14 szúnyog energiájával tárulhatnak fel a kozmosz titkai – csodás képek a tudomány első számú palotájából, a CERN-ből

Hároméves, koronavírus-járvánnyal súlyosbított szünet után, 2022. április 22-én újraindult a világ legnagyobb és legnagyobb teljesítményű fizikai kutatóberendezése, az Európai Nukleáris Kutatási Szervezet (CERN) nagy hadronütköztetője (Large Hadron Collider, LHC).

A CERN Genf mellett található nagy hadronütköztetője csaknem 14 éves, a nagyenergiájú fizika legnagyobb és legkorszerűbb berendezésében 2008. szeptember 10-én haladt végig az első protonnyaláb. A nagy hadronütköztető kísérleteinek egyik legfontosabb eredménye, hogy 2012-ben – fél évszázaddal a feltételezése után – sikerült bizonyítani az isteni részecskének is nevezett Higgs-bozon létezését. 2018-ban az LHC ATLAS kísérletével bizonyították a Higgs-bozon B-kvarkokra való szétesését is.

Az LHC-vel eddig felfedezett részecskék – köztük a Higgs-bozon – megfeleltek az úgynevezett Standard Modellnek, ami az 1970-es évek óta a fizika irányadó elmélete. A Standard Modell azonban hiányos, mivel nem ad magyarázatot a fizika néhány megválaszolatlan kozmikus kérdésére, például a sötét anyag természetére. A CERN-ben működő négy hatalmas részecskedetektor egyike, az LHCb kísérletében korábban gyűjtött adatok is a részecskék olyan viselkedéséről árulkodnak, amelyek nem magyarázhatók a standard modellel.

Az LHC kezd feléledni

A 27 kilométer hosszú, gyűrű alakú alagútban körbefutó részecskegyorsítót 2018 decemberében állították le, hogy átfogó karbantartási és fejlesztési munkákat végezhessenek rajta. A három évig tartó hiátus után április 22-én pénteken, közép-európai idő szerint 12:16-kor ismét protonok kezdtek száguldani a nagy hadronütköztető dipólusmágnesekkel görbített pályáin. A CERN kutatói, mérnökei a fejlesztéseket tesztelik, és az újraindítás, valamint a nyáron induló, 3. fázisnak nevezett működési szakaszra való felkészülés során az LHC máris megdöntötte a korábbi rekordot:

az újraindítás után az LHC minden eddiginél nagyobb energiára gyorsított két protonnyalábot.

A korábbi 6,5 teraelektronvoltnál nagyobb, nyalábonként 6,8 TeV nagyságú energia, az LHC-ben maximálisan lehetséges 2x7 TeV (azaz 14 TeV) ütközési energiától nem sokkal marad el.

A tervek szerint 6-8 hét múlva megkezdik az új, minden korábbinál nagyobb intenzitású és nagyobb energiájú kísérleteket, amik az új négyéves kutatási periódusra szólnak. A kísérletekben az egymással ellentétes irányba száguldó protonnyalábokat az LHS megfelelő pontján frontálisan egymásnak terelik, így ütköztetve a protonokat. A tervezett, csaknem 14 teraelektronvoltos energiájú ütközések hatására a protonok apró elemi részecskékre, kvarkokra, neutrínókra, müonokra, gluonokra, bozonokra és ma még nem ismert alkotóikra robbannak szét – ezeket detektálva keresik a választ a fizika szélsőséges kérdéseire a CERN-ben dolgozó kutatók.

Az elektronvolt a részecskefizikában illetve a csillagászatban használatos speciális mértékegység, a gyorsított részecskék mozgási energiájának leírására. Nagyon kis energiamennyiségről beszélünk: egy elektronvolt az a mozgási energia, amelyet egyetlen darab elektron 1 volt potenciálkülönbség hatására nyer. Összehasonlításképpen: egy teraelektronvolt (azaz 1 trillió elektronvolt) nagyjából egy repülő szúnyog mozgási energiájának felel meg. A csaknem 7 TeV-os protonnyalábok ütköztetése tehát 14 szúnyog mozgási energiáját szabadítja a nagy hadronütköztetőben száguldó protonokra. Ez mókásan kicsinek hangzik, de egyetlen proton esetében hihetetlenül nagy energiamennyiség, ami képes a szubatomi részecskét a legkisebb alkotórészeire szétszedni.  

Az univerzum titkait fürkészik

„A CERN gyorsítókomplexumának második hosszú leállása alatt a gépek és a berendezések jelentős korszerűsítéseken estek át” – mondta Mike Lamont, a CERN gyorsítókért és technológiáért felelős igazgatója. „Maga az LHC átfogó konszolidációs programon esett át, és most még nagyobb energiával fog működni, az injektorkomplexumban végrehajtott jelentős fejlesztéseknek köszönhetően pedig lényegesen több adatot fog szolgáltatni a korszerűsített LHC-kísérletek számára.”

Az LHC harmadik futtatása során nemcsak rekordenergiájú, hanem rekordmennyiségű ütközésekből származó adatot gyűjthetnek majd a kutatók hatalmas detektoraikkal. Az ATLAS és a CMS kísérletek is több ütközésre számíthatnak az új fázisban, mint az előző két futtatásban együttvéve, míg az LHCb, amely a leállás alatt teljes átalakításon esett át, remélhetőleg háromszorosára növeli az ütközések számát. Eközben az ALICE, a nehézion-ütközések tanulmányozására specializálódott negyedik nagy LHC-detektor a nemrégiben befejeződött nagyszabású korszerűsítésnek köszönhetően a regisztrált ionütközések számának ötvenszeres emelkedésére számíthat. A soha nem látott számú ütközés lehetővé teszi, hogy a világ fizikusai – köztük a CERN-ben dolgozó és kutató magyarok is – részletesen tanulmányozzák a Higgs-bozont, és az eddigi legszigorúbb felülvizsgálatnak vessék alá a részecskefizika Standard Modelljét, illetve annak különböző kiterjesztéseit.

A következő négy év alatt két új kísérlet – a FASER és az SND – is zajlik majd, amelyek célja a Standard Modellen túli fizika kutatása. Ezek során speciális proton-hélium ütközésekkel mérik, hogy milyen gyakran keletkeznek a protonok antianyag megfelelői; valamint oxigénionok ütköztetésével a kozmikus sugárzás fizikájáról és a kvark-gluon plazmáról, az univerzum anyaganák ősrobbanás utáni állapotáról szerezhetnek ismereteket a fizikusok.

A világ legnagyobb részecskefizikai laboratóriuma, ahol csaknem tizenötezren dolgoznak, több mint két év járványügyi korlátozás után indul be idén nyárra teljes gőzzel. Alábbi képeink 2020 január végén, nem sokkal a világjárvány kibontakozása előtt készültek, amikor a CERN és budapesti partnere, a Wigner Fizikai Kutatóközpont meghívásából bejárhattuk az új kísérletekre, a közelgő átállásra készülő LHC létesítményeit, köztük a négy nagy detektor közül azt a hármat, amiken magyarok is dolgoznak: az ALICE-t, az ATLAS-t és a CMS-t. A fotók különlegessége, hogy a két LHC-futás közti átmeneti időszak remek lehetőséget nyújtott arra, hogy a hatalmas berendezéseket szétnyitva, átépítés közben láthassuk.

Nyitókép: Nagy Attila Károly/rtl.hu