Anyagvilág - Háttérinformáció:

Kővágó Angéla

MAGYAROK A NAGY HADRONÜTKÖZTETŐNÉL -

Tartalomjegyzékhez Világképem     

Az Európai Nukleáris Kutatási Szervezet (CERN) nyílt napján, 2013. szeptember 28-án, egy erdélyi magyar lány, Judita Mamuzic fagyit mért a gyerekeknek Genfben. Hogyan készít jégkrémet a Nagy Hadronütköztető (LHC) ATLAS-kísérletében dolgozó részecskefizikus? Elég gyorsan. A joghurtba ugyanis folyékony nitrogént kevertek (-196 C°), így hűtőszekrény sem kellett, mégis szempillantás alatt mindenki megkapta az édességet.

A gyerekeknek többek között ezzel a kísérlettel magyarázták el, hogyan hozzák létre hűtéssel azt a Föld-bolygó erőterénél több, mint 100000-szer erősebb mágneses teret, ami az LHC-ben keringő protonnyalábokat körpályán tartja.

A túrógombóc-hadművelet

Részecskegyorsítója mindenkinek volt otthon, amíg nem terjedtek el a lapmonitorok. A képcsöves televíziók elektronok gyorsításával (kb. 10 KeV) vetítették elénk jó ötven éven át a nagyvilág híreit. Az elektronvolt akkora energia, amit egy elektrontöltésnyi részecske 1 Volt feszültségen felvesz. A CERN berendezései jóval nagyobb energián működnek, és jelenleg nem elektronok, hanem protonok keringenek a gyorsítógyűrűben. Mivel a sebességnövelést váltófeszültséggel érik el, igazából nem egy folyamatos nyaláb, hanem részecskecsomagok jönnek létre, amelyeket 1232 db, 14,3 méter hosszú, 8,4 T (Tesla) erősségű teret generáló szupravezető mágnes tart 27 km sugarú körpályán. Ez a Nagy Hadronütköztető. Csak a technikai fejlődés érzékeltetésének kedvéért érdemes felidézni az 1929-ben Ernest O. Lawrence által kifejlesztett első ciklotront, amely mindössze 12 cm-es átmérőjével, 80 KeV-en üzemelt és mai áron 150 euróba kerülne megépíteni. Az LHC 35 tonna súlyú mágnesei egyenként félmillió svájci frankot érnek, és a felújítás után 13 teraelektronvolt (TeV) feszültségen dolgoznak. Ezek gondoskodnak a részecskenyaláb fókuszálásáról, és az általuk generált mágneses tér téríti el a töltött részecskék röppályáját a detektorokban.

A CERN vázlata

Horváth Dezső, az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont emeritus professzora ismeretterjesztő előadásaiban túrógonibócok ütközésével szokta szemléltetni, hogyan keletkezhet a Higgs-bozon. A protonokat, vagyis a példában a túrógombócokat csaknem fénysebességre felgyorsítva, majd az egymást keresztező alagútszakaszokon frontálisan ütköztetve a belsejükből kiszabadul a dara (vagyis a kvarkok) és a túrószemcsék, amelyek a kvarkokat összetartó gluonokat szimbolizálják. Minden alkotórész szanaszét repül, egyes részecskék egymással is ütköznek.

Higgs-részecske csak egy bizonyos energiahatár felett keletkezik, pl. két gluon ütközésekor. Mivel az LHC-t megelőző berendezések még nem érték el a gyorsításnak ezt az értékét, a kutatók nem találtak ilyet a szétrepülő részecskék között. Az észlelés feltétele azonban nemcsak az, hogy elegendően nagy energiával ütközzenek a protonok, hanem az is, hogy kellően érzékeny észlelő rendszer (detektor) vegye körbe a kereszteződést, ahol a karambol lezajlik, hogy a helyszínelő fizikusok minél részletesebb adatok birtokában elemezhessék az eseményt. A reakcióteret körülvevő nagy berendezéseket a CERN-es szakzsargonban „kísérleteknek" nevezik, így a gyűrű négy mérőállomása az ALICE-, a CMS-, az ATLAS- és az LHCb-kísérlet névre hallgat. Korábban 1989-től 2000-ig a Nagy Elektron-Pozitron ütköztető (LEP) gyorsító működött az alagútban, amely a cikkünk első felében ismertetett Standard Modell ellenőrzését végezte.

