A CERN GYORSÍTÓI
- A fizika múltja és jövője Európában

G. Plass
CERN, Genf

A háború utáni európai fizika fejlődésének egy kimagaslóan sikeres példáját szeretném önöknek bemutatni. A CERN nevű Európai Részecskefizikai Laboratóriumot, ahol az alapvető fizikai problémák fogalmazódtak meg, válaszolódtak meg, ahol a Magas Energia Határvidékének munkáját készítik elő. Előadásom nem gyorsító-fizikai tanfolyam lesz, nem is egy történész beszámolója. Visszapillantva és előretekintve az 1950-es évektől a 2000. évig megpróbálom érzékeltetni azt a lenyűgöző hatást, amit a laboratórium a fizikusokra és mérnökökre gyakorol, akik mind nagy megtiszteltetésnek érzik, hogy ott dolgozhatnak.

A Laboratórium Svájcban Genfhez közel van. Részecskegyorsítók és tároló gyűrűk hálózatát tartalmazza beleértve a LEP-et (Large Electron Positron Collider, nagy elektron-pozitron ütköztető gyűrű) a világ legnagyobbját. A szervezettnek 16 ország tagja.

A CERN hivatalosan 1954. szeptember 29-én alakult meg, ez az alapvető Egyezmény életbelépésének napja. De ez a dátum egyben egy hozzávetőleg 5 éves periódus végét is jelzi, amely ezt az eseményt intenzív munkával előkészítette. Rövid az idő ahhoz, hogy hosszabban beszéljek az 1949-ben elindult folyamatról, amikor megkezdődtek a tárgyalások egy esetleges európai tudományos együttműködésről az “Európai Mozgalom" keretében, ahol D. de Rougemont fontos szerepet játszott és az indítványról, amit I.I. Rabi az 1950 júniusi firenzei UNESCO konferencián felvetett. A következő években sok más széleslátókörű tudós és politikus segítette életre hozni ezt a korai európai vállalkozást oly kevéssel a második világháború vége után. Így 1953 júliusában az első kilenc jövőbeli tagállam aláírhatta a CERN Egyezményt.

Hadd mutassak be az “Alapító Atyák" közül kettőt még 1954-ből és egyben léét nagyon boldog fizikust 30 évvel később 1984-ben mikorra a laboratóriumot egy hihetetlen kihívással szemben sikerre vitték, melyre később visszatérek.

A CERN kezdeti ajánlásaiban két gyorsító felépítése szerepelt, a 600 MeV szinkrociklotroné és egy protonszinkrotroné.

A szinkrociklotron 1957 óta működött és 33 - igen sok fontos fizikai eredményt hozó - év után 1990 decemberében zárták le. Az ISOLDE-vel kezdődött munka azonban folytatódni fog egy másik CERN-beli gyorsító az 1 GeV Booster szinkrotron sugárnyalábjával.

Még fontosabbá, sőt meghatározó jelentőségűvé vált a CERN fejlődése és sikere szempontjából a legmagasabb lehetséges energiájú proton szintkrotron-terv. A kezdeti megfontolások a már létező “gyengén fókuszáló" szinkrotronok extrapolációjával foglalkoztak; így a Brookhaven Laboratórium 3 GeV energiájú kozmotronjával, a Berkeley Egyetem 6 GeV energiájú bevatronával és a Dubnában épülő 10 GeV energiájú szinkrofazotronnal.

Ezek óriási vákuumkamráival és a velük létrehozott hatalmas mágneses térrel úgy gondolták, hogy 10 GeV már közelíti azt a gyakorlati határt, ami az ilyen típusú gyorsítókkal elérhető.

A kezdeti megfontolások idején Courant, Livingston és Snyder Brookhavenből, valamint tőlük függetlenül Christophilos görög fizikus egy új fókuszáló technikát javasolt. A “változó gradiensű", vagy “erős" fókuszálást, amivel a vákuumkamra méretének óriási csökkentése és a részecske-energia majdnem korlátlan növelése érhető el. Legalábbis azokig az energiákig, amit a görbült pályán mozgó részecske által kibocsátott sugárzás még nem tilt. Ahogy ma már tudjuk ez egy körülbelül 50 évnyi “pihenő-időt" adott a gyorsító-építőknek.

A CERN vezetőinek nagyon bátor döntése volt, hogy belekezdjenek egy addig még nem bizonyított alapelven nyugvó hatalmas gép építésébe. A CERN története egészen más fordulatot vehetett volna egy konzervatívabb döntés nyomán. A CERN első ilyen szinkrotronja határidőre elkészült, mialatt fejlesztették és folyamatosan hozzáépítettek - majdnem két évtized alatt - fontos fizikai eredményeket szolgáltatott.

A hatvanas évek elején nyert megállapítást, hogy egy erősen fókuszáló szinkrotron nyalábja kivezethető és tulajdonságait nem károsítva továbbvezethető. Ez tette lehetővé a nyaláb továbbítását egyik szinkrotrontól a másikig és így tovább. Mostanra a CERN 10 szinkrotront épített úgy, hogy mindegyik egy hálózatban kapcsolódik egymáshoz, ami a beruházást maximálisan nyereségesen használja.

