ÚJ SZUPERGYORSÍTÓ A LÁTHATÁRON

Kiss Dezső
KFKI, RMKI

Remélhetően 2002-ben már működni fog a világ legnagyobb energiájúra tervezett gyorsítója, az LHC (Large Hadron Collider) a CERN-ben. Ez a gyorsító ütközőnyalábos típusú lesz, azaz két egymással szembe futó, egyenként 7 GeV¹ energiájú protonnyaláb fog ütközni és kelteni így 14 GeV tömegközépponti energiával új részecskéket.

A gyorsítók rohamos fejlődésében szomorít megtorpanás volt: az amerikaiak mintegy 10 évvel ezelőtt határoztak úgy, hogy felépítenek körülbelül 40 GeV (2 x 20 GeV) ütközési energiájú óriásgyorsítót. El is kezdték a tetvezést, sőt a földbe süllyesztéshez szükséges földmunkálatokat, az első mágnesek elkészítését, amikor az amerikai szenátus váratlanul úgy döntött, hogy nem adja meg a gyorsító felépítéséhez szükséges mintegy 11 milliárd dollárnyi összeget. Ezen a lesújtó, meglepetés erejével ható döntés után Európa váratlanul kedvező helyzetbe került a részecskefizika területén: a CERN (Genf) fel tudta vállalni egy hasonló óriás gyorsító lényegesen olcsóbban (körülbelül 3 milliárd dollár) való megépítését, mivel fel lehet használni a már működő CERN-i elektron-pozitron ütközőnyalábos gyorsító LEP (Large Electron Positron) alagútját és infrastruktúráját, amely az építést sokkal olcsóbbá teszi. Igaz, hogy az energia nem 40 csak (!) 14 GeV lesz; de remélhetőleg ez az energia is bizonyos határ átlépését jelenti, és feltehetőleg lehetővé teszi a Higgs-részecske (azon részecske, amely tömeget ad az összes többi részecskének) megtalálását. Úgy érezhetjük, hogy ezzel a részecskefizika igényei a gyorsító-energia területén hosszú időre kielégülnek. Azonban az energia mellett még más követelmények is felléphetnek: így például az, hogy ne csak protont vagy általában hadront tudjunk ütköztetni, mint az LHC teszi, hanem leptonokat is, ugyanis a hadronokról biztosan tudjuk, hogy összetett részecskék, tehát ütközésnél egy bonyolult kép alakul ki, miután különböző összetevő komponensek (kvarkok) ütköznek egymással és ezért az ütközés végeredményének kiértékelése nem olyan egyszerű, míg a leptonok mai tudásunk szerint valóban "tiszta" elemi részek; nincs szerkezetük, tehát, ha egymással ütköznek, akkor sokkal tisztább képet kapunk, mint a "piszkos" hadronokkal.

Ezért felmerült - nem sokkal az LHC megálmodása után - egy nagyenergiájú leptongyorsítónak a terve is. A lepton legnagyobb valószínűséggel elektron lehet vagy pozitron, de elképzelhető műon is. A leptonok gyorsítását megnehezíti az, hogy kisebb tömegük miatt a fékezési sugárzás sokkal nagyobb, mint a hadronoknál. Ez azt jelenti, hogy la ciklikus gyorsítóval próbálunk felgyorsítani egy elektront, akkor mivel a tömeg négyzetével fordítva arányos a kibocsátott fékezési sugárzás intenzitása (I 1/m² ) - lényegesen nagyobb energiaveszteség lép fel, mint a hadronok esetében. Természetesen felmerült, hogy meg kell próbálkozni lineáris gyorsítóval, hiszen a fékezési sugárzás a pályagörbület miatt lép fel. Ha teljesen egyenesen, lineárisan haladnak a részecskék, nincs fékezési sugárzás és nincs energiaveszteség. Ahhoz azonban, hogy fel tudjuk gyorsítani a kiszemelt leptont, nagyon hosszú lineáris szakaszra van szükség.

