Keresik a modern fizika Szent Grálját

Az LHC – Large Hadron Collider – nagy hadronütköztető neve először is a berendezés nagy méretére utal: a gyorsítót magába fogadó föld alatti alagút kerülete 27 kilométer. A hadron szó a részecskék egy családját jelöli, a gyorsítandó részecskék, a protonok ebbe a családba tartoznak. A hadronok még kisebb egységekből, kvarkokból állnak. Az ütköztető a gyorsító típusára utal: két részecskenyaláb kering körpályán egymással szemben, ellentétes irányban, majd a gyorsító négy pontján összeütköznek; ezeken a pontokon zajlanak a tanulmányozandó részecskeátalakulások. A részecskegyorsítók és a velük végzett kísérletek évtizedek óta az adott kor – sokszor a fizikusok által kikényszerített – műszaki csúcsmegoldásait igényelték.
Mindkét nyalábban 7 TeV (teraelektronvolt) energiára tesznek szert a protonok, a két nyaláb ütközésénél tehát 14 TeV energia áll rendelkezésre. Az LHC egy korábbi gyorsító, a nagy elektron-pozitron ütköztető (LEP) alagútjában épült meg, miután a LEP-et 2000-ben leszerelték.
A részecskék akkor tudnak egyre nagyobb sebességet felvenni, ha útjuk során nem ütköznek akadályba, más atomokba, részecskékbe. Ezért a gyorsítócső egész térfogatában igen nagy légritkítást kell megvalósítani. Az LHC-ban a normál légköri nyomás tízbilliomod része lesz a légnyomás. A műszaki feladat nagyságát mutatja, hogy ezt a fantasztikus légritkítást óriási, körülbelül 6500 köbméter térfogatban kell elérni (ez körülbelül egy katedrális térfogatának felel meg).
A részecskék pályáját összesen 9300 különböző típusú mágnessel alakítják ki. Az LHC-ban szupravezető mágnesekkel állítják elő a 8,3–8,4 tesla erősségű mágneses teret – hagyományos megoldásokkal ekkora térerősség nem hozható létre. (Ez a tér kétmilliószor erősebb a Föld mágneses terénél.) A mágnesekben niobium–titán ötvözetből készített kábeleket használnak, ez az anyag az abszolút nulla fölött 10 fokkal, 10 kelvinen válik szupravezetővé. Egy kábel 6300 darab, az emberi hajnál vékonyabb szálból áll. A mágneseket szuperfolyékony héliummal hűtik 1,8 kelvinre, vagyis –271,4 °C-ra. A távoli világűr ennél melegebb: –270,5 Celsius-fokos (2,7 K)!
A rádiófrekvenciás térrel gyorsított nyaláb nem folyamatos, hanem úgynevezett csomagokból áll. A két nyaláb találkozásakor a két találkozó csomagban lévő összesen 200 milliárd proton között mindössze 20 ütközés megy végbe. A csomagok átlagosan másodpercenként 30 milliószor ütköznek, az LHC-ban tehát mintegy 600 millió ütközés következik be másodpercenként.

Megfigyelnék a kvarkokat

Az LHC-ban nemcsak protonokat, hanem ólomionokat is gyorsítanak majd. Az ólomionokkal 1150 teraelektronvolt (1,15 petaelektronvolt) ütközési energia állítható elő. Ez az érték is új csúcs lesz, laboratóriumban még sohasem értek el ekkora energiát. A kutatók arra számítanak, hogy az ólom-ólom ütközésekben kiszabadulnak a protonok és neutronok alkotórészei, a kvarkok. Az elmúlt évtizedekben bebizonyosodott, hogy az erős kölcsönhatásban részt vevő részecskék nagy családjának valamennyi tagja kvarkokból áll. A kísérleti fizikusok természetesen a 2 vagy 3 kvarkból felépült részecskéket megpróbálták összetevőire szétszedni. Szabad kvarkot azonban minden erőfeszítés ellenére sem sikerült megfigyelni. Az óriási energiájú részecskenyalábok egymással való ütközésekor rövid időre, átmenetileg olyan körülmények jönnek létre, mint amelyek a világegyetem történetének kezdetén, az ősrobbanás után néhány milliomod másodperccel létezhettek. Ekkor még nem alakultak ki az atommagok stabil összetevői, a protonok és a neutronok, viszont léteztek a protonok és a neutronok alkotóelemei, a kvarkok és a kvarkok közti kölcsönhatást közvetítő gluonok. Eddig nem sikerült a keresett kvark-gluon-plazmát egyértelműen megfigyelni. Az LHC-hoz tervezett nagy kísérletek remélhetően tisztázzák a nyitott kérdéseket.