Mielőtt a proton-antiproton ütköztetetés kalandjáról szólnék, röviden említem az 1965 és 1970 kőzött épített Proton-Keresztező Tároló Gyűrűket, ami egy óriási tett volt, ahogyan a proton-szinkrotron építésére hozott döntés is és az 1970-től 1976-ig épült 400 GeV energiájú szuper proton-szinkrotron (SPS) is.

1976 elején Carlo Rubbia azt javasolta, hogy építsék át (a még nem egészen befejezett!) 400 GeV energiájú szinkrotront proton-antiproton ütköztetővé, amivel elérhető az alapvető W és Z bozonok létrehozása, melyek tömegét ekkorra már a Standard Modell alapján kiszámolták. A javaslat szempontjából igen lényeges volt az orosz Budker (még a késő hatvanas évkeben tett) felfedezése, egy módszer, mellyel cáfolható “Liouville tétele" - mi szerint egy nyalábban a fázistér sűrűsége nem növelhető. A nyalábsűrűség növelésére azért van szükség, hogy az ütköztetőben kellően sűrű nyalábok találkozhassanak.

Budker azt javasolta, hogy a proton-nyalábot “hűtsék le" elektron nyaláb hozzákeverésével; a protonok az ütközés révén transzverzális és longitudinális energiát adhatnak le az elektronoknak, míg egy új egyensúly ki nem alakul. Van der Meer egy alternatív eletronikus módszert javasolt, egyfajta “Maxwell-démont", ahol a részecskeeloszlás fluktációit egy elektród detektálja és a korrekciót egy korrektor gyakorolja. Ahogy a nyaláb a gyűrűben, halad, a kör átmérője mentén küldött elektronikus jel időben érkezett ahhoz, hogy a gyűrű túloldalán a részecske-nyalábot befolyásolja.

E kísérlet szempontjából nagyon fontos volt a Keresztező Tároló Gyűrűk elkészülte és sikeres működése, mert ezek bizonyították, hogy a proton-nyaláb tárolható és több órán át stabilan tartható.

A Változó Gradiensű Szinkrotron és a Keresztező Tároló Gyűrűk felépítésére vonatkozó döntések után a CERN vezetése harmadszor is egy nagyon bátor döntést hozott - elindította a proton-antiproton ütköztető programot 1978 júniusában.

Nem szükséges tovább részleteznem e program nagyszerű sikerét, aminek révén 1984-ben C. Rubbia és S. van der Meer részére ítélték a fizikai Nobel-díjat.

Mialatt a proton-antiproton-program készült, az európai fizikusközösséget egyre inkább érdekelni kezdték a magasenergiájú elektron-pozitron ütközésre vonatkozó kísérletek, melyekkel nagy pontonággal ellenőrizhetővé vált a Standard Modell és felkérték a CERN-t, egy 50-től 100 GeV sugárenergiájú e⁺/e^- ütköztető építésére, melyet röviden LEP-nek neveznek (large electron-proton collider).

Számos változat tanulmányozása után 1981-ben elindult a vállalkozás - napjaink legnagyobb gyorsítójának felépítése. A CERN Laboratórium közelében átlag 100 méterrel a föld alatt épült, így az építők rákényszerültek, hogy a sugárfizika és a gyorsító-technológia mellett a mélyépítés mérnök-szakembereivé is váljanak. Ez a nagyon izgalmas vállalkozásról első fázisában körülbelül 45 GeV energiával a Zo bozonok “tömeggyártását" kezdte el 1989 júliusában. Az azóta összegyűlt adatok eredményeként jóval több, mint 100 tudományos publikáció jelent meg.

A W bozonok előállításához szükséges küszöbenergia, a körülbelül 90 GeV elérése sincs már távol. Ehhez szükség van a gépi berendezések többségének jelentős fejlesztésére, de legfőképp a szupravezető gyorsító-üregek fejlesztésére és gyártására (RF rezonátorok, amelyek 352 MHz-en 2000 MV gyorsító feszültséget létesítenek) és a kapcsolódó folyékony-Hélium berendezésekre. Tervek szerint ez a rendszer 1994-ben kezd működni.

40 évvel azután, hogy az első tárgyalások folytak a rendkívüli elképzelésről, egy közös európai fizikai laboratórium létrehozására, a CERN a világ legnagyobb és vezető részecskefizikai laboratóriumává vált. E tényt nemcsak berendezéseinek mérete demonstrálja, hanem a világ minden részéről a CERN-be jövő fizikusok nagy száma is.

A CERN azonban nem szándékozik megpihenni. Egy újabb terv a nagyszámú szinkrotront, mint injektort kívánja használni, szupravezető mágneses gyűrűkkel a LEP alagútban el szeretné érni a 8000 GeV-os végső energiát. Az építést még ebben az évtizedben előkészítik.

Végezetül meg szeretném említeni azt a most folyó fejlesztési munkát, ami átvezeti a részecskefizikát a jövő századba: a lineáris ütköztetők fejlesztését. A kör alakú gyorsítókban az elektronok gyorsítását a szinkrotron-sugárzás kb. 100 GeV-ra korlátozza. Magasabb energiájú elektronok csak lineáris gyorsítókkal nyerhetők. Két magasgradiensű lineáris gyorsító egy kőzöl ütkőző-pontba lőné a sugárnyalábot. Ilyen fejlesztése a világ számos laboratóriumában folyik.

_____________________________