Világelső magyar eredmény a CERN-ből

A tavaly látványos sikerrel újraindított nagy hadronütköztető a világ legnagyobb részecskegyorsítója. Ennek működésére épül a világ egyik legnagyobb tudományos együttműködése, a CMS-kísérlet. Már csak ezért is büszkék lehetünk arra, hogy az első, a CMS-hez és a "világrekord energiához" kapcsolódó tudományos cikk döntően magyar kutatók eredményei alapján jelenik meg a szaksajtóban.

2009. november-decemberében "nagy menetelés" zajlott az európai részecskefizikai kutatóközpontban, a Genf mellett lévő CERN-ben. A nagy hadronütköztetőt (Large Hadron Collider, LHC) zökkenőmentesen és a vártnál jóval gyorsabban sikerült üzembe helyezni, és a szokásos karácsonyi szünet előtt több világrekord is született a gyorsítóban. Ezek egyike volt az, amikor Európa elhódította az Egyesült Államoktól a legnagyobb energiájú részecskeütközéseket, elérve a 2,36 teraelektronvoltos értéket (a mértékegységet lásd lenti keretes írásunkban).

Demokratikus detektor

Sokan mondták, hogy ez a teljesítmény csak a nagyközönségnek és a sajtónak szólt, hiszen az új világcsúcs alig haladta meg az amerikai teljesítményt. Mindenki, maga a CERN is hangsúlyozta, hogy a komolyabb ütközések és ezáltal az új fizikai eredmények csak 2010-től várhatók. Ez jobbára így is van, de néhány magyar kutató számára éppen a korai tesztkörülmények voltak ideálisak méréseik elvégzéséhez. Az eredmény: az első cikk a világrekord 2,36 TeV-es energián, és egy meglepő felismerés.

"A CMS egy demokratikus együttműködés. Miután a saját kísérleti csoportunk ellenőrző bizottsága jóváhagyta a cikket, a CMS-nél dolgozó összes kollégának el kellett küldenünk, hogy kommentálhassák. Ez körülbelül 2500 embert jelent. Majd miután elfogadták válaszainkat, újra megkapta az összes szakember" - mondja Siklér Ferenc, a KFKI RMKI kísérleti részecskefizikusa, a cikk egyik vezető szerzője.

Ezek után nem csoda, hogy bár a cikk már december 12-én elkészült, csak a napokban kerül fel végleges formájában a világhálóra (csütörtöktől a http://arxiv.org/abs/1002.0621 címen lesz látható), és amelyet Journal of High Energy Physics című rangos fizikai szaklap fog közölni.

Több részecske keletkezik, mint ahogy a modellek jósolták

A magyar nyelvű CERN-blogon Lévai Péter fizikus (KFKI RMKI) már korábban írt arról, hogy az ALICE kísérlet (egy másik az LHC négy nagy detektorrendszere közül) jelentette meg az első LHC-cikket. Ebben arról számolnak be, hogy a gyorsító tesztelési fázisában zajlott ütközésekből becsléseket végeztek az ütközésekben keletkezett részecskék számára. Az LHC egy ütközőnyalábos gyorsító, amelyben a szemben haladó, felgyorsított részecskék egy része összeütközik, és az ekkor létrejövő részecskék jellemzőinek elemzéséből következtetnek arra, milyen állapotok álltak fenn az ütközés pillanatában - ebből pedig új fizikai eredmények sokaságát remélik az anyag szerkezetéről, az Univerzum korai fejlődéséről.

A mostani, CMS-cikk eredményei sokkal több ütközési eseményen alapulnak (körülbelül 40 ezer a korábbi néhány százzal szemben), és nemcsak a korábbi 0,9 TeV-en, hanem a már említett 2,36 TeV-en is vannak adatok. Ez azért lényeges előrelépés, mert viszonylag pontosan, mindössze 1-2 százaléknyi hibahatárral megmérhető, hogy a nagyobb ütközési energián mennyivel nő az ütközésben keletkező részecskék száma (a kisebb energián jellemző értékhez képest).

