Éledezik a nagy hadronütköztető - új fizikát kaphatunk karácsonyra

Az elmúlt hónapokban a CERN mérnökei sziszifuszi munkával, centiméterről centiméterre haladva számolták fel a tavalyi meghibásodás következményeit, így a világ legnagyobb részecskegyorsítója rövidesen készen áll arra, hogy ismét üzembe helyezzék. A javítási munkálatokról és a várható menetrendről csütörtökön tartottak tájékoztatót.

Rolf Heuer, a CERN főigazgatója július 2-án délutánra intézeti ülést hívott össze, ahol Steve Myers, a nagy hadronütköztető (Large Hadron Collider, LHC) vezető fizikusa beszámolt az LHC 3-4-es szektorának (ahol a tavalyi meghibásodás történt) javításáról, a többi szektor átvizsgálásáról és a gyorsító üzembe helyezésének, a kísérletek megkezdésének tervezett menetrendjéről. Lévai Pétert, a magyar ALICE-csoport vezetőjét, az MTA KFKI Részecske és Magfizikai Kutatóintézet tudományos tanácsadóját kérdeztük az elhangzottakról.

58 kilométernyi cső tisztítása centiméterenként

Mint emlékezetes, 2008. szeptember 19-én, mindössze 9 nappal az első sikeres nyalábpróbák után súlyos meghibásodás történt az LHC 3-4-es szektorában: egy hibás elektromos csatlakozás miatt több tonna hélium került ki a rendszerből, és számos mágnes megrongálódott, elszennyeződött.

A károk javításának egyik fontos szakasza idén április 30-án fejeződött be: a 3-4-es szektorban 39 dipól- és 14 kvadrupólmágnest újrainstalláltak. Ezután átvizsgálták az összes elektromos csatlakozót és 13 000 amper áramerősségre tesztelték őket.

Kitisztították azt a nyalábcsatornát, amelyik a meghibásodás során szigetelőanyag-maradványokkal szennyeződött. Ez a munka a 3-4-es szektor 78%-át érintette (ez 2,4 km, a teljes nyalábcsőnek közel 10%-a). Összességében 58 kilométernyi vákuumcsövet takarítottak ki centiméterről centiméterre, majd bevizsgálták és újra vákuum alá hozták őket.

Új biztonsági berendezéseket telepítettek, hogy egy hasonló esetben a hélium ellenőrzött körülmények között tudjon távozni, és ne keletkezzenek hasonló károk. Megerősítették a gyorsító rögzítéseit is.

Az utolsó javítási munkát június 23-án fejezték be a 3-4-es szektorban, és a napokban lezárták a többi, más szakaszokon lévő munkaállomást is, a gyorsító készen áll a tesztek megkezdésére.

Az utolsó mágnes behelyezése 2009- április 30-án

A gyorsítókomplexum felépítése

A 27 kilométer kerületű gyorsítókomplexumot szektorokra osztották, egy szektor 3,3 km hosszú. Egy szektoron belül 107 méter hosszú elemi cellák ismétlődnek az ív mentén. Minden cellában van egy vízszintesen fókuszáló kvadrupólmágnes, három dipólmágnes, majd egy függőlegesen fókuszáló kvadrupól és három újabb dipól. A mágneseket héliummal hűtik, normál üzemben a szuperfolyékony hélium 1,9 kelvin hőmérsékletet biztosít, a nyomás 0,13 megapascal. A lehűtött mágneseket "hideg tömegnek" nevezik. A szomszédos hideg tömegek elektromos és hidraulikus kapcsolatban állnak egymással. Az elemi cellához az egyik kvadrupólmágnesnél csatlakozik a hűtőrendszer. Két egymás melletti cella képez egy vákuum-alszektort, ezeknek közös a vákuumszigetelő rendszere. A szomszédos alszektorok vákuumrendszerét "vákuumkorlátok" választják el egymástól.

Kezdődhetnek a tesztek

Az üzemi hőmérsékletet jelentő 1,9 kelvinről (mínusz 271 Celsius-fok) egyes szektor-részeket szobahőmérsékletre fognak melegíteni (körülbelül 300 K), hogy ellenőrizzék, megbízhatóak-e a korábban alacsony hőmérsékleten (80 K körül) elvégzett tesztek. A felmelegítés a működés szempontjából kritikus helyeket érinti.

