A svájci–francia határon lévő CERN kutatóintézetben a jövő héten beindítják a világ legnagyobb
részecskegyorsítóját. A fizikusok közül akadt, aki saját rapszámmal köszöntötte a gyorsítót,
volt, aki a fizikatankönyvek átírását helyezte kilátásba, és olyan is, aki azt jósolta, hogy az egész
Föld gombnyomásra eltűnik. A nagy hadronütköztetőnek elnevezett berendezés mindenesetre
gyökeresen megváltoztathatja a fizikai világról alkotott eddigi képünket.
A világ atomfizikusai már hónapok óta feszülten várják szeptember 10-ét, amikor a Genf mellett lévő Európai Nukleáris Kutatási Szervezetben (CERN) beindítják a valaha épített legnagyobb részecskegyorsítót, a nagy hadronütköztetőt. Az ünnepi hangulatra jellemző, hogy a CERN egyik kutatója, komoly tudósoktól éppenséggel szokatlan módon, egy rapnótát írt a létesítményről. A videomegosztó portálokon Large Hadron Rap címen elérhető videoklipben a fizikusnő a harlemi rappereket megszégyenítően a részecskegyorsítóról rappel és mutogat a CERN laboratóriumaiban, miközben tudóstársai táncolnak a háttérben. Ha valakit éppilyen izgalomba hoz az esemény, jövő szerdán az első protonnyaláb útját követheti élő adásban az interneten (szeptember 10-én délelőtt 9 órakor) a http://webcast.cern.ch címen. Az első protonok ütköztetésére két hónap múlva kerül sor, és ha beigazolódnak a fizikusok várakozásai, már az ütközést követő másodpercekben olyan részecskék jönnek majd létre, amelyeket még senki sem látott.
A nagy hadronütköztető, lévén az emberiség egyik legnagyobb tudományos vállalkozása, sokak fantáziáját megmozgatta. Az utóbbi hetekben a sajtó figyelmét leginkább azok keltették fel, akik beperelték a CERN-t. Szerintük ugyanis a részecskegyorsító a Földet is veszélybe sodorhatja. Minimális eséllyel ugyanis a protonok ütközésekor apró fekete lyukak is létrejöhetnek, amelyek hatalmas gravitációs erejük következtében az egész bolygót elnyelhetik.
– Mi csak nevetünk ezeken a világvégével fenyegető rémhíreken – mondja Horváth Dezső fizikus, a Magyar Tudományos Akadémia Központi Fizikai Kutatóintézete részecske- és magfizikai kutatóintézetének munkatársa, aki tanítványaival együtt évente több hónapot kutat a CERN-ben. – A protonok fénysebességgel fognak ütközni, energiájuk eléri majd a laboratóriumban eddig soha nem látott 14 tetaelektronvoltot (14 billió elektronvoltot). Ez az energiaszint azonban eltörpül azoknak a kozmikus részecskéknek az energiájához viszonyítva, amelyek évmilliárdok óta bombázzák a Földet. Eddig nem jöttek létre miniatűr fekete lyukak ismereteink szerint, talán most sem kell félnünk. Természetesen nem mondhatjuk, hogy ennek nulla a valószínűsége. Ahogy annak sem, hogy ha én fejjel nekirohanok a falnak, akkor az alagúteffektus miatt minden egyes részecském átcsuszszan a fal részecskéi közötti réseken, és sértetlenül a fal másik oldalán találom magam. De erre mégsem biztatnék senkit sem.
Ha éppenséggel a falon való áthaladás művészetére nem is derül fény, az anyag titkairól fog árulkodni az új részecskegyorsító.
– Az anyag legelemibb szerkezetét vizsgáljuk. Minél kisebb részecskékre vagyunk kíváncsiak, annál nagyobb energiára van szükségünk. Erre szolgál a nagy hadronütköztető – mondja Horváth Dezső.
