Indul a legnagyobb részecskegyorsító - 2. rész: Antianyag, ősanyag és más korábbi nagy felfedezések

A CERN, a nukleáris kutatások európai tanácsának alapkövét 1955-ben rakták le a svájci-francia határnál. Az alapító okirat kimondta, hogy nem végeznek katonai célú kutatásokat, a kísérleti és elméleti kutatások eredményeit pedig közzéteszik. Az intézmény azóta a világ egyik vezető kutatóhelyévé vált. Hatalmas detektorrendszerek készültek, az irdatlan adatmennyiség kezelésére és feldolgozására kiépült számítóközpont mindig is a világ egyik legnagyobbika volt. Itteni szakemberek találták ki az internetet. Itt végezték azt a híres kísérletet, amelyben felfedezték az úgynevezett elektrogyenge kölcsönhatás közvetítő részecskéit. Itt sikerült először az antirészecskékből atomot felépíteni. Ám egy sor alapvető tudományos kérdésre a CERN eddigi legnagyobb berendezései sem tudtak választ adni. Ezek a felfedezések a remények szerint az új, még nagyobb energiájú gyorsítóra, az idén induló nagy hadronütköztetőre maradnak.

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. Cikksorozatunk bevezető részében a kísérletekkel kapcsolatos biztonsági szempontokat tekintettük át, majd azt vizsgáltuk, miért van szükségünk egyáltalán részecskegyorsítókra, ezekre a gigantikus és drága szerkezetekre.

Európa összefog: a CERN megszületése

Az 1940-es évek végén az európai fizikusok felismerték, hogy ha a magfizikai alapkutatásokban versenyben akarnak maradni az Egyesült Államokkal, akkor ehhez olyan nagy részecskegyorsítókra lesz szükség, amelyeknek a méretei és a költségei meghaladják az egyes országok erejét. Elsőként a francia Louis de Broglie, az 1929. évi fizikai Nobel-díj kitüntetettje fogalmazta meg nyilvánosan ezt a felismerést egy európai kulturális konferencián 1949 decemberében Lausanne-ban. A tudósok összefogási szándéka támogatására talált a politikusoknál, akik szívesen segítették a tervet, mint az új (nyugat)-európai egység szellemének szimbólumát. Az ENSZ nevelési, tudományos és kulturális szervezete, az UNESCO is felkarolta a kezdeményezést. Isidor Rabi Nobel-díjas amerikai fizikus határozati javaslatát 1950 nyarán fogadta el az UNESCO közgyűlése, és tanácskozásra hívta a regionális európai laboratóriumok létrehozásában érdekelt államokat. Az UNESCO támogatásával 1951 decemberében kormányközi tanácskozás jött létre a nemzetközi magfizikai laboratórium ügyében. 1952 tavaszán 11 ország közös döntésével egy ideiglenes bizottság alakult, a nukleáris kutatások európai tanácsa, más fordításban az európai atommag-kutatási tanács, francia nevén a Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire. Ennek rövidítése a CERN, máig ez a betűszó a kutatóközpont világszerte ismert neve.

1952-ben fogadták el Svájc felajánlását, a Genf melletti területet a laboratórium számára. A bizottság kidolgozta a laboratórium felépítését és programját, majd 1953-ban tizenkét ország írta alá az alapító okmányt, amely a ratifikálások után 1954. szeptember 29-én lépett életbe. Az alapító okirat kimondta, hogy nem végeznek katonai célú kutatásokat, a kísérleti és elméleti kutatások eredményeit közzéteszik. Az alapító államok az angol ABC sorrendjében: Belgium, Dánia, Franciaország, NSZK, Görögország, Olaszország, Hollandia, Norvégia, Svédország, Svájc, az Egyesült Királyság és Jugoszlávia. (Magyarország 1992-ben lett a CERN teljes jogú tagállama, de az intenzív tudományos kapcsolatok már jóval korábban kiépültek.)

