Az elemi részecskék nyomába erednek az ELTE kutatói

Az LHC, a Nagy Hadron Ütköztető a világ legnagyobb méretű és legmagasabb energiájú részecskegyorsítója

Az Európai Nukleáris Kutatási Szervezet Nagy Hadronütköztetője a Higgs-bozon felfedezését követően idén minden eddiginél nagyobb energián indult újra. Az új mérésekben a Pásztor Gabriella által vezetett MTA-ELTE Lendület CMS Részecske- és Magfizikai Kutatócsoport is részt vesz.

Az ELTE Természettudományi Tanszék Fizikai Intézetének régi célja vált valóra, amikor a CMS Kísérlet Kollaborációs Tanácsa szeptemberi olaszországi ülésén elfogadta az ELTE kutatócsoportjának csatlakozási kérelmét - írja az ELTE sajtóközleménye.

Új részecskék felfedezése

A Európai Nukleáris Kutatási Szervezet (CERN) Nagy Hadronütköztetője (Large Hadron Collider, LHC) működésének első szakaszában, a Higgs-bozon felfedezésével új korszakot nyitott a részecskefizikában. Az LHC idén, kétéves fejlesztés után, minden eddiginél nagyobb energián indult újra. A gyorsító proton-nyalábjainak ütközésekor felszabaduló energiából új, eddig még sosem észlelt részecskék születhetnek, amelyek létezését számos elmélet jósolja. Ha így történik, immár az ELTE kutatói is részesei lehetnek a felfedezésnek.

A Pásztor Gabriella által vezetett MTA-ELTE Lendület CMS Részecske- és Magfizikai Kutatócsoport csatlakozását a CMS kísérlethez a 2015-ös MTA Lendület Program tette lehetővé, az LHC működésének egy különösen izgalmas szakaszában.

Az LHC

Az LHC egy 27 km kerületű gyorsítógyűrű a francia-svájci határon, Genf közelében, 100 méterrel a föld alatt, amely nemzetközi összefogással épült a CERN-ben, az európai részecskefizikai laboratóriumban. Az LHC proton és ólomion nyalábokat gyorsít közel fénysebességre, hogy a részecskék ütközésekor lejátszódó folyamatok vizsgálatával megfejthessük az elemi részecskék és kölcsönhatásaik titkait.

Az LHC, a Nagy Hadronütköztető a világ legnagyobb méretű és legmagasabb energiájú részecskegyorsítója Forrás: ELTE

A CMS (Kompakt Müon Szolenoid) kísérlet egyike az LHC két sokcélú detektorának. 12500 tonna tömege, 21,5 méter hossza és 15 méteres átmérője jól szemlélteti, milyen óriási berendezések szükségesek az elképzelhetetlenül pici részecskék tulajdonságainak tanulmányozására. A 100 millió elektronikus csatornán kiolvasott jelek segítségével következtethetnek a fizikusok a részecskeütközésekben lejátszódó folyamatok tulajdonságaira.

A Standard Modell nem ír le mindent

Az LHC már adatgyűjtésének első éveiben is úttörő eredményekkel járult hozzá a tudomány fejlődéséhez. A Higgs-bozon 2012-es kísérleti kimutatása, majdnem 50 évvel elméleti megjóslása után, kiteljesítette a részecskefizika Standard Modelljét, és bebizonyította az elemi részecskék tömegéért felelős mechanizmus létét, amelynek felfedezőit 2013-ban fizikai Nobel-díjjal ismerték el.

Bár a Standard Modell (SM) remekül leírja a nagyenergiás részecskegyorsító laboratóriumokban mért jelenségeket, több elméleti megfontolás és kísérleti megfigyelés is arra mutat, hogy nem a végső szó a részecskefizikában: lennie kell mögötte egy alapvetőbb elméletnek.

A hengeres alakú CMS detektor középpontjában ütköznek az LHC nagyenergiájú részecskenyalábjai. A kölcsönhatásban születő részecskék útjuk során elektronikus jeleket hoznak létre a detektor különböző rétegeiben. Ezekből rekonstruálják a fizikusok a lejátszódó elemi folyamatokat Forrás: ELTE

A nyitott problémák között van, hogy a SM nem írja le a gravitációt, nincs javaslata a világegyetemet kitöltő sötét anyag és sötét energia mibenlétére, nem szolgál magyarázattal az anyag–antianyag aszimmetriára vagy a neutrínók parányi, de nem nulla tömegére.

Ez lesz az ELTE kutatóinak feladata

Ezek és hasonló megfontolások vezettek el a Standard Modell különböző kiterjesztéseinek megszületéséhez. Ezek új szimmetriák, új kölcsönhatások vagy akár további térbeli dimenziók létezésének feltételezésével új részecskék létét jósolják, amelyek – ha tömegük az LHC gyorsító által elérhető tartományban van – felbukkanhatnak az elkövetkező években gyűjtendő proton–proton ütközési adatokban. Az ELTE CMS csoport ezen új részecskék keresését tűzte ki egyik fő céljául.

Az LHC 2015-ben majdnem duplájára emelt ütközési energiája új területeket nyit meg a kutatás előtt. Még ha az új részecskék túl nehéznek vagy túl ritkának bizonyulnak is a közvetlen észlelésre az LHC mostani adatfelvétele során, jelenlétükre következtethetünk a már ismert részecskék tanulmányozásával.

Ezért tervezik a kutatók a Higgs-bozon tulajdonságainak és az elektrogyenge kölcsönhatást közvetítő részecskék párkeltésének nagy pontosságú mérését is. A Standard Modell ellenőrzése azonban az esetleges új fizika felfedezésétől függetlenül is alapvető jelentőségű. A csoport programjának másik pólusa az erős nukleáris kölcsönhatást leíró kvantum-színdinamika kísérleti vizsgálata extrém körülmények között.

Egy Higgs-bozon keletkezési esemény képe a CMS detektorban. A keletkezett nehéz Higgs-részecske (tömege a proton tömegének mintegy 130-szorosa) azonnal elbomlik négy elektronra, amelyek energiájukat leadják a detektor anyagában. A leadott energiát a piros téglatestek jelképezik, míg a töltött részecskék nyomát a berendezés mágneses terében a sárga vonalak Forrás: ELTE

A mikrovilág és a világegyetem megismerése

Az LHC tudományos programja rendkívül sokszínű. A nagyenergiájú ólomionok ütközésekor egy forró és sűrű kvark-anyag, más néven kvark-gluon plazma keletkezik, amely az Ősrobbanás után néhány milliomod másodperccel létezett az Univerzumban. Így kapcsolódik össze a mikrovilág vizsgálata a világegyetem történetének megismerésével. A csoport célja az erősen kölcsönható kvarkanyag tulajdonságainak részletes jellemzése, miután az LHC korai adatai annak létezését már megerősítették.

Az LHC eddigi felfedezéseiben az ELTE-s kutatók még külföldi intézmények képviseletében vettek részt. A Lendület Program és az egyetem támogatásának köszönhetően munkájukat immár itthon folytathatják.