Ezt követően indulhatnak újra a nyalábpróbák. Ennek során a közel fénysebességgel haladó protoncsomagokat egyszerre csak egy irányban vezetik körbe a gyorsítócsövekben, és a mérnökök ekkor végzik a nyalábok kalibrációját, fókuszálási próbáit.

A nyalábkalibráció októberig tart majd, de a tervek szerint augusztus 17-én a fizikusoknak is megkezdődik a munka: bekapcsolják a detektorokat. Ütköztetések még nem lesznek, ezért egyelőre csak a kozmikus sugárzások észlelésével tesztelik a berendezéseket.

Késő ősszel jöhetnek az első ütköztetések

A meghibásodás előtt körülbelül eddig az állapotig jutottak el: 2008. szeptember 10-én mindkét irányban sikeresen körbevezették a proton-nyalábokat ("bekapcsolták az LHC-t"), és októberre tervezték az első ütköztetéseket, tehát azt a folyamatot, amelynek során a két, egymással szemben haladó nyaláb a detektorok szívében ütközik.

Ha minden a tervek szerint alakul, körülbelül egy évvel később megkezdődhet a munka: október-novemberben 450 GeV-os (lásd a keretes írásban) nyalábokat ütköztetnek, tehát 900 GeV-os ütközések lesznek; ezzel tesztelik a gyorsító alapfokozatát és a detektorokat.

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)

Új fizika kezdete karácsonyra

Amennyiben a 900 GeV-os ütközések sikeresek lesznek, még az idén, decemberben sokkal nagyobb energiájú ütköztetések lesznek: 4 TeV-os nyalábokkal 8 TeV-os eseményeket próbálnak létrehozni. "Ez már új fizika lesz, ilyen energián még soha nem történtek ütköztetések. A jelenlegi csúcstartó, az amerikai Fermilab 1.96 TeV-os ütközéseket végez" - mondja Lévai Péter.

Mindez elegendő lesz arra, hogy a gyorsítót kiismerjék, lemérjenek bizonyos fizikai jelenségeket és megalapozzák a további kísérleteket. Várhatóan csak jövő tavasszal állnak le egy nagyobb karbantartásra, és utána már a tervezett maximális energiát, a 14 TeV-os ütköztetést célozzák meg, 7 TeV-os, "csúcsra járatott" nyalábokkal.

Egy ütközés során keletkező részecskék szimulált képe

A fentiek egyébként mind proton-proton ütközésekre vonatkoznak, de elképzelhető, hogy még a tavaszi leállás előtt 4 TeV-os nehézion-ütköztetések is lesznek - ez 20-szor nagyobb érték a jelenlegi csúcstartó, az RHIC energiájánál.

Az első tudományos eredmények a detektorokban rögzített adatok több hónapon át tartó elemzése után, a jövő év második felében várhatók - ekkor már kiderülhet, valóban új fizika körvonalazódik-e a világ legnagyobb részecskegyorsítójában.

Válaszokat várnak a világ nagy kérdéseire

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.

Jéki László (1942-2009)

A fenti cikksorozat szerzője Jéki László, a fizikai tudomány kandidátusa, a tudományos ismeretterjesztés kiemelkedő személyisége, aki 2009. április 22-én, hosszú betegség után elhunyt.

"Elhatalmasodó betegségével élni akarását és azt a képességét szegezte szembe, hogy magát és betegségét mintegy természeti jelenségként, kívülről szemlélte. Betegségéről teljes nyíltsággal, de az önsajnálat vagy a szánalomkeltési szándék legkisebb jele nélkül beszélt. A hogylétére vonatkozó kérdésre az ismeretterjesztő munkáiból jól ismert, feszes, de a lényeget pontosan leíró választ adott, majd soha nem mulasztotta el jellegzetes, fanyar, mégis huncut mosolyával visszakérdezni: 'és uraságod hogy van?' Többé már ezt a kérdést sem teszi fel. Nagyon hiányzik és nagyon fog hiányozni. Emlékét megőrizzük." (Részlet a Fizikai Szemlében megjelent megemlékezésből)