Horváth Dezső 
Részecskefizika és óriási gyorsítói



Első rész: LEP, LHC, ILC

25 év tervezés és 10 év építés után 2009 novemberében elindult a világ jelenlegi legnagyobb részecskegyorsítója, a CERN nagy hadronütköztetője (Large Hadron Collider, LHC). A kétrészes írásban először egymást követő óriási gyorsítók példáján bemutatjuk a gyorsítók fejlődését és a tőlük nyert vagy várt tudományos eredményeket.

Mikroszerkezet és energia
Minél kisebb részleteket kívánunk feltárni az anyag szerkezetének tanulmányozásában, annál kisebb hullámhosszú, azaz annál nagyobb energiájú szondára van szükségünk. A baktériumok vizsgálatára megfelelő a mikroszkóp néhányszor 10–7 m hullámhosszú, azaz 1 eV körüli energiájú  látható fénye. (1 eV (elektronvolt) energiát nyer az egységnyi töltésű elektron vagy proton 1 V feszültség hatására.) Az atomi szerkezet vizsgálatához kiloelektronvolt (1 keV = 103 eV) körüli energiájú röntgensugarakra vagy elektronokra van szükségünk, az atommag kutatói megaelektronvoltban (1 MeV = 106 eV), a részecskefizikusok gigaelektronvoltban (1 GeV = 109 eV) gondolkodnak, a legújabb nagy részecskegyorsítók  (az amerikai Tevatron és a CERN LHC-je) teraelektronvolt (1 TeV = 1012 eV) fölötti energiát érnek el.  Nagyobb energia tehát kisebb távolságnak felel meg és mélyebb szerkezetről nyújt felvilágosítást. (A gyorsító kifejezés ma már félrevezető, hiszen a nagyenergiájú gyorsítókban a részecskék sebessége igencsak megközelíti a fény vákuumbeli sebességét, ott már inkább a részecskék energiáját, azaz relativisztikus tömegét növeljük.)

A részecskefizika általánosan elfogadott anyagelmélete, a Standard Modell [1] szerint világunk néhány elemi, pontszerű fermionból és bozonból áll. A fermionokat és a bozonokat saját impulzusmomentumuk (perdületük, idegen szóval spinjük) különbözteti meg egymástól: a fermionoké – például az elektroné vagy a protoné – a redukált Planck-állandó,  fele (ezek a részecskék feles spinűek), míg a bozonok – például a fény kvantuma, a foton vagy a nevezetes Higgs-részecske – egész spinűek, perdületük . A fermionoknak és a bozonoknak különbözők a szimmetriatulajdonságaik: akárhány bozont elhelyezhetünk ugyanabban a kvantumállapotban (ez a Bose–Einstein-kondenzátum), míg Pauli kizárási elve értelmében a fermionok ezt nem tűrik. Fermiont nem lehet kelteni vagy eltüntetni, csak részecske+antirészecske párokban, míg a bozonokkal szabad a játék. A kölcsönhatásokat bozonok közvetítik, például két elektron szóródását egymáson úgy írjuk le matematikailag, hogy az egyik kibocsát egy fotont, a másik pedig elnyeli. Ennek megfelelően a fermionokat szokták anyagi részecskéknek is tekinteni. 

 

  
1. táblázat. Az alapvető fermionok három családja. A fermionokat a gyenge kölcsönhatás párokba rendezi, azok tagjait a gyenge izospin harmadik komponense, T3 különbözteti meg. A gyenge kölcsönhatás keveri a kvarkállapotokat (ezt vessző jelöli), valamint csak balra (mozgásukkal ellentétes irányban) polarizált részecskéket és jobbra polarizált antirészecskéket kedvel, ezt jelöli az L (Left) index. Az antirészecskékre hasonló táblázat készíthető ellentétes előjelű töltésekkel és jobb R (Right) polarizációval

 Három fermioncsalád létezik, három pár kvark és három pár lepton (1. táblázat). A kvarkok alkotják összetett részecskéinket, az atommagok protonjait és neutronjait az első család u és d kvarkja. A leptonpárok a negatív töltésű elektron, müon és tau-lepton semleges neutrínóikkal. A kölcsönhatásokat az elmélet szimmetriákból vezeti le [2, 3]; a kölcsönhatásokat bozonok közvetítik: az elektromágneses kölcsönhatást a g-foton, az atommagot összetartó erős kölcsönhatást nyolc gluon, a részecskebomlásokért felelős gyenge kölcsönhatást pedig a három gyenge bozon (W+, Wés Z). Az erős kölcsönhatásban részt vevő részecskéket hadronoknak hívjuk. Az erős kölcsönhatásban a leptonok nem vesznek részt. Az elemi részecskék tömegét az elmélet szimmetriasértéssel (Higgs-mechanizmus) [3] származtatja, és ez a Higgs-bozont is létrehozza. Az utóbbi kivételével valamennyi részecskét sikerült kísérletileg azonosítani és tulajdonságaikat tanulmányozni. Az LHC gyorsító egyik fő célja a Higgs-részecske felfedezése és tanulmányozása.

Nagyenergiájú részecskegyorsítók

A Standard Modell valóságos diadalmenetet járt be az elmúlt 30 évben. Ezt elsősorban néhány elektron-pozitron ütköztetőnek köszönhetjük, utoljára a CERN-beli LEP és a stanfordi SLC gyorsítónak, de sok új ismeretet hozott a Fermilab Tevatronja, amely protont antiprotonnal, és a hamburgi DESY központ HERA gyorsítója, amely elektront és pozitront protonnal ütköztetett. A részecskefizikai kísérletek több ezer adata igen jól, statisztikus szóráson belül illeszthető a Standard Modell 19 paraméterével (a neutrínók tömegét ilyenkor el szoktuk hanyagolni, annyira kicsik). A modell valamennyi elemi részecskéjét, a leptonokat, a kvarkokat és a kölcsönhatásokat közvetítő bozonokat sikerült kísérletileg megfigyelni és azonosítani. A Higgs-bozon az egyetlen, még nem megfigyelt alkotóelem, de az is egészen jól behatárolt: a Standard Modell legújabb illesztése [5] szerint a tömege nagy valószínűséggel 114 és 160 GeV között van.  

Az elektron-pozitron ütköztetők precíz mérésekre szolgálnak, hiszen jól meghatározott energián ütköztetnek pontszerű leptonokat, míg a protonütköztetőknek óriási a felfedezési potenciálja. A protonban úszó alkatrészek – a kvarkok és a kölcsönhatásukat közvetítő gluonok – sokféle energiával ütközhetnek, ezért rengeteg információt adnak az elérhető energiatartományban lehetséges folyamatokról. A gyenge kölcsönhatást közvetítő W± és Z0 bozont a CERN proton-antiproton ütköztetőjénél fedezték fel 1983-ban, és tulajdonságaikat utána elektron-pozitron ütköztetőknél tanulmányozták. A CERN nagy hadronütköztetője hamarosan protonokat fog ütköztetni 7+7 TeV energián. Komoly reményeket fűzünk a Higgs-bozon és (az időnként új fizika néven emlegetett) más, elméletileg megjósolt, de eddig meg nem figyelt, Higgs-bozonnal kapcsolatos jelenségek felfedezéséhez.  
Habár erről több cikkben is írtam már [2, 4], a továbbiak jobb megértéséhez célszerű felidéznünk a CERN előző és mostani gyorsítórendszerét (1. és 2. ábra). 
  

