Mire jó a CERN, a részecskefizika gigászi boncasztala?

Vágólapra másolva!

Azután, hogy az egyik leggyorsabb Nobel-díjat hozta a Higgs-bozon három atyjának, már a második menetre melegít a világ legnagyobb részecskegyorsítója. Pontosabban hűt. Hatvan éves a CERN.

Szepesi András

Vágólapra másolva!

nagy hadronütköztető CERN születésnap részecskefizika Higgs-bozon

A CERN az Európai Nukleáris Kutatási Szervezet francia megfelelőjének rövidítése. A második világháború után alapította Louis de Broglie azzal a céllal, hogy a nukleáris kutatások békésebb utat kövessenek.

Genf mellett egyetlen nagy központ létrehozásával igyekezték összefogni az európai kutatásokat, és olyan mérőeszközöket alkotni, amelyre külön-külön nem lennének képesek. Mára a világ egyik legnagyobb kutatóintézetévé nőtte ki magát az egyik legrégebbi összeurópai intézmény, a Nagy Hadronütköztető (LHC) pedig soha nem látott részecskefizikának adott teret.

Hadron? Ütköztető?

Ugyan az atom szó eredetileg oszthatatlant jelent, a valóságban – többek között – a proton és a neutron is tovább szeletelhető úgynevezett szubatomikus részecskékre, kvarkokra és gluonokra. Ezeket az összetett részecskéket nevezzük hadronoknak. Az elektron és a foton viszont nem ilyen, azokat nem tudjuk tovább boncolni, legalábbis jelenlegi ismereteink szerint nem.

Ezzel foglalkozik a részecske-, más néven nagyenergiás fizika. A „Nagy” jelzőt azért érdemelte ki az LHC, mert a föld alatt száz méter mélyen felvő részecskegyorsító 27 km kerületű, a világ legnagyobb mérőeszköze. A CERN területén számos részecskegyorsító van, ezek zászlóshajója, az LHC. Általában protonnyalábok keringenek benne.

A protonok útja

Egy protonnak több állomáson keresztül vezet az útja, hogy végül bekerülhessen a Nagy Hadronütköztetőbe. Minden proton hidrogéngázként kezdi egy egyszerű palackban. Először egy elektromos erőtér lecsupaszítja róla az elektronokat. Egy hidrogénatom elektron nélkül pedig csak egy proton. A protonokat a Linac 2 kezdi gyorsítani, amely pont olyan, mint egy óriási képcsöves tévé, egyenes úton gyorsítja a töltött részecskéket.

Következik a már gyűrű alakú protonszinkrotron-erősítő. Ugyanúgy elektromos erőtér gyorsítja benne a részecskéket, csak épp folyamatosan kapcsolgatva. Úgy működik, mint egy hinta, a protonok folyamatosan kis lökéseket kapnak, így egyre gyorsabban keringenek.

A következő állomás a protonszinkrototron, majd a még nagyobb szuper protonszinkrotron. Ezek egyre nagyobb átmérőjű gyorsítók, melyek egyre nagyobb energiát biztosítanak a részecskéknek. A végső állomás az LHC 27 km-es gyűrűje, amelybe a majdnem fénysebességgel száguldozó protoncsomagok ellentétes irányba kerülnek be, hogy végül ütközhessenek. A feladathoz szükséges precizitás ahhoz hasonlítható, mintha tíz kilométer távolságból egymás felé lőnénk ki két varrótűt úgy, hogy félúton összeütközzenek.

Miért kell ezeket ütköztetni?

Ha meg akarjuk nézni, hogy működik egy ébresztőóra, megpróbálhatjuk a földhöz vágni. Darabjaira esik, így bepillantást nyerhetünk a belső szerkezetébe. Nem túl kifinomult módszer, de a részecskefizikában meglepően jól működik. Ott a helyzet viszont kevésbé egyértelmű: ha két ébresztőórát (részecskét) egymáshoz vágunk, lehet, hogy lesz belőle nyolc karóra, két alma és egy mikroszkopikus fekete lyuk.

Minél nagyobb az ütközés energiája (minél nagyobb sebességgel találkoznak az egymással szemben száguldó részecskék) annál nagyobb esély van arra, hogy felfedhetjük a részecskék egy ezidáig rejtett szerkezetét, találunk valami olyat, amelyet előtte sosem.

Mint a Higgs-bozont!

Pontosan. 2012-ben sikerült olyan nagy energiával ütköztetni egymással szemben protonnyalábokat, hogy azok találkozásakor nagy biztonsággal kijelenthették, hogy létrejött Higgs-részecske is. Ehhez viszont elképesztően nagy sebesség szükséges, a fénysebesség 99,9999991 százaléka.

Rolf Heuer, a CERN vezérigazgatója Forrás: CERN

Nem úgy volt, hogy a fénysebességet nem lehet elérni?