A magyar különítmény

Hazánk 1992 óta teljes jogú tagja az intézetnek, de korábban is dolgozhattak kutatók a szervezetnél egy 1964-es megállapodás értelmében, Így a magyar szakemberek részt vettek az Európai müon-együttműködésben, az OPAL-kísérletben és a LEP L3-detektoránál. Ekkor elektronokat és pozitronokat ütköztetve próbálták megtalálni a Higgs-bozont, de csak azt sikerült megállapítani, hogy tömege 115 és 200 GeV közé esik. (Erről bővebben az ÉT 2000/41. számában olvashattak Reményfutam a Higgs-bozonért címmel.)

Horváth Dezső, aki korábban az OPAL-együttműködés magyar csoportjának vezetője volt, most az antiproton-lassítónál dolgozik, ahol az ASACUSA-kísérletben többek között az antihidrogén gravitációs erejének mérésével foglalkoznak (erről bővebben — többek között — az ÉT 2010/50. és 2013/51-52. számaiban olvashattak).

A Szuperproton-Szinkrotron (SPS) NA 49-es kísérletének detektorát Budapest-falnak nevezték, mivel felépítésében a csillebérci KFKI RMKI és a Debreceni Egyetem kutatói vettek részt. A berendezés az ütközések során keletkező részecskék repülési idejét mérte, ebből számolták vissza azok tömegét.

A most karbantartás alatt álló LHC négy nagy kísérlete közül háromban dolgoznak magyarok: az ALICE-detektornál a kvark-gluon plazma tulajdonságainak meghatározására zajló kutatásoknál (erről részletesen az ÉT 2011/18. számában olvashattak); a CMS építésében és működtetésében; valamint ennél és az ATLAS-detektornál a Higgs-bozon keresésében.

CMS-detektor

Az ütközések a több ezer tonnás mágnesekkel körbevett detektortér belsejében zajlanak, amelyet úgy lehet elképzelni, hogy a részecskék más-más tulajdonságait mérő érzékelők — mint a hagyma héja — rétegekben helyezkednek el. Varga Dezső, az ALICE-kísérlet magyar detektorfejlesztő csoportjának vezetője a három berendezést összehasonlítva elmondta, hogy az ALICE a többiekhez képest viszonylag lassabban dolgozik, de sok részecskét tud egyszerre mérni, mivel atommagok ütközésének vizsgálatára optimalizálták. Itt egy 80 köbméteres, gáztöltésű időprojekciós kamrában (TPC, Time Projection Chamber) követik nyomon az ütközésekben keletkező részecskék pályáját. A CMS-szel ellentétben nem félvezetőlapkák, hanem a gázmolekulák között halad a részecske, amely eközben elektronokat szakít le az atomokról. Ezeket az elektroncsíkokat lehet látni a számítógép által megrajzolt képeken.

Az ALICE-kísérlet

A Higgs-bozon felfedezése a CMS- és az ATLAS-kísérletek együttműködéseiben dolgozó szakemberek munkájának gyümölcse. A 14 000 tonna súlyú CMS-detektor belső rétegét alkotó félvezető alapú részecskepályát mérő rendszer adatainak analizálásában a Wigner Fizikai Kutatóközpont fizikusai játszanak vezető szerepet, a kívül elhelyezkedő müondetektor pozícionáló rendszert pedig Debrecenben építették meg. Emellett az előreszórt részecskéket érzékelő detektor és az adatrögzítő rendszer építésében és működtetésében is számos feladatot magyar szakemberek végeztek el.

