Fizikai Szemle honlap |
Tartalomjegyzék |
Horváth Dezső
MTA KFKI RMKI, Budapest
és ATOMKI, Debrecen
A protonütköztetőknek óriási a felfedezési potenciálja. A CERN Nagy hadron-ütköztetője (Large Hadron Collider, LHC) hamarosan protonokat fog ütköztetni 7 TeV1 energián. A protonban úszó alkatrészek, a kvarkok és a kölcsönhatásukat közvetítő gluonok sokféle energiával ütközhetnek, ezért rengeteg információt adnak az elérhető energiatartományban lehetséges folyamatokról. A gyenge kölcsönhatást közvetítő W± és Z0 bozont a CERN proton-antiproton ütköztetőjénél fedezték fel 1983-ban, és komoly reményeket fűzünk a Higgs-bozon és egyéb új fizika felfedezéséhez az LHC-nél.2
Habár erről több cikkben is írtam már [1], a továbbiak jobb megértéséhez célszerű felidéznünk a CERN mostani gyorsítórendszerét (1. ábra).
A Standard modell diadalmenetét a két elektronpozitron ütköztetőnek köszönhetjük, a CERN LEP és a stanfordi SLC gyorsítónak. Valamennyi komoly részecskefizikai kísérlet többezer adata igen jól, statisztikus szóráson belül illeszthető a Standard modell 19 paraméterével (a neutrínók tömegét ilyenkor el szoktuk hanyagolni, annyira kicsik). A modell valamennyi elemi részecskéjét, a leptonokat, kvarkokat és a kölcsönhatásokat közvetítő bozonokat sikerült kísérletileg megfigyelni és azonosítani. A Higgs-bozon az egyetlen még nem megfigyelt alkotóelem, de az is egészen jól behatárolt: a Standard modell legújabb illesztése [2] szerint tömege nagy valószínűséggel 114 és 160 GeV között van.
De miért van szükségünk még nagyobb gyorsítókra (és egyáltalán részecskefizikusokra :-), ha egyszer a Standard modell olyan csodálatosan leírja a Természetet?
Amint azt a Standard modellről szóló cikkemben [3] jómagam és sokan mások leírták, az elméletnek van egy sereg elvi problémája. Hogy csak néhányat említsünk: nincs meg a Higgs-bozon és sokmindent nem értünk: nem tudni, miért van éppen három fermioncsalád, mi alkotja a Világegyetem sötét anyagát, hova lett az ősrobbanás után az antianyag és mitől van a gyenge kölcsönhatás bal-jobb aszimmetriája [4]. Rendkívül zavaró az úgynevezett hierarchia-probléma: a Higgs-bozon tömegének 100 GeV nagyságrendű értékét természetellenesen nagy, 10 nagyságrenddel nagyobb értékek különbségeként kapjuk meg.
A fenti problémákra rendkívül ígéretes megoldást Kínál a szuperszimmetria elmélete [5], és sok más alternatív elméletet is felállítottak, de az általuk megjósolt új részecskéket, jelenségeket nem látjuk. Igencsak reménykedünk benne, hogy az LHC-nál sikerül a Higgs-bozont vagy -bozonokat, szuperszimmetrikus részecskéket vagy egyáltalán, valamilyen új jelenséget felfedeznünk.
Az LHC tervezése 1984-ben kezdődött, 5 évvel a LEP indulása előtt. Világos volt ugyanis, hogy a szinkrotronsugárzás miatt, amely áldás az anyagtudományban és - kevés kivétellel - átok a részecskefizikában, a LEP, a Nagy elektron-pozitron ütköztető lesz a legnagyobb elképzelhető, köralakú elektrongyorsító. A szinkrotronsugárzási energiaveszteség körönként
ahol a részecske töltése Q, a vákuumbeli fénysebességhez viszonyított sebessége β = v/c, relativisztikus tényezője γ = (1-β)-1/2 és pályasugara ρ. Ez azt jelenti, hogy, például, ugyanazon körülmények között az elektron 13 nagyságrenddel több energiát veszít szinkrotronsugárzás következtében, mint a proton.
Az LHC-t igencsak ambiciózusan tervezték és építették meg. Genf mellett, a svájci-francia határon, a Jura-hegység lábánál 40-100 m mélyen fúrt 27 km hosszú alagutat (2. ábra) lényegében megtöltötték szupravezető mágnesekkel. A 7 TeV-es protonokat körpályán tartó 1232 szupravezető mágnes (3. ábra) egyenként 15 m hosszú, 35 tonna súlyú és 1,9 K hőmérsékleten 8,3 T teret tud tartani. A gyorsítógyűrűben 40 MHz az ütközési gyakoriság, tehát a detektorokban 25 ns-onként találkoznak a nyalábok és mindegyik találkozáskor 10-20 proton-proton ütközés várható, amikor az LHC eléri teljes intenzitását. Az összesen 9300 mágnes ellenőrzése, levitele és beillesztése (4. ábra) 6 évig tartott és 2008 elején fejeződött be. Utána le kellett hűteni a sokezer tonnányi mágnest 1,9 K hőmérsékletre, hidegebbre, mint a világűr (annak a kozmikus háttérsugárzás 2,7 K-es hőmérsékletét tulajdonítjuk).
