Indul a legnagyobb részecskegyorsító - 3. rész: Hidegebb lesz, mint a világűr

Huszonhét kilométeres alagút, benne a világűrnél is hidegebb gigantikus mágnesek, 96 tonna hélium, 40 ezer szivárgásmentes csatlakozás, 11 700 amper erősségű áram. A fénysebesség 0,999999991-szeresével egymással szemben száguldó, 100 milliárd protonból álló részecskecsomagok, 600 millió ütközés másodpercenként. Többek között ilyen paraméterei vannak az alaphangon is 4 milliárd euróba kerülő, augusztusban induló nagy hadron ütköztető nevű részecskegyorsítónak, amely a legnagyobb a világon, és amelytől a világ legnagyobb kérdéseire is várunk válaszokat.

Néhány héten 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. Cikksorozatunk bevezetőjében a kísérletekkel kapcsolatos biztonsági szempontokat tekintettük át, majd az első részben vizsgáltuk, miért van szükségünk egyáltalán részecskegyorsítókra, ezekre a gigantikus és drága szerkezetekre. A második részben a CERN eddigi részecskegyorsítóit és a korábban elért legfontosabb tudományos eredményeket ismertettük.

11 245 kör másodpercenként

Az igazán nagy felfedezések azonban az augusztusban induló nagy hadron ütköztetőre (Large Hadron Collider, LHC) várnak, amelynek neve először is a berendezés nagy méretére utal: a gyorsítót magába fogadó alagút kerülete 27 kilométer. A hadron szó a részecskék egy családját jelöli, a gyorsítandó részecskék, a protonok ebbe a családba tartoznak (a hadronok még kisebb egységekből, kvarkokból állnak). Az ütköztető a gyorsító típusára utal: két részecskenyaláb kering körpályán egymással szemben, ellentétes irányban, majd a gyorsító négy pontján összeütköznek - ezeken a pontokon zajlanak a tanulmányozandó részecskeátalakulások.

Az alábbiakban nagyon sok számadatot használunk fel az LHC bemutatásához, mert csak ezekkel lehet érzékeltetni a paraméterekben elért műszaki csúcseredményeket. A részecskegyorsítók, illetve a velük végzett kísérletek évtizedek óta az adott kor műszaki csúcsmegoldásait képviselik, amelyeket sokszor a fizikusok igényei kényszerítettek ki.

A gyorsító alagútja áthalad a francia-svájci határon is

A gyorsítóban közel fénysebességgel száguldanak a részecskék (a fénysebességet természetesen csak megközelíteni tudják, elérni vagy meghaladni nem). Az LHC-ba más gyorsítókból belépő, előgyorsított részecskék energiája 450 gigaelektronvolt (GeV, lásd keretes írásunkat), amelyek a fénysebesség 0,999997828-szorosával repülnek. Az LHC-ban tovább gyorsítják őket, energiájuk több mint tizenötszörösére nő, a gyorsítás végén már 7000 GeV (7 teraelektronvolt, 7 TeV) lesz. A sebesség megváltozása viszont nem ilyen látványos: a 7 TeV energiájú protonok a fénysebesség 0,999999991-szeresével mozognak (a fizikusok ezért nem a sebességgel, hanem az energiával jellemzik a részecskéket).

Ezzel a sebességgel egy proton 11 245 kört tesz meg másodpercenként a 27 kilométeres pályán. A nyaláb 10 órát kering a rendszerben, ez idő alatt a részecskék 10 milliárd kilométert mozognak. Nagyjából ilyen hosszú lenne egy utazás a távoli Neptunusz bolygóra és vissza.

Ismerkedés az energiaegységekkel

A részecskegyorsítókkal való "barátkozáshoz" elengedhetetlen a magfizikában és részecskefizikában használatos energiaegységek megismerése. 1 elektronvolt (eV) az a mozgási energia, amelyre egy elektron 1 Volt feszültségkülönbséget befutva szert tesz. Többszörösei: ezerszerese a kiloelektronvolt (keV); milliószorosa, vagyis a keV ezerszerese a megaelektronvolt (MeV); a MeV ezerszerese a gigalelektronvolt (GeV). Újabban már a TeV egységre is szükség van a gyorsítók leírásánál, ez a teraelektronvolt, az eV billiószorosa, a GeV ezerszerese. (1 TeV=10³ GeV=10⁶ MeV=10⁹ keV=10¹² eV)