Mivel a rnüonok nem tartalmaznak kvarkokat, nem vesznek részt az erős kölcsönhatásban, így a detektor anyagában haladva hosszabb utat tudnak megtenni, nem fékeződnek le olyan hamar, mint a többi szubatomi részecske. Siklér Ferenc a CMS szerkezetét ismertetve azt emelte ki, hogy az ALICE-szal ellentétben ezek a detektorok nem egy folytonos pályarajzot tesznek láthatóvá, mert a detektor belsejében kevesebb a mérési pont. Emiatt, bár gyors méréseket tesznek lehetővé, az adatok elemzése komoly szoftveres feladat.

Mielőtt még folytatnánk a konkrét magyar eredmények ismertetését, nem lehet említés nélkül hagyni, hogy hazánk volt az első ország, amely a CERN-ben zajló kutatómunka minél szélesebb körű megismertetésére tanárprogramot szervezett. 2006 óta 348 fizikatanár vett részt egyhetes intenzív továbbképzésen Genfben, melynek során alapfizikai méréseket is végezhettek. Mint azt Mick Storr, a CERN látogatói központjának vezetője elmondta, 2014-ben középiskolás diákcsoportok számára is szeretnének pályázatot kiírni, s ennek szintén fontos részét képeznék a gyakorlati feladatok. A CERN ugyanis kiemelt feladatának tekinti, hogy kapcsolatot építsen a kutatók, a tanárok és a jövő nemzedékek között. A vezetőség filozófiája szerint arra kell törekedni, hogy a legbonyolultabb folyamatokat is érthetővé tegyék. Az egymás mellett dolgozó kutatócsoportok között persze létezik versengés, de ezt gyakran félreteszik a cél érdekében.

A pulzáló proton

Abban valamennyi szakember egyetértett, hogy olyan jelentős vállalkozások esetében, mint pl. a Higgs-bozon keresése volt, a CERN előírásai megfelelőek a hibás bejelentések kiküszöbölésére. A megállapodás úgy szólt, hogy ha a CMS vagy az ATLAS kutatói úgy ítélik meg, hogy meg tudják határozni a részecske tömegét, előbb a CERN igazgatójának szólnak, így rögzítik, hogy ki fedezte fel elsőként. Ezután a vezetőség felkéri a másik kísérletet, hogy erősítse meg az adott energián a mérést.

Az LHC gyorsítója

Az ALICE-detektor és a CMS a kvark-gluon plazma vizsgálatával kapcsolatban is összedolgozik. Egy évvel ezelőtt indultak azok a kísérletek, amikor protonokat és atommagokat ütköztettek a LHC-ben. Siklér Ferenc elmondta, hogy eddig vizsgáltak már külön proton-protonütközéseket, és ólommagokat is vezettek már egymásnak. A kettő kombinációja azért érdekes, mert arra kíváncsiak, milyen átmeneti állapotok vezetnek a kvark-gluon plazma felé. Egyetlen proton képes-e előidézni az ólomatommagban olyan folyamatokat, amik hasonlítanak a korában már megfigyelt jelenségekhez. „Az első eredmények szerint egy proton-ólomütközés viszonylag nagy térfogatú forró anyagot alakít ki, itt is megjelenik — még ha enyhébb formában is — a kvark-gluon plazmára jellemző folyási jelenség. Tehát megjelenik az a viselkedés, amit egy nehézionütközésben látunk. Az egyik lehetséges magyarázat az, hogy a proton sem egy állandó nagyságú valami, néha kisebbnek, néha nagyobbnak látszik"' — mondta a magyar CMS-csoport vezetője.

Ha visszaemlékeznek cikkünk első részében leírt focimeccs-hasonlatra, a proton három kvarkja között a ,,focilabda"-gluon közvetíti az energiát. Miközben a három játékos egymásnak passzolgatva halad a pályán, hol közelebb, hol kissé távolabb kerülnek egymástól, hiszen nem lehet a labdára, egymásra és a játékostársakra is figyelve még az egyenletes távolságot is megtartani. Többek között e jelenség dinamikáját is szeretnék a 2015-ben újrainduló mérésekben tisztázni.