 |
 |
2008. szeptember 10. volt a nagy nap, amikor óriási felhajtás közepette először vitték körbe a protonokat - egyelőre gyorsítás nélkül, az SPS 450 GeV-es energiáján - az LHC gyűrűjében. Elvben az egész világ egyenes adásban láthatta az LHC indulását a Világhálón keresztül, de a hálózat annyira túl volt terhelve, hogy mi itthon csak Simon Tamás origós szerkesztő mobiltelefonon leadott helyszíni tudósításából értesültünk a fejleményekről. Budapesten az RMKI, Debrecenben az Egyetem Kísérleti Fizikai Intézete aznapeste előadóülést szervezett, ahol komoly érdeklődés mellett mondtuk el, mi történt és mi nem. Az utóbbi óvatlan kollégáink elejtett megjegyzései alapján keltett rémhír volt arról, hogy az LHC nagyenergiájú ütközéseinél olyan fekete lyukak keletkezhetnek, amelyek aztán elnyelik a Naprendszert, de legalábbis a Földet. Ismét elmondtuk, hogy tekintettel arra, hogy a Holdat évmilliárdok óta bombázzák az LHC-nál sok nagyságrenddel nagyobb energiájú kozmikus sugarak és még megvagyunk, ez nem valószínű (de majd meglátjuk :-).
A nagy napon készült az LHC vezérlőtermében az 5. ábra fényképe. A figyelmes olvasó észreveheti, hogy a jelenlevő többszáz ember közül ketten vagy hárman dolgoznak, a többi tanácsokat ad, nézi vagy szurkol. Mindenesetre az a napóriási siker volt, délutánig mindkét irányban körbementek a protonok, sőt még a gyorsítás rádiófrekvenciáját is sikerült jól beállítani, úgyhogy a részecskecsomagok sokezerszer körbementek.
A következő lépés a mágnesek áramának fokozatos felvitele volt az első évre tervezett 5+5 TeV energiához szükséges 9000 A-re. Ezt szektoronként csinálták, az LHC gyűrűje ugyanis 8 szektorra van bontva, a 8 lejáratnak megfelelően (közülük négyben van részecskeütközés és észlelőrendszer). A nyolc szektorból hétnek sikerült az áramát felhozni, de szeptember 19- én elengedett egy illesztés két szupravezető mágnes között. Az illeszték ellenállása az eredeti néhány nanoohmról makroszkopikusra nőtt, a keletkező feszültség ívet húzott és kilyukasztotta a hűtővezetéket. A hűtésre szolgáló szuperfolyékony héliumból több tonna robbanásszerűen kifújt, rakétahatással kilökve helyéről az érintett soktonnás, lebetonozott mágnest úgy, hogy az az alagút faláról pattant vissza.
Ez a katasztrófa több mint egy évvel késleltette az LHC igazi indulását. Eleve hetekig tartott, amíg sikerült az érintett szektort annyira felmelegíteni, hogy meg lehessen nyitni (6. ábra). Utána ki kellett szabadítani és a felszínre hozni 39 terelőmágnest és 14 több kisebb mágnest tartalmazó egységet. Szerencsére a tartalékokból sikerült pótolni őket. A felhozott mágnesek nagy részt ki lehet majd javítani, hogy tartalékul szolgáljanak. Ellenőrizték az ohmos kapcsolatot minden mágnes körül és kijavították a gyanúsan viselkedőket. Gondoskodni kellett arról, hogy hasonló baleset többé ne forduljon elő, ezért az átütések megakadályozására beépítettek sokezer védőellenállást a mágnesek közé. Sokszáz kilométernyi kábelt kellett lefektetni az addigiakon kívül.
Ez a munka mostanra (2009 októbere) gyakorlatilag befejeződött, az LHC-t novemberben újra elindítják. A tervek szerint kezdetben gyorsítás nélkül, a 450 GeV belövési energián fogják a protonokat ütköztetni. Utána, karácsony előtt, vagy új év után, elkezdik a gyorsítást, kezdetben csak 3,5 TeV nyalábenergiára, 7 TeV-es ütközésekre kell tehát készülnünk. A 14 TeVes végső energia és a tervezett teljes ütközési hozam (luminozitás) eléréséhez valószínűleg több év kell. Jövő év végén a nehézionos programot is elindítják, egyelőre kis luminozitás mellett.
Mivel minden jel arra vall, hogy a Higgs-bozon tömege 114 és 160 GeV között van, kimutatása az LHCnál sokáig eltarthat. Nehezebb Higgs-bozont sokkal könnyebb lenne felfedezni és azt a Tevatron már talán meg is találta volna. Az LHC egyelőre kis energiája és luminozitása miatt a nagyobb felfedezések 2010 után várhatók. Távlatilag az LHC luminozitása sokkal nagyobb energia mellett nagyságrendekkel nagyobb lesz a Tevatronénál. Azt tervezik, hogy az utóbbit leállítják, mihelyt az LHC hozza paramétereit.
__________________