Ahol a protonvonatok robognak és ütköznek - a Nagy Hadronütköztető színfalai mögé néztünk

2023 / 03 / 05 / Bobák Zsófia
Ahol a protonvonatok robognak és ütköznek - a Nagy Hadronütköztető színfalai mögé néztünk
Hogyan állítják elő az LHC protonsugarait? És hogyan állítják le őket? Hogy néz ki egy óriásdetektor és miért tartanak a CERN Vezérlőközpontjában sok-sok üveg pezsgőt a kutatók? Az Európai Nukleáris Kutatási Szervezet magyar résztvevőitől kaptunk válaszokat, miközben bepillantást nyertünk a távolból az ALICE és CMS kísérletek színhelyére is.

A tudomány békéje

A második világháború pusztítása által megtépázott Európa a negyvenes évek végére lassan magához tért és rendezni kezdte sorait és, bár a teljes béke távoli vízió volt, a legtöbb (nyugati) ország kormánya egy dologban egyetértett: az együttműködés és egy közös szellemiség megteremtése a nemzetek között létfontosságú a kontinens újjáépítésében. Egyike a kijelölt új céloknak a tudományos kutatások elősegítése volt egy olyan nemzetközi magfizikai laboratórium létrehozásával, ami globális szinten is versenyképes, vagy akár vezető pozíciót biztosít a kutatóknak. A közös munka emellett még egy nagy és nem másodlagos előnyt tartogatott volna: az egyes országok számára külön-külön megfizethetetlenül költséges létesítmények finanszírozását. Az 1951 decemberében, Párizsban tartott UNESCO találkozón a résztvevők megállapodtak az Európai Nukleáris Kutatások Tanácsának megalapításáról és két hónappal később 11 ország képviselői aláírták a megegyezést az átmeneti tanács felállításáról.

A CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) megszületett.


1955 júniusában Felix Bloch elhelyezte az első alapkövét a laboratóriumi komplexumnak (Kép: CERN)

A CERN betűszó ma már nem teljesen takarja a szervezet valódi nevét, ami Európai Nukleáris Kutatási Szervezetre módosult, de a szervezet francia-svájci határon fekvő hatalmas részecskefizikai laboratóriumát azóta is CERN-ként ismerjük. A létesítmény alapkövét 1955. június 10-én fektette le Felix Bloch, a CERN akkori elnök-vezérigazgatója és azóta már számtalan tudományos áttörést értek el a tudósok az itt zajló felfedezések révén, többek között itt látott napvilágot az az egész bolygót körülszövő hálózat, aminek köszönhetően ezt a cikket is láthatják az olvasók, vagyis a World Wide Web és itt bukkantak nyomára először a régóta keresett Higgs-bozonnak is 2012-ben. A látványos eredmények mögött többezer kutató munkája áll és a szereplők között nem egy magyar szakértőt is találhatunk.

Magyar résztvevők a CERN-ben

Magyarország 1992 óta a szervezet teljes jogú tagja és jelenleg hét magyar intézmény kutatói vesznek részt a különböző projektekben, a CERN éves kiadásainak pedig 0,73%- át, azaz több mint 8 milliárd forintot tesz ki az anyagi hozzájárulás. A kísérletekben közel száz magyar kutató dolgozik:

  • Ötvenketten a CMS
  • Huszonketten az ALICE
  • Tízen az NA61
  • Nyolcan az ISOLDE
  • Négyen a TOTEM
  • Ketten az LHCb
  • Egy kutató az ATLAS
  • és egy az ASACUSA

kísérletekben.

A legtöbb hazai szakembert foglalkoztató CMS és ALICE projektek a CERN (és a világ) legnagyobb részecskegyorsítójának, a Nagy Hadronütköztetőnek két óriásdetektorával végzett megfigyeléseket takarják, amelyek elsősorban az őslevesnek, a kvark-gluon plazmának a vizsgálatát szolgálják.

