Nem fog összeomlani az Univerzum a világ legnagyobb részecskegyorsítójától

Néhány hónapon belül megkezdődhetnek a kísérletek a világ legnagyobb és legújabb részecskegyorsítójában a Genf mellett lévő részecskefizikai kutatóközpontban, a CERN-ben. Az itt végzett megfigyelésekből az Univerzum kialakulásának és az anyag szerkezetének soha nem látott titkaira derülhet fény. Ám furcsa dolgok, például apró fekete lyukak vagy "időutazás" megjelenése is lehetséges, sőt olyan spekulációk is vannak, hogy már a tesztüzem alatt az egész Világegyetem eltűnik egy fura vákuumbuborékban. A tudósok véleménye alapján megnyugodhatunk: szerintük ezek a dolgok már természetes módon is megtörténhettek volna, minden másodpercben sokmilliószor az Univerzumban. Így aztán indulhat a munka.

A nagy hadron ütköztető (Large Hadron Collider, LHC) megépítése az emberiség egyik legnagyobb tudományos-technikai teljesítménye, amihez csak a Nemzetközi Űrállomás építése fogható, és természetesen ez is nemzetközi összefogással készült. Az LHC máris egy sor technológiai rekordot döntött meg, többek között itt van a világ legnagyobb szupravezető mágnese. A CERN legutóbbi hivatalos információi szerint a berendezés szegmenseinek lehűtése a terv szerint halad, és körülbelül augusztus végére az egész rendszerben elérik az 1,9 kelvint (ez mindössze 1,9 fokkal van az abszolút nulla fok felett, azaz valamivel több mint mínusz 271 Celsius-foknak felel meg). Ha ez bekövetkezik, megkezdődhetnek az első, még teszt-jellegű kísérletek. A hivatalos indulást idén októberre tervezik.

Mit vizsgálnak és mit látnak?

Az LHC megépítéséhez egy sor műszaki csúcsteljesítményre volt szükség, de a működésétől is csúcseredményeket várnak: a fizikusok előtt egy mindeddig feltáratlan világ nyílik meg, mert az LHC-vel elérhető energiák tartományában korábban sohasem végezhettek vizsgálatokat. A 27 kilométer kerületű, átlagosan 100 méterrel a felszín alatt lévő gyorsítógyűrűben protonokat gyorsítanak közel fénysebességre, majd összevezetik és összeütköztetik őket (később ólomionok ütköztetését is tervezik). Ekkor olyan állapotok jönnek létre, amilyenek a nagyon fiatal Világegyetemben lehettek jellemzők. A "nagyon fiatal" kifejezés alatt az Ősrobbanás utáni első töredékmásodpercet kell érteni, azt az időszakot, amikor kialakultak az anyag alapvető építőkövei.

A berendezésben létrehozható ütközések energiája a Világegyetem azon állapotának felel meg, amilyen az Ősrobbanás után százbilliomod másodperccel volt, amikor a hőmérséklet közel milliárdszor milliárd fok lehetett. Ezeknek a roppant energiájú ütköztetéseknek nem a kozmológiai kutatás az elsődleges célja, hanem az anyag mélyebb szerkezetének felderítése - olvasható Paul Davies magyar nyelven várhatóan ősszel, az Akkord Kiadó gondozásában megjelenő új könyvében.

A kutatóknak tehát vannak elképzeléseik arról, hogy mire számíthatunk a most megnyíló energiatartományban: főleg új elemi részecskék előállítására, megismerésére. A kísérletek majd kizárják vagy megerősítik ezeknek a feltételezett részecskéknek a létezését, ami végső soron az anyag mélyebb megismeréséhez vezet el bennünket.

Ezekben a dimenziókban természetesen nem egyszerű érzékelni az eseményeket, és még bonyolultabb értelmezni az adatokat. A részecskeütközések következtében fellépő folyamatokat négy nagy detektorrendszerrel fogják megfigyelni. A gigantikus adattömeg feldolgozását hatalmas informatikai háttér segíti, és a kapott eredményeket fogják az elméleti modellekkel összevetni. Az alábbi ábrán például az látható, hogy a fizikusok által régóta keresett, a mai anyagmodellek szempontjából kulcsfontosságú részecske, az úgynevezett Higgs-bozon elbomlásakor milyen más részecskék nyomait érzékelnék.

Szimulált adatok alapján készült modell a Higgs-bozon egy lehetséges elbomlásáról

Biztonságosak-e a tervezett kísérletek?

