I. Bevezetés

Az utóbbi évtizedekben számos új következtetésre jutottak a kutatók, amikor azt vizsgálták, hogy miként épül fel egyszerű alkatrészekből a minket körülvevő bonyolult világ. A Mindentudás Egyeteme 2011-es sorozatában Barabási professzor nyitóelőadásából megtudhattuk, hogy mennyire meghatározóak az egyszerű elemekből felépülő hálózatokban a kapcsolódások, a kölcsönhatások. Falus professzor genetikai előadásában rámutatott, hogy az emberi öröklődés alapjául szolgáló DNS kettős spirálja ugyan 4 egyszerű nukleotidból áll, de betegségekre való hajlamainkat és sok egyéb tulajdonságunkat ezen egységek sorrendje, valamint a környezeti hatások együttesen határozzák meg. Hiába ismerjük jól az alkotórészeket, a belőlük létrejövő magasabb szintű rendszert kell megértenünk, ha többet akarunk megtudni magunkról és környezetünkről.

A rendszerszemlélet sikere talán a LEGO gyermekjáték példájával illusztrálható: ha jól ismerjük az alkatrészeket, akkor a játék végeredménye a kapcsolódási pontoktól és a fantáziánktól függ – ez utóbbinak pedig nincsenek határai. De mi történik, ha egy új LEGO-alkatrésszel ajándékozzuk meg gyermekünket? Azt hiszem, mindenki látta már gyermeke arcán az izgalmat, s tapasztalta, amint az alkotás folyamata újabb lendületet vesz.

Ismerünk-e már minden alkatrészt a minket körbevevő világból? Elértük-e már a „teljesség” állapotát? Sokan úgy gondolják, hogy igen, hisz ezt a teljességet tanítjuk nagy önbizalommal az iskolában is. Sokan azt állítják, hogy már nincs is szükség drága alapkutatásra. Az a fontos, hogy az ismereteinket most már igyekezzünk alkalmazni, készítsünk minél hasznosabb eszközöket, amelyek egyre kényelmesebbé teszik életünket.

Előadásomban arra szeretnék rámutatni, hogy egy terület biztosan van, ahol nem értük még el a „teljesség” állapotát. Ez pedig a modern nagyenergiás fizika. Sőt, napjainkban ott állunk egy kapu előtt, amelyen áthaladva nagy lépésre készülünk a „teljesség” felé – tudva azt, hogy ez csak egy újabb lépés egy nagyon hosszú úton, s egyáltalán nem a megérkezés.

II. Genftől a sötét energiáig

A nagyenergiás fizika birodalmába egy palack hidrogénből indulunk el. Ez a palack egy Svájcban, Genf mellett épült részecskefizikai kutatóközpontban található.

Svájc Európa szívében fekszik, a Föld nevű bolygón, amely a Naprendszer 3. bolygója, 150 millió kilