Indul a legnagyobb részecskegyorsító - 2. rész: Antianyag, ősanyag és más korábbi nagy felfedezések

A CERN, a nukleáris kutatások európai tanácsának alapkövét 1955-ben rakták le a svájci-francia határnál. Az alapító okirat kimondta, hogy nem végeznek katonai célú kutatásokat, a kísérleti és elméleti kutatások eredményeit pedig közzéteszik. Az intézmény azóta a világ egyik vezető kutatóhelyévé vált. Hatalmas detektorrendszerek készültek, az irdatlan adatmennyiség kezelésére és feldolgozására kiépült számítóközpont mindig is a világ egyik legnagyobbika volt. Itteni szakemberek találták ki az internetet. Itt végezték azt a híres kísérletet, amelyben felfedezték az úgynevezett elektrogyenge kölcsönhatás közvetítő részecskéit. Itt sikerült először az antirészecskékből atomot felépíteni. Ám egy sor alapvető tudományos kérdésre a CERN eddigi legnagyobb berendezései sem tudtak választ adni. Ezek a felfedezések a remények szerint az új, még nagyobb energiájú gyorsítóra, az idén induló nagy hadronütköztetőre maradnak.

Magyarokkal az ősanyag nyomában

Magyar kutatók is fontos szerepet játszanak abban a kísérletben, amellyel ugyancsak a szuper-proton-szinkrotronnál az anyag hajdanvolt ősi állapotát próbálják meg laboratóriumi körülmények között létrehozni. A Világegyetem hajnalán, közvetlenül az Ősrobbanás után a legelemibb részecskék, a kvarkok még szabadok voltak, csak később álltak össze kettesével mezonokká, hármasával barionokká (neutronokká és protonokká). A laboratóriumban a folyamat fordítottjának megvalósítására törekszenek, a ma részecskékbe zárt kvarkokat próbálják kiszabadítani. Ehhez nagy energiára felgyorsított ólom-atommagokat ütköztetnek egymással. Az eddigi eredmények biztatóak, átmenetileg, rendkívül rövid időre már sikerült létrehozni az anyag egy különleges állapotát, a kvarkok és az erőhatást köztük közvetítő gluonok plazmaállapotát. További komolyabb előrelépést ezen a téren is a nagy hadron ütköztetőtől (Large Hadron Collider, LHC) várhatunk, amelyben ólom-atommagokat is ütköztetnek.

Antianyag és antianyag-gyár

Az egyre nagyobb berendezések építése közben megszületett egy speciális gyorsító is, egy alacsonyenergiás antiprotongyűrű (Low Energy Antiproton Ring, LEAR), a világ egyik nagy "antiprotongyára", amely 1982 és 1996 között mintegy százbillió antiprotont szolgáltatott a kísérletekhez.

2000-ben új program indult a CERN-ben az antianyag tanulmányozására, működésbe lépett az AD (Antiproton Decelarator) nevű antiproton-lassító. Az antiprotonok előállítása egy hatalmas régi részecskegyorsítóban, a 26 GeV energiájú protonszinkrotronban kezdődik. Ezután a nagyenergiájú antiprotonokat adagokban, csomagokban juttatják át a következő egységbe. Ez egy CERN-méretekben kicsinek minősülő részecskegyorsító, kerülete mindössze 188 méter.

1995-ben sikerült először az antirészecskékből atomot felépíteni, egy antiprotonból és egy pozitronból megszületett az első antihidrogén-atom. Az első kísérletben mindössze 9 atomot hoztak létre, később megoldották az antianyag "nagyüzemi előállítását". Sikerült olyan atomokat is létrehozni, amelyek egyszerre tartalmaznak részecskéket és antirészecskéket.

A legfinomabb részletekig kell összehasonlítani az anyag és az antianyag valamennyi tulajdonságát, hogy választ kapjunk a mai fizika egyik alapkérdésére, arra, miként maradhatott meg egyáltalán az anyag a Világegyetem hajnalán. A japán-dán-magyar együttműködésben zajló kísérletben az antiprotonokat természetes csapdába, héliumatomba zárják, ezen a különleges atomon tanulmányozni lehet a kétféle anyag kölcsönhatását. Újabb eredményeket itt is az LHC-tól várnak.

