tudomány-tech

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

Nagy Attila KárolyNagy Attila Károly

2022. április 30. 14:33

A világ legnagyobb részecskefizikai laboratóriuma három év szünet, benne több mint két év járványügyi korlátozás után felturbózva indul be idén nyáron. Képeink megmutatják, hogy milyen volt a CERN a járvány kitörése előtti utolsó pillanatokban.

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.

ALICE (A Large Ion Collider Experiment) avagy a Nagy Ionütköztető Kísérlet egyike a CERN négy nagy detektorának – Fotó: Nagy Attila Károly
ALICE nem kicsi: tömege közel 10 000 tonna, magassága 16, hossza 26 méter – Fotó: Nagy Attila Károly
ALICE célja az Univerzum korai, az ősrobbanás után első mikromásodpercben létezett állapota, a kvark-gluon plazma előállítása és tanulmányozása. Ehhez közel fénysebességre gyorsított ólom atommagokat ütköztetnek a detektor középpontjában – Fotó: Nagy Attila Károly
36 ország több mint 1200 fizikusa és mérnöke, köztük a Wigner ALICE-csapata dolgozik a kísérlethez kapcsolódó nemzetközi együttműködésben – Fotó: Nagy Attila Károly
Az LHC hosszú alagútjaiban, szervizútjain ilyen kis elektromos triciklikkel közlekednek a mérnökök, technikusok – Fotó: Nagy Attila Károly
A CERN veszélyes munkahely, fokozott figyelmet és éberséget követel mindenkitöl – Fotó: Nagy Attila Károly
A sportosabb dolgozók kerékpárral járják be a Nagy Hadronütköztető 27 kilométeres köralagútját – Fotó: Nagy Attila Károly
Az LHC igazából nem más, mint csövek és mágnesek nagyon hideg rendszere, amiben 1200 titán-ón mágnes gyorsítja és tartja pályán az egymásnak ütköztetett protonnyalábokat – Fotó: Nagy Attila Károly
 Bajkó Márta, a CERN mágnesgyárának vezetője az LHC alagútjában – Fotó: Nagy Attila Károly
Említettük már, hogy a CERN veszélyes munkahely? – Fotó: Nagy Attila Károly
A CERN a svájci-francia határ közelében terül el kisvárosnyi területen, az időjárást nagyban meghatározza a szomszédos Jura-hegység és az Alpok közelsége – Fotó: Nagy Attila Károly
A CERN különlegessége, hogy a felszínen úgy néz ki, mint egy csomó jellegtelen épület együttese, amire ráférne egy alapos tatarozás. A lényegi munka azonban nem itt, hanem a föld alatt, sokemeletnyi mélységben történik, a rengeteg futurisztikus, high-tech berendezés ott duruzsol – Fotó: Nagy Attila Károly
Az „antianyaggyár” a CERN  antiproton-lassító (AD) gépe, amellyel alacsony energiájú antiprotonokat állítanak elő antianyag-kísérletekhez – Fotó: Nagy Attila Károly
Szillási Zoltán fizikus (a debreceni Atomkiből) a CMS detektoron dolgozik, és az LHC 7 teraelektronvoltos maximális energiaszintjét és a hozzá tartozó, közel fénysebességet mutatja, más részecskegyorsítókkal összehasonlítva – Fotó: Nagy Attila Károly
A CERN bizony falja az áramot – Fotó: Nagy Attila Károly
Kevés olyan bonyolult tudományos komplexum létezik a világon, mint a CERN, a kívülálló szemlélő számára kábelek és titokzatos gépezetek kaotikus szövevénye az egész – Fotó: Nagy Attila Károly
A CMS (Compact Muon Solenoid) detektor tizennégyezer tonnát nyom, aminek jó részét a gigászi szerkezet titán-niobium szupravezető mágnese teszi ki – Fotó: Nagy Attila Károly
Balra: ALICE-kobakok, jobbra: az ATLAS felszíni épületét nehéz eltéveszteni – Fotó: Nagy Attila Károly
Az ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS, Egy Toroidális LHC Apparátus) 7000 tonnás, 45 méter hosszú, 25 méter átmérőjű hengeres detektor, aminek a CMS-sel együtt a Higgs-bozon felfedezését lehet köszönni – Fotó: Nagy Attila Károly
A CERN műhelyeiben precíziós eszközökkel készülnek az egyedülálló részecskefizikai kísérletek berendezéseihez az alkatrészek – Fotó: Nagy Attila Károly
A CERN nem működhetne az elképesztően nagy kapacitású adattároló központ nélkül, amit minden ciklus előtt bővíteni kell – Fotó: Nagy Attila Károly
A CERN adattárolási történetének két darabja: egy 6250 bpi (bit/inch) kapacitású mágnesszalagos adattároló és egy 1156 bites ferrogyűrűs mágneses memóriaegység egy 1965-ös CDC 6600 szuperszámítógépből – Fotó: Nagy Attila Károly
A CERN adatközpontjának egyik folyosója. Az előző kutatási ciklusban 100 petabájtnyi adat gyűlt össze, a következő ciklusban ennek százszorosára lehet számítani – Fotó: Nagy Attila Károly
Balra: egy régi, használaton kívüli, köztéri dekorációként szolgáló gyorsítócső, jobbra: nióbium-ón szupravezető tekercs az LHC továbbfejlesztéséhez – Fotó: Nagy Attila Károly
Ködkamra detektor a részecskefizika történetéből. A ködkamra olyan készülék, amely képes az ionizáló sugárzások és töltött részecskék útját kimutatni. A ködkamrában túlhűtött gáz található, amely a részecskék által keltett ionokon a fent látható alakzatokat felvéve kicsapódik, így láthatóvá téve a részecskék útját. – Fotó: Nagy Attila Károly
Egy régi részecskedetektor a CERN múzeumában – Fotó: Nagy Attila Károly
A CERN múltjának szép darabja: a Nagy Európai Buborékkamra (Big European Bubble Chamber, BEBC) rozsdamentes acélból készült tartálya mint szabadtéri kiállítási tárgy. A részecskedetektor 1973-tól 1984-ig működött, átmérője 3,7 méter, magassága 4 méter, működésekor 35 köbméter folyadékkal volt feltöltve (hidrogén, deutérium vagy neon–hidrogén keverékével)  – Fotó: Nagy Attila Károly
A Large Electron-Positron (LEP, Nagy Elektron-Pozitron) ütköztető rézből készült rádiófrekvenciás tartálya a nyolcvanas évekből  – Fotó: Nagy Attila Károly
Igen, az internet alapjául szolgáló http protokollt itt, a CERN-ben alkották meg – Fotó: Nagy Attila Károly
Szalontánc, salsa, bachata, west-coast rocky, a részecskefizikusok is szeretnek táncolni – Fotó: Nagy Attila Károly

Nyitókép: Nagy Attila Károly/rtl.hu

#tudomány-tech#tudomány#részecskegyorsító#lhc#cern#nagy hadronütköztető#újraindulás#ma

Címlapról ajánljuk