A részecskegyorsítókat a fizikusok arra használják, hogy olyan nagy energiájú részecskéket hozzanak létre, amelyek segítségével az atomok felépítését és a bennük végbemenő kölcsönhatásokat kutathatják. Ernest Rutherford fizikus ütköztetett részecskéket először majd száz évvel ezelőtt, és kísérletei eredményeképpen megtudta, hogy az atom még apróbb öszszetevőkre bontható.
– Mindenki rendelkezik részecskegyorsítóval, akinek van otthon katódsugárcsöves tévéje. A televízió működése közben is részecskék lépnek ki egy forrásból, majd becsapódnak a képernyő elülső üveglapjába, amelyből ennek hatására fotonok lépnek ki, tehát felvillan egy képpont – magyarázza Horváth.
Az új, a televíziókészüléknél kicsivel nagyobb részecskegyorsítónak a legfontosabb feladata, hogy az ősrobbanás utáni első pillanat játszódjon le a kutatók szeme láttára újra és újra. Az általunk ismert univerzum fizikai jellegzetességei ebben a billiomod másodpercben alakultak ki. Akkor léptek működésbe a vonzó- és taszítóerők, akkor nyerték el értékeiket a fizikai állandók, akkor születtek az anyagot felépítő elemi részecskék. A optimizmustól fűtött kutatók most azt tanácsolják a könyvkiadóknak, hogy várjanak még egy-két évet az új fizikatankönyvek kiadásával, mert könnyen lehet, hogy hamarosan sok korábbi ismeret elavulttá válik.
– Talán elsírom majd magam, amikor létrejön az első ütközés – nyilatkozta a New Scientist magazinnak Bilge Demirköz fizikus, a CERN munkatársa, aki ezernyi más tudós munkatársához hasonlóan az elmúlt évtizedet a nagy hadronütköztető részecskegyorsító tervezésével töltötte.
Valóban nem kis teljesítményről van szó. A protonok egyetlen másodperc alatt tizenegyezerszer fogják megtenni a huszonhét kilométeres pályát. Eközben az ellenkező irányban is elindítanak egy részecskenyalábot, majd a gyűrű oldalában elhelyezett elektromágnesek segítségével úgy térítik el a nyalábokat, hogy azok pontosan az alagút négy pontján épített érzékelőkben ütközzenek egymással. A protonok sebessége ekkor a fénysebesség 0,999999991-ed része lesz (magát a fénysebességet jelenlegi tudásunk szerint képtelenség elérni). A protonokat annyira felgyorsítják, hogy mozgási energiájuk meg fog egyezni egy szúnyogéval. Ez látszólag nem nagy, de figyelembe kell vennünk, hogy egy proton tömege összehasonlíthatatlanul kisebb a rovarénál.
A nagy hadronütköztető nemcsak a legnagyobb részecskegyorsító a világon, de a legnagyobb ember építette gép is. Benne hajszálpontosan hangolt mikrohullámú impulzusok gyorsítják a protonokat.
– Ez a folyamat alapjaiban megegyezik a mikrohullámú sütők működésével, ami nem is csoda, hiszen ezek a konyhai gépek a részecskegyorsító technológiai melléktermékének tekinthetők – ad példát a részecskefizika gyakorlati alkalmazásaira Horváth Dezső.
Amúgy a CERN munkatársainak több olyan technológiai fejlesztése is világhírűvé vált, amely nem kapcsolódik közvetlenül az atomfizikához. A világháló (tehát az interneten elérhető honlapok hálózata) például a CERN kutatóinak „lustasága” miatt jött létre. A fizikusok ugyanis az irodájukban lévő számítógépeiken akarták figyelni a részecskegyorsítóban folyó kísérleteik történéseit, de nem akartak minden alkalommal bonyolult parancssorokat gépelni. Ezért megalkottak egy grafikus felületet a kilencvenes évek elején, amely néhány év alatt elterjedt a világon.
Azt nehéz lenne megjósolni, hogy az új gyorsítóban folyó kutatások – a fizikatankönyvek átírásán túl – milyen „melléktermékkel” fogják megörvendeztetni a nagyközönséget.
Mit fedezhet fel nagy hadronütköztető?
