Ismeretlen világba nyitottak kaput a hatalmas műszerrel

Tíz éve, 2008. szeptember 10-én kezdte meg működését a világ legnagyobb részecskegyorsítója, az Európai Nukleáris Kutatási Szervezet (CERN) nagy hadronütköztető gyűrűje, a nagyenergiájú fizika legnagyobb és legkorszerűbb berendezése, a tudományos sztárműszer, amelynek eredményeire az egész világ kíváncsi.

Az elődök

A nagy hadronütköztetőt működtető szervezet elődjét, az Európai Atommag-kutatási Tanácsot (CERN) 1954. szeptember 29-én alapították meg a részecskefizikai alapkutatások elősegítésére. Nevét később Európai Nukleáris Kutatási Szervezetre módosították, de a jól bevált rövidítésen nem változtattak. A CERN a világ kutatói számára elérhető gyorsító komplexumának köszönhetően mára a részecskefizikai kutatások elismert fellegvárává vált.

Első protongyorsítóját, az előgyorsítóként ma is működő szinkrociklotront (SC) 1959-ben helyezték üzembe, kezdetben részecske- és atomfizikai kísérletekhez használták. 1971 és 1984 között működtették a világ első proton-proton ütköztetőjét, a keresztező tárológyűrűt (ISR), amelyben a világon elsőként hajtottak végre proton-proton ütköztetést, a jelenleg folyó protonnyaláb-ütköztetési kutatásaik előfutárát. 1976-ban 7 km kerületű pályával szuper protonszinkrotront (SPS) építettek, amely a CERN számos kutatásához szolgáltatott protonnyalábokat.

A kutatók ezek segítségével fedezték fel 1983-ban a töltéshordozó részecskéket, a W- és Z-bozonokat.

Az SPS a végső tag a nagy hadronütköztetőhöz használt előgyorsítók sorában.

A szinkrociklotron Forrás: Wikimedia Commons

A CERN 1981-ben határozott a világ legnagyobb tudományos létesítménye, az elektron-pozitron gyorsító tárológyűrű, a LEP megépítéséről. A hét évig tartó építkezés mérnöki bravúrok sorát igényelte. A svájci-francia határt hatszor átszelő, átlagosan 100 méter mélyen fekvő, 27 km-es gyűrű rendkívül érzékenyen reagált az árapály jelenségre, a közeli Leman-tó vízszintnövekedése miatti nyomásváltozásra, sőt még a Genf és Párizs között közlekedő TGV szuperexpressz okozta minimális hálózati ingadozást is megérezte.

A LEP 2000-ben leállt, hogy alagútgyűrűjét felhasználhassák a CERN által 1994-ben jóváhagyott nagy hadronütköztető (Large Hadron Collider - LHC) megépítéséhez.

Az itt folytatott kísérletektől az ősrobbanás-elmélettel kapcsolatos feltételezések igazolását remélték, valamint a világegyetem keletkezésének és az anyag szerkezetének titkaira kívántak fényt deríteni.

A legek ura

A világ legnagyobb energiájú és leghosszabb részecskegyorsítóján, a nagy hadronütköztető gyűrűn 2008. szeptember 10-én futott végig az első protonnyaláb. Ízelítőül néhány adat az LHC - laikusok számára szinte felfoghatatlan - működési körülményeiről: a 3 méter átmérőjű alagút két gyűrűjében csaknem fénysebességgel száguldanak az előgyorsított protonok, amelyek energiáját további gyorsítással 7 teraelektronvoltra (TeV) növelik. Ezzel a sebességgel egy proton másodpercenként 11 245 kört tesz meg a 27 km-es pályán.

A protonnyaláb 10 órát kering a rendszerben, ez idő alatt a részecskék 10 milliárd kilométert mozognak.

Forrás: AFP/Fabrice Coffrini

Akkor érik el legnagyobb sebességüket, ha nem ütköznek akadályba, ezért egyrészt a gyorsítócső légnyomását a normál légköri nyomás tízbilliomod részére, 10-13 atmoszférára csökkentették, másrészt több ezer mágnes segítségével óvják őket a véletlen ütközéstől. (A legnagyobb mágnesekből, a dipól mágnesekből a körpálya mentén 1232 darab van, egyenként 14,3 méter hosszúak és 35 tonnásak.)

A szupererős mágneses teret létrehozó mágnesekben 11 700 amper erősségű áram folyik, a mágneseket a világűrnél is hidegebbre, mínusz 271,4 Celsius-fokra hűtik le.

Az LHC teljes kerületének mentén mindkét irányban protoncsomagok (nem pedig folytonos nyaláb) keringenek, a részecskenyalábok pályáját a gyorsító kerületén található négy nagy detektorban (ATLAS, CMS, LHCb, ALICE) keresztezik, másodpercenként 600 millió ütközést hozva létre.

Forrás: AFP/Fabrice Coffrini

Az ütközéseket a detektorok észlelik, elemzik és rögzítik. Az egyetlen kísérletnél évente rögzített adatok százezer DVD-t töltenének meg. Magyarország a kutatómunka mellett az adatrögzítésben is szerepet vállalt, 2013. június 13-án az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpontjában avatták fel a CERN-adatközpontot.

A nagy hadronütköztetőben keletkező gigantikus adathalmaz a CERN és a Csillebércen működő adatközpont között kiépített információs szupersztrádán érkezik Budapestre, ahonnan a feldolgozott adattömeget juttatják vissza a CERN-hez.

Tovább tökéletesítik

A nagy hadronütköztető kísérleteinek egyik legérdekesebb eredménye, hogy 2012-ben - fél évszázaddal a feltételezésük után - sikerült bizonyítani az "isteni részecskének" is nevezett Higgs-bozon létezését.

(Peter Higgs skót fizikus 1964-ben jósolta meg egy olyan részecske létét, amely képes tömeget adni más részecskéknek, és végső soron lehetővé tette az univerzum keletkezését.) 2018-ban az LHC ATLAS kísérletével bizonyították a Higgs-bozon B-kvarkokra való szétesését is.

Fotó: Origo

Az alapáron 4 milliárd euróból megépített LHC-t folyamatosan fejlesztik,

2026-ra tervezik a kibővített nagy luminozitású nagy hadronütköztető (High-Luminosity Large Hadron Collider - HL-LHC) munkába állását.

"A HL-LHC ki fogja terjeszteni a nagy hadronütköztető kutatásait az eredeti misszióján túlra, a felfedezések új lehetőségeit hozza el azáltal, hogy a részecskék, mint a Higgs-bozon tulajdonságait nagyobb pontossággal méri, és még mélyrehatóbban tárja fel a világegyetem alapvető alkotórészeit."

Forrás: MTVA Sajtóadatbank