A Nagy Hadronütköztető (Large Hadron Collider, LHC) körülbelül 100 méterrel a Föld felszíne alatt található, ahol egy 27 kilométeres folyékony héliummal hűtött szupravezető mágnesekből álló gyűrűben elhelyezkedő vákumcsövekben száguldanak a közel fénysebességre gyorsított protonok két ellentétes irányban. Azoknak a pontoknak a közelében, ahol a részecskék végül találkoznak és ütköznek, detektorok mérik a hatásokat és gyűjtik az adatokat a keletkező egzotikus részecskékről, amelyek közül sok csak a másodperc törtrészéig él, majd elbomlik, de a bomlási folyamat vizsgálata által a kutatók betekintést nyerhetnek többek között azokba a történésekbe is, amelyek természetes, nem ember által előidézett formában még az univerzum keletkezése idején zajlottak le.

A kvark-gluon plazma az ősrobbanás utáni másodperc néhány milliomod részéig létezett csak,

majd a kvarkok és gluonok protonokat és neutronokat alkottak, így a plazma stabilabb állapotú részecskék halmazává alakult át. A kvark-gluon plazma itt a Földön csak az ütköztetőben generált extrém körülmények között jön létre, ezért ilyenkor nyílik lehetőség a behatóbb tanulmányozására.

De hogyan zajlik valójában egy kísérlet? Miből állítják elő a protonsugarakat és hogyan fékezik le a "protonvonatot"? A részletekről a CERN virtuális látogatásának keretében tudhattunk meg többet, ahol magyar szakemberek avattak be az itt zajló munkák titkaiba és vezettek körbe a CMS és az ALICE detektorok területén.

ALICE detektor - Ősrobbanás a laborban

Ahogy azt Ábel László, a CERN összekötő tisztviselője elmondta, a gyorsítókkal végzett munkák során számos fontos kérdésre keresik a választ a kutatók: mi is az a sötét anyag és sötét energia, miért nincs egyensúlyban a világegyetemben a normál anyag és az antianyag, vagyis tulajdonképpen miért létezik az univerzum és miért működik a gravitáció a megfigyelt módon. A projektek közül minden egyes berendezéssel végzett felfedezések más-más kérdést válaszolhatnak meg, az ASACUSA (Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow Antiprotons) például nem gyorsítja, hanem lassítja a részecskéket, konkrétan az antiprotonokat 5,3 MeV energiáról 100 keV-ra, hogy az anyag-antianyag interakciókat tanulmányozza.

Az LHC kísérletei közül az ALICE az univerzum születésének első pillanataiban létrejövő körülményeket vizsgálja az ólom-ólom ütközések által. Hogy miért éppen az ólom segítségével kivitelezik a kísérleteket, azt Horváth Dezső fizikus magyarázta meg: a kvark-gluon plazma vizsgálata során az ütközésekhez minél nagyobb és nehezebb atommagokra van szükség és ez a nagy tömegű nehézelem megfelel a célnak, de olyan gyorsítók is léteznek, ahol ólom helyett például aranyatomokat használnak fel. Az ütközések nem az atomok, hanem ionizált változataik között történnek, mivel a 82 protont, 126 neutront és 82 elektront tartalmazó ólomatomok a gyorsítókban megtett hosszú útjuk során elvesztik elektronjaikat és pozitív töltést kapnak.

Hogyan készülnek a protonsugarak?

Bizonyos vizsgálatok során proton-proton ütköztetéseket alkalmaznak, az ehhez használt protonsugarakat az ATOMKI kutatójának, a CMS kísérletben résztvevő Szillási Zoltánnak elmondása szerint hidrogéngázból állítják elő. A hidrogént első körben meg kell szabadítani az elektronjaitól, ehhez a gyorsító elején található berendezésbe engedik a gázt, majd innen indítják tovább a lineáris gyorsítóba, ahol fokozatosan egyre nagyobb sebességre kapcsolnak a protonok. Úgy, ahogy egy autóban a sebváltóval lehet optimalizálni a gyorsulás tempóját, a gyorsítók fokozatosan növelik a részecskék sebességét és mindegyik szakasz más-más energiaszintre van optimalizálva. A kezdeti 20-23 GeV-ról így a Szuper protonszinkrotronba érve már 450 GeV körüli az energiájuk és az LHC-be érkezve az ütközésekhez szükséges magas energiaszintre kerülnek.

A tízezer tonnás, 26 méter hosszú, 16 méter magas és 16 méter széles ALICE (A Large Ion Collider Experiment) detektor egyik fontos összetevőjét az az Időprojekciós Kamra (Time-Projection Chamber, TPC) adja, amelyet egyharmad részben Budapesten készítettek el és járványidőszakban végezték a tesztelését: ez egyúttal a világ legnagyobb GEM alapú időprojekciós kamrája. A TPC egy 88 köbméteres, 5 m átmérőjű, 5 m hosszú részecskenyomkövető detektor, amelyben a hengert argon-széndioxid gázkeverékkel töltik meg és belső üregében helyezkedik el a szilícium-lapkákból álló nyomkövető, legbelül pedig a berillium nyalábcső, amiben az ütközések történnek.

"Az ütközési pontban keletkezett relativisztikus töltött részecskék a TPC belsejében ionizálják a gázkeverék atomjait, amelyek azután az erős elektromos tér hatására elrepülnek a kamra hengerének két végében elhelyezett tortaszelet alakú kamrákhoz.

Ezek a detektorok a TPC korábbi változatában ún. sokszálas proporcionális kamrákból (Multiwire Proportional Chamber – MWPC) épültek fel, amelyek összesen 72 részből álltak. Az ALICE TPC továbbfejlesztése során most ezeket a „tortaszeleteket” felváltották egy új, az ún. gázelektron-sokszorozó (Gas Electron Multiplier – GEM) technológián alapuló elemek." - írta a Wigner Fizikai Kutatóközpont bemutatásában Gergácz Mira Anna és Barnaföldi Gergely Gábor, a Magyar ALICE Csoport csoportvezetője.

Az időprojekciós kamra különlegességét az adja, hogy lehetővé teszi a folyamatosan zajló adatkiolvasást, aminek eredményeképpen a részecskék ütközése során bekövetkező közel összes történést rögzíteni tudják a kutatók. Ez nem kis feladat, ugyanis az ALICE-ban minden másodpercben közel 5000 ütközés történik, de ezek közül bármelyik tartogathat fontos információkat a kísérletek szempontjából. A magyar hozzájárulás részét képezi még az időprojekciós kamrán kívül a belső nyomkövető rendszer (Inner Tracking System, ITS) és a adatgyűjtő, adattömörítő és adattovábbító rendszer (Data Acquisition System, DAQ), amelyeknek a fejlesztésben hazai szakemberek is részt vettek. Az adatok kezelése szintén nagy kihívást jelent, mivel az ezek gyűjtését kellőképpen sugárzásbiztos berendezéssel kell megoldani, miközben másodpercenként 4 Tbit/s sebességgel hozzák ki az adatokat.

Magyar ALICE Csoport

A Magyar ALICE Csoport az ALICE Kísérleti Együttműködés tagja, amely hivatalosan 1996-ban csatlakozott a CERN ALICE kísérlethez. Az ALICE idén március 1-jén ünnepelte harmincadik születésnapját: 1993. március 1-jén, reggel 8 órakor nyújtották be ugyanis azt a javaslatot a CERN vezetőségének, amely a kísérlet elindítását célozta, hogy kezdetét vehesse

"az univerzum ősanyagának, a kvark-gluon plazmának megismerését célzó nagy kaland."

A csoport a korai évektől kezdve aktív részt vállalt a detektor különböző berendezéseinek építésében, egészen az első TPC és DAQ fejlesztésétől a nagy impulzusú hadronok, úgymint pionok, kanonok és protonok mérését végző berendezés (High Momentum Particle Identification Detector, HMPID) elkészítésén át a már említett, újfajta időprojekciós kamra és adatgyűjtő rendszer létrehozásáig. A legutóbbi projekt keretében, 2021-2022 során, felépítésre került az ALICE Wigner Analysis Facility dedikált elemzőrendszere, amely a Wigner Adatközpontban található. Ez a speciálisan tervezett, gyors adatfeldolgozó egység a Wigner Tudományos Számítási Laboratórium (WSCLAB) részeként működik, és az ALICE kísérleti együttműködést adatainak elemzését szolgálja Budapestről.