Taps, szúnyogok, tehervonatok és protonok

Mint említettük, mindkét nyalábban 7 TeV energiára tesznek szert a protonok, a két nyaláb ütközésénél tehát 14 TeV energia áll majd rendelkezésre. Ekkora energiájú folyamatokat még sohasem figyeltek meg laboratóriumban. Érdekes, hogy ha összeütjük a tenyerünket, akkor az "ütközés" energiája nagyobb lesz, mint az LHC-ban az egyes protonoké, de messze nem olyan koncentrált. A részecskegyorsítóban elért új csúcsenergia a hétköznapi életben tehát jelentéktelen; körülbelül 1 teraelektronvolt mozgási energiája van például egy repülő szúnyognak. Az LHC-ban azonban ez az energia szúnyognál billiószor (milliószor millió) kisebb térfogatban koncentrálódik. Ha pedig nem egyetlen protonnal számolunk, hanem a két teljes nyalábbal, akkor már hétköznapi méretekben is impozáns ütközési energiához jutunk. A maximális energiával ütköző nyalábokhoz hasonló energiát képvisel például egy 400 tonnás, 200 km/órás sebességgel mozgó vonat. Ugyanekkora energia elegendő lenne fél tonna réz megolvasztásához.

A teljesen felgyorsított protonok a fénysebesség 0,999999991-szeresével mozognak majd a gyorsítócsőben

A gyorsítóban elérhető legnagyobb energiát a körülmények szabják meg. Az LHC egy korábbi gyorsító, a nagy-elektron-pozitron ütköztető (LEP) alagútjában épült meg, miután a LEP-et 2000-ben leszerelték. Az alagút mérete, a részecskéket körpályára kényszerítő mágnesek erőssége, a részecskéket gyorsító rádiófrekvenciás berendezések méretezése szabja meg az elérhető legnagyobb energiát. Az LHC alagútja átlagosan 100 méter mélyen van a felszín alatt. Mélysége a geológiai adottságoktól függően változik, a Jura-hegység alatt 175 méter, a Genfi-tó közelében pedig csak 50 méter. A hatalmas berendezésre hatással van a Hold is. Telihold és újhold idején 25 centiméterrel mozdul el a földkéreg Genf környékén, ami 1 milliméternyi változást idéz elő az LHC 27 kilométeres kerületében. A kerület hosszának, a részecskék pályájának ez a parányi megváltozása elhanyagolhatónak tűnik, de valójában nem az. A kerület megváltozása miatt a nyaláb energiája az ezredrész két tizedével változik meg. Az LHC-ben viszont olyan pontos méréseket végeznek, hogy a nyaláb energiáját az árapály okozta parányi változásnál tízszer pontosabban állítják be.

A gyorsítás művészete

A cikksorozat előző részben bemutattuk, hogy a CERN már fél évszázadosnál is hosszabb története során egyre nagyobb energiájú részecskegyorsítókat építettek. Ezek többsége ma is működik, és az LHC-ba is több berendezésen áthatolva jutnak el a protonok. Először is hidrogénatomokat fosztanak meg elektronjaiktól, és a továbbiakban a hidrogénatom magjával, a pozitív töltésű protonnal dolgoznak - gyorsítani ugyanis csak töltött részecskéket lehet. A protonok a Linac2 gyorsítóban 50 megaelektronvolt (0,05 GeV) energiára tesznek szert, majd átkerülnek a PS Booster gyorsítóba, ahol 1,4 GeV energiára gyorsítják őket. A következő lépcsőfok a proton-szinkrotron (PS), ebből 25 GeV energiával mennek át a szuper-proton-szinkrotronba (SPS), ahonnan már a végállomásra, az LHC-ba érkeznek 450 GeV energiával.

A részecskék akkor tudnak egyre nagyobb sebességre szert tenni, ha útjuk során nem ütköznek akadályba, más atomokba, részecskékbe. Ezért a gyorsítócső egész térfogatában igen nagy légritkítást kell elérni. Az LHC-ban 10^-13 atmoszféra lesz a légnyomás, vagyis a normál légköri nyomás tízbilliomod része. A műszaki feladat nagyságát mutatja, hogy ezt a fantasztikus légritkítást hatalmas, körülbelül 6500 köbméteres térfogatban kell elérni, ami egy nagy katedrális térfogatához hasonló.