1. ábra. A CERN gyorsítókomplexuma 2001 előtt. A protonszinkrotron (PS) az EPA (elektron-pozitron akkumulátor) tárológyűrűből kapott elektront és pozitront gyorsított az SPS szuper-protonszinkrotronon át a nagy elektron-pozitron ütköztető (LEP) számára, amikor abban elfogytak a részecskék, azaz néhány óránként. A PSB protonbooster szinkrotron a LINAC2 és LINAC3 lineáris gyorsítókból kapott protonokat és nehéz ionokat gyorsította a PS számára, amely azokat továbbította az SPS-nek, azaz a kísérleteknek. A PS továbbá protont gyorsított az antiproton-akkumulátor és -kollektor (AAC) antiprotonforrása számára. Amikor az alacsonyenergiás antiprotongyűrű (LEAR) kifogyott az antiprotonokból, az AAC elküldött egy adagot a tárolt antiprotonokból a PS-nek, az lelassította és átküldte őket a LEAR-be, ahol azokat több lassítási és hűtési periódus után a kísérletekhez juttatták. A PB minden második protoncsomagját az ISOLDE atomnyalábjai használták, főként magspektroszkópiai mérésekre. Magyar csoport két LEP-, egy SPS- és két LEAR-kísérletnél működött

 
2. ábra. A CERN gyorsítókomplexuma 2008 után. A protonokat vagy az elektronjaiktól teljesen megfosztott ólomionokat lineáris gyorsítók (LINAC1 és LINAC2) küldik egy kisebb gyorsítógyűrű (PSB) közvetítésével a protonszinkrotronba (PS), amely azokat tovább gyorsítja a szuper-protonszinkrotron (SPS) és a nagy hadronütköztető (LHC), illetve a protonokat az antiprotonlassító (AD) antiprotonforrása számára. Az SPS saját kísérletein és az LHC táplálásán kívül neutrínónyalábot (CNGS) indít a földkérgen keresztül az Olaszország közepén, a CERN-től 720 km-re található Gran Sasso föld alatti neutrínólaboratórium felé. Jelenleg az LHC-kísérleteknél három, az SPS-nél és az AD-nál egy-egy magyar kutatócsoport dolgozik


Miért építünk egyre nagyobb gyorsítókat?

Miért van szükségünk egyre nagyobb gyorsítókra (és egyáltalán részecskefizikusokra :-)), ha egyszer a Standard Modell olyan csodálatosan leírja a természetet? Amint a Standard Modellről szóló cikkemben [1] leírtam és sokan mások is felfedték, az elméletnek van jó néhány elvi problémája. Nincs meg a Higgs-bozon és sok mindent nem értünk. Nem tudni, miért van éppen három fermioncsalád, mi alkotja a Világegyetem sötét anyagát, hova lett az ősrobbanás után az antianyag és mitől van a gyenge kölcsönhatás bal-jobb aszimmetriája [3]. Rendkívül zavaró az úgynevezett hierarchiaprobléma: a Higgs-bozon tömegének 100 GeV nagyságrendű értékét természetellenesen nagy, 14–15 nagyságrenddel nagyobb értékek különbségeként kapjuk meg.  A fenti problémákra nagyon ígéretes megoldást kínál a szuperszimmetria elmélete [7], és sok más alternatív elméletet is felállítottak, de az általuk megjósolt új részecskéket, jelenségeket nem látjuk. Az angolul SUSY-nak becézett szuperszimmetria elmélete feltételezi, hogy a Standard Modell valamennyi részecskéjének létezik azonos tulajdonságokkal rendelkező, de ellenkező szimmetriájú partnere: a fermionoknak bozonok, a bozonoknak fermionok a partnerei. Ilyen részecskéket eddig még nem sikerült megfigyelnünk, tehát a szuperszimmetria nyilvánvalóan sérül: ha SUSY-részecskék egyáltalán léteznek, sokkal nagyobb a tömegük, mint közönséges (Standard Modell-beli) partnereiknek.  Igencsak reménykedünk benne, hogy az LHC-nál sikerül a Higgs-bozont vagy -bozonokat, szuperszimmetrikus részecskéket vagy egyáltalán, valamilyen új jelenséget felfedeznünk. 

A nagyenergiájú mikrofizika egyik legkomolyabb hajtóereje a legnagyobb méretek fizikájához, az asztrofizikához kapcsolható. A kozmológia jelenlegi állása szerint a történelem (és Szent Ágostonnal [7] összhangban a tér és az idő is) az ősrobbanással kezdődött, 13,7 milliárd évvel ezelőtt. A fizikusok szeretnék, amennyire lehet, megközelíteni az Univerzum ősrobbanást közvetlenül követő állapotát. A legnagyobb távcsövek, mint a chilei Európai Déli Obszervatórium Very Large Telescope-ja, 10 milliárd fényév távolságra levő csillagrendszereket is látnak, tehát mintegy 4 milliárd évre megközelítik az ősrobbanást. A Világegyetemet betöltő mikrohullámú kozmikus háttérsugárzás tanulmányozása már néhányszázezer évre megközelíti, amikor az Univerzum átlátszó lett a fotonok számára. Nagyenergiájú részecskék ütköztetésével rekonstruálható az ősrobbanást milliomod másodperccel követő állapot, mielőtt az atomok kialakultak volna. A CERN nagy hadronütköztetője, az LHC ebben az értelemben valóban időgép, de ellentétben szenzációhajhász újságírók cikkeivel, azt (sajnos?) nem teszi lehetővé, hogy ükanyánkkal találkozzunk.

Luminozitás

A nagyenergiájú fizika lényegében kizárólag energiát és hatáskeresztmetszetet mér, az utóbbival lehet ugyanis a legegyszerűbben kifejezni azt, hogy két egymásnak repülő részecske milyen valószínűséggel lép kölcsönhatásba. Történeti okokból a hatáskeresztmetszet egysége a barn, 1 b = 10–28 m2. Ez első ránézésre ugyan kicsinek tűnik, de a neve nem véletlen: már a keresztszülei tudták, hogy nagy lesz, azért nevezték így el (a barn angolul csűrt jelent). A nagyenergiájú fizika jellegzetes folyamatai pikobarn (1 pb = 10–12 b) körüli hatáskeresztmetszettel rendelkeznek, bár mostanában a ritka folyamatoknál a femtobarn (1 fb = 10–15 barn) is gyakran előfordul. A luminozitás az ütközőnyalábok információszolgáltatását, eseményhozamát jellemző, az álló céltárgyas gyorsítóknál használt fluxushoz (időegység alatt, felületegységen áthaladó részecskék száma) hasonló mennyiség. Definíciója: 

 
ahol f és n az egymással szemben keringő részecskecsomagok frekvenciája és száma a gyűrűben, N1, N2 a részecskék száma egy-egy csomagban és A a nyalábok felületi átfedése az ütközés pillanatában. Mértékegysége m–2s–1, de a hatáskeresztmetszet reciprokában, b–1s–1 egységben is ki szoktuk fejezni.  

A teljes vagy integrális luminozitást a luminozitás idő szerinti felösszegzésével, integrálásával kapjuk a gyorsító működésének idejére. A LEP, például, működése utolsó évében, 2000-ben, mintegy L = 220 pb–1 integrális luminozitású elektron-pozitron ütközést produkált 200 GeV körüli ütközési energiával. Ebből könnyű megmondani, mennyi eseményt várunk egy ismert hatás-keresztmetszetű reakcióból: ha például a vizsgált hatáskeresztmetszet 2 pb, az észlelési hatásfokunk pedig 50%, akkor L = 100 pb–1 luminozitásnál 2 • 0,5 • 100 = 100 esemény észlelését várhatjuk.

