Indul a legnagyobb részecskegyorsító - 4. rész: Végre megfőhet az ősleves

Az Ősrobbanás utáni néhány milliomod másodpercben egy egészen speciális anyag tölthette ki az újszülött Univerzumot: a protonok és neutronok építőelemei, a kvarkok egy egészen rövid ideig szabad állapotban létezhettek. Ezt az ősi "kvarklevest" már régóta szeretnék kísérleti úton létrehozni, és bár voltak már komoly eredmények, a bizonyosságot itt is a világ legnagyobb részecskegyorsítójától, a nagy hadron ütköztetőtől várják. Az itt zajló ólom-ólom ütközésben az Ősrobbanás óta először koncentrálódik közel 1,2 petalelektronvolt energia, szabályozott körülmények között. Az ősi kvarkanyag létrehozása, tulajdonságainak részletes vizsgálata az anyagszerkezet legmélyebb rétegeit tárja fel, és egyúttal a Világegyetem őstörténetének kezdetéről is hírt adhat.

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, majd a harmadik részben az LHC lenyűgöző technikai jellemzőit mutattuk be.

A CERN új szupergyorsítójában, a nagy hadron ütköztetőben (LHC) nem csak protonokat, hanem ólomionokat is fognak gyorsítani. 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.

Bebörtönzött részecskék

Az elmúlt évtizedekben bebizonyosodott, hogy az erős kölcsönhatásban résztvevő részecskék nagy családjának valamennyi tagja kvarkokból áll. A fizika ma 6 féle alapvető kvarkot ismer, és nem számítunk újabbak felfedezésére. A kísérleti fizikusok természetesen a 2 vagy 3 kvarkból felépült részecskéket megpróbálták összetevőire szétszedni. Korábban az atomot atommagra és héjra, később az atommagot protonokra és neutronokra bontották. Szabad kvarkot azonban minden erőfeszítés ellenére sem sikerült eddig megfigyelni.

Úgy tűnik, hogy a kvarkok be vannak börtönözve a protonokban, neutronokban és a többi, kevésbé hétköznapi részecskében. A kvarkok közti erőhatás tulajdonságainak feltárásáért ítélték oda 2004-ben három kutatónak a fizikai Nobel-díjat. A számítások szerint ahogy a kvarkok távolodnak egymástól, úgy erősödik köztük az összetartó erő (ezt egy hétköznapi példával úgy tudjuk elképzelni, hogy a gumiszalag is egyre nagyobb erővel akar összehúzódni, ahogyan nyújtjuk). Így már érthető, miért nem sikerült eddig kiszabadítani a kvarkokat. Csak nagyon nagy energiákon remélhetjük, hogy átmenetileg, nagyon rövid időre szabaddá válnak.

Ekkor jönne létre a szabad kvarkokból és gluonokból, az erőhatást köztük közvetítő részecskékből álló plazma, a kvark-gluon-plazma. A kvarkok kiszabadításához a relativisztikus energiájú nehézion-ütközések kínálják a legjobb lehetőséget. Részecskegyorsítóban nehézionokat - például arany- vagy ólomionokat - gyorsítanak nagy energiára, majd a felgyorsított nyalábokat ütköztetik az azonos anyagból álló céltárggyal vagy a másik nyalábbal.

Ólom-ólom ütközés számítógépes szimulációja. Az esemény során szabad kvarkok megjelenését várják

Az óriási energiájú részecskenyalábok egymással való ütközésekor rövid időre, átmenetileg olyan körülmények jönnek létre, mint amelyek a Világegyetem történetének kezdetén, az Ősrobbanás után néhány milliomod másodperccel (mikroszekundummal) létezhettek. Ekkor még nem alakultak ki az atommagok stabil összetevői, a protonok és a neutronok, viszont léteztek a protonok és a neutronok alkotóelemei, a kvarkok és a kvarkok közti kölcsönhatást közvetítő gluonok. Ezt az ősi "kvarklevest" már régóta szeretnék kísérleti úton létrehozni.

Az első protonnyaláb: szombaton kinyitják az LHC kapuját

A végéhez közelednek a nagy hadronütköztető (LHC) üzembeállításának előkészületei. A tervek szerint augusztus 9-én lép be először protonnyaláb a gyorsítóba. Korábban már sikeresen kipróbálták az előgyorsító berendezéseket (mint arról korábban részletesen olvashatak, a protonnyaláb több lépésben, több, egymás után kapcsolt kisebb részecskegyorsítóban éri el az LHC-be való belépés előtt a 450 gigaelektronvolt energiát). Most - képletesen szólva - kinyitják az LHC kapuját. A nyaláb azonban még nem tesz meg egy teljes kört, csak egynyolcadot. A gyorsítót ugyanis 8 szektorra osztották, így a mágnesek hűtését is szektoronként, külön végzik. Miután minden szektorban elérik az 1,9 kelvines hőmérsékletet, körülbelül 1400 ellenőrző teszt következik.