De igen, ezért fontos, hogy annak csupán 99,9999991 százalékával száguldottak a protonok. Jelenlegi ismereteink szerint a 299 792,458 km/s-os (vákuumbeli) fénysebességet egy nyugalmi tömeggel is rendelkező részecskének lehetetlen elérnie. A relativitáselmélet szerint, ha valami egyre gyorsabban megy, egyre nehezebb is lesz. Ha a fénysebesség közelében járunk, akkor a részecskegyorsítóba betáplált energia már főként a részecske tömegének növelésére fordítódik, nem pedig a sebességnövekedésre, vagyis a részecskéink inkább híznak, mint gyorsulnak.

A fénysebesség 100 százalékát végtelen nagy tömegű objektum érhetné el, de ehhez végtelen energiára lenne szükség, erre még a Nagy Hadronütköztető sem képes. A Nobel-díjas esemény 8 TeV-en jött létre, jövő év elején viszont a gyorsító eléri a tervezett 13 TeV-es energiát.

Lassuló idő

A fénysebesség közeli sebességek nem csak a proton tömegét növelik. Ilyen energiákon az idő is máshogy telik a részecske számára: több mint hétezerszer lassabban, mint nekünk, kívülállóknak. Ha ekkora sebességgel utaznánk el a tőlünk négy fényévnyire fekvő Proxima Centaurira, akkor a karóránk azt mutatná, hogy csupán öt óra telt el.

TeV?

Ha egyetlen nyugalmi állapotban lévő elektront 1 volt potenciálkülönbséggel gyorsítunk, annak egyetlen eV (elektronvolt) energiája lesz. A TeV a teraelektronvolt rövidítése, ez ezermilliárd elektronvoltot jelent. Egy TeV megfelel annyi energiának, amennyivel egy szúnyog repül. Ezzel minden egyes proton rendelkezik, a teljes sugár (ami néhány milliárd részecskéből áll) energiája pedig nagyjából annyi, mint egy átlagos, 300 tonnás vonat mozgási energiája, ha az 180 km/h-val száguld.

Látni a részecskéket?

Ahhoz, hogy észre is vehessük, mi történik egy ütközéskor, detektorokra is szükség van. Ezek a részecskegyorsító „mikroszkópjai”, amelyek figyelik az eseményeket. A Higgs-bozonokat a CMS, azaz a Compact Muon Solenoid és az ATLAS találta meg. A „kompakt” detektor 12 500 tonnát nyom, 21 méter hosszú és 16 méter átmérőjű.

Társa, az ATLAS szintén „általános célú” részecskedetektor. Az ALICE (A Large Ion Collider Experiment) legfőképp az erős kölcsönhatást és az úgynevezett kvark-gluon plazmát vizsgálja. Mindkét óriás detektor körbeveszi a gyorsítót, minden irányból próbálja „elkapni” a részecséket. Ezzel szemben az LHCb (Large Hadron Collider beauty) több aldetektorból áll, melyek azt kutatják, mi a különbség az anyag és az antianyag között. Ehhez a b, azaz bottom (vagy beauty) kvarkot vizsgálják.

Megvan a Higgs-részecske, munka elvégezve

Épp ellenkezőleg. Rengeteg kérdés maradt még, amelyre választ adhat az LHC és a CERN. A részecskegyorsítók a részecskefizika boncasztalai, elengedhetetlenek ahhoz, hogy megválaszoljunk olyan kérdéseket, hogy: miből épül fel az anyag? Miért ilyen gyenge a gravitáció? Hogyan lesz valaminek tömege? Milyen alapvető kölcsönhatások léteznek? Mi az a sötét anyag, sötét energia? Hol van a hiányzó antianyag? Hogyan keletkezett a Világegyetem?

A részecskefizika egyik legfontosabb elmélete, a Standard Modell lenne az Univerzum összeszerelési útmutatója, de egyelőre csak az ismert Világegyetem 4 százalékának létezésére tud választ adni.

Az nem sok

Nem, ezért van szükség a CERN-re és a további kutatásokra. Jövő tavasszal indul be újra az LHC, ekkor már teljes gőzzel, elérve a maximum 13 TeV-es energiát. A kísérleteken több mint száz országból több ezer kutató dolgozik továbbra is, köztük számos magyar.

Az utóbbi hónapokban zajlott születésnapi ceremónia igyekszik tovább erősíteni a döntéshozók, a kutatók és a nagyközönség közötti kapcsolatokat, és hirdetni a tudomány békés oldalát. Sok helyszínen, Párizsban, New Yorkban és természetesen a Nagy Hadronütköztetőnek is otthon adó Genfben ünnepel együtt a CERN és az ENSZ.

„Isteni” részecske

A fizikusok – és feltehetőleg a teológusok is – falra másznak az isteni részecske kifejezéstől. Ez először Leon M. Lederman egyik könyvében jelent meg, bár maga a szerző sosem írta le. Ő “istenverte részecskének” nevezte a Higgs-bozont, ezzel kifejezve frusztrációját, hogy 50 éve nem találják a megjósolt részecskét. A szerkesztő viszont ezt nem fogadta el, így leegyszerűsítette isteni részecskévé.