LHC, a nagy hadronütköztető

A CERN-ről és kísérleteiről a Természet Világa Mikrovilág különszámában (2000) és a Fizikai Szemlének a CERN fennállásának 50. évfordulójának szentelt 2003/10 számában több magyar nyelvű cikk is olvasható. Sok információt találunk a Wikipédia magyar nyelvű CERN-oldalain is, valamint, természetesen, a CERN honlapján.  

Az LHC tervezése 1984-ben kezdődött, 5 évvel a LEP indulása előtt. Világos volt ugyanis, hogy a szinkrotronsugárzás miatt, amely áldás az anyagtudományban és – kevés kivétellel – átok a részecskefizikában, a LEP, a nagy elektron-pozitron ütköztető lesz a legnagyobb elképzelhető, kör alakú elektrongyorsító. A szinkrotronsugárzási energiaveszteség azonos töltésű részecskék esetén közelítőleg a tömegük negyedik hatványával arányos, tehát, például, hasonló körülmények között az elektron 13 nagyságrenddel több energiát veszít szinkrotronsugárzás következtében, mint a proton.  

Az LHC mindkét elődje, a Tevatron és a LEP egyaránt részecskét antirészecskével ütköztet, illetve ütköztetett, azokat ugyanis közös mágnestérrel lehet körpályán tartani, tehát egyszerűbb a gyorsító felépítése, és ütközéskor tisztább reakciók várhatók, mint azonos részecskék esetében. Az LHC-ban, ezzel szemben, proton protonnal ütközik. Mivel igen ritka folyamatokat akarunk megfigyelni, nagyon fontos a lehető legnagyobb luminozitás elérése, viszont egy antiproton előállításához nagyon sok proton szükséges: amikor az LHC eléri teljes luminozitását, hetente több információt fog szolgáltatni, mint a Tevatron sokéves működése alatt. Az elektronnal ellentétben a proton összetett rendszer, nagyenergiájú protonok ütközésekor a proton alkotórészei (kvarkok és gluonok) lépnek egymással kölcsönhatásba. A Higgs-bozon(ok) képződésének egyik legfontosabb csatornája az, amikor protonok ütközésekor két gluon összeolvad (gluonfúzió); olyankor, természetesen, közömbös, hogy a gluonokat protonok vagy antiprotonok bocsátották-e ki.  

Az LHC-t igencsak ambiciózusan tervezték és építették meg. A Genf mellett, a svájci–francia határon, a Jura-hegység lábánál 50–140 m mélyen fúrt 27 km hosszú alagutat lényegében megtöltötték szupravezető mágnesekkel. A 7 TeV-es protonokat körpályán tartó 1232 szupravezető terelőmágnes (3. ábra) egyenként 15 m hosszú, 35 tonna súlyú és 1,9 K hőmérsékleten 8,3 tesla erősségű mágneses mezőt biztosít. A gyorsítógyűrűben 40 MHz az ütközési gyakoriság, tehát a detektorokban 25 ns-onként találkoznak a nyalábok és mindegyik találkozáskor 10–20 (túlnyomórészt egyszerű rugalmas szóródással járó) proton-proton ütközés várható, amikor az LHC eléri teljes intenzitását. Az összesen 9300 mágnes ellenőrzése, levitele és beillesztése 6 évig tartott és 2008 elején fejeződött be. Utána le kellett hűteni a sok ezer tonnányi mágnest 1,9 K hőmérsékletre, hidegebbre, mint a világűr (annak a kozmikus háttérsugárzás 2,7 K-es hőmérsékletét tulajdonítjuk), ehhez 96 tonna héliumot keringtetnek.

  

3. ábra. Az LHC eltérítőmágnesének keresztmetszete a CERN Mikrokozmosz kiállításán. Az egymással szemben keringő és az észlelőrendszerek középpontjában ütköztetett, 7 TeV energiájú protonnyalábot két szupravezető dipólus mágnes tartja körpályán 8,3 T térrel

  

4. ábra. Az LHC működése. Az SPS-ből két irányban belőtt nyalábokat egy helyen gyorsítják, két helyen tisztítják (azaz leválasztják a defokuszált, illetve eltérő impulzusú részecskéket), és egy ponton (kiöntés) nyeletik el, ha meg kell tőlük szabadulni

Az LHC működését a 2. és a 4. ábra illusztrálja. A protonok forrása egy kis palack hidrogéngáz, a hidrogénmolekulákat elektromos tér szakítja szét és fosztja meg az elektronoktól. A protonokat több fokozatban gyorsítják, amíg az LHC-be érnek, egy-egy gyorsító 1-2 nagyságrendet tud növelni az energián. Az ionforrást követő lineáris gyorsító 50 MeV-es protonokkal táplálja a protonbooster szinkrotront (PSB), az 2 GeV-es részecskéket ad át a protonszinkrotronnak (PS), amely azután 27 GeV-esen adja tovább őket a szuper-protonszinkrotronnak (SPS). A 6,9 km kerületű SPS-gyűrű két irányból 450 GeV-es protonokat (illetve a nehézionos működéskor teljesen ionizált Pb-ionokat (160 GeV/nukleon) lő be az LHC-ba.  

A részecskecsomagok 7,48 m távolságban követik egymást a 26,7 km hosszú LHC-gyűrűben. Azokat a gyűrű egy szakaszán gyorsítják és két helyén tisztítják, azaz leválasztják a csomagokon belül kószáló (a többitől eltérő pályájú vagy impulzusú) részecskéket. Amikor eléri tervezett üzemmódját, az LHC nyalábenergiája 7 TeV lesz protonokkal és 7 • 82 = 574 TeV-es ólomionokkal. Egy-egy töltéssel az LHC órákig fog működni. Amikor meg kell szabadulni a nyaláboktól, mert már annyira lecsökkent a nyalábintenzitás, hogy új töltésre van szükség, vagy valami rendellenesség lép fel, a nyalábok a kiöntés (beam dump) ponton távoznak. Az ATLAS és a CMS nagy luminozitásra készült, az ALICE és az LHCb nem. A nyalábok átmérője általában századmilliméter körüli, és azt az ütközési pontokban tovább fókuszálják a kísérletek luminozitási szükségletének megfelelően.

ILC: a következő nagy részecskegyorsító

Ugyanaz a sokszínűség, amely a hadronütköztetőt jellemzi, jelenti annak hátrányait, korlátait is. A két hadron egy-egy alkatrésze érdekes reakciót ad, a többi pedig elsüvít egymás mellett vagy szóródik, telehintve az észlelőrendszert sugárzással. Az LHC-nek ráadásul akkora a luminozitása, hogy az esetleg elcsípett, érdekes reakció mellett 15–20 más proton-proton ütközés is várható, óriási háttérsugárzást adva. Ahhoz, hogy kiválasszunk egy-egy fizikailag érdekes reakciót, általában leptonokat, elektront vagy müont kell a kimenő részecskék között találnunk, hiszen azokat a proton eleve nem tartalmazza.  

Igazán tiszta folyamatok leptonok ütköztetésénél várhatók, ahol szerkezet és összetevők nélküli, pontszerű részecskék ütköznek. Ott viszont az ütközés energiája meghatározott, a leptonütköztetők tehát inkább már felfedezett és nagyjából ismert jelenségek pontos tanulmányozására alkalmasak. Miután a gyenge bozonokat felfedezték a hadronok ütközésében, a LEP (Large Electron Positron Collider) és SLC (Stanford Linear Collider) elektron-pozitron ütközésekben mérte meg a Z és W bozon pontos tömegét és bomlási módusait, így ellenőrizve a Standard Modell előrejelzéseit.  

