Hunter
LHC: Kezdődik!
Három évtizeddel a koncepció megszületését követően, 15 év konstrukciós munka és több éves csúszás után szeptember 10-én végre elfordítják az LHC, a Nagy Hadronütköztető, avagy a Large Hadron Collider főkapcsolóját.
Amint működni kezd, a 10 milliárd dolláros szerkezet lesz a világ legerősebb részecskeütköztetője, hétszer nagyobb energiával zúzva össze a protonokat, mint az amerikai Tevatron gyorsító. A fizikusok egy rég áhított feltérképezetlen területre léphetnek, ami sokak szerint az ígéret földjét jelenti, mások szerint maga a pokol nyílhat meg, mindenesetre eddig még soha nem látott részecskék jelenhetnek meg, melyek akár a feje tetejére is állíthatják a természet legalapvetőbb törvényeit. Egyesek szerint az LHC kísérletei újraidézhetik az ősrobbanást, mindent elpusztító részecskéket teremthetnek, de talán még a jövő időutazóinak is támpontként szolgálhatnak, ha nagyon bele akarunk merülni a tudományos fantasztikumba.
Térjünk azonban vissza a tényekhez. Az LHC-t a CERN, magyarul az Európai Nukleáris Kutatási Szervezet építette nem messze Genftől a svájci-francia határ alatt. A fejlesztésben 34 ország több mint 2000 fizikusa vett részt, valamint több száz egyetem és laboratórium működött közre.
A részecskegyorsító 50-175 méteres mélységben helyezkedik el a felszín alatt, négy helyen szelve át a határt. Az ütköztető alagút két különálló sugárcsövet tartalmaz, mindkettőben a hadron egy típusának, a proton részecskéiből álló sugár fut majd, egymással ellentétes irányban. 1232 hajlítómágnes tartja a sugarakat a körpályán, további 392 fókuszáló mágnes pedig - ahogy a nevükből is következik - a sugarak fókuszálásában segít, maximalizálva a részecskék közötti reakciók esélyeit a négy metszési ponton, ahol a két sugár keresztezi egymást. Hat hónap és több mint száz tonna folyékony hélium kellett a szupravezető mágnesek működési hőmérsékletre történő lehűtéséhez. A 27 kilométeres gyűrű 1600 feletti mágnesének -271 Celsius-fokot kellett elérnie, ezután 1400 elektromos tesztet hajtanak végre, hogy meggyőződjenek a rendszer tökéletes kábelezéséről.
Az egyik dipól mágnes ereszkedik le a mélybe
2007. március 27-én az egyik három kvadrupól mágnesből álló úgynevezett belső hármas tartószerkezete tönkrement egy nyomásteszt során. Sérülés nem történt. "Megdöbbentő az eset, egyszerűen elvétettünk néhány alapvető erőkiegyenlítést" - nyilatkozott akkor Pier Oddone, a mágneseket szállító Fermilab igazgatója. Ez a hiba - mint kiderült - az eredeti tervekben is benne volt, és az azóta lezajlott négy műszaki felülvizsgálat sem szűrte ki. A meghibásodás utáni elemzések szerint a szerkezeteket túl vékonyra tervezték, ami jobb szigetelést eredményezett, viszont nem bírták el azt a nyomást, amivel gyakorlatilag folyamatosan meg kell majd küzdeniük a működés során. Az elmúlt időszakban ezeket a szerkezeteket - szám szerint nyolcat - megerősítették és az augusztus 9-i hétvégén végrehajtott tesztsorozaton ezúttal nem történt fennakadás.
Az LHC operációs csoportja egy szinkronizációs tesztet hajtott végre az LHC nyolc szektorának egyikében, melynek során egy pulzáló mágnes protonnyalábokat küldött egy kisebb gyorsítón, az úgynevezett SPS-en (Super Proton Synchroton) egy "átadó vonalon" az LHC felé. Az SPS az utolsó lépcsőfoka az LHC energianövelő rendszernek. Első lépésben a Linac 2 lineáris gyorsító 50 MeV-os protonokat állít elő, ami a PSB-be (Proton Synchroton Booster) kerül. Itt a protonok 1,4 GeV-ra gyorsulnak, majd a Proton Syncrotonba (PS) kerülnek, elérve a 26 GeV-ot. Az SPS tovább fokozza energiájukat 450 GeV-ra, így kerülnek át a főgyűrűbe, ahol majdan elérik a 7 TeV csúcsenergiájukat mielőtt az ütköztetés bekövetkezne.
