske pályafutását egy emlékezetes megtévesztő manőverrel kezdte, mivel sokáig az erős kölcsönhatást közvetítő Yukawa-mezonnal keverték össze. Hosszú időbe telt, amíg a pion felfedezése tisztázta a helyzetet. A müonok kozmikus sugárzásbeli észlelése más szempontból is történelmi érdekességű, mert a józan logika szabályai szerint a két milliomod másodpercig élő müonoknak nem is lett volna szabad a föld felszínén levő megfigyelőkhöz eljutnia. A müon az első olyan részecske, ahol a speciális relativitás elvei mindennapi gyakorlattá váltak, és a relativisztikus idődilatáció nemcsak a müon megfigyelhetőségét tette a múltban lehetővé, hanem még gyorsítását is a jövőbeli gyorsítóban. Hihetetlen, de a technika mai állása alapján valószínűnek tűnik, hogy előbb lesz 5 TeV-es m+–m ütközőnyalábos cirkuláris gyorsító, mint az e+–e CLIC. Müonok esetén ugyanis a viszonylag nagy tömeg (»200 elektrontömeg) miatt még ilyen energiákon is elviselhető a szinkrotronsugárzás erőssége. A 7. ábrán látható egy ilyen komplexum vázlatos rajza. A részleteket mellőzve csak a főbb lépéseket soroljuk föl.

7. ábra. A m+–m ütköztető vázlata
A proton-szinkrotron 16 GeV-es protonjait egy céltárgyra lövik, ahonnan intenzív pionnyaláb repül ki. Ezeket fókuszálják és váltakozva pozitív/negatív csomagokat alakítanak ki. A 100 m hosszú pion bomlási zóna végén átlagban 0,3 müont várnak minden egyes protonra számítva. Ezeket több lépésben gyorsítják fel a szükséges végenergiára. Ha például elérik a nyalábonkénti 250 GeV-et, akkor az élettartamuk az eredeti 2500-szorosára nő, vagyis kb. 5 ezredmásodpercig fognak körbe-körbe menni. A folyamatos működést állandó újratöltéssel lehet biztosítani.
Mivel itt rendkívül intenzív nyalábokról van szó, a müonok bomlása következtében korábban elképzelhetetlen intenzitású neutrínónyaláb is megjelenik melléktermékként. Ez a melléktermék teljesen új távlatokat nyithat a neutrínófizikában.

Egyéb vad ötletek

Az eddigiekben ismertetett elképzelések a legszilárdabb realitás talaján állottak, a következőkben megpróbáljuk kissé szabadjára engedni a fantáziánkat.
Pulzált lézerekben ma már el lehet érni a 1020 W/cm2 csúcsteljesítmény-sűrűséget, amely fantasztikusnak tűnő, 30 TV/m gradienst ad a fókuszban! Vagyis elvileg majdnem 100 TeV-et lehet elérni 3 méteres gyorsítóval. A baj csak az, hogy az elektromos tér iránya merőleges a hullám terjedési irányára, a részecskegyorsítóhoz viszont longitudinális komponensre van szükség. Stanfordban előkészítés alatt van egy kísérlet, amelyben két lézernyalábot kereszteznek bizonyos szög alatt úgy, hogy a transzverzális komponensek kioltsák és a longitudinálisok erősítsék egymást. Így 3 GV/m gradienst várnak.
Jelentős erőfeszítések történtek annak a kiderítésére, hogy hogyan lehetne elektronok gyorsítására felhasználni a plazmaoszcillációkat, amikor a plazma elektronjai rezgésbe jönnek az állónak tekinthető ionokhoz képest. Az elektronsűrűségbeli oszcillációk igen erős tereket tudnak fenntartani a plazmában, hiszen itt nincsen átütési feszültségi határ. Magukat a plazmaoszcillációkat viszonylag könnyű kelteni lézerrel. Egy UCLA-csoport az ún. Plasma Beat-Wave Acceleratorban 3 GV/m-es gradienst tudott létrehozni 3 cm-n.
A CLIC ötletet viszi tovább az a kezdeményezés, ahol 90 GHz-es hullámot akarnak létrehozni és így viszonylag klasszikus eszközökkel 1 GeV/m gyorsulást próbálnak elérni a nem távoli jövőben.
Összefoglalva megjegyezhetjük, minden remény megvan arra, hogy a gyorsítók energiája a következő évtizedekben is exponenciálisan fog emelkedni. Így az új fizikai felfedezéseknek a gyorsító energia miatt nem lesz semmi akadálya.
IRODALOM
[1] Vesztergombi Gy.: Magyarország, CERN és a részecskefizika jövője, Fizikai Szemle, 1999. január, IL. évf. 5.
[2] K. Hübner: Future Accelerators, CERN-SL-98-065, http:// preprints.cern.ch
[3] John Ellis: Physics Goals of the Next Century, CERNTH/ 2000-050, http://preprints.cern.ch