Az LHC-nál várható felfedezéseket tehát célszerű egy jövőbeni elektron-pozitron ütköztetőn ellenőrizni, illetve pontosan tanulmányozni. Az, hogy konkrétan milyen energiájú legyen az új gyorsító, attól függ, mit figyelünk meg az LHC-nál. A tervezés tehát szerves együttműködést (divatos kifejezéssel szinergiát) feltételez az LHC munkájával. Ha, például, az LHC-nál sikerül megfigyelnünk a várva várt Higgs-bozont vagy valamilyen új részecskét, az új gyorsítót a felfedezett részecske tömegének megfelelő energiára kell hangolnunk, és ott tanulmányoznunk a tulajdonságait. Azt viszont láttuk, hogy a szinkrotronsugárzás nem teszi lehetővé a LEP-nél nagyobb energiájú elektron-pozitron tárológyűrű működtetését, az új ütköztetőnek tehát két, egymással szembeállított lineáris gyorsítóból kell állnia.  

Az LHC tervezése 1984-ben kezdődött, 5 évvel a LEP indulása előtt. A szibériai Budker-intézetben már 1971-ben gondolkodtak egy lineáris elektron-pozitron ütköztető tervein és a tsukubai (Japán) KEK intézet a nyolcvanas évektől dolgozott rajta. Komoly fejlesztő-tervező munka a kilencvenes években kezdődött az amerikai Stanfordi Lineáris Gyorsító Laboratóriumban (SLAC), a japán KEK-ben és a hamburgi DESY-ben. A SLAC terve a Next Linear Collider (NLC), „Következő lineáris ütköztető” nevet kapta, a KEK tervét Japan Linear Collidernek (JLC) nevezték el, a hamburgit pedig TESLA-nak (Tera-eV Energy Superconductive Linear Accelerator). Nevének megfelelően a TESLA szupravezető gyorsítóüregeken, a másik kettő szobahőmérsékletű technikán alapult. 

A JLC-terv réz gyorsítórezonátorai terheletlenül 70 MV/m, terhelten 50 MV/m gyorsítást feltételeztek, az ECM = 0,5–1,25 TeV-es teljes ütközési energiát a szemben futó nyalábok közötti 7 mrad ütközési szög alatt szándékozta létrehozni az egyetlen detektor belsejében. A projekthez később koreai és kínai intézmények is csatlakoztak, akkor átnevezték GLC-nek, Global Linear Collidernek. Az NLC terve meglehetősen hasonló volt: 70/50 MV/m gyorsítógradienssel, 500 GeV és 1 TeV közötti ütközési energiát produkált volna 20 mrad ütközési szög alatt. A fenti két projekt extrapolációval feltételezte, hogy az igen gyorsan fejlődő gyorsítótechnika hamar eljut majd arra a szintre, amelyet ezek megkívánnak, hiszen addig szobahőmérsékleten még senkinek sem sikerült tartósan ilyen gyorsítógradienseket biztosítani. Csak összehasonlításul: a debreceni ciklotron rengetegszer körbeküldi a protonokat szoba nagyságú ciklotrongyűrűjében, amíg azok elérik a 26 MeV energiát.  

A GLC és az NLC 2002-ben egyesült, de a nemzetközi közösség végül a hamburgi TESLA szupravezető technológiáját fogadta el az ILC (International Linear Collider, Nemzetközi Lineáris Ütköztető) alapjának. Az szupravezető technikával, 23 MV/m gyorsítógradiens mellett, 500 GeV és 1 TeV közötti elektron-pozitron ütközési energiát produkált volna 20 mrad ütközési szög alatt. A TESLA terv mellett szólt, hogy a tervek ellenőrzésére megépült prototípus (TTF, Tesla Test Facility) ma már FLASH (Free-electron LASer in Hamburg) néven felhasználói szinkrotonsugár-forrás. A TESLA-tervet ugyan nem hagyta jóvá Németország, viszont jóváhagyta annak kisöccsét, az XFEL-t (X-ray Free Electron Laser), amelyet a TESLA berendezés egyik ágának negyedénél tervezték kicsatolni.

Mint minden emberi tevékenységben, a részecskefizikában is előfordul tévedés. Néhány éve nagy publicitás kísérte Tevatron-fizikusok bejelentését, amelyben arról tudósítottak, hogy látnak Higgs-bozont 160 GeV körüli energiánál. Miután figyelmesen megvizsgálták, éppen azt a tartományt sikerült kizárni a lehetséges Higgs-tömegek közül. A LEP-nél az ALEPH-kísérlet 133 GeV-es energiánál furcsa eseményeket látott, amelyek a másik három kísérletben nem jelentek meg, később meg már az ALEPH adataiban sem. Ugyancsak az ALEPH észlelt nagyon erős Higgs-jelet 115 GeV körül a LEP utolsó évében, és a másik három kísérlet ott semmit nem látott. Az ALEPH-jel sokkal nagyobb volt, mint amit a Standard Modell alapján várni lehetett, és csak a négy LEP-kísérlet adatainak összegzése süllyesztette a szignifikanciaszint alá. Óriási izgalmat váltott ki az orosz elméleti fizikusok által megjósolt és a japán Spring8 gyorsítónál megfigyelt pentakvark: 4 kvark és egy antikvark kötött állapota. Ezt a megfigyelést régi adatok elemzésével többen azonnal meg is erősítették, és csak az újabb, pontos mérések mutatták meg, hogy valószínűleg mégsem létezik. A Los Alamos gyorsítójánál működő LSND (Liquid Scintillator Neutrino Detector, Folyadékszcintillátoros neutrínódetektor) kísérlet eredményét csak a Standard Modell fizikáján túlmutató módon lehet értelmezni; habár a részecskefizikus közösség kételkedik az eredmény érvényességében, eddig még azt sem bizonyítani, sem cáfolni nem sikerült.  

A felfedezések megerősítéséhez tehát igen fontos, hogy egymással versengő, egymást ellenőrző kísérletek működjenek a gyorsítóknál.  

  5. ábra. A Nemzetközi Lineáris Ütköztető (ILC) 2007-ben elfogadott terve. A pozitronokat 150 GeV-es elektronnyaláb készíti, amelyet az elektron-linacból csatolnak ki. Az elektronokat és pozitronokat gyorsítás előtt csillapítógyűrűkben tárolják, ahol monokromatikus, egészen kicsire zsugorított nyalábcsomagokat formálnak belőlük

Az ILC 2007-ben jóváhagyott sémája az 5. ábrán látható. Az ütközési pontban ki-be tolva, felváltva működne két detektor; az éppen nem használtat kihúzzák és sugárveszély ellen árnyékolják, hogy lehessen fejleszteni, amíg a másikon mérnek. Az egész berendezés mintegy 31 km hosszú és 4,8 milliárd USA-dollárba kerülne; ez hozzávetőleges egyezik az LHC bekerülési költségével, amely 6,3 milliárd svájci frank volt. A szinkrotronsugárzás nem teszi lehetővé a nyaláb éles fokuszálását: az ütközési pont előtti végső fókusztávolság mintegy 1,5 km lesz, függőlegesen 5,7 nm-re, vízszintesen 640 nm-re akarják a nyalábokat fokuszálni a megfelelő luminozitás eléréséhez, nagyságrendekkel kisebbre, mint az LHC esetében.