Ha minden rendben lesz, akkor a következő fontos lépésre szeptember első napjaiban kerülhet sor, akkor a nyaláb már valóban körbeszáguldhat a 27 kilométeres alagútban. A nyalábok ütköztetésére, a fizikai kísérletek megkezdésére még tovább kell várni. A nyaláb beszabályozására 1-2 hónapot szánnak, és ezalatt nem is a végső soron tervezett 7 teraelektronvoltra, hanem csak 5 teraelektronvoltra gyorsítják a nyalábot. A beszabályozás után megkezdődik az adatgyűjtés az ATLAS és CMS detektorokkal. Télen leállítják majd a gyorsítót, és úgy állítják be úgy a mágneseket, hogy utána már megkezdődhet az üzemszerű működés a 7+7 TeV-es nyalábok ütköztetésével.

Ez tehát a ma érvényes optimális menetrend. A hatalmas, műszaki csúcsteljesítmények sorát alkalmazó berendezés beüzemelésénél természetesen jelentkezhetnek olyan problémák, amelyek késleltethetik a tényleges kísérletek megkezdését.

Korábbi próbálkozások

Korábban a CERN szuper-proton-szinkrotronjánál (SPS) az NA49 jelű kísérlet keretében próbáltak meg kvark-gluon-plazmát létrehozni. A KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet (RMKI) munkatársai 1993-ban csatlakoztak az akkor már javában épülő kísérlethez. Később a debreceni Atommagkutató Intézet munkatársai is bekapcsolódtak a munkába. A magyar kutatók építették meg a detektorrendszer egy fontos elemét, a "Budapest fal" névre keresztelt spektrométert. Az SPS-ben ólom-ólom ütközéseket tanulmányoztak különböző energiákon, az eredményeket kisebb magok ütköztetésével is ellenőrizték (szén-szén és szilícium-szilícium ütközéseket is vizsgáltak). Az SPS-nél működött hét kísérlet eredményeit összegezve 2002 februárjában bejelentették, hogy az anyag egy új állapotát figyelték meg. A fogalmazás óvatos volt, nem állították, hogy kvark-gluon-plazmát hoztak volna létre.

A CERN SPS-nehézion programja 2002-ben lezárult, a méréseket már 2000-ben befejezték. A nehézion-fizikai kutatások központja a New York közelében, Brookhavenben működő Relativisztikus Nehézion Ütköztetőhöz (angol rövidítéssel RHIC) tevődött át. A RHIC gyorsítónál 2002-ben aranyatommag-nyalábokat ütköztettek arany-nyalábokkal, az itt elért ütközési energia tízszer nagyobb volt, mint korábban a CERN-ben az SPS-nél. Ezekben az ütközésekben néhány pillanatra a Nap felszíni hőmérsékletét 300 milliószor meghaladó hőmérséklet lép fel. Szemléletesen úgy képzelhető el a jelenség, hogy az aranyatommagok, sőt az atommag alkotórészei, a protonok és neutronok "szétolvadnak", az így szabaddá váló kvarkok és gluonok sűrű "részecskelevest" alkotnak, ami maga a kvark-gluon plazma. A kísérleti megfigyelések alapján fogalmazták meg a következtetést: az arany-arany ütközésekben megfigyelt részecskeloszlások éppen olyanok voltak, mint amilyenekre az elméleti fizikusok a kvark-gluon-plazma keletkezése esetén számítanak.

Az ALICE detektor. A várakozások szerint ez a berendezés fogja észlelni a kvark-glüon-plazmát

A RHIC gyorsítónál három, egymástól alaposan eltérő detektorrendszerrel rögzítik a folyamatok jellemzőit. A PHENIX kísérlet szerzői között 10 magyar kutató nevét találjuk, ők a PHENIX-Magyarország együttműködés keretében vesznek részt a kutatásokban. A PHENIX-Magyarország együttműködés a KFKI RMKI szervezésében és koordinálásával, az RMKI, az Eötvös Loránd Tudományegyetem és a Debreceni Egyetem részvételével jött létre.