CMS detektor - ahol új részecskékre vadásznak

A CMS (Compact Muon Solenoid) az ATLAS "testvére", társához hasonlóan egy általános célú detektor, amelynek segítségével a kutatások széles skáláját lehetséges kivitelezni. Ahogy a CERN videójában is elmondták: a CMS és az ATLAS a tudományos kutatások szempontjából majdnem egyformák, de más-más felépítéssel és eltérő mágneses rendszerrel. A nevében is szereplő kompakt jelző a szerkezetére utal, rendkívül sűrűn van felszerelve ugyanis különféle műszerekkel és berendezésekkel. A 15 méter magas és 21 méter hosszú detektor egy központi szolenoid mágnes köré épül, amely szupravezető szálak tekercséből áll és másodpercenként 40 millió alkalommal méri a részecskeütközéseket. A CMS az ALICE-nál is nagyobb tömegű, 14 000 tonnás súlyából két Eiffel-torony is kitelne. A CMS volt egyike (az ATLAS mellett) azoknak a detektoroknak, amelyekkel először sikerült a Higgs-bozon nyomára akadni.

Abba, hogy miként zajlik egy ilyen nagy horderejű felfedezés, Horváth Dezső avatott be minket részletesebben: elmondása szerint ahhoz, hogy biztosan ki lehessen jelenteni, hogy egy új részecske detektálására került sor, 5 sigma besorolást kell elérni, vagyis a teljes kísérleti bizonytalanság ötszörösével kell kiemelkednie a jelnek a zajból. A fizikusok azonban még ilyenkor is óvatosan fogalmaznak, nem feltétlenül egy új részecske egyértelmű felfedezését jelentik be, hanem inkább azt, hogy láttak egy részecskét, amelynek a tulajdonságai nem mondanak ellent a várt, elméletek által megjósolt jellemzőknek. A méréseket a hitelesség és pontosság érdekében meg kell ismételni, a CMS és ATLAS esetében például, a Higgs-bozon detektálásának során a két kísérlet együttes eredményei alapján találtak rá az "isteni részecske" nyomára.

Az ellentmondások elkerülésére az LHC indítása idején a kutatók megegyeztek abban, hogy a négy nagy detektort alkalmazó kísérletek együttműködnek egymással, a nagy fajsúlyú felfedezéseket és eseményeket pedig azóta is közösen ünneplik: a CERN Vezérlőközpontjában (CCC, amelyet Bukovics Tibor mutatott be nekünk a virtuális látogatás során) külön-külön felcimkézett pezsgősüvegek jelzik a laboratórium korábbi eredményeit, amelyeket minden alkalommal ünnepélyes keretek között átadott pezsgővel köszönnek meg a dolgozóknak.

A CMS kísérlet helyszínen Béni Noémi, a Debreceni Atommagkutató Intézet munkatársa vezetett körbe minket a távolból, így láthattuk azt az aknát is, ahol annak idején az óriásdetektort leeresztették a föld alá, miután logisztikai okok miatt (a detektor csarnoka nem készült el időben) a felszínen építették meg a berendezést. A CMS az ALICE-nál kicsivel korábban született meg, 1992. október 1-jén nyújtották be a javaslatáról szóló dokumentumot az LHC Tanácsának. A detektor azóta a Higgs-bozon feltárása mellett a top kvarkok, a W és Z bozonok és más részecskék utáni kutatásokban segít, méghozzá igen aktívan: a berendezésben másodpercenként 40 millió proton-proton ütközés történik, bár ebből körülbelül 1000 detektálására van lehetőség.

Hogyan állítják le a protonsugarakat?