 Az ILC egyelőre csak terv [8], mert a költségek fedezte még nem biztosított. Három helyszín is szóba jött a megépítésére: a CERN, a Fermilab és egy japán hegyláb. Sokáig úgy nézett ki, hogy Amerika vállalja a megépítését, de közbejött a világválság, és a tervet elnapolták.

Irodalom 
[1] Horváth Dezső: A részecskefizika anyagelmélete: a Standard Modell, Fizikai Szemle, 2008/8, 246–254. 
[2] Horváth Dezső: Szimmetriák és részecskék. In: Szemelvények a nukleáris tudomány történetéből (szerk. Vértes Attila), Akadémiai Kiadó, Budapest, 2009, 285–328. 
[3] Trócsányi Zoltán: Az eltűnt szimmetria nyomában – a 2008-as Nobel-díj, Fizikai Szemle, 2008/12, 417–424. 
[4] Horváth Dezső: 50 éves a CERN, Magyar Tudomány, 2005/6, 724–738. 
[5] A LEP Elektrogyenge munkacsoportjának honlapja: cern.ch/lepwwwg 
[6] Szent Ágoston vallomásai (Vass József fordítása), XI. és XII. könyv, Magyar Elektronikus Könyvtár, mek.oszk.hu/04100/04187/04187.htm 
[7] Horváth Dezső: Szuperszimmetrikus részecskék keresése a CERN-ben, Magyar Tudomány, 2006/5, 550–554. 
[8] International Linear Collider, Reference Design Report 2007 (www.linearcollider.org)  


Második rész: Az LHC indulása


25 év tervezés és 10 év építés után 2009 novemberében elindult a világ jelenlegi legnagyobb részecskegyorsítója, a CERN Nagy Hadronütköztetője (Large Hadron Collider, LHC). A cikksorozat második részében bemutatjuk az LHC észlelőrendszereit, indulásának történetét és az első eredményeket.

Az LHC indulása
2008. szeptember 10. volt a nagy nap, amikor óriási felhajtás közepette először vitték körbe a protonokat – egyelőre gyorsítás nélkül, az SPS 450 GeV-es energiáján – az LHC gyűrűjében. Elvben az egész világ egyenes adásban láthatta az LHC indulását a világhálón keresztül, de a hálózat annyira túl volt terhelve, hogy mi itthon csak Simon Tamás origós szerkesztő mobiltelefonon leadott helyszíni tudósításából értesültünk a fejleményekről. Budapesten az RMKI, Debrecenben az egyetem Kísérleti Fizikai Intézete aznap este előadóülést szervezett, ahol komoly érdeklődés mellett mondtuk el, mi történik és mi nem. Az utóbbi óvatlan kollégáink elejtett megjegyzései alapján keltett rémhír volt arról, hogy az LHC nagy energiájú ütközéseinél olyan fekete lyukak keletkezhetnek, amelyek aztán elnyelik a Naprendszert, de legalábbis a Földet. Az elméleti modellek szerint esetleg létrejövő és keletkezésük pillanatában azonnal elbomló, mikroszkopikus fekete lyukak csak névrokonai a csillagászati, sokszoros Nap-tömeggel rendelkező fekete lyukaknak. Minden lehető alkalommal elmondjuk, hogy a Holdat évmilliárdok óta bombázzák az LHC-nál sok nagyságrenddel nagyobb energiájú kozmikus sugarak és még megvagyunk, úgyhogy a világvége nem valószínű.

A nagy napon készült az LHC vezérlőtermében az 1. ábra fényképe. A figyelmes olvasó észreveheti, hogy a jelen levő több száz ember közül ketten vagy hárman dolgoznak, a többi tanácsokat ad, nézi vagy szurkol. Mindenesetre az a nap óriási siker volt, délutánig mindkét irányban körbekergették a protonokat, sőt még a gyorsítás rádiófrekvenciáját is sikerült jól beállítani, úgyhogy a részecskecsomagok sok ezerszer körbementek.

1. ábra. Az LHC vezérlőterme az LHC indulásakor, 
2008. szeptember 10-én

A következő lépés a mágnesek áramának fokozatos felvitele volt az első évre tervezett 5 + 5 TeV energiához szükséges 9000 A-re. Ezt szektoronként csinálták, az LHC gyűrűje ugyanis 8 szektorra van bontva, a 8 lejáratnak megfelelően (közülük négyben van részecskeütközés és észlelőrendszer). A nyolc szektorból hétnek sikerült az áramát felhozni, de szeptember 19-én elengedett egy hibás illesztés két szupravezető mágnes között. Az illesztés ellenállása az eredeti néhány nanoohmról makroszkopikusra nőtt, a keletkező feszültség ívet húzott és kilyukasztotta a hűtővezetéket. A hűtésre szolgáló szuperfolyékony héliumból hat tonna robbanásszerűen kifújt, rakétahatással kilökve helyéről összehegesztett szomszédaival együtt az érintett soktonnás, lebetonozott mágnest úgy, hogy az az alagút faláról pattant vissza.

El kell mondanom, hogy mi, LHC-ban érdekelt fizikusok is felelősek vagyunk bizonyos mértékig a balesetért. Még 2007-ben megkérdezte ugyanis a CERN vezetése a kísérletezőket, milyen felfedezések várhatók, ha először csak a 14 TeV-es végső energia felénél működtetik a gyorsítót, alacsony luminozitás mellett. A szuperszimmetrikus jelenségek és a Higgs-bozon keresésére készülő csoportok válasza a szimulációk alapján az volt, hogy semmilyenek: ahhoz legalább 10 TeV-re lenne szükség. Ennek megfelelően a mágnesek áramát megpróbálták azonnal az 5 TeV-es energiának megfelelő értékre növelni, és bekövetkezett a baleset.

A katasztrófa több mint egy évvel késleltette az LHC igazi indulását.  Eleve hetekig tartott, amíg sikerült az érintett szektort annyira felmelegíteni, hogy meg lehessen nyitni. Utána ki kellett szabadítani és a felszínre hozni 39 terelőmágnest és 14 kisebb mágneseket tartalmazó egységet. Szerencsére a tartalékokból sikerült pótolni őket, és a felhozott mágnesek nagy részét ki lehet javítani, hogy később tartalékul szolgáljanak.  

Ellenőrizték a szupravezető mágnesek közötti 23 000 nagy áramú ohmos kapcsolatot és kijavították a gyanúsan viselkedőket. Gondoskodni kellett arról, hogy hasonló baleset többé ne fordulhasson elő, ezért az átütések megakadályozására beépítettek sok ezer védőellenállást a mágnesek közé, a hűtőrendszerbe pedig vészszelepeket. Az esetleges felmelegedés ellenőrzésére olyan műszereket is telepítettek, amelyek a rendszer különböző pontjainak hőmérsékletét hasonlítják össze, ez ugyanis sokkal érzékenyebb, mint a hőmérséklet közvetlen mérése. Mindehhez sok száz kilométernyi kábelt kellett lefektetni az addigiakon kívül. Végül meg kellett tisztítani több száz méternyi nyalábvezetéket, hiszen ahhoz, hogy a protoncsomagok órák hosszat keringhessenek, rendkívül tiszta körülményekre van szükség.  Ehhez nem elég kimosni a csöveket, azokat a hevítés melletti szivattyúzással a belső felületen megkötött gázoktól is mentesíteni kell.

