Gongütés a kis ősrobbanások előtt

November első napjaiban újra Európába került az Univerzum ősanyaga, a kvark-gluon-plazma kutatásának súlypontja. A CERN nagy hadronütköztetőjében körülbelül százezerszer magasabb hőmérsékletet hoznak létre, mint ami a Nap magjában jellemző. Ilyen állapotok utoljára az Ősrobbanáskor léteztek.

Hétfőn délelőtt fél 12 körül egy gongütés jelezte az ALICE detektor vezérlőtermében, hogy az LHC először adott stabil nehézion-nyalábokat. Az ALICE mind a tizennyolc aldetektorát készenlétbe helyezték, hogy megkezdődhessen az adatgyűjtés. Az első ólom-ólom-ütközés képét hatalmas tapsvihar köszöntötte a vezérlőteremben. Nagyon sok kutató, mérnök, technikus közel húszesztendőnyi munkáját zárta le az első ilyen esemény. Az ALICE működik!

A mindig nyugodt Molnár Leventétől (balra) szinte "kirohanásnak" számít a fenti beszámoló, amelyet hétfőn dél körül küldött nekünk az ALICE vezérlőterméből. Levente egy úgynevezett run coordinator, aki az egyik, részben magyar fejlesztésű aldetektor működését felügyeli. Számára is ezek az eddigi legizgalmasabb napok a nagy hadronütköztető (LHC) működésében, hiszen mint arról már vasárnap beszámoltunk, november 4-én kerültek először ólomionok az LHC-be. Azóta megtörtént a nyalábok gyorsítása és ütköztetése, és mindez immár stabil nyalábokkal zajlik, ami nélkülözhetetlen a detektorok biztonságos üzemeltetéséhez és a megfelelő mennyiségű adat begyűjtéséhez.

A nehezen "bejáratott" LHC most már elképesztő precizitással működik. Március vége óta rengeteg proton-proton-ütközést generált, majd gyorsan és zökkenőmentesen állt át az ólomnyalábokra. Rolf Heuer, a CERN főigazgatója szerint ez a rendszer érettségét bizonyítja. Hauer szerint az LHC óramű-pontossággal üzemel, mindössze néhány hónapos rutinműködés után. "Lenyűgöző volt látni, ahogy a nagy hadronütköztető a szemünk láttára alakult át nehézion-gyorsítóvá" - mondja Jurgen Schukraft, az ALICE kísérlet vezetője.

Ezekben a napokban ismét zsúfolt az ALICE vezérlőterme

Az ólomionokat már nagyon várták, főleg a nehézion-fizikusok, és jelenleg gőzerővel zajlik az adatgyűjtés. Az ALICE detektor már közel százezer eseményt rögzített, de adatokat gyűjt az ATLAS és a CMS is (az eseményekről a magyar nyelvű CERN-blogon olvashatnak részletesebben). Az adatokból az Univerzum ősanyagáról lehet majd új dolgokat mondani: az óriási energiájú, ólomionokból álló részecskenyalábok egymással való ütközésekor ugyanis rövid időre olyan körülmények jönnek létre, mint amelyek a Világegyetem történetének kezdetén, az Ősrobbanás után néhány milliomod másodperccel (mikroszekundummal) létezhettek.

Az Ősrobbanás utáni néhány milliomod másodpercben egy egészen speciális anyag tölthette ki az újszülött Univerzumot. Még nem voltak atomok, atommagok, sőt protonok és neutronok sem; ehelyett ezek építőelemei, a kvarkok és az őket összeragasztó gluonok egy egészen rövid ideig szabad állapotban létezhettek. Az ALICE detektor várhatóan minden eddiginél magasabb hőmérsékleten és energián fogja észlelni ezt az ősi "kvarklevest", tudományosabban kvark-gluon-plazmát (egy korlátozott térfogatban). Az ütközésekben várt hőmérséklet körülbelül százezerszerese lesz a Nap magjában lévőnek, pedig ott sincs hideg: körülbelül 15-20 millió fok lehet. Az LHC-ben elért hőmérséklet tehát meghaladja az eddigi amerikai rekordokat.

Az ALICE detektor

A kísérletek alapján új dolgokat tudhatunk meg a protonokat és neutronokat összetartó erőről, az úgynevezett erős kölcsönhatásról is. Ezzel a területtel az úgynevezett kvantumszín-dinamika (QCD, quantum chromodynamics) foglalkozik. A CMS QCD-csoportjának jelenleg magyar vezetője van. Az egyik nagy kérdés az, miért nem sikerült eddig szabad kvarkot megfigyelni a természetben, miért van minden kvark protonokba és neutronokba zárva. A másik az, hogy mi adja a protonok és neutronok tömegét, hiszen a 3 kvark együttes tömege ennek csak töredéke (körülbelül 1%-a).

Kimagaslóan sok új részecske keletkezése teljes (centrális) Pb+Pb ütközésnél. Összesen kb. 3000 új részecske repült ki az eredeti 208+208 nukleon ütközéséből

"Tíz évvel a Egyesült Államok-beli Relativisztikus Nehézion-ütköztetőben elvégzett első arany-arany-ütközések után újra Európába került az ősanyag, a kvark-gluon-plazma kutatásának súlypontja: a CERN nagy hadronütköztetőjében tizennégyszer nagyobb ütközésienergia-koncentrációt sikerült létrehozni, és megkezdődött az ólom-ólom-ütközések kísérleti vizsgálata" - mondja Lévai Péter (MTA KFKI RMKI), a magyar ALICE-csoport vezetője (a képen).

A szakember szerint a 2010. november 7-én regisztrált 5000, majd a 8-án regiszttált újabb 85 000 nehézion-ütközés elegendő lesz arra, hogy megbecsülhessük a kialakult ősanyag kezdeti energiasűrűségét és az újonnan keletkezett alacsony impulzusú hadronok (pionok, kaonok, protonok) eloszlásából megállapíthassuk a kvark-gluon-plazmából visszaalakult normál anyag hőmérsékletét. A korai kvark-gluon-plazma-állapot tulajdonságainak tanulmányozásához még több centrális ólom-ólom-ütközésre lesz szükség, amit remélhetőleg néhány napon belül sikerül összegyűjteni az ALICE detektornál. A vasárnapi sikeres adatgyűjtéssel mindenesetre a nehézion-ütközések kutatásának új korszaka kezdődött meg az európai kutatóközpontban.

Az ALICE-nél folyó élvonalbeli nehézion-kutatásokban nagy örömmel és lelkesedéssel vesznek részt az MTA KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet munkatársai és az ELTE-n tanuló MSc és PhD diákok" - mondja Lévai. A kutatások anyagi fedezetét az MTA, az OTKA és az NKTH biztosítja.

"Az első beérkező adatok a következő 20 év munkáját alapozzák meg, amelyben a fő szerep a diákoknak, doktoranduszoknak jut" - mondja Molnár Levente.

A nagy hadronütköztetőben nemcsak protonokat, hanem ólomionokat is gyorsítanak. A protonokkal 14 teraelektronvolt, míg az ólomionokkal 1150 teraelektronvolt (1,15 petaelektronvolt) ütközési energiát érnek el. Mindkét érték új csúcs lesz, laboratóriumban még sohasem értek el ekkora energiát. A kutatók arra számítanak, hogy az ólom-ólom-ütközésekben kiszabadulnak a protonok és neutronok alkotórészei, a kvarkok. Szabad kvarkok legutóbb az Ősrobbanás utáni első pillanatokban létezhettek a természetben, tehát a kísérletek az Univerzum őstörténetének megismeréséhez is közelebb visznek.