1997 telén született meg a TESLA nevű gyorsító koncepciója (TV-Energy Superconducting Linear Accelerator), amely (induláskor) 500 GeV-nél nagyobb ütközési energiát fog szolgáltatni.² Ez is ütközőnyalábos gyorsító lenne. Ez az elképzelés szupravezető üregek segítségével valósítható meg, amelyeket niobiumból készítenek, és folyékony héliumba mártanak. Az energiaveszteség, ami ennek a szupravezetőnek a falában fellép nagyon alacsony és ezért az úgynevezett "jósági tényező" körülbelül 10¹⁰, ami milliószor nagyobb, mint a szokásos szobahőmérsékletű rézvezetőkben. Ez lehetővé teszi, hogy a szupravezető lineáris gyorsítót relatíve alacsony frekvencián (1,3 GHz) üzemeltessük. Az alacsony frekvencia azért előnyös, mert az örvény áramok, amelyeket a nyaláb hoz létre a környezetlen, kicsik, ugyanakkor a beállítási pontosság nem túlzott, körülbelül 0,5 mm. Mindez lehetővé teszi, hogy a nyalábot jobb paraméterekkel lehessen nagyenergiára gyorsítani; hogy kicsi legyen a nyaláb átmérője és szögszórása. Minden gyorsítónál az energián kívül rendkívül fontos paraméter még az elérhető intenzitással arányos, úgynevezett luminozitás is. Ez a tervek szerint körülbelül cm^-2 s^-1érték lesz, amit tudunk értékelni, ha összehasonlítjuk a jelenlegi LEP luminozitásával.

Ami azonnal felmerül az emberben, hogy a szupravezető lineáris gyorsítók költsége relatíve is igen magas. A tetvező csoport azt az ambiciózus célt tűzte ki maga elé, hogy 2000 dollárba kerüljön 1 MV-nek (millió Voltnak) az előállítása, ami ha belegondolunk 500 GeV esetében, 1 millió dollár lenne, ami kellemes meglepetésként szolgálna.

A TESLA, a Hamburg melletti DESY gyorsító szervezésében épül nemzetközi összefogásban, amelynek résztvevői: Németország, USA, Franciaország, Olaszország, Oroszország, Kína, Finnország, Lengyelország. Figyelembe véve a rendkívül nagy méreteket és költségeket célszerűnek látszott egy előzetes tesztelésre alkalmas, jóval kisebb méretű berendezésnek a megépítése és kipróbálása (TESLA Test Facility, TTS) és felépítése, amelyen ki lehet kísérletezni, például a szupravezető üregek optimális paramétereit. Ez egy gyakorlatilag is működő lineáris gyorsító. Egyelőre 90 nióbium üreg működik, amelyeket az ipartól rendeltek. A szupravezető üregek gyorsító képességét hosszas fejlesztéssel sikerült a kezdeti, (16,5 MV/m-ről (1997) 40 MV/m-re felvinni (1999. február).

A gyorsító hossza 32 km lenne (a DESY-től Westerhornig, Németország, 1. ábra) 500 GeV teljes ütközési energia esetén, amelyet 800 GeV-re kívánnak majd felemelni. A gyorsító 15-20 méterrel a föld alá lenne elhelyezve. A lineáris gyorsítót úgy irányítják, hogy a nyaláb érintőleges legyen a HERA gyorsító nyalábjához és ez által lehetséges benne elektron-proton ütközéseknek a létrehozása 3-szor, 4-szer nagyobb energiánál, mint jelenleg a HERA esetében.

Ez az új lineáris gyorsító nem csak a részecskej3zika számára jelentene további perspektívát, hanem lehetővé tenné nagyenergiájú magfizikai kísérletek elvégzését is, amikor a TESLA nyalábot injektálnák a HERA elektron gyűrűjébe és így 15-20 GeV energiát lehetne elérni. Egy másik terület, amelynél új lehetőségeket jelentene a TESLA, a kondenzált rendszerek fizikája és anyagtudományi vizsgálatok, mivel szinkrotron sugárzás lép fel. A gyorsító külön ilyen üzemben igen nagy foton-fluxust tudna elérni, körülbelül 100 femtoszekundumos felbontással és csúcs "fényességgel", amely mintegy tíz nagyságrenddel meghaladná a ma használatos legfejlettebb szinkrotronsugárzó centrumok hasonló paraméterét. Ezeknek a tetveknek az elfogadása 2002-re várható.

Láthatjuk, hogy még el sem készült az LHC szupravezető gyorsító, máris vannak elképzelések egy, ha nem is nagyobb energiájú, de kiegészítő tulajdonságokkal és lehetőségekkel rendelkező újabb mamutgyorsító felépítésére. Ez optimistává teheti a részecskefizikával foglalkozókat: a részecskefizikai kutatások jövője úgy néz ki, hogy hosszabb távon is biztosított.

1 GeV (gigaelektronvolt) = 10⁹ eV
2 Tervezik egy még nagyobb energiájú (~5 TeV) lineáris collider (CLIC) építését nemzetközi összefogásban.