THE GREAT HADRON COLLIDER.

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 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------ 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)