A nagy alagút

Ezt követően ismét rekordjavító gyorsító épült. A LEP, a nagy elektron-pozitron gyűrű 27 kilométer kerületű, 150 méterrel a felszín alatt kialakított alagútja kétszer szeli át az országhatárokat. Az első időszakban nyalábonként 45-45 GeV-re gyorsították itt az elektronokat és pozitronokat, később 100 GeV nyalábonkénti energiát is elértek, ami ebben a műfajban világcsúcs volt. A LEP-nél elért egyik fontos eredmény szerint három (és csak három) kvark-lepton-család létezik a természetben. Az 1983-ban felfedezett, fent már említett W- és Z-részecskéket "nagyüzemben" hozták létre a LEP-ben, így mód nyílt az elektrogyenge elmélet finom részleteinek a tisztázására is.

W- és Z-részecskék megjelenésének nyomai egy detektorban

Az elméleti fizikusok azonban nem álltak meg két kölcsönhatás egyesítésénél. A nagy egyesítés elméletének egyik változata a szuperszimmetria elmélet, eszerint minden ismert részecskének létezik egy eddig nem ismert párja. A LEP-nél nem találtak szuperszimmetrikus részecskéket, bár kitartóan keresték őket. Ha léteznek, akkor olyan nehezek, hogy csak egy nagyobb energiájú gyorsítóban, például az LHC-ben számíthatunk megjelenésükre (a szuperszimmetria elmélettel, illetve az anyag-antianyag kérdéssel még részletesen foglalkozunk sorozatunkban).

Alkatrészek a LEP-ből. A részecskegyorsítóban "rezonáns üregek", hatalmas rézgömbök rádiófrekvenciás elektromos teréből nyertek energiát a részecskék az egyre gyorsabb mozgáshoz

A LEP leállítására 2000-ben került sor. Az utolsó hónapok különösen izgalmasak voltak, mert a kutatócsoportok egy része megtalálni vélte a Higgs-bozont. A modern részecskefizika sikeres, átfogó elméletének van egy alapvető hiányossága: nem tud számot adni a részecskék tömegéről. Higgs angol fizikus megalkotta ennek elméletét, és a Higgs-részecskét már évtizedek óta keresik eredménytelenül a kísérletekben. A CERN-ben végzett mérések eredménye sem egyértelmű, az eredmény nem meggyőző. A felfedezés a remények szerint az új, még nagyobb energiájú gyorsítóra, az LHC-ra marad.

A CERN 1994 decemberében döntött az LHC megépítéséről. A LEP-et leszerelték, és az új gyorsítót ennek a helyére telepítették. A csúcsüzem alatt itt minden korábbinál nagyobb, 7 + 7 TeV-os protonnyalábok ütköznek majd, remélhetőleg választ adva a fent említett legtöbb kérdésre. Következő írásunkban az LHC-t mutatjuk be.

A nagy hadron ütköztető

A nagy hadron ütköztető (Large Hadron Collider, LHC) megépítése az emberiség egyik legnagyobb tudományos-technikai teljesítménye, amihez csak a Nemzetközi Űrállomás építése fogható, és természetesen ez is nemzetközi összefogással készült. Az LHC máris egy sor technológiai rekordot döntött meg, többek között itt van a világ legnagyobb szupravezető mágnese. A CERN legutóbbi hivatalos információi szerint a berendezés szegmenseinek lehűtése a terv szerint halad, és körülbelül augusztus végére az egész rendszerben elérik az 1,9 kelvint (ez mindössze 1,9 fokkal van az abszolút nulla fok felett, azaz valamivel több mint mínusz 271 Celsius-foknak felel meg). Ha ez bekövetkezik, megkezdődhetnek az első, még teszt-jellegű kísérletek. A hivatalos indulást idén októberre tervezik.