A CERN helyének kiválasztása 1953-ban

Az alapkövet 1955. június 10-én helyezte el Felix Bloch, a CERN első főigazgatója a svájci államelnök jelenlétében a Genf melletti Meyrinben, a francia határ közelében (lásd a legfelső fotón). A 40 hektáros területen már egy évvel korábban, 1954. májusban megkezdődött két gyorsítóberendezés építése.

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)

A CERN első gyorsítói

A 28 GeV energiájú proton szinkrotron (PS) 1959-ben érte el a csúcsenergiát, ekkor és még jó ideig ez volt a világ legnagyobb részecskegyorsítója. A PS-ben elektronokat, protonokat, pozitronokat, antiprotonokat és nehézionokat gyorsítanak. A gyorsítás nem nulláról indul, a protonokat például első lépésben egy lineáris gyorsító 50 MeV-ra, majd egy másik egység 1 GeV-ra gyorsítja, ezután kerül át a nyaláb a PS-be. Később a PS is előgyorsítói szerepet kapott, a nyalábok más, nagyobb gyorsítókba kerültek át, a szuper-proton-szinkrotoronba (SPS), a LEP gyorsítóra és más mérőhelyekre. A proton szinkrotronnal (PS) párhuzamosan épült a 600 MeV-os szinkrociklotron, amellyel rövid élettartamú, gyorsan bomló atommagokat állítottak elő és tanulmányoztak.

Már a legelső gyorsítókhoz hatalmas detektorrendszerek készültek, jelentősen fejlődött a számítástechnika, az irdatlan adatmennyiség kezelésére és feldolgozására kiépült számítóközpont mindig is a világ egyik legnagyobbika volt. Itteni szakemberek találták ki később a world wide web-et.

1965-ben fogadták el az ISR (Intersecting Storage Ring - találkozónyalábos tárológyűrű) részecskegyorsító tervét. Az építkezéshez a svájci-francia határ francia oldalán bővült közel 40 hektárral az intézet, így a CERN az első olyan nemzetközi intézménnyé vált, amely nemcsak szellemében, hanem fizikailag is átlépte a nemzeti határokat. 1971-re elkészült az ISR, a szembeütköző két felgyorsított protonnyaláb találkozásánál annyi energia állt rendelkezésre, mintha egy 2000 GeV-os nyaláb ütközött volna álló céltárgynak. Az ISR 10 évig volt világcsúcstartó.

Egy történelmi eredmény

A következő óriásgyorsító, az SPS (szuper-proton-szinkrotron) 1976-ban kezdett nyalábot szolgáltatni. Gyűrűjének kerülete 6 km, a föld alatti alagútban 1000 mágnes gondoskodik a nyaláb körpályán tartásáról. Az 1980-as években ezt is átépítették találkozónyalábos gyorsítóvá, amelyben protonok és antiprotonok ütköztek egymással, és ahol a legnagyobb gondot a kellő mennyiségű antiproton felhalmozása és egyben tartása jelentette.

Egy történelmi eredmény, a W-részecskék felfedezésének bejelentése 1983-ban (a magyarázatot lásd az alábbi szövegben)

Itt végezték azt a híres kísérletet, amelyben felfedezték az úgynevezett elektrogyenge kölcsönhatás közvetítő részecskéit. Elméleti fizikusok már az 1960-as években sikeresen leírták a természet négy alapvető kölcsönhatása közül kettőnek az egyesítését, ezzel megszületett az elektromágneses és a gyenge kölcsönhatás egységes, később ugyancsak Nobel-díjjal elismert elmélete. Az elmélet előre jelezte, hogy milyen, addig ismeretlen részecskék közvetítik ezt a kölcsönhatást. Carlo Rubbia olasz fizikus vezetésével az SPS-nél végzett kísérletben 1983-ban meg is találták a keresett W- és Z-részecskéket. A következő évben Rubbia és az antiprotonok problémájára szellemes megoldást találó Simon van der Meer fizikai Nobel-díjat kapott. (Egyébként már a közvetítő részecskék felfedezése előtt, az ún. semleges gyengeáramok felfedezésével fontos bizonyítékot találtak az elektrogyenge elmélet igazára a CERN-ben.)