Új ütközések, új felfedezések

Július 5-én, a 16 óra 47 perces indítás után újra proton-proton ütközést detektáltak a Nagy Hadronütköztető (LHC) Atlas detektorával, amellyel tíz évvel ezelőtt a Higgs-bozon részecskét is felfedezték: ez az esemény jelezte hivatalosan annak a hosszú szünetnek a végét, amely még 2018 decemberében kezdődött, hogy a Második Hosszú Leállás (Long Shutdown 2) keretében elvégezhessék a szükséges fejlesztéseket és javítási munkákat.

A Nagy Hadronütköztető minden egyes működési szakasza alatt (a mostani a harmadik ezek közül) egyre nagyobb és nagyobb energiával ütközteti a részecskéket és egyre több eseményt detektál, ezáltal folyamatosan emelkedik azoknak a megfigyeléseknek a száma is, amelyek potenciálisan új, korábban nem látott egzotikus részecskéket fednek fel, vagy a már valamennyire ismert elemek új tulajdonságaira világítanak rá. Jelenleg a berendezés 13,6 teraelektronvolt energiával működik vagyis ennyi az összenergiája a két, egyenként 6,8 TeV-os protonsugárnak ütközéskor, ez pedig rekordnak számít, a második működési szakasz alatt a 13 TeV elérése volt a cél, az LHC eredetileg eltervezett maximális teljesítménye pedig 14 TeV. Az ütköztetőben átlagban 25 nanoszekundumos időközönként találkoznak a protonok csoportjai, ami 40 MHz-es frekvenciának felel meg a CERN leírása szerint, ez az eddigiekhez viszonyítva az ütközési ráta ötszörösére való emelését jelenti.

Ahhoz azonban, hogy a protonütközések következtében kialakuló folyamatok új megfigyelésekhez vezessenek és a fizikusok számára is kézzelfogható eredményt hozzanak, a megfelelő berendezésekre is szükség van, amelyek a méréseket rendkívüli érzékenységgel végzik el: a Második Hosszú Leállás során számos ilyen új típusú eszközzel gazdagodott az LHC. A Nagy Hadronütköztetőben négy nagyobb detektor működik, az ATLAS, a CMS, az LHCb és az ALICE, amelyek más-más kísérletekhez szolgáltatják az adatokat - az óriási méretű eszközök olyanok, mint egy-egy hatalmasra nőtt digitális kamera, amik azokat a villámsebességgel lezajló folyamatokat örökítik meg, amelyek folyamán számtalan jól ismert és időnként, szerencsés esetben, néhány egzotikus, sosem látott részecske is keletkezik a másodperc törtrészéig.

Részecske Állatkert

Ilyen egzotikus részecske a nemrégen felfedezett pentakvark és tetrakvark is, amelyeknek létezése újabb bizonyítékot nyújt arra, hogy az úgynevezett részecske állatkert jelentős bővítésre szorul - a fizikusok elértek az "állatkert" 2.0 verziójának építéséhez.

A részecske állatkert az elemi részecskék katalógusát jelenti - az adatbázis alapjait még a múlt század ötvenes - hatvanas éveiben fektették le, mikor a fizikusok kezdtek pontosabb képet kapni arról, hogy hányféle hadron létezik és milyen komplexebb elemek épülnek fel a legkisebb egységnek számító kvarkokból, amelyek hipotetikus részecskékből valódi elemekké léptek elő 1968-ban, mikor a SLAC-ben (Stanford Linear Accelerator Center) sikerült kimutatni, hogy a nukleonok (protonok és neutronok) rendelkeznek belső szerkezettel. A kvarkok hat fajtájának (fel, le, bájos, furcsa, felső, alsó) bizonyos tagjai alkotják a hadronokat, vagyis a barionokat és mezonokat, amelyek a legtöbb esetben egyenként két vagy három kvarkot tartalmaznak. A proton például két fel és egy le kvarkból, a neutron egy fel és két le kvarkból, a mezonok pedig leggyakrabban egy kvarkból és egy antikvarkból állnak.

A kísérletek során azonban a fizikusok arra is találtak már példát, hogy négy vagy öt kvark áll össze egészen rövid ideig egy egységgé és az így keletkezett tetra-és, pentakvarkok tanulmányozása során a világegyetem kezdeti felépítésének rejtelmeibe nyerhetnek betekintést a kutatók. A 13,8 milliárd éve lezajló ősrobbanás után ugyanis még olyan különleges elemek is kavarogtak a forró plazmában, amelyek azóta régóta tovatűntek és a megjelenésük még az extrém körülményeket előidéző és így a hétköznapitól jócskán eltérő részecskéket életre keltő ütköztetőberendezésekben is ritka eseménynek számít.

Tetra-és pentakvark megfigyelésre legutóbb éppen az LHC előző működési szakaszából származó adatok elemzésével került sor - a július 5-én bemutatott új részecskék keletkezését az LHCb detektorral rögzítették. A bájos kvarkot, bájos antikvarkot, valamint fel, le és furcsa kvarkot tartalmazó pentakvark jelentőségét (amellett, hogy ez az első pentakvark, aminek építőelemei között furcsa kvark is szerepel) az adja, hogy az elvártnál sokkal magasabb tapasztalati szórással sikerült kimutatni a létezését, ami, a CERN elmondása szerint kiemelkedő eredményt jelent. A tetrakvarkok különlegessége pedig abban rejlik, hogy most először figyeltek meg két ilyen típusú részecskét egy párba rendeződve.