A protonsugarak két irányban haladnak a Nagy Hadronütköztetőben: az egyik az óramutató járásával egyező, a másik azzal ellentétes irányban és csak az ütközési pontokban találkoznak, ahol a találkozó előtt fókuszálják a sugarakat. A gyűrűben 2808 protoncsomag utazik, amelyek körülbelül 150 milliárd protont tartalmaznak, de ezekből egy-egy ütközésben csak 50 proton vesz részt, a többi tovább halad útján. Egy idő után azonban a sugarak protonsűrűsége olyannyira lecsökken, hogy az ütközések már nem hozzák azt a "minőséget", amire a sikeres kísérletekhez szükség lenne, ezért 10-12 óra futási idő után leállítják a folyamatot. Bajkó Mártának, a CERN mágneseket fejlesztő csoportját vezető kutatómérnöknek magyarázata szerint a sugarak pályáját ilyenkor más irányba terelik egy úgynevezett beam dump ("nyalábtemető") rendszerbe. Az MKD mágnesek segítenek abban, hogy a rendkívül fókuszált és az expresszvonatokéhoz hasonlítható energiával rendelkező nyalábok ne tegyenek kárt semmiben és szabályozottan érkezzenek a végállomásra, ahol a grafitot tartalmazó acél ötvözetből készült hengerek nyelik el őket örökre.

A CERN múltja és jövője

Az LHC jelenleg téli szünetet tart, de március 27-én újraindulnak a protonok és a kísérletek. A Nagy Hadronütköztetőben az elkövetkező években jelentős fejlesztésekre készülnek a HL-LHC (High-Luminosity Large Hadron Collider) projekt keretében, amely során az ütköztető teljesítményét növelik. A program részeként megújítják a berendezések egy részét és a luminozitást többszörösére emelik, vagyis a nyaláb intenzitását és az ütközések számát megsokszorozzák. Ennek megvalósítására az ATLAS és a CMS közelébe különleges mágneseket telepítenek, amelyek közvetlenül a protonsugarak találkozása előtt fókuszálják a sugarakat. A HL-LHC projekt a tervek szerint 2029-ben indul és az eddigieknél is jobb betekintést nyújt a titokzatos fizikai folyamatokba.

A CERN azonban már a múltban is, egészen a kezdetektől az izgalmas kutatásokról és a szakértők közti együttműködésről szólt, amelyek között az indulás során tapasztalt nehézségek megoldása és az olyan mérföldkőnek számító események, mint a Higgs-bozon detektálása is egyaránt nagy hangsúlyt kapott. A magyar kutatók munkája pedig továbbra is hozzájárul a felfedezésekhez, amelyek talán megadhatják a válaszokat az univerzummal kapcsolatos legnagyobb kérdésekre.

(Fotó: Daniel Dominguez/Maximilien Brice/Cinzia De Melis, CERN, Boldizsár László/Wigner FK)


Így lettek a szexuális játékszerekből digitális kütyük
Így lettek a szexuális játékszerekből digitális kütyük
Lassan már senkit sem lep meg, hogy egy intim segédeszköznek legalább olyan jól kell tudnia csatlakoznia a wifihez vagy egy telefonhoz, mint a viselőjéhez, használójához.
Az óceánok mélyén mérgező tengeri nyuszik élnek
Az óceánok mélyén mérgező tengeri nyuszik élnek
A Jorunna Parva valójában egy tengeri csiga fajta, melynek kémiai vegyületeket detektáló antennái nyuszifülekre hasonlítanak. Az apró, két centiméteres élőlények étrendjüknek köszönhetően rendkívül mérgezőek és mindössze néhány hónapig élnek.
Ezek is érdekelhetnek
HELLO, EZ ITT A
RAKÉTA
Kövess minket a Facebookon!
A jövő legizgalmasabb cikkeit találod nálunk!
Hírlevél feliratkozás

Ne maradj le a jövőről! Iratkozz fel a hírlevelünkre, és minden héten elküldjük neked a legfrissebb és legérdekesebb híreket a technológia és a tudomány világából.



This site is protected by reCAPTCHA and the Google Privacy Policy and Terms of Service apply.