Ez a munka befejeződött, az LHC-t 2009 novemberében újraindították. Kezdetben gyorsítás nélkül, a 450 GeV-es belövési energián ütköztették a protonokat, majd a részecskecsomagokat két lépésben sikerült 560 GeV-re, majd 1,18 TeV-re gyorsítani és ütköztetni a detektorok középpontjában. Habár ez még igen messze volt a kitűzött 7 + 7 TeV-től, az így elért 2,36 TeV-es ütközési energiával az LHC lett a világ legnagyobb energiájú gyorsítója, túlszárnyalva a Tevatront. Kezdetben csak 1-1 részecskecsomagot ütköztettek, majd a számukat egészen 16-ig növelték. A végső üzemmódban 2808-2808 részecskecsomag fog egymással szemben keringeni az LHC 26 659 m hosszú nyalábvezetékében, a csaknem 2 m hosszú csomagok tehát mintegy 7 m távolsággal követik egymást; az LHC 2009-es működése utolsó napján, december 16-án, sikerült 4 + 4 részecskecsomagot 7 m távolságra egymáshoz közelítenie.

A karácsonyi leállás után, 2010. március 1-jén indult újra a rendszer, és az energiát fokozatosan növelik: 2010–11-ben 3,5 TeV nyaláb-energián, 7 TeV-es ütközéseket produkál. A 14 TeV-es végső energia és a tervezett teljes ütközési hozam, luminozitás eléréséhez valószínűleg több év kell. 2010 végén a nehézionos programot (ólomionok ütköztetése) is elindítják, egyelőre kis luminozitás mellett. Az LHC kis energiája és luminozitása miatt a nagyobb felfedezések 2011 után várhatók. Távlatilag az LHC luminozitása sokkal nagyobb energia mellett nagyságrendekkel nagyobb lesz a Tevatronénál, az utóbbit tehát le fogják állítani, mihelyt az LHC hozza a paramétereit.

Egy gyorsító leállítása óhatatlanul hullámokat ver az adott gyorsítót használó fizikusok lelkében. A LEP leállítása elleni tiltakozást is sok száz fizikus írta alá (én nem, mert azok közé tartoztam, akik úgy gondolták, nem fog már érdekes új eredményeket hozni a további működtetése, mivel sem az energiáját, sem a luminozitását nem lehetett számottevően növelni). Nyilván ugyanez fog lezajlani a Tevatron leállítása idején is, habár a Fermilab fizikusai szinte egy emberként csatlakoztak az LHC kísérleteihez, és a Fermilab építette meg a CMS-kísérlet amerikai adattároló központját.

Észlelőrendszerek: a CMS-detektor

Az LHC eddig soha nem látott energiájú, 7 TeV-es protonnyalábokat fog egymással ütköztetni.  A protoncsomagok 40 MHz frekvenciával fognak egymással találkozni a detektorok középpontjában, és az LHC nagy luminozitású üzemmódjában csomagonként 15–25 proton-proton ütközés várható. Ez másodpercenként milliárdnyi protonütközést jelent, de tudományosan érdekes esemény persze ritkán keletkezik majd; egy Higgs-bozon várható megfigyeléséhez például 1013 eseményt kell észlelnünk. Mivel egy esemény adatainak megfelelő tárolásához 1 MB körüli tárhely kell, ez teljesen lehetetlennek tűnik megfelelő, igen gyors előzetes eseményválogatás nélkül: a másodpercenkénti 40 millió protonütközési eseményből mintegy 100-at tudunk majd tárolni, azt pedig jól kell kiválasztanunk, hogy el ne szalasszuk az érdekeseket. Az LHC detektorai így is mintegy 10–15 petabyte 
(1 PB = 1015 byte) mért adatot fognak évente eltárolni, amelyhez hozzájön még mintegy ugyanannyi szimuláció.

Megfelelő szimuláció nélkül ugyanis ma már nincs részecskefizikai kísérlet. Új, addig még meg nem figyelt jelenségeket csak úgy észlelhetünk, ha a már ismerteket jól le tudjuk írni és a különbségre koncentrálunk. A szimuláció első lépése tehát a Standard Modell összes szóba jövő folyamatának utánzása Monte Carlo-módszerrel. Eszerint például a proton-proton ütközésben keletkezhet egy kvarkpár és az a hadronizáció folyamán két hadronzáporrá alakul, amely tartalmaz több tucat részecskét. Monte Carlo-módszerrel, azaz véletlen számok segítségével, de az ismert fizikai folyamatok figyelembevételével, lejátszunk egymillió ilyen eseményt, és átengedjük a detektor szimulációján. Ez utóbbi a detektorrendszer anyagaival való kölcsönhatást igyekszik reprodukálni: a vasban például az átfutó részecskék energiaveszteségét és esetleges pályamódosulását, az érzékeny detektor-elemekben jelek képződését. Az eredmény nagyon hasonló a kísérleti eseményekhez; ha mégsem az, akkor javítani kell az eljáráson. Adott jel (például a Higgs-részecske) kereséséhez az új jelenséget is hasonlóképpen szimulálnunk kell. Mivel példánkban a Higgs-részecske tömege nem ismeretes, a szimulációt el kell végeznünk különböző lehetséges tömegekre. A következő lépés az eseményválogatás optimalizálása: legyen maximális a jel és minimális az egyéb folyamatok részaránya. Ezt kizárólag a szimuláción szabad végezni, és a mért adathoz csak akkor nyúlni, amikor az eseményválogatást már rögzítettük, nehogy esetleges véletlen oszcilláció az adatban az elemzést rossz irányban befolyásolja. Új részecske keresésekor az analízist a részecske valamennyi lehetséges tömegére el kell végeznünk: ezt, természetesen, lépésenként csináljuk.

Az LHC hat kísérletéből háromban működik magyar csoport, a legnagyobb, több mint 30 fizikus, a CMS-ben (Compact Muon Solenoid), mintegy feleakkora az ALICE-ban (A Large Ion Collider Experiment) és egy kisebb csoport a TOTEM-ben. Az ATLAS- (A Large Toroidal Lhc ApparatuS) kísérletben is számos magyar kutató dolgozik különböző külföldi (francia, német és amerikai) intézmények színeiben.  CMS-csoportunk tevékenységét számos más intézmény és nemzetközi mobilitási pályázat mellett főleg NKTH-OTKA pályázatok támogatják.

2. ábra. A CMS-detektor felépítése. A legbelső rész félvezető lapjai a töltött részecskék mágneses térben elhajló pályáját rögzíti, a PbWO4-kristályokból álló elektromágneses kaloriméter az elektronok és fotonok energiáját dolgozza fel, a rézlemezekből és szcintillátorlapokból álló hadronkaloriméter a pionokét és nukleonokét. Ezek a világ legnagyobb szupravezető mágnesében vannak, amelynek belső átmérője 6 m, hossza 11 m, tere 4 tesla. Az egészet a mágnes vasa veszi körül, a vasrétegek között a gyors müonok észlelését szolgáló detektorokkal

A többi nagyenergiás észlelőrendszerhez hasonlóan a CMS-detektor is henger alakú: a protonok a középpontjában ütköznek és a szétszóródó részecskéket hagymaszerűen egymásra épített detektorrészek észlelik (2. ábra). Az észlelőrendszerek mágneses tér segítségével azonosítják a töltött részecskéket. Az ütközési pont közelében általában könnyű anyagból készült észlelőelemek azonosítják a töltött részecskék meghajlított pályáját a mágneses térben. Utána a kaloriméterek jönnek; a nevüket onnan kapták, hogy igyekeznek teljesen elnyelni a különböző részecskék energiáját, hogy azt a lehető legpontosabban megmérhessük. A legkönnyebb az elektronokat és a fotonokat elnyelni, a legnehezebb a müonokat, az elektronhoz hasonló, de annál kétszázszor nehezebb részecskéket. A CMS-detektor, amely kétszer annyi vasat tartalmaz, mint a párizsi Eiffel-torony, 12 500 tonnás, 100 megapixel felbontású digitális fényképezőgépnek tekinthető, másodpercenként 40 millió képet készít, amelyből 100-at tárolunk el. A CMS-kísérletben 35 ország 3000 kutatója érdekelt.

