27 kilométeres csőben

A Nagy Hadronütköztetőben (Large Hadron Collider, LHC) – a világ legnagyobb teljesítményű részecskegyorsítójában – egy 27 kilométer hosszú csővezetékben folyékony héliummal szuperhideg vákuumot hoznak létre, majd közel fénysebességre gyorsított, kriogenikus hűtésű mágnesekkel pályán tartott protonokat ütköztetnek egymással. Az átlagember ebből csak annyit ért meg, hogy 7,3 milliárd eurót költöttünk egy földbe vájt alagútra, ami annyit fogyaszt, mint a négyes metró, de egy játékvonat se fér el benne. A gondolkodás képessége előtti legszebb tisztelgés volt az emberiségtől, hogy ennyi pénzt áldoztak egy olyan eszközre, aminek a segítségével pontosabban megérthetjük a fizikai valóság természetét. A projektet tíz éve azért indították, hogy a Higgs-bozon létezését kutassák vele; ennek a létezését a standard részecskefizika modellje ugyan megjósolta, de a műszaki-tudományos színvonal csak akkorra ért el odáig, hogy az elmélet kutathatóvá váljon. A Higgs-bozon felfedezése történelmet írt és Nobel-díjat ért – de az LHC-nak számos más fejlesztést is köszönhetünk. Nem véletlen, hogy már javában dolgoznak a rendszer bővítésén.

A Nagy Hadronütköztető CMS (Compact Muon Solenoid) detektorának 16 méter átmérőjű, 26 méter hosszú hordója már ránézésre is bonyolultabb és felfoghatatlanabb bárminél, amit az ember valaha épített. A CMS több célra használható: többek között a részecskefizika standard modellje, azon belül a Higgs-bozon vizsgálatára, de extra dimenziók, illetve a sötét anyagot alkotó részecskék vizsgálatára is alkalmas.

A teljes komplexum legalább annyira bonyolult konstrukció, mint egy önálló város, és nagyjából annyi energiát is fogyaszt. Működés közben a mágnesekben 10 gigajoule energia halmozódik föl; ennyi energia szabadul fel 2400 kilogramm TNT felrobbantása közben. Ennek megfelelően a rendszer karbantartása is rengeteg erőforrást igényel. A költségekről nem is beszélve: a hadronütköztető kialakítása 7,5 milliárd euróba került.

Az LHC gyorsítógyűrűje nyolc egyenes és nyolc íves szakaszból áll össze. Az egyenes részeken lehetőség nyílik kísérletek végzésére. A kanyarokban a newtoni fizika szabályai miatt kitörni kívánó részecskéket csak komoly mágneses potenciállal lehet az öt centiméter körüli átmérőjű csőben tartani. A részecskéket úgy tartják körpályán, hogy mágneses térrel eltérítik őket. Minél nagyobb egy részecske energiája, annál nehezebb eltéríteni, illetve annál többet fog kisugározni az energiájából, hogy eltérülhessen. Ez az úgynevezett szinkrotron sugárzás, amit egyes gyorsítókban használnak más jellegű kísérletekre, például anyagvizsgálati módszerek kifejlesztésére. A nagyon erős mágnesek eltérítik a részecskéket, de a kisugárzott energiájukat is pótolni kell; ehhez úgynevezett üregrezonátorokat használnak.

Az LHC beindítása előtt sokan aggódtak amiatt, hogy a nagy energiájú részecskeütközések életveszélyes következményekkel járhatnak – például mikroszkopikus méretű, de stabil fekete lyukak, vagy úgynevezett strangeletek jöhetnek létre. A biztonsági felülvizsgálatok megállapították, hogy a részecskegyorsító nem jelent veszélyt – már csak azért sem, mert a kifogásolt jelenségek a természetben is kialakulhatnak, komolyabb következmények nélkül. A Földre beérkező nagy energiájú kozmikus sugarak például jóval nagyobb erővel csapódnak a légkörbe, mint amire egy részecskegyorsító képes lenne.