Tökéletesen folyó ősanyag

A Bookhavenben dolgozó kutatók 2005-ben adtak hírt arról, hogy az anyag legelemibb összetevőire vonatkozó kísérleti adataik meglepő eredményt hoztak: a kvarkokból és gluonokból álló forró és sűrű anyagállapot nem gázként viselkedik, mint ahogy várták, hanem folyadékra emlékeztető tulajdonságai vannak. Korábban egyértelműen úgy vélték, hogy a szabaddá vált kvarkok és gluonok úgy viselkednek, mint az ideális gáz részecskéi. Ezzel szemben ideális folyadékként látszanak viselkedni. Az ideális folyadékban nagyon kicsi a súrlódás, a folyadékrészecskék közt erős a kölcsönhatás, ezért gyorsan termikus egyensúlyba kerülnek. A részecskék mozgása egy halrajéra emlékeztet, amelyben a halak szinte egyetlen élőlényként változtatnak irányt, amikor környezetük változásaihoz alkalmazkodnak.

A kutatók még ekkor sem mondták ki, hogy már sikerült kvark-gluon-plazmát létrehozniuk, csak hogy elérték azt az energiasűrűséget, amely a számítások szerint a kvark-gluon-plazma létrehozásához szükséges. Lehet, hogy az anyag ezen új állapota valóban a kvark-gluon-plazma egy formája, csak éppen nem olyan, mint amilyennek elképzeltük.

A további kísérletek során kiderült, hogy a jelenleg ismert legmagasabb hőmérsékleten (2 terakelvin felett) a kvarkfolyadék legalább négyszer tökéletesebben folyik, mint az addig "legszuperfolyékonyabbnak" ismert anyag, az ultrahideg, 4 kelvin alatti hőmérsékletű hélium.

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 LCH-ben végre biztosan elkészülhet a kvarkleves

Eddig tehát sem a CERN-ben, sem Brookhavenben nem sikerült a keresett kvark-gluon-plazmát egyértelműen megfigyelni. Az LHC-hoz tervezett négy nagy kísérlet egyike, az ALICE remélhetően tisztázza a nyitott kérdéseket. Az ólom-ólom ütközésben az Ősrobbanás óta először koncentrálódik közel 1,2 petalelektronvolt energia.

Ennél a kísérletnél is hatalmas mennyiségben keletkezik majd feldolgozásra váró információ. Az adatgyűjtő rendszer egyik kulcseleme, a detektorok és a számítógépek között közvetlen kapcsolatot létesítő digital-data-link (DDL) magyar fejlesztés, az alapkoncepciótól a hardvergyártásig mindent az RMKI munkatársai készítettek el.

Az ALICE kísérletben 28 ország 94 intézményének ezernél is több kutatója dolgozik együtt. Az ALICE detektor 26 méter hosszú, 16 m magas és 16 m széles, súlya tízezer tonna.

Az ALICE szívében

Az ólomionok gyorsítása - a protongyorsításhoz hasonlóan - többlépéses folyamat lesz a CERN-ben. 550 Celsius-fokon elpárologtatják az ólmot, majd elektromos árammal megfosztják az atomokat néhány (maximum 27) elektronjuktól. (Az ólom rendszáma 82, tehát atommagjában 82 proton található, az elektronfelhőben pedig 82 elektron.) Az ionokat 4,3 MeV/u energiára gyorsítják fel, majd egy szénfólián repülnek keresztül és újabb elektronokat veszítenek. (MeV/u: 1 nukleonra eső energia megaelektronvoltban, nukleonok: a protonok és neutronok az atommagban).

Az 54 pozitív töltéssel bíró ionokat ezután összegyűjtik, és a kisenergiájú iongyűrűben (LEIR) tovább gyorsítják őket. Az innen 5,9 GeV/u energiával kilépő ólomionok ezután egy újabb fólián áthaladva elveszítik maradék elektronjaikat is, és 82 pozitív töltéssel kerülnek át a szuper-proton-szinkrotronba (SPS). Az SPS 177 GeV/u energiával adja át az ionokat az LHC-nak, abban érik el az ólom ionok 2,76 TeV/u energiájukat.

Az ólom-ólom ütközésekben keresett kvark-gluon-plazma létrehozása, tulajdonságainak részletes vizsgálata az anyagszerkezet legmélyebb rétegeit tárja fel, és egyúttal a Világegyetem őstörténetének kezdetéről is hírt ad. Az LHC kísérletei végre egyértelműen bebizonyíthatják, hogy a szabad kvarkok valóban létezhettek az Ősrobbanás utáni rövid időszakban, alátámaszthatják a korábbi, hasonló kíséretek eredményeit, és új ismereteket nyújthatnak a kvark-gluon plazmáról. A kutatásban jelentős számban vesznek részt magyar fizikusok, kísérletiek és elméletiek egyaránt.

Következik: Hova tűnt az antianyag?