3. ábra. Magyar diákok a CMS hadronkaloriméterét készítik

4. ábra. Debreceni fizikusok egy CMS-müonkamra
helyzetmeghatározó rendszerét szerelik

A CMS építésében magyar részről a budapesti KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet, a debreceni ATOMKI és a Debreceni Egyetem Kísérleti Fizikai Intézete vett részt. Az ütközések után a nyaláb irányából kevéssé kiszóródott részecskék észlelésére szolgáló, kvarc-szálakkal töltött 2,3 tonnás acélhasábokból álló hadronkalorimétert budapesti fizikusok és technikusok állították össze (3. ábra) részben Budapesten, részben a CERN-ben. A müonok észlelésére szolgáló sokszálas gázkamrák helyzetmeghatározó rendszerét debreceni fizikusok dolgozták ki és építették be a CERN-ben (4. ábra), és azóta is ők üzemeltetik. Az utóbbi feladat bonyolultságát mutatja, hogy a 250, egyenként 6 m hosszú kamra sok ezer szálának helyzetét századmilliméteres pontossággal kell ismernünk a müonok pályájának feltérképezéséhez, miközben a hőmérsékletváltozás és a mágneses mező bekapcsolása a kamrákat a megkövetelt pontosságnál sokkal nagyobb mértékben deformálja. Végül budapesti és debreceni fizikusok bekapcsolódtak a CMS szívében működő pixeldetektor építésébe és ma is részt vesznek az üzemeltetésében.

Az LHC adatkezelése

Ahogy korábban írtam, az LHC detektorai 10–15 petabyte mért adatot fognak évente rögzíteni, amelyhez hozzájön még mintegy ugyanannyi szimuláció. Ezt az adatmennyiséget a 250 társult intézményben fogják feldolgozni, valemennyi kontinensen. Az adatok kezelésére a CERN létrehozta az WLCG (Worldwide LHC Computing Grid), az LHC világméretű számítógépes gridrendszere (5. ábra) hálózatot, amely rétegekből (Tier) áll. A gridrendszerekről részletesen írtam [1]. Természetesen a CERN a központ, a Tier-0, vagy T0. Nem célszerű és nem is biztonságos az adatokat egyetlen helyen tárolni, minden kísérletnek lesz tehát néhány elsődleges adattároló (T1) és sok másodlagos adatfeldolgozó (T2) centruma. A CMS-kísérlet 3 földrész 7 országában, Oxfordban, Barcelonában, Karlsruhéban, Lyonban, Bolognában, a batáviai Fermilabban (USA) és Tajpejben (Tajvan) fogja az adatait tárolni, ezek tehát a CMS T1-centrumai. 

5. ábra. A CMS-kísérlet főbb grid-központjai. Tier-0:
adatgyűjtő hely, azaz a CERN. Tier-1: adattároló helyek.
Tier-2: adatfeldolgozó központok, közöttük a KFKI RMKI
BUDAPEST nevű Tier-2 állomása, amely a bolognai
Tier-1-hez csatlakozik

A jelenleg már százhoz közelítő T2-állomás mindegyike valamelyik T1-hez csatlakozik. A magyar T2 például, az RMKI BUDAPEST-nek keresztelt gridállomása, történeti okokból eredetileg közvetlenül a CERN T0-hoz csatlakozott, de ma már a bolognai T1-hez tartozik. A T1-centrumnak 2,2 PB aktív tárolókapacitással (mágnesszalag és merevlemez) kell rendelkeznie. A T2-k követelménye mintegy 300 CPU és 400 TB tároló, ezt a magyar T2-kapacitás még nem érte el, bár közelíti: 2009 végén már 415 CPU-nk volt ugyan, de még csak 154 TB-nyi tárolónk. Ez a kapacitás a CMS és az ALICE, a két legnagyobb magyar részvételű LHC-kísérlet rendelkezésére áll 3:1 arányban, de a Hungrid virtuális szervezet segítségével lehetőséget nyújtunk arra, hogy gridállomásunkat a teljes magyar kutatási szféra használja.

A kísérlet indulása

Az LHC 2009 novemberében gyorsítás nélkül, a belövési 450 + 450 GeV energián indult, majd az energián egy keveset növelve, 1,18 + 1,18 GeV-en folytatta. Három hét alatt mintegy egymillió ütközést szállított a kísérleteknek, amelyeknek így módjukban állt ellenőrizni működésüket. A négy nagy észlelőrendszer (ALICE, ATLAS, CMS és LHCb) gyakorlatilag készen volt már 2008-ban, a gyorsító eredeti indulási idején, ezért 2008–2009 folyamán a világűrből jövő nagy energiájú kozmikus sugarakat vizsgálták: a rögzített 320 millió, kozmikus sugarak által kiváltott eseményből, ha felfedezés nem is, de számos – főleg a detektor működésére vonatkozó – publikáció született. Ugyanakkor a részegységek működésének megfelelő összehangolásához a részecskeészlelések helye és ideje szerint az éles tesztre volt szükség, a detektorok középpontjában lejátszódó ütközések elemzésére.


6. ábra. CMS-események az LHC 2,36 TeV ütközési energiájánál, különböző nézetekben. A protonok ütközése fent 3 hadronzápor, lent két nagy energiájú müon keletkezéséhez vezet; a müonok a mágneses térben tekeredve kirepülnek az észlelőrendszerből

A 6. ábrán fent 3 hadronzáporos CMS-esemény látható az LHC 2,36 TeV ütközési energiájánál. Az ilyen észlelések a kvarkok és gluonok létezésének legfontosabb kísérleti bizonyítékai. Több tucat részecske egyidejű keletkezése csak kvarkok és gluonok hadronizációjával, három hadronzápor megjelenése viszont a megmaradási törvények miatt csak gluonok kibocsátásával magyarázható. Ugyanezen az ábrán alul viszont kétmüonos esemény látható: a két müon pályáját a mágneses mező megtekeri. 

Az első kérdés mindig az, megfelelően működik-e a detektor. Utána következik annak ellenőrzése, jól visszaadja-e az ismert mennyiségeket, jelenségeket a szimuláció, hiszen új jelenségeket az ismertek szimulációjával történő összehasonlítás segítségével találunk. Ha látunk eltérést, az vagy új fizikai jelenség, vagy hibás szimuláció: először mindig az utóbbira gyanakszunk és ez a legtöbb esetben be is igazolódik (baj csak akkor van, ha ezt nem saját magunk tisztázzuk).  Ha jó a szimuláció, és tényleg valami újat látunk, az a kérdés, mi okozza: milyen új jelenség, melyik modell, milyen paraméterekkel.