Anyag ls antianyag

A legfontosabb ma még nyitott kérdések egyike az anyag és az antianyag eltéréseinek feltárása. Így választ remélhetünk arra, hogy miért csak anyag van a világegyetem eddig általunk megismert részében, s miért, hogyan alakult ki ez az állapot. A CERN, amely hagyományosan az antianyag-kutatás egyik központja, az eddigi kísérletek mellett most egy újabbat indít.
Nem tudjuk pontosan, hogy mi történt a világegyetem kezdetének tartott ősrobbanás (big bang) utáni első pillanatokban. Feltehetően először egyenlő mennyiségben keletkeztek részecskék és antirészecskék. Rövidesen azonban valamitől megváltozott a helyzet, és túlsúlyba kerültek a részecskék, fokozatosan kialakult a mai világegyetem. A laboratóriumi kísérletek végső célja az, hogy feltárják: töltésükön kívül miben különböznek egymástól a protonok és az antiprotonok, az anyag- és az antianyag-részecskék. A töltésen kívül léteznie kell más eltérés(ek)nek is, különben nem élhetnénk anyagi világban. Ezek a különbségek csak nagyon kicsik lehetnek, például az eddigi vizsgálatokból már tudjuk, hogy a proton és az antiproton tömege maximum egy tízmilliárdod résszel különbözhet egymástól, ha egyáltalán van eltérés.
Az elmúlt évtizedekben végzett részecskefizikai kísérletek eredményeinek értelmezésére, egységes keretbe foglalására dolgozták ki a Standard Modellt. A modell jól leírja a ma ismert tényeket, eddig az ennek alapján tett előrejelzések is beigazolódtak. Nem sikerült azonban még megtalálni a modell egyik alapvető összetevőjét, a Higgs-részecskét. Az LHC-nál tervezett kísérletek egyik fő célja ennek a régen keresett részecskének a megtalálása, megismerése. A Higgs-bozon nem egy a sok részecske közül, hanem kulcsfigura. Fontosságára és eddigi sikertelen keresésére utal, hogy gyakran a modern fizika Szent Gráljaként említik. Léte és tulajdonságai bizonyítanák a Standard Modell érvényét. Vannak azonban annak is jelei, hogy a Standard Modell mögött egy egységes, mélyebb elmélet húzódik meg.
A modern részecskefizika egyik átfogó elmélete a szuperszimmetria-elmélet, elterjedt angol rövidítésével SUSY (SUperSYmmetry). A SUSY-elmélet működéséhez nem elégségesek a mai részecskék, pedig igazán jó néhány elemi részecskét ismerünk már. A SUSY egyszerűen megduplázza a ma ismert részecskéket: mindegyik mellé társul egy szuperszimmetrikus partner. Ha igaz a szuperszimmetria, akkor mindeddig csak a részecskék felét ismertük meg, a másik fél még felfedezésre vár.

Egységes elméletre várva

A Standard Modell a természet négy alapvető kölcsönhatása közül egyedül a tömegvonzást, a gravitációt nem tartalmazza. A kölcsönhatások egységes leírását kísérlik meg a húrelméletek, amelyekben a részecskéket pont helyett parányi, húrszerű tárgyként kezelik a számításokban. A húrelmélet ellenőrzése nagyon nehéz, mert a húrok csak elképzelhetetlenül nagy energiákon „léteznek”, viszont a húrelmélet szintén megjósolja a szuperszimmetriát. A húrelmélet művelői is várják a szuperszimmetrikus részecskék laboratóriumi észlelését. Húrelméletekből már legalább ötféle van. A húrelméletek kis energiákon reprodukálják az ismert részecskéket, 10 téridő dimenzióban jól leírják együttesen a gravitációt és a többi erőt. Természetesen nem 10 dimenzióban élünk, a 10-ből 6 dimenzió 1016 GeV/részecske energia alatt egyszerűen nem figyelhető meg.
A szuperhúrok, az extra dimenziók elméleti kutatók által leírt világa nem vethető egyelőre össze a valóságos világgal, az elméletek következtetéseit nem lehet kísérletekkel ellenőrizni. Az ebben az energiatartományban zajló folyamatok viszont hatással lehetnek a kisebb energiák tartományában zajló történésekre. Arról lehetne felismerni őket, hogy ezek a folyamatok kívül esnek a Standard Modell által megszabott kereteken, lehetőségen, olyan történések ezek, amelyeket a modell tilt.
A kölcsönhatások egységes elméletének megalkotása választ adhat a kozmológia alapkérdéseire. A táguló világegyetem valóban a múlt egy meghatározott időpillanatában kezdődött? A mi ősrobbanásunk csak egyetlen epizód egy sokkal nagyobb világegyetemben, amelyben örökösen kisebb és nagyobb ősrobbanások történnek? Ha így van, akkor a mi állandóink és törvényeink robbanásról robbanásra változnak?

Dr. Jéki László (Medical Tribune)