Az LHC-t 2008. szeptember 10-én üzembe helyezték, de kilenc nappal később üzemzavar miatt leállították. A 27 kilométeres gyorsítógyűrű két mágneselemének találkozásánál a vezérlő elektronika két vezetéke nem illeszkedett pontosan. A vezetéken megnőtt az ellenállás, ami heves elektromos kisülést eredményezett, és kilyukasztotta a mágneselem hűtéséért felelős csövet. Az ebből kiömlő folyékony, mínusz 271 fokos héliummal nem bírt el a túlfolyó szelep, így befolyt a vákuumkamrába, ez pedig olyan robbanáshoz vezetett, ami szétvetette a mágneselemeket.

A CERN kísérletei nem kereskedelmi forgalomban kapható végtermék létrehozására irányulnak. De a világegyetem jobb megértésére irányuló próbálkozások közben olyan melléktermékek jöttek létre, mint a World Wide Web, vagyis az internet ma ismert formája, vagy olyan, rákgyógyításra használható és orvosdiagnosztikai eszközök, mint a PET szkennerek.

A teljes CMS rendszer több százezer kilométernyi kábelből, több ezer tonna szupravezető mágnesből és temérdek fémből áll. A rendszert a felszínen szerelték össze, a szeleteket pedig daruval, egyenként eresztették le – darabját 8 óra alatt.

A hadronütköztetőben az egymásba csapódó részecskéket korábban 8 teraelektronvoltnyi energiával ütköztetik. Ez látszólag nem nagy – egy csettintésünkkel több energiát állíthatunk elő -, de mivel ez az energia ennél milliószor kisebb területen koncentrálódik, ez gyakorlatilag olyan, mintha széttépnénk a valóság szövetét.

A 8 TeV már így is bőven meghaladta a második legnagyobb teljesítményű részecskegyorsítóét, de a komplexum mai csúcsteljesítménye 13 TeV, és a kitűzött cél a 14 TeV – a rendszer még ezt is bírja. A csaknem fénysebességre gyorsított protonok ütközése egy csomó érdekes hatással jár, mivel ilyenkor hatalmas mennyiségű hő és energia keletkezik. Ehhez persze további fejlesztések is szükségesek. A protonokat a pályán tartó mágneseket kriogenikus hűtésű darabokra cserélték, hogy kezelni tudják a megnövekedett energiaáramlást.

Az LHC nem egyetlen, 27 kilométer kerületű gyűrűből áll. Több kisebb is tartozik a rendszerhez, amik mind további energiamennyiséget adnak a fő gyűrűnek. A jövőben végzett fejlesztések egyike, hogy az LHC-t előgyorsítóként használják egy még nagyobb gyűrűhöz. A tervek szerint az LHC utódjánál a fő gyűrű hossza akár 100 kilométer is lehet. Persze, ennek a megépítése – azon túl, hogy rengeteg pénzt fog felemészteni – több évtizedig is eltarthat.

Az LHC-ben végzett kísérletek közösségi szellemben zajlanak. Minden itteni kutatás eredményéhez hozzáférhetnek a kísérletben részt vevő személyek; és a legnagyobb projekteken több ezren is dolgozhatnak. A tudósok szabadon elemezhetik az eredményeket, de publikálás előtt ezeket az egész csoportnak felül kell vizsgálnia. A “több szem többet lát” elvet követve az LHC-ben begyűjtött adatokat a CERN honlapján is közzéteszik – ki tudja, hátha egy amatőr fizikusnak tűnik fel a temérdek adatban egy áttörő jelentőségű energiaingadozás.Néhány évvel ezelőtt a kutatók még a Higgs-bozonra vadásztak; ennek a megléte volt a hiányzó láncszem a részecskefizikai modellben. Eközben viszont más kutatásokat is végeztek, amik például a sötét anyag, illetve a szuperszimmetrikus és a nagyon nehéz részecskék vizsgálatára irányult. A standard modell szempontjából ezek is nagyon fontosak – csak éppen közel sem kapnak akkora figyelmet, mint a Higgs-bozon.