A mágnesek hidegebbek lesznek, mint a távoli világűr

A részecskék pályáját összesen 9300 különböző típusú mágnessel alakítják ki. A nagy mágnesek testébe építették be a kisebb, korrekciós célokat szolgáló mágneseket. A legnagyobb mágnesekből, a dipól mágnesekből 1232 darabot építettek be a körpálya mentén. Minden dipól mágnes 14,3 méter hosszú, súlya mintegy 35 tonna. Az LHC építésénél ezeknek a dipól mágneseknek a megépítése jelentette a legnagyobb műszaki kihívást. Egy protongyorsítóban adott körpálya mellett az elérhető maximális energia egyenesen arányos a dipól tér erősségével. Az LHC-ban szupravezető mágnesekkel hozzák létre a 8,3-8,4 tesla erősségű mágneses teret, hagyományos megoldásokkal nem lehet ilyen nagy térerősséget létrehozni. (Ez a tér kétmilliószor erősebb a földmágneses térnél.) A mágnesekben niobium-titán ötvözetből készített kábeleket használnak, ez az anyag az abszolút nulla fölött 10 fokkal, 10 kelvinen válik szupravezetővé, vagyis ellenállás nélkül vezeti az áramot. Egy kábel 6300 darab, egyenként 0,006 mm vastag szálból áll, azaz a szálak tízszer vékonyabbak az emberi hajnál. Ha a hajszálnál vékonyabb szálakat képzeletben egymás után kötjük, a magunk után húzott fonallal ötször tehetnénk meg oda-vissza a Nap-Föld távolságot és még némi fonalunk maradna is. A mágnesekben 11 700 amper erősségű áram folyik, ez hozza létre a szupererős mágneses teret.

A szupravezető mágneseket a világűrénél is alacsonyabb hőmérsékletre hűtik le

A mágneseket szuperfolyékony héliummal hűtik 1,8 kelvinre, vagyis - 271,4 °C-ra. A távoli világűr ennél melegebb, -270,5 Celsius-fokos (2,7 K)! A mágnesek folyékony héliumfürdőben ülnek. A hűtőrendszer 40 ezer szivárgásmentes csatlakozást tartalmaz. A rendszerben 96 tonna hélium van, ennek 60%-a a mágnesekben, 40% pedig az elosztó- és hűtőrendszerben. Az egész LHC-rendszert (36 800 tonna tömeget) több lépésben hűtik le. Az előhűtés során 10 ezer tonna folyékony nitrogénnel 80 kelvint (- 193,2 °C) érnek el. Ezután a héliumot lehűtik 4,5 kelvinre, és a mágneseket feltöltik 60 tonna folyékony héliummal. A mágnesek feltöltése után folytatódik a hűtés, lassan mennek le 1,9 kelvinre. Jelenleg is ezen dolgoznak a mérnökök, és rövidesen megkezdik a munka utolsó fázisát.

600 millió ütközés másodpercenként

A részecskéket ún. rádiófrekvenciás térrel gyorsítják. A proton-nyaláb nem folyamatos, hanem "csomagokból" áll. Normál üzem esetén minden nyaláb 2808 csomagból áll, egy-egy csomagban pedig körülbelül 100 milliárd darab proton van. A keringés során változik a részecskecsomagok mérete, tágulnak és összehúzódnak. Az ütközési ponttól távol néhány centiméter hosszú és 1 milliméter széles egy-egy csomag, az ütközési ponthoz közeledve viszont összenyomják őket, így méretük mintegy 16 mikrométerre csökken. Így nagyobb valószínűséggel következik be egy proton-proton ütközés. (Egy emberi hajszál körülbelül 50 mikrométer vastag.) Az LHC-ban 25 nanoszekundumonként (nano = milliárdod rész), vagyis körülbelül 7 méterenként követik egymást a részecskecsomagok. A két nyaláb találkozásakor a két találkozó csomagban lévő összesen 200 milliárd proton közül mindössze 20 ütközés megy végbe. A csomagok másodpercenként átlagosan 30 milliószor ütköznek, az LHC-ban tehát mintegy 600 millió ütközés következik be másodpercenként.

Minden ütközésben részecskék sokasága keletkezik, ezeket kell a cikksorozat egy későbbi részében bemutatandó négy hatalmas detektorrendszernek észlelnie, elemeznie és az adatokat rögzítenie. Egyetlen kísérletnél annyi adatot rögzítenek évente, hogy az százezer DVD-t töltene meg.

A hatalmas berendezések megépítése, a műszaki csúcsteljesítmények megalkotása nem olcsó. A CERN költségvetésében a gyorsítóberendezés költsége 3 milliárd euró, ehhez járul a kísérleti berendezések és a számítógépes hálózat összesen 1 milliárd eurós költsége. Az összes ráfordítás ennél jóval nagyobb, mert a négy hatalmas mérőrendszer költségeinek csak egyötöde szerepel a CERN költségvetésében, a fennmaradó 80%-ot a kísérletekben résztvevő intézmények finanszírozzák.

Következik: Az Univerzum ősanyagának nyomában