Az ALICE-kísérlet magyar csoportját most Barnaföldi Gergely vezeti, aki arról beszélt, hogy jelenleg ők is a korábban felvett adatokat elemzik, amiben nagy segítségükre van, hogy a CERN egyik számítógépes központja éppen Budapestre, a Wig-ner Intézetbe települt. Szintén feladataik közé tartozik az ALICE adatgyűjtő és adattovábbító rendszerének, a Data Acquisitionnek (DAQ) a fejlesztése. Ez egyrészt rendkívül gyors, másrészt képes olyan extrém körülmények között is dolgozni, amelyek a gigantikus szupravezető mágnesek terében uralkodnak. A CERN nyílt napján az ALICE-detektornál tett látogatás során a csoportot vezető fizikus többször is hangsúlyozta, milyen különleges alkalom a csarnokban tartózkodni, mert amikor a berendezés működik, olyan erős mágneses teret generál, amely károsíthatja az idegrendszert, valamint a nem idetervezett elektronikus berendezéseket is, ezért biztonsági okokból még a leállítás után sem lehet a közelébe menni hetekig.

A protonok ütközésekor mintegy 20 millió adat keletkezik másodpercenként, ezeket az aldetektorokból érkező jeleket nemcsak összegyűjti, hanem sűríti és szállítható állapotba is rendezi a DAQ. A most fejlesztés alatt álló verzió pl. intelligens lakásokban a háztartási gépek különféle adatainak rendszerezésére is alkalmas lehet. Barnaföldi Gergely szerint érthető, ha a hétköznapi emberek számára furcsának tűnnek a CERN kutatási programjai. Azonban fontos megérteni, hogy ezek mintegy „melléktermékeként" használhatjuk ma az internetes világhálót, és számos orvosdiagnosztikai eszközt, pl. a PET-t, a CT-t vagy a gammakést, amelyek betegek millióin segítenek.

Az irányítóközpont

A CERN nyílt napján az egyik legtöbb látogatót vonzó helyszín a számítógépes irányítóközpont volt, ahol közel száz monitoron futnak a kísérletekre vonatkozó ábrák és számítások. Ennek másik vége az MTA Wigner-adatközpont Csillebércen. Lévai Péter igazgató az elmúlt hónapok tapasztalatait összegezve elmondta, hogy mielőbb el kell kezdeni az úgynevezett „big data"-szakemberek képzését a felsőoktatásban. Az elmúlt évben 25 petabitnyi adat keletkezett a CERN-ben, az LHC újraindítása után ez évente néhány száz petabitre nő, ami 2025-re mintegy 3000 petabit lesz. Ilyen hatalmas mennyiségű adat kezelése, és tárolása pedig az eddigiektől eltérő, speciális informatikai kihívás. Lesz dolguk a most még egyetemi padokban ülő fiatal szakembereknek a jövő gyorsítóberendezései körül is. Ami a CERN stratégiai terveit illeti, tanulmányozzák egy nagyobb gyorsítógyűrű megépítésének lehetőségét, de kiemelten kezelik az európai-japán együttműködésben megépülő lineáris elektrongyorsítót is. Ennek előkészítéseként a Wigner Fizikai Kutatóközpont részt vesz olyan nemzetközi együttműködésben, amelyben részecske-, lézer-, plazma-, és atomfizikusok együttdolgoznak egy lézergyorsító kifejlesztésén. Ennek lényege, hogy a plazma ionizált részecskéire „ültetik rá" a lézernyaláb elektronjait, így a berendezés háromszor olyan hatékony lesz, mint a körpályán működő részecskegyorsítók. Ezzel tehát egy újgenerációs gyorsító-technológia alapjait készülnek lerakni.

A CERN-ben 2015 és 2018 között az eddig megkezdett kutatási projektek eredményeinek pontosítására irányulnak a kísérletek. Többek között a Higgs-bozonnal kapcsolatban is számos kérdés válaszra vár, és akkor még szót sem ejtettünk a szuperszimmetrikus részecskék világáról, amelynek felfedezése esetén Alice Csodaországból a szó legszorosabb értelmében átkerül Tükörországba.

Higgs, a magányos?

Magyarország anyagi okokból egyelőre nem tud állandó kutatócsoportot állomásoztatni a CERN-ben. Vannak azonban néhányan, akik külföldi egyetemek kötelékében dolgozva képviselik hazánkat Svájcban. Pásztor Gabriella a LEP OPAL-kísérletében még a KFKI RMKI, később CERN-es, majd a Kaliforniai Egyetem színeiben vett részt. A CMS Silicon Strip Tracker tervezése során a tervek ellenőrzését, és a rendszer modellezését végezte. Később a Higgs-bozon kereséséhez nélkülözhetetlen, a félvezető detektor jeleit kiolvasó elektromos áramkör összeszerelésével és tesztelésével foglalkozott. A protoncsomagok ütközését követően ez a rendszer érzékeli és követi nyomon a szétrepülő részecskéket. A CMS- és az ATLAS-kísérletekben, amelyek a Higgs-bozont keresték, 3000-3000 ember dolgozott. A két berendezést összehasonlítva Pásztor Gabriella elmondta, hogy az ATLAS-ban a félvezetők mellett gáztöltésű detektor is van, és a mágnesburkolat szerkezete is eltér a két megfigyelőegységben. Míg a CMS egy 4 teslás óriási mágnest épített a detektorkamra köré, az ATLAS belső solenoid mágnesének térerejére a burkolat külső rétegében erősít rá egy toroid mágnes. A kutatónő az elmúlt két évben a Higgs-bozon keresésében vett részt. Tíz a tizediken protonütközésből mindössze három ilyen részecske keletkezik, amely ráadásul olyan instabil, hogy azonnal tovább bomlik két Z-bozonra, majd ezek négy leptonná alakulnak át. (Más bomlási lánc is lehetséges, de ennél elég jó a jel/zaj arány ahhoz, hogy teljesen rekonstruálható legyen a folyamat.) A munka nagy része az adathalászathoz hasonlít. A protoncsomagok 2012-ben 50 ns-ként ütköztek, a kísérlet 300 eseményt tud menteni másodpercenként, ezekből utólag statisztikus módszerekkel választják ki azt a néhányat, amelyről úgy gondolják, hogy jellemzői alapján akár a keresett részecske nyoma is lehet. Tehát nem arról van szó, hogy maga a Higgs-bozon jelenik meg a monitoron.

 - Magyarok a Nagy Hadronütköztetőnél - Magyarok a Nagy Hadronütköztetőnél - Nagy Hadronütköztető - Gyorsítógyűrű - Frontális ütköztetés - ALICE-kísérlet - CMS-kísérlet - ATLAS-kísérlet - LHCb-kísérlet - Nagy Elektron-Pozitron ütköztető (LEP) - LEP: Nagy Elektron-Pozitron ütköztető - Higgs-bozon - Kvark-gluon plazma

Az eddig elért eredmények mindenesetre új fejezetet nyitnak a részecskefizika történetében. Igaz, hogy a Standard Modell egyetlen Higgs-részecskét jósolt, a fizikusok azonban más elméletek elgondolásait is figyelemre méltónak tartják. Feltételezik például, hogy talán léteznek szuperszimmetrikus (SUSY) részecskék, amelyek az LHC energiájának növelésével kerülhetnek elő. Ebben az elméletben öt Higgs-bozon megjelenésére számítanak. Ezek közül a bozonok egy-egy anyagi részecske párjai, és minden ma ismert bozonhoz tartozik egy másik SUSY-részecske, amely viszont valamilyen fermion lesz. Mint azt Pásztor Gabriella elmondta, egy másik, szélesebb körben is ismert elképzelés a húrelmélet, amelynek egyik általános jóslata a szuperszimmetria, a másik pedig további térbeli dimenziók létezése. Vannak, akik szerint a húrelmélet a gravitáció és a többi kölcsönhatás egyesítésére is lehetőséget ad, ezért olyan fontos a következő lépésben az LHC újraindításakor még több, és főleg pontosabb méréssel a Higgs-részecske viselkedésének és tulajdonságainak további vizsgálata.

Tartalomjegyzékhez Világképem     

-----------------------

Élet és Tudomány ■ 2014/9 ■ 279