A beinjektálás az SPS-ből a főgyűrűbe elég kényes művelet, mivel az impulzusoknak és a protonnyaláboknak egyetlen milliszekundum töredékén belül kell esniük, a teszt azonban sikerrel zárult. Pénteken némi optimizáció után egy nyalábot beküldtek az átadó vonalon az órajárásával megfelelő irányba, ami rögtön az első próbálkozásra 3 kilométert tett meg az LHC belsejében. Szombaton több alkalommal is megismételték a műveletet az átadás optimalizálása érdekében. Az ellentétes irány első tesztje az augusztus 22-i hétvégén zajlik majd.
Szeptember 10-én, a rendszer ellenőrzése és lezárása után elindítják az első protonokat a fentebb leírt gyorsítóláncon, majd 0,45 TeV-on beinjektálják az LHC két szomszédos sugárcsövének egyikén. Ez lesz az első alkalom, hogy a teljes 27 kilométeres távot megteszi majd egy protonsugár. Mivel a protonok akár az első métereken is lesodródhatnak a pályájukról, ezért az operációs csapatnak be kell állítania a mágneseket, és egy új sugárral újra próbálkozni egészen addig, amíg a nyaláb végig nem fut a teljes körpályán. Ez néhány órától néhány napig terjedhet, a kezdeti 3 kilométeres eredmény mindenesetre biztatóan hangzik.
Ha sikerült az egyik irányba körülvezetni a protonokat, akkor ugyanezt a műveletet meg kell ismételni a másik irányba is. Ezt követően a sugarakat stabil pályára kell helyezni, ami akár több órán át is képes fennmaradni. Csak ezután fogja felpumpálni az energiát 5 TeV-ra a CERN, hogy végül a két ellentétesen forgó sugárnyalábokat frontálisan ütköztesse 10 TeV energián. A sugarakat közel fénysebességre gyorsítják, egy kör megtételéhez mindössze 90 mikroszekundumra lesz szüksége egy nyalábnak.
Ha minden terv szerint működik, akkor ez az esemény nagyjából egybe fog esni az LHC hivatalos avatásával, október 21-én. 2009 elején a protonok már teljes energiával 14 TeV-tal csapódhatnak egymáshoz. A felfedezésekre azonban ennél többet kell várnunk. Bár több új egzotikus részecske jelenlétére fény derülhet - amennyiben léteznek - már az idei ütközéskor, hozzávetőleg egy évet vesz majd igénybe a kutatóknak, hogy eléggé kiismerjék a katedrális méretű detektorokat ahhoz, hogy felfedezéseket tegyenek.
A fizikusok leginkább a Higgs bozon felbukkanását várják, ami megoldaná a tömeg rejtélyét, erre várhatóan két-három évet kell majd várnunk. Az Isten-részecskeként is emlegetett Higgs-bozon létezésének igazolása nagy lépés lenne a hőn áhított egységes elmélet felé, ami egyesítené a négy ismert alapvető erőből hármat, az elektromágnesességet, az erős és a gyenge nukleáris erőt, kihagyva a gravitációt. A Higgs bozon ez utóbbinál is fontos lehet, ugyanis segíthet megmagyarázni miért gyengébb a gravitáció a másik három erővel szemben. A Higgs bozon mellett több más lehetséges, eddig nem látott részecskéket is kereshetnek majd a kutatók, többek közt az egyesek által rendkívül veszélyesnek tartott strangleteket, mikroszkopikus fekete lyukakat, mágneses monopólust és szuperszimmetrikus részecskéket.
Hat detektort építettek az LHC-be, melyek az ütköztető keresztezési pontjainál, hatalmas barlangokban helyezkednek el. Ezek közül kettő, az ATLAS kísérlet és a CMS (Compact Muon Solenoid) nagy, általános célú részecske detektorok. Az ALICE (A Large Ion Collider Experiment) a nehéz ionok ütközéséből képződő kvark-gluon plazma tulajdonságait fogja tanulmányozni, míg a fennmaradó három, az LHCb, TOTEM és LHCf kisebb, specializáltabb detektorok. Az LHC fizika programja főként proton-proton ütközéseken alapul, azonban rövidebb időszakokra, évente egy-egy hónapra nehézion-ütköztetéseket is beiktatnak a programba.
A sugarak a négy keresztezési ponton másodpercenként 600 millió és 1 milliárd közötti ütközést produkálnak, melyek mindegyike nyomot hagy a detektorokon, hatalmas adatmennyiséget zúdítva az LHC számítógépes hálózatára. Éppen ezért a rendszer csak azokat az eseményeket rögzíti, amik megfelelnek egy előre definiált körülménysorozatnak, a többi megy a süllyesztőbe. Várhatóan az így fennmaradó adatokkal is meg lehetne tölteni évente 100 000 DVD-t, ezért a rendszer szétosztja az adatokat részben a CERN saját létesítményeibe, részben pedig a projektben részt vevő intézetek között. A kísérletekhez körülbelül 80 ország 7000 tudósának lesz hozzáférése.