"Az 1950-es évekbelihez hasonló felfedezési periódusnak vagyunk szemtanúi,

amikor a hadronok részecske állatkertjét kezdték felfedezni és ez végül a hagyományos hadronok kvark-modelljének kialakulásához vezetett az 1960-as években" - mondta el Niels Tuning, az LHCb koordinátora - "A részecske állatkert 2.0 verzióját alkotjuk meg."

Új berendezések

De hogyan éri el a legújabb és legjobb megfigyelési eredményeket a Nagy Hadronütköztető az új eszközeinek segítségével?

A több mint három éves szünet alatt az LHC számos alkatrészét kicserélték a még precízebb működés érdekében: bár hosszú lenne felsorolni mind a négy detektor összes módosítását, de az LHCb újításai már önmagukban is jól tükrözik, hogy milyen szintű fejlesztések történtek a berendezésekben.

• A VELO (VErtex LOcator) al-detektort, amely a b-mezonoknak a másodperc billiomod részéig tartó élettartamát mérte két sornyi szilícium szenzor segítségével, lecserélték a VeloPix-re egy pixel alapú detektorra, ami 41 millió, egyenként 55*55 mikrométeres érzékelőt tartalmaz. A VeloPix az ütköző protonokat rendkívül közelről, 5,1 milliméter távolságból fogja figyelni, a 624 ASIC (integrált áramkör), valamint az 1020 optikai link pedig lehetőséget ad rá, hogy a berendezés összesen 2 terabit/s sebességgel közvetítse az adatokat a feldolgozást végző számítógépek felé.
• A részecskék útját rögzítő nyomkövető rendszer, ami, az előző berendezés miniatűr alkatrészeitől eltérően, nem apró, hanem hatalmas, egyenként 40 négyzetméteres egységekből, ezen belül többezer, gázzal töltött csőből állt, szintén nyugdíjba vonult, a helyére a nyomkövető fejlesztett verziója lépett, szénszálas alapra helyezett szilícium szenzorok képében, valamint a rendszerhez tartozó SciFi (Scintillating Fibre Tracker) integrálásával, ami a dipólus mágnes mögött helyezkedik el. Ez utóbbi eszköz a részecskék jelenlétét kék és zöld fény kibocsátásával jelzi az optikai szálakon és 99%-os pontossággal jelzi egy-egy találat beérkezését.

• Az LHCb ezeken felül egy szintén alapos fejlesztéseken átesett detektort is kapott: a két részből álló RICH (Ring Imaging Cherenkov) a mágnes két oldalán méri a Cserenkov-sugárzást, ami akkor jön létre, mikor a részecskék a fénynek egy bizonyos közvetítő anyagban való sebességénél gyorsabban repülnek keresztül ugyanazon a közvetítő anyagon. A RICH-1 szilikát aerogéllel és perfluor-bután gázzal, a RICH-2 tetrafluormetánnal működik, előbbi az alacsony lendületű, utóbbi a nagyobb impulzusú részecskék mérését végzi.

"Útja közben a részecske kúp formájú sugarat bocsát ki magából, amit a RICH detektorok tükrök segítségével szenzorok sorára vetítenek.

A kúp alakja a részecske sebességétől függ, ezáltal a detektor meg tudja határozni a tempóját." - részletezi a CERN. Ezt az információt a korábbi pályaívéről szóló adatokkal kombinálva pedig a részecske egyéb jellemzőit is ki tudják számolni a kutatók, mint például a tömegét és a töltését, így könnyebben beazonosíthatóvá válik a detektált elem mibenléte. A detektorok 1-150 GeV/c közötti tartományban mérnek és összesen 484 fotoelektron-sokszorozó cső borítja a négy érzékelő felületüket.

• A SMOG-ot (System for Measuring the Overlap with Gas) pedig a SMOG2-re cserélték, ami az elődjéhez viszonyítva két nagyságrenddel nagyobb fényerőt tud elérni (megfigyelni) ugyanakkora gázmennyiség használata mellett. A berendezésben különféle gázok, köztük nemesgázok (héliumtól a xenonig), oxigén, nitrogén vagy deuterium található és az ezeken keresztül haladó részecskék a gázok atomjaival ütközve olyan új megfigyeléseket tesznek lehetővé, mint a kvarkok és gluonok spinjének és dinamikájának elrendeződése a nukleonokon belül.

Az új készülékek és fejlesztett eszközök alkalmazására azért van szükség, hogy a megnövekedett ütközésszámmal és az ezekből származó adatok feldolgozásával lépést tudjanak tartani a berendezések, mivel, az első és második működési szakasszal ellentétben, immár a teljes 40 MHz-es frekvencián történik az adatok kiolvasása, amit később szoftverekkel dolgoznak fel - a korábbi években az adatok előzetes, hardver alapú szűrésen estek át, majd egy algoritmus választotta ki a legérdekesebb eseményeket, amelyeket rögzítésre és elemzésre érdemesnek talált.

A tervek szerint az LHCb tízszeresére, az ALICE ötvenszeresére emeli majd a megfigyelt ütközések számát,

míg az ATLAS és CMS detektorok az eddigi évek összes megfigyelésénél is többet rögzítenek a mostani szakasz során. A felfedezések az egzotikus részecskék megismerése mellett a Higgs-bozon tanulmányozását, a sötét anyag titkainak kutatását és az anyag-antianyag asszimetriájának magyarázatát is elősegíthetik.

(Fotó: Daniel Dominguez/CERN, R. Gonzalez Suarez/ATLAS Collaboration, CERN)

Rekordot döntött a Nagy Hadronütköztető néhány nappal az újraindítása után Minden eddiginél nagyobb energiával száguldanak a protonok az ütköztetőgyűrűben.