Az előzőek alapján érthető, ha a tervezett kísérletekkel kapcsolatban biztonsági, sőt környezetvédelmi kérdések is felmerültek, hiszen nem szokványos fizikai viszonyok létrehozásáról van szó. Az alapvető kérdés az, hogy a mesterségesen létrehozott új részecskéknek, illetve az anyag mesterségesen létrehozott új állapotának lesz-e bármilyen fenyegető hatása a környezetre. Fantasztikus, a tudomány határait súroló elképzelésekben sincs hiány, felmerült például fekete lyukak, mindent elnyelő vákuumbuborékok, az anyag lebomlását okozó mágneses monopólusok megjelenésének, sőt az időutazásnak a lehetősége is.

2003-ban már kiadtak egy jelentést ezekről a problémákról, ezt bővítették ki mostanra, még alaposabban elemezve a lehetséges veszélyforrásokat. A mintegy két hete megjelent, a CERN kutatóin kívül amerikai és orosz szakemberek által is jegyzett új jelentés is megállapítja, hogy a kísérletek biztonságosak, aggodalomra nincs ok.

Az indoklás lényege az, hogy a világűrből a gyorsítóban vártnál is nagyobb energiájú részecskék bombázzák a Föld légkörét. Az úgynevezett kozmikus sugárzás hatására természetes úton is létrejöhetnek, illetve az elmúlt évmilliárdok alatt már számtalanszor létrejöttek ilyen, sőt nagyobb energiájú állapotok bolygónkon. Becslések szerint az Univerzumban minden egyes másodpercben tízmilliószor millió "LHC-kísérlet" következik be, láthatóan minden következmény nélkül. Az LHC abban fog különbözni ezektől, hogy irányított körülmények között, jól vizsgálhatóan hozza létre ezeket az állapotokat.

Szimulált adatok alapján készült modell egy miniatűr fekete lyuk elbomlásáról. A legtöbb elmélet szerint nem keletkeznek majd ilyenek az LHC-ben, abban pedig minden modell megegyezik, hogy ha mégis, akkor azonnal elbomlanak, így nem kezdhetik meg a körülöttük lévő anyag elnyelését

A nagy hadron ütköztető építéséről, működéséről és a vizsgálatok céljairól a következő hónapokban részletesen olvashatnak sorozatunkban. Bemutatjuk, hogy az elemi részecskék tanulmányozásához miért van szükség egyre nagyobb és bonyolultabb részecskegyorsítókra, kísérleti berendezésekre. Röviden áttekintjük a CERN több mint fél évszázados történetét, megismerkedünk az itt épült részecskegyorsítókkal és a velük elért legfontosabb fizikai felfedezésekkel. Bemutatjuk az LHC egyedülálló műszaki megoldásait és a legizgalmasabb várt tudományos eredményeket is. Részletesen kitérünk a kutatásokban való magyar részvételre is, amiből azonban cikkünk következő oldalán máris olvashatnak egy rövidebb áttekintést.

Következik: Indul a legnagyobb részecskegyorsító - 1. rész: Miért kellenek a gyorsítók?
Miért építünk hatalmas, drága berendezéseket az elemi részecskék világában zajló folyamatok tanulmányozásához?

* * *

A nagy kérdések

A Wikipedia CERN-oldalán olvasható információk szerint működése során nagyjából 80 állam 7000 fizikusa fog hozzáférni az LHC-hez. A fizikusok azt remélik, hogy közelebb jutnak a következő kérdések megválaszolásához az LHC kísérleteivel:

Sérül-e a népszerű Higgs-bozon elmélet, amely magyarázattal szolgálhat az elemi részecskék tömegére? Ha nem, hányféle Higgs-bozon van, és mekkorák a tömegeik?
Továbbra is összhangban lesz a barionok még pontosabban mért tömege a részecskefizika standard modelljével?
Léteznek-e a jelenleg ismert részecskéknek szuperszimmetrikus ("SUSY") partnerei?
Miért van több anyag, mint antianyag?
Léteznek-e extra dimenziók, ahogy a húrelmélet által inspirált modellek jósolják, és "látjuk"-e azokat?
Milyen természetű az az anyag, amely a világegyetem tömegének 96%-át alkotja, és a jelenlegi csillagászati megfigyelések számára elérhetetlenek (sötét anyag, sötét energia)?
A gravitáció miért gyengébb nagyságrendekkel, mint a másik három alapvető kölcsönhatás?

Mindezekről is részletesen olvashatnak majd cikksorozatunkban.