A mérést három független módon végezték, ezek közül kettőt magyarok javasoltak és dolgoztak ki. Az egymást megerősítő adatok meglepték a szakembereket. "A két energiaszint között 28%-kal több részecske keletkezett, ehhez képest az elméleti modellek 18-, illetve 15%-ot jósoltak. Vagyis a keltett részecskék száma az energia függvényében meredekebb, mint azt eddig gondoltuk. Ez egy nagyon fontos, alapvető mérés, amely megalapozza a későbbi méréseket is. Valószínű, hogy nagyobb energiákon is több részecske fog keletkezni, mint ahogy a modellek alapján várjuk" - mondja Siklér Ferenc, az egyik mérési módszer kidolgozója.

Nehezebb lesz szétválogatni az eseményeket

"Ha több részecske keletkezik, nehezebb lesz szétválasztani az egyes ütközési eseményeket. Ha az LHC teljes kapacitással megy majd, akkor másodpercenként 20-25 proton-proton ütközés is történik, és ezek lesznek egymásra fényképezve. Az új eredmények alapján a háttér sokkal több részecskét tartalmaz majd, így nehezebb dolgunk lesz a kiértékelésnél. Át kell gondolni a szoftveres szimulációkat is. A hardvert nem kell és nem is lehet már módosítani, talán a következő gyorsítónál" - mondja Veres Gábor, az ELTE Atomfizikai Tanszékének kutatója, a CERN kutatói ösztöndíjasa, a cikk másik vezető szerzője, a másik mérési módszer kidolgozója.

"Ha szükséges, a CMS-nél fel tudják pörgetni az adatgyűjtő rendszert. Van még egy szint, a hardver és szoftver között: a detektoron lévő adatgyűjtő chipeket külön kell programozni, ezeket lehet finomítani" - mondja Krajczár Krisztián, az ELTE Atomfizikai Tanszékének doktorandusza, aki a két magyar mérési módszer számításaiban vállalt oroszlánrészt.

Mire költ többet a természet?

Miért érdekes, hogy hány részecske keletkezik? A keletkező részecskék száma nem egyenesen arányos az energiával. Nagy kérdés, hogy "mire használja" a természet az ütközésbe táplált energiát? Arra, hogy a vákuumból sok részecske keletkezzen, vagy arra, hogy kevesebb, de nagy sebességű részecske szülessen? A mostani kísérlet alapján a természet a vártnál több energiát használ a részecskék számának növelésére, de egyelőre nem tudjuk, mi határozza meg a két dolog egyensúlyát.

Pedig ennek megválaszolása is alapvető fontosságú lenne ahhoz, hogy megismerjük a protonokat és neutronokat felépítő elemi részecskék, a kvarkok közötti kölcsönhatásokat. Ezzel a területtel az úgynevezett kvantumszín-dinamika (QCD, quantum chromodynamics) foglalkozik. A három magyar kutató a QCD-csoport tagja a CMS-kísérletnél. Ez a 10 fizikai csoport egyike, a csoportot 2009 decembere óta Siklér Ferenc vezeti, míg Veres Gábor az egyik alcsoport munkáját irányítja.

Ezen a kutatási területen (is) masszív magyar részvétel van tehát a CERN-ben, amely valóban a világ egyik vezető szellemi műhelye: azon kevés helyek egyike, ahol valóban csak a tudás számít. "Mi hárman négy-öt éve jöttünk ide, és semmi mást nem tudtunk hozni, csak a munkánk során szerzett tapasztalatokat. Persze, gyertek, csináljátok: ez volt a CERN, illetve a CMS együttműködés hozzáállása" - mondja Siklér Ferenc.

Siklérnek és kollégáinak azóta sikerült leraknia azoknak a módszereknek az alapjait, amelyek most ehhez az eredményhez vezettek, és a munka természetesen folytatódik. A segítségre valóban nem panaszkodhatnak: az egyik legjobb Egyesült Államokbeli kutatóintézet, az MIT (Massachusetts Institute of Technology) egy tízfős kutatócsoporttal és egy harmadik, független módszer kidolgozásával segített a magyaroknak.

A mérési módszerekről, az adatok feldolgozásáról és a kvantumszín-dinamikai összefüggésekről a CERN-blogon olvashatnak majd részletesebben.

* * *

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)

Illusztráció az LHC-ben haladó nyalábokról. Egy dipólmágnesbe "bepillantva" látható mindkét nyalábvezető cső, benne a protoncsomagokkal

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)