Indul a legnagyobb részecskegyorsító - 8. rész: Biztonság égen és földön

Sokan tartanak attól, hogy a nagy hadron ütköztető, az LHC minden eddiginél nagyobb energiájú laboratóriumi kísérleteiben olyan fizikai folyamatok indulhatnak be, olyan részecskék jelenhetnek meg, amelyek veszélyesek környezetükre, ránk. Egy másfajta, sokkal valósabb problémát jelenthetnek az LHC informatikai rendszerei elleni támadások - legutóbb az egyik legfontosabb detektor kapcsán próbálkozott egy görög hackercsoport, de csak az előszobáig jutott.

Mint arról szeptember 10-én beszámoltunk, "bekapcsolták" a nagy hadron ütköztetőt, a világ legnagyobb részecskegyorsítóját a Genf melletti nemzetközi kutatóközpontban, a CERN-ben. Az első protonnyalábokat óvatosan, lépésről-lépésre vezették körbe a két gyorsítógyűrűben. Az üzembe helyezésnek egy fontos szakasza ezzel sikerrel lezárult. A következő hetekben-hónapokban a rendszer pontos beállítása és a részecskenyalábok gyorsítása zajlik, hogy aztán végre megkezdődhessenek a fizika alapvető kérdéseire válaszokkal kecsegtető ütközések. Képes helyszíni beszámolónkat itt olvashatja el.

Az LHC-vel végzett megfigyelésekből az Univerzum kialakulásának és az anyag szerkezetének soha nem látott titkaira derülhet fény. Rovatunk cikksorozatot indított a témában, amelynek 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, a harmadik részben az LHC lenyűgöző technikai jellemzőit mutattuk be. A negyedik részben a kvark-gluon-plazmával, az Univerzum ősanyagával foglalkoztunk, amelyet a várakozások szerint "elkészítenek" majd végre a CERN-ben. Az ötödik részben arra kerestük a választ, hogy miért csak anyag van a Világegyetem eddig általunk megismert részében, hová lett az antianyag, illetve miért létezhet egyáltalán az anyag - az LHC ezek megválaszolásához is közelebb vihet bennünket. A hatodik részben egy kulcsfontosságú részecskével, a Higgs-bozonnal ismerkedhettek meg - amelynek megtalálása az LHC legfontosabb feladata -, majd a Standard Modellen túli részecskefizikai elméletekről olvashattak, amelyek első kísérleti alátámasztása is most először várható. Az alábbiakban néhány biztonsági szempontot vizsgálunk meg.

Mindent elnyelő vákuumbuborékok

Kezdjük az egyik "legvadabb" elgondolással. Egyes elméleti fizikusok feltételezik, hogy a Világegyetem nem teljesen stabil, a vákuumhoz közeli állapot nem a legalacsonyabb energiaállapota - ezért egy alacsonyabb energiállapotba mehet át. Egyesek attól tartanak, hogy a nagyenergiájú részecskeütközések olyan "vákuumbuborékokat" hozhatnak létre, amelyben megvalósul az alacsonyabb energiaállapot. A buborékok aztán fokozatosan tágulnak, és fokozatosan elnyelik a Földet, majd az egész Világegyetemet. Mindenestre ez az elmúlt 15 milliárd évben nem következett be. Ha ez a feltételezés helyes lenne, akkor a kozmikus sugárzás sokkal nagyobb energiájú ütközéseiben már régen megvalósult volna.

A kozmikus sugárzásban az LHC-ben elérhető energiánál akár százezerszer nagyobb energiájú részecskék is megjelennek. Ezek kevesen vannak ugyan, de milliárd évek óta zajlanak a Világegyetemben az őket létrehozó a folyamatok, tehát ha lenne bármiféle, a világot fenyegető pusztító hatás, akkor az már jelentkezett volna. A számítások szerint a Földet kialakulása óta 3x10²² darab 10¹⁷ elektronvoltnál (10⁵ TeV) nagyobb energiájú részecske bombázta, és a részecskék számát figyelembe véve a természet mintegy százezerszer hajtotta végre az LHC teljes programját.

Mágneses monopólusok: részecskék lebomlása

Furcsa részecskék a mágneses monopólusok (egypólusok). A fizikusok meg vannak győződve létezésükről, mégsem találják őket. Az elektromos töltés kétféle: pozitív vagy negatív. Mágneses töltés, mágneses pólus is kétféle van, északi és déli, de az elektromos töltéssel ellentétben a mágneses töltések nem válnak szét, nem választhatók szét. A kettétört mágnesrúdból nem lesz egy külön északi és egy külön déli mágnességű rúd, a két rúddarab is kétpólusú lesz. A hétköznapokban nem találkozunk mágneses egypólussal. A modern fizikai elméletek szerint viszont létezniük kell a monopólusoknak: ez több, egyébként sokszorosan igazolt elmélet teljességéhez elengedhetetlen. A monopólusok létének kizárása a mai elméletek teljes elvetését, egy más alapokon nyugvó új fizika kidolgozásának szükségességét hozná magával.