7. ábra. A Standard Modell Higgs-bozonjának lehetséges
bomlási csatornái: bomlási valószínűség a bozon tömegének függvényében, logaritmikus léptékben. A modell 100 és 170 GeV közötti tömeget jósol, a 114 GeV alatti tartományt a LEP-kísérletek, a 160 GeV körülieket pedig

a Tevatron-kísérletek kizárják, az LHC-nál tehát a legbonyolultabb, 130 GeV körüli tartományban kell a Higgs-bozont keresnünk

Mivel minden eddigi kísérlet az sugallja, hogy a Higgs-bozon tömege 114 és 160 GeV között van, kimutatása az LHC-nál sokáig eltarthat. Nehezebb Higgs-bozont sokkal könnyebb lenne felfedezni, és azt a Tevatron már talán meg is találta volna. 110 GeV-nél könnyebb Higgs-bozon a modellszámítások szerint túlnyomórészt  kvarkpárra bomlik, a 160 GeV fölötti pedig W+W párra, azokat tehát viszonylag könnyű lenne kimutatni. Az érdekes tartományban ellenben nagyon sokféle bomlás lehetséges (7. ábra), ami erősen megnehezíti a részecske azonosítását. Nagy reményeket fűzünk a H -> gg kétfotonos bomláshoz. Annak ugyan olyan kicsi a valószínűsége, hogy a 7. ábrán nem is szerepel, de nagyon tiszta képet ad, és az ilyen nagy energiájú fotonok más folyamatból nemigen keletkeznek. A CMS elektromágneses kaloriméterét, a 80 ezer PbWO4 (ólom-volframát) kristályból álló hordót erre a folyamatra tervezték.

Az LHC első eredményei

Valamennyi kísérlet előkészített analíziseket a legelső adatok értelmezésére. Ez természetesen csak a hadronzáporok elemzése lehetett, hiszen bármi más sokkal több eseményszámot igényelt volna. Ebben a versenyben az ALICE-együttműködés volt a legeredményesebb: már az első néhány, 900 GeV-es ütközés adatait beillesztették egy korábban előkészített közleménybe [3]. Az ATLAS- és CMS-kísérlet inkább kivárt és megvizsgálta a mérhető paraméterek energiafüggését a három elért LHC-energián. Erről a CMS-nek az LHC 2009-as leállása utáni hetekben sikerült publikációt készítenie, és azt a folyóirat azonnal el is fogadta, az első nagy energiás LHC-cikk tehát a CMS-é [4]. A munkában három magyar fizikusnak, Siklér Ferencnek, Veres Gábornak és Krajczár Krisztiánnak kulcsszerepe volt, habár a több ezer szerző között nem látszik kitüntetett helyük: a CMS-együttműködésben a publikáció eredményeiről tartott előadás-sorozaton az öt előadásból négyet ők tartottak.

Az LHC legnagyobb eredménye 2009-ben, természetesen, maga a működés: mind a gyorsító, mind az észlelőrendszerek remekül vizsgáztak. A detektorokat olyan jól sikerült kalibrálnunk a kozmikus sugarak segítségével, hogy a különböző paraméterek első mért eloszlásai nagyon jól egyeztek a szimulációk alapján vártakkal. Mint láttuk, ez kulcsfontosságú új jelenségek keresésénél.

A részecskefizika haszna

Jogos kérdés, miért érdemes az adófizetők pénzét ezekre az igen drága kutatásokra fordítani, hogyan, milyen formában térül meg ez a befektetés a társadalom számára. A kísérleti részecskefizika óriási kihívást jelent sokféle technológia számára, és habár a felfedezéseitől nem várunk közvetlen ipari alkalmazást, számos dologgal gazdagította és gazdagítja az emberiséget.

Gyorsítók. A világon jelenleg üzemelő, mintegy 15 000 részecskegyorsítóból kevesebb mint 1%-ot használ a részecskefizika, a többin fele-fele arányban az orvostudomány és az anyagtudomány osztozik. A gyorsítók szerepe mind a diagnosztikában, mind pedig a terápiában igen jelentős, és a modern mikrotechnológia elképzelhetetlen gyorsítók által kezelt félvezető felületek nélkül.

Vizsgálati módszerek. Részecskefizikai eredetű a kémiában és a szilárdtestfizikában egyaránt használatos müonspin-rezonanciás és pozitron-annihilációs spektroszkópia módszere; az utóbbiból fejlődött ki az orvosi diagnosztikában széleskörűen használt pozitronemissziós tomográfia (PET) módszere. George Charpak akkor kapott Nobel-díjat a sokszálas proporcionális számlálóért, amikor azt már társadalmi szinten használták, például kamionok röntgenes átvilágítására.

Nyitott tudományos publikációk. A részecskefizika alapította az első tisztán elektronikus publikációs adatbázist elektronikus preprintekkel és vezette be az első elektronikus folyóiratot, az előfizetés nélkül elérhető trieszti Journal of High Energy Physics-et, amelynek hamarosan akkora lett az olvasottsága, hogy számos más folyóirat követte példáját. Jelenleg a CERN azon dolgozik, hogy a könyvtárak adják össze a részecskefizikai kiadók elektronikus publikációs költségeit, hogy ne kelljen őket papírra nyomtatni és a publikációk mindenki számára elérhetők legyenek. Ezt azután más tudományterületek is követni fogják.

Számítástechnika. A nagyenergiájú fizika igencsak bonyolult adatkezelése a végzős hallgatóknak olyan magas szintű számítástechnikai gyakorlatot nyújt, hogy például a bankok szívesen alkalmaznak nagyenergiájú fizikában PhD-fokozatot szerzett fizikusokat – rossz nyelvek szerint ennek köszönhető a világméretű bankválság. Európában a CERN terjesztette el az osztott erőforrásokat és adatbázisokat használó számítástecnikai gridtechnológiát; eredetileg persze az LHC-adatok elemzésére, de komoly erőfeszítéseket tett a technika általánosítására, amit az EU FP6 és FP7 programja is támogatott.

Technológiafejlesztés. A kísérletek óriási mérete komoly technológiafejlesztéseket gerjeszt, hiszen három egyforma műszert kinézünk egy katalógusból, de százezer példányra már tendert írnak és érdemes komoly fejlesztéseket eszközölni.

Világháló. A világhálót a CERN fejlesztette ki a kísérletezők számára és néhány év alatt az egész világot behálózta: a CERN 1989-ben jelentette be, és 1994-ben már a Vatikán könyvtárát lehetett nézegetni vele Budapestről. Gazdasági és kulturális jelentősége szinte felmérhetetlen: Gutenberg könyvnyomtatása óta talán ez jelenti a legnagyobb információs forradalmat.

A fentiek alapján senki sem állíthatja, hogy a részecskefizikai kutatás néhány ezer szobatudós drága és haszontalan játéka lenne. 
 

IRODALOM
[1] Horváth D.:  Gridrendszer a magyar számítástechnikában. Természet Világa, 2007/9. 386–388.
[2] International Linear Collider, Reference Design Report (2007. http://www.linearcollider.org/)
[3] ALICE Collaboration: First proton-proton collisions at the LHC as observed with the ALICE detector: measurement of the charged particle pseudorapidity density at sqrt(s) = 900 GeV, European Physics Journal C 65 (2010) 111.
[4] The CMS Collaboration, V. Khachatryan et al., Transverse-momentum and pseudorapidity distributions of charged hadrons in pp collisions at sqrt(s) = 0.9 and 2.36 TeV, Journal of High-Energy Physics 1002 (2010) Nr. 041. 


Természet Világa, 141. évfolyam, 5. szám, 2010. május
http://www.termeszetvilaga.hu/ 
http://www.chemonet.hu/TermVil/