Amint működni kezd, a 10 milliárd dolláros szerkezet lesz a világ legerősebb részecskeütköztetője, hétszer nagyobb energiával zúzva össze a protonokat, mint az amerikai Tevatron gyorsító. A fizikusok egy rég áhított feltérképezetlen területre léphetnek, ami sokak szerint az ígéret földjét jelenti, mások szerint maga a pokol nyílhat meg, mindenesetre eddig még soha nem látott részecskék jelenhetnek meg, melyek akár a feje tetejére is állíthatják a természet legalapvetőbb törvényeit. Egyesek szerint az LHC kísérletei újraidézhetik az ősrobbanást, mindent elpusztító részecskéket teremthetnek, de talán még a jövő időutazóinak is támpontként szolgálhatnak, ha nagyon bele akarunk merülni a tudományos fantasztikumba.Térjünk azonban vissza a tényekhez. Az LHC-t a CERN, magyarul az Európai Nukleáris Kutatási Szervezet építette nem messze Genftől a svájci-francia határ alatt. A fejlesztésben 34 ország több mint 2000 fizikusa vett részt, valamint több száz egyetem és laboratórium működött közre.
A részecskegyorsító 50-175 méteres mélységben helyezkedik el a felszín alatt, négy helyen szelve át a határt. Az ütköztető alagút két különálló sugárcsövet tartalmaz, mindkettőben a hadron egy típusának, a proton részecskéiből álló sugár fut majd, egymással ellentétes irányban. 1232 hajlítómágnes tartja a sugarakat a körpályán, további 392 fókuszáló mágnes pedig - ahogy a nevükből is következik - a sugarak fókuszálásában segít, maximalizálva a részecskék közötti reakciók esélyeit a négy metszési ponton, ahol a két sugár keresztezi egymást. Hat hónap és több mint száz tonna folyékony hélium kellett a szupravezető mágnesek működési hőmérsékletre történő lehűtéséhez. A 27 kilométeres gyűrű 1600 feletti mágnesének -271 Celsius-fokot kellett elérnie, ezután 1400 elektromos tesztet hajtanak végre, hogy meggyőződjenek a rendszer tökéletes kábelezéséről.
Az egyik dipól mágnes ereszkedik le a mélybe
2007. március 27-én az egyik három kvadrupól mágnesből álló úgynevezett belső hármas tartószerkezete tönkrement egy nyomásteszt során. Sérülés nem történt. "Megdöbbentő az eset, egyszerűen elvétettünk néhány alapvető erőkiegyenlítést" - nyilatkozott akkor Pier Oddone, a mágneseket szállító Fermilab igazgatója. Ez a hiba - mint kiderült - az eredeti tervekben is benne volt, és az azóta lezajlott négy műszaki felülvizsgálat sem szűrte ki. A meghibásodás utáni elemzések szerint a szerkezeteket túl vékonyra tervezték, ami jobb szigetelést eredményezett, viszont nem bírták el azt a nyomást, amivel gyakorlatilag folyamatosan meg kell majd küzdeniük a működés során. Az elmúlt időszakban ezeket a szerkezeteket - szám szerint nyolcat - megerősítették és az augusztus 9-i hétvégén végrehajtott tesztsorozaton ezúttal nem történt fennakadás.
Az LHC operációs csoportja egy szinkronizációs tesztet hajtott végre az LHC nyolc szektorának egyikében, melynek során egy pulzáló mágnes protonnyalábokat küldött egy kisebb gyorsítón, az úgynevezett SPS-en (Super Proton Synchroton) egy "átadó vonalon" az LHC felé. Az SPS az utolsó lépcsőfoka az LHC energianövelő rendszernek. Első lépésben a Linac 2 lineáris gyorsító 50 MeV-os protonokat állít elő, ami a PSB-be (Proton Synchroton Booster) kerül. Itt a protonok 1,4 GeV-ra gyorsulnak, majd a Proton Syncrotonba (PS) kerülnek, elérve a 26 GeV-ot. Az SPS tovább fokozza energiájukat 450 GeV-ra, így kerülnek át a főgyűrűbe, ahol majdan elérik a 7 TeV csúcsenergiájukat mielőtt az ütköztetés bekövetkezne.
A beinjektálás az SPS-ből a főgyűrűbe elég kényes művelet, mivel az impulzusoknak és a protonnyaláboknak egyetlen milliszekundum töredékén belül kell esniük, a teszt azonban sikerrel zárult. Pénteken némi optimizáció után egy nyalábot beküldtek az átadó vonalon az órajárásával megfelelő irányba, ami rögtön az első próbálkozásra 3 kilométert tett meg az LHC belsejében. Szombaton több alkalommal is megismételték a műveletet az átadás optimalizálása érdekében. Az ellentétes irány első tesztje az augusztus 22-i hétvégén zajlik majd.