Paul A. M. Dirac, a 20. század egyik legnagyobb elméleti fizikusa 1931-ben mutatta ki, hogy az elektromos töltés csak akkor lehet kvantált, ha létezik legalább egy mágneses monopólus. Az elektromos töltés valóban nem vesz fel tetszőleges értékeket, hanem kvantált, nagysága mindig egy legkisebb egység egészszámú többszöröse. Dirac egyenlete nem adja meg egyértelműen a mágneses töltés nagyságát, de a mágneses töltés nagysága minimum az elektromos töltés 68,5-szeresének adódik.

Az 1970-es évek közepén ismerték fel, hogy a három alapvető kölcsönhatás egyesítése, az ún. nagy egyesítés során az elméletben megjelenik a mágneses monopólus. Az elektrogyenge (egyesített elektromágneses és gyenge) és az erős kölcsönhatás egységesítésére végzett számítások egy kb. 10 billió - 1000 billió (10¹³ - 10¹⁵) teraelektronvolt (TeV) tömegű mágneses monopólus feltételezésére vezettek. Ekkora energiát részecskegyorsítóval elképzelhetetlen létrehozni, tehát kár a hatalmas tömegű monopólus laboratóriumi létrehozásával próbálkozni. A helyzet mégsem teljesen reménytelen, mert vannak olyan megalapozott elméleti számítások is, amelyek sokkal kisebb, mindössze 10 teraelektronvolt körüli tömeggel bíró mágneses monopólusokat jósolnak. Ennek az energiatartománynak hamarosan a közelébe juthatunk az LHC-nál.

Laboratóriumi vizsgálati lehetőségek híján a kutatók a természetben kezdték keresni a mágneses monopólusokat, de hiába: eddig egyetlen monopólust sem találtak. Bunster és Henneaux nemrég közzétett elmélete szerint a mágneses monopólusokat a fekete lyukak szippantották magukba. Számításaik szerint a fekete lyuk eseményhorizontján túljutott mágneses monopólus spinje (perdülete) hagyományos mechanikai mozgássá alakul át, ez készteti forgásra a fekete lyukakat. A kutatók örömmel fedezték fel, hogy számításaik egyidejűleg két fontos problémára adtak választ, megtalálták a monopólusok búvóhelyét és magyarázatot adtak a fekete lyukak forgására.

A mágneses monopólusok megjelenésétől azért tartanak néhányan, mert a nagy egyesítési elmélet egyes változatai szerint a mágneses monopólusok katalizálhatják az atommagot alkotó nukleonok, a protonok és elektronok bomlását. A bomlás során elektronok, pozitronok és később elbomló mezonok lépnek ki, a bomlást jelentős mennyiségű energia felszabadulása kíséri. A monopólusok lassan elfogyasztanák a protonokat és a neutronokat, megszűnnének az atommagok, teljesen átalakulna a világ. Ha lenne ilyen folyamat, akkor ennek is jelentkeznie kellett volna a kozmikus sugárzásban, de ennek nincs nyoma, amit a csillagok, bolygók puszta létezése is igazol.

Apró fekete lyukak

Csináljunk fekete lyukakat! - javasolta a témakör két világhírű szakértője, Bernard J. Carr (Queen Mary College, Londoni Egyetem) és Steven B. Giddings (Kaliforniai Egyetem, Santa Barbara) a Scientific American hasábjain. Természetesen nem nagy, csillagokat elnyelő fekete lyukakra gondoltak, hanem parányiakra. A parányok előállítása is hatalmas berendezéseket, óriási részecskegyorsítókat igényel, tehát otthon továbbra sem kísérletezhetünk fekete lyukak gyártásával. A világ legnagyobb energiájú részecskegyorsítójánál, a nagy hadron ütköztetőnél viszont már születhetnek apró fekete lyukak, de csak akkor, ha a tér nem háromdimenziós, hanem több dimenziója van. Erre viszont egyelőre nincs bizonyíték. Ha az LHC detektorai fekete lyuk megjelenését észlelik, akkor joggal gondolhatjuk, hogy sokdimenziós a tér.

A szerzők alapos elemzése megnyugtató következtetéssel zárul: nem kell tartanunk a megjelenő parányi fekete lyukaktól. Nem kezdik el magukba olvasztani környezetük anyagát, hanem azonnal elpárolognak, rengeteg részecskét szétsugározva megszűnnek léteznie. Megfigyelésük, születésük és haláluk egy új fizika kezdetét jelentené.

Az LHC-ban kb. 7 teraelektronvolt energiára gyorsítják fel majd a protonokat, ez az energia 10^-23 kg tömegnek, a proton nyugalmi tömege 7000-szeresének felel meg. A 10^-23 kg tömeg azonban nagyon messze esik a hagyományos gravitációelmélet szerint elképzelhető lehető legkisebb fekete lyuk 10^-8 kg tömegétől. Ha a világ a hagyományos gravitációelmélet szerint működik, akkor nincs remény arra, hogy fekete lyukkal találkozzunk a részecskeütközéseknél. Legalább 15 nagyságrenddel nagyobb részecskeenergiára lenne szükség. Ennek megvalósítása viszont elképzelhetetlen.