A legfontosabb tudományos cél, amiért a nagy hadronütköztető tervezését elkezdték, az úgynevezett Higgs-bozonok létezésének igazolása. Az Higgs-elmélet szerint a bozonrészecskék főszerepet játszottak abban, hogy az általunk ismert világban tömegük van az anyagot felépítő részecskéknek, az atomoknak.
Az egyik érzékelő feladata a szuperszimmetria (SUSY)-elmélet igazolása lesz. A teória szerint minden általunk ismert részecskének létezik egy nehezebb, szuperszimmetrikus párja. A SUSY-elmélet igazolódása hatalmas lépést jelentene a fizikusok számára, akik már hosszú évtizedek óta keresik azt a modellt, amely egyszerre képes magyarázni a világban tapasztalható összes fizikai erő működését.
– Az ősrobbanás elmélete szerint azonos arányban keletkezett anyag és antianyag. Az antianyag azonban eltűnt, az általunk eddig ismert természetben nincs jelen, bár laboratóriumban elő tudjuk állítani. Rejtély, hogy mi okozta az antianyag eltűnését, a részecskegyorsító segítségével talán megtudjuk. De más kérdésekben is előrébb léphetünk. Ha megfigyeljük a galaxisok karjának mozgását, egyértelmű, hogy tömegük sokkal nagyobb annál, mint amelyet mi a távcsöveinkkel érzékelni tudunk. Ezt a nem látható tömeget sötét anyagnak nevezték el, mindeddig nem tudunk róla szinte semmit – mondja Horváth Dezső.
A gyorsítógyűrűben ezerkétszáz darab, egyenként 14 méter hosszú és 18 tonna súlyú szupravezető mágnes irányítja a protonnyalábot. Szupravezető tulajdonságuk miatt nagyon alacsony hőmérsékleten nincs ellenállásuk, így bennük anélkül kering az áram, és jön létre a mágneses tér, hogy ez energiát igényelne. A gyorsító működtetéséhez így szélsőséges körülményeket hoznak létre a szakemberek. Szinte tökéletes vákuumot kell a csövekben kialakítani, majd le kell hűteni a protonnyalábot terelő ezernyi elektromágnest az abszolút nulla fok közelébe, alig 1,9 kelvinre (–271 Celsius-fokra). Az 1,9 kelvin elérése jelentette az egyik legnagyobb problémát, amelyet a részecskegyorsító tervezőinek meg kellett oldaniuk. (Az 1990-es években a texasi Waxahachie mellett már elkezdtek építeni egy hatalmas részecskegyorsítót, de ott csak 4,5 kelvinre tudták lehűteni a mágneseket, így azonban nyolcvanhét kilométer hosszú gyűrűt kellett volna építeni. Ez a végletekig növelte a várható költségeket, és az építést félbehagyták.)
A gyűrű négy pontján négy detektort építettek, amelyek a bennük ütköző protonok viselkedését vizsgálják majd. Az ütközéskor felszabaduló energia és részecskék áthaladnak a hatalmas mágnesként működő érzékelők rétegein, eközben elektronok válnak le a rétegekből. Ezeket az elektronokat követik figyelemmel a kutatók, amihez hallatlanul nagy számítógépes tárolókapacitásra van szükség, hiszen néhány nanoszekundumonként (a másodperc egymilliárdod része) ütközik tizenöt–húsz proton egymásnak, és ezek az ütközések mind különálló kísérletnek tekinthetők. Évente tizenötezer terrabájtnyi adat keletkezik majd, ennek tárolására hárommillió DVD sem lenne elegendő. A négy érzékelő önmagában is hatalmas, a nekik otthont adó föld alatti csarnokok kivájása mérnöki virtuozitást igényelt. Az Atlas a legnagyobb közülük: tömege hétezer tonna, negyvenhat méter hosszú, átmérője huszonöt méter. Tizenkét emelet magas kamrája olyan nagy, hogy a rá ható hidrosztatikai nyomás miatt évente 0,2 millimétert emelkedik, mint egy buborék a vízben. Az eközben fellépő feszültségek ellen az öt méter vastag padlóval védekeznek.
2008. szeptember 9.