Szeptember 10-én, a rendszer ellenőrzése és lezárása után elindítják az első protonokat a fentebb leírt gyorsítóláncon, majd 0,45 TeV-on beinjektálják az LHC két szomszédos sugárcsövének egyikén. Ez lesz az első alkalom, hogy a teljes 27 kilométeres távot megteszi majd egy protonsugár. Mivel a protonok akár az első métereken is lesodródhatnak a pályájukról, ezért az operációs csapatnak be kell állítania a mágneseket, és egy új sugárral újra próbálkozni egészen addig, amíg a nyaláb végig nem fut a teljes körpályán. Ez néhány órától néhány napig terjedhet, a kezdeti 3 kilométeres eredmény mindenesetre biztatóan hangzik. Ha sikerült az egyik irányba körülvezetni a protonokat, akkor ugyanezt a műveletet meg kell ismételni a másik irányba is. Ezt követően a sugarakat stabil pályára kell helyezni, ami akár több órán át is képes fennmaradni. Csak ezután fogja felpumpálni az energiát 5 TeV-ra a CERN, hogy végül a két ellentétesen forgó sugárnyalábokat frontálisan ütköztesse 10 TeV energián. A sugarakat közel fénysebességre gyorsítják, egy kör megtételéhez mindössze 90 mikroszekundumra lesz szüksége egy nyalábnak.
Ha minden terv szerint működik, akkor ez az esemény nagyjából egybe fog esni az LHC hivatalos avatásával, október 21-én. 2009 elején a protonok már teljes energiával 14 TeV-tal csapódhatnak egymáshoz. A felfedezésekre azonban ennél többet kell várnunk. Bár több új egzotikus részecske jelenlétére fény derülhet - amennyiben léteznek - már az idei ütközéskor, hozzávetőleg egy évet vesz majd igénybe a kutatóknak, hogy eléggé kiismerjék a katedrális méretű detektorokat ahhoz, hogy felfedezéseket tegyenek.
A fizikusok leginkább a Higgs bozon felbukkanását várják, ami megoldaná a tömeg rejtélyét, erre várhatóan két-három évet kell majd várnunk. Az Isten-részecskeként is emlegetett Higgs-bozon létezésének igazolása nagy lépés lenne a hőn áhított egységes elmélet felé, ami egyesítené a négy ismert alapvető erőből hármat, az elektromágnesességet, az erős és a gyenge nukleáris erőt, kihagyva a gravitációt. A Higgs bozon ez utóbbinál is fontos lehet, ugyanis segíthet megmagyarázni miért gyengébb a gravitáció a másik három erővel szemben. A Higgs bozon mellett több más lehetséges, eddig nem látott részecskéket is kereshetnek majd a kutatók, többek közt az egyesek által rendkívül veszélyesnek tartott strangleteket, mikroszkopikus fekete lyukakat, mágneses monopólust és szuperszimmetrikus részecskéket.
Hat detektort építettek az LHC-be, melyek az ütköztető keresztezési pontjainál, hatalmas barlangokban helyezkednek el. Ezek közül kettő, az ATLAS kísérlet és a CMS (Compact Muon Solenoid) nagy, általános célú részecske detektorok. Az ALICE (A Large Ion Collider Experiment) a nehéz ionok ütközéséből képződő kvark-gluon plazma tulajdonságait fogja tanulmányozni, míg a fennmaradó három, az LHCb, TOTEM és LHCf kisebb, specializáltabb detektorok. Az LHC fizika programja főként proton-proton ütközéseken alapul, azonban rövidebb időszakokra, évente egy-egy hónapra nehézion-ütköztetéseket is beiktatnak a programba.
A sugarak a négy keresztezési ponton másodpercenként 600 millió és 1 milliárd közötti ütközést produkálnak, melyek mindegyike nyomot hagy a detektorokon, hatalmas adatmennyiséget zúdítva az LHC számítógépes hálózatára. Éppen ezért a rendszer csak azokat az eseményeket rögzíti, amik megfelelnek egy előre definiált körülménysorozatnak, a többi megy a süllyesztőbe. Várhatóan az így fennmaradó adatokkal is meg lehetne tölteni évente 100 000 DVD-t, ezért a rendszer szétosztja az adatokat részben a CERN saját létesítményeibe, részben pedig a projektben részt vevő intézetek között. A kísérletekhez körülbelül 80 ország 7000 tudósának lesz hozzáférése.