Húrelmélet 9 dimenzióval

Ha tehát a részecskeütközésekben megjelennek a fekete lyukak, akkor bizonyítják a tér rejtett dimenzióinak a létezését. A fizika egyik területe lezárul, de megjelenik egy feltárandó izgalmas új világ, az extra dimenziók világa. A fizikusok régóta fáradoznak a gravitáció és a kvantumelmélet összeillesztésén, a gravitáció kvantumelméletének kidolgozásán. Az egyik legígéretesebb megoldás, a húrelmélet háromnál több térdimenzióval számol. A többi kölcsönhatástól eltérően a gravitáció ezekbe az extra dimenziókba is behatol, és rövid távon rendkívül erősre nőhet. A részletes számítások szerint már az LHC-ban is létrejöhetnek fekete lyukak, ha valóban 9-dimenziós a tér. Az elmélet híveinek legoptimistább becslései szerint másodpercenként 1 fekete lyuk keletkezhet a részecskeütközésben.

Évi száz fekete lyuk a Földön

Szabad-e ilyen merész kísérletbe kezdeni? - kérdezik sokan aggódva. Közismert, hogy a nagy fekete lyukak akár egész csillagokat képesek elnyelni, magukba olvasztani. Hátha a parányi fekete lyukak is elnyelik környezetüket, és fokról-fokra akár egész bolygónkat? A kutatók biztosan abban, hogy a mikroszkopikus fekete lyukak nem lehetnek stabilak, ezt lehetetlenné teszik a kvantumfizika sokszorosan beigazolódott törvényei. A parányi fekete lyukak tehát - ha keletkeznek is - gyorsan elbomlanak. A megfigyelések is ezt igazolják. A természetben is zajlanak nagyenergiájú részecskeütközések, ezekben is keletkezhetnek fekete lyukak. Becslések szerint a 10⁹ teraelektronvolt energiájú kozmikus részecskék s légkörbe érve évente mintegy 100 fekete lyukat hozhatnak létre a Földön. Ha tehát születnek is fekete lyukak a fejünk felett, akkor ezek ártalmatlannak bizonyulnak.

Veszélyes furcsaságok

Az LHC-ban nemcsak proton-proton, hanem ólom-ólom ütközéseket is létrehoznak. Ezekben a kísérletekben az Ősrobbanás után létezett forró állapotot, a kvark-gluon-plazmát szeretnék létrehozni és tanulmányozni (részletesen lásd cikksorozatunk korábbi részében). A normál anyag, a protonok és a neutronok kétféle kvarkból épülnek fel, az up (fel) és a down (le) kvarkból. A nagyenergiájú részecskeütközésekben a többi négy, nehezebb kvark is megjelenik, ilyen például az antianyag-kutatás egyik főszereplője, a B-mezon, amely a bottom vagy beauty (alsó vagy szépség) kvarkot tartalmazza. Más részecskékben a strange (ritka, különös) kvark jelenik meg. Ezek a részecskék rendszerint a másodperc milliárdod része alatt vagy még gyorsabban elbomlanak.

Feltételezések szerint létezhet olyan kvarkanyag, amely egyenlő mennyiségben tartalmaz up, down és strange kvarkokat. Az ilyen kvarkanyag kis darabkái a strangelet nevet kapták. Az elméleti számítások többsége szerint a strangeletek gyorsan elbomlanak, ha egyáltalán léteznek: maximum nanoszekundumos élettartamúak. Más számítások szerint a strangelet bizonyos körülmények között stabil lehet. További merész feltételezések szerint a strangelet-anyag összeolvad a normál anyaggal, és átalakítja azt: a normál anyagból is strangelet lesz, így a strangelet addig nő, míg mindent átalakít...

Ellenőrző számítások szerint - a kísérleti körülmények eltérései miatt a - brookhaveni relativisztikus nehézion ütköztetőben, az RHIC-gyorsítónál nagyobb számban keletkeznének strangeletek, mint az LHC-ban. A RHIC-nél évek óta vizsgálnak arany-arany ütközéseket, de nem észleltek strangeletet. Ha ott nem volt, akkor az LHC-nál sem várható megjelenésük. Az évmilliárdok alatt a Hold felszínébe ütköző kozmikus nehéz ionoknak is strangelet-anyagot kellett volna létrehozniuk, ha az elmélet helyes lenne.

Néhány éve furcsa égitestet fedezett fel a Chandra-űrteleszkóp. Az égi objektum átmérője mindössze 11,3 kilométer, sugárzása pedig egy kb. 700 ezer fokos test sugárzásának felel meg. Ezek az adatok azt mutatják, hogy nem lehet neutroncsillag, hanem csak valami még furcsább, még sűrűbb képződmény. Többen feltételezik, hogy tisztán kvarkokból, vagy a nagyenergiájú ütközésekben megismert más, szabad állapotban rövid életű részecskékből álló test. Számítások szerint a "fel" és a "le" kvark a "ritka" kvarkkal együtt új, stabil anyagformát hozhat létre. Lehet, hogy a csillag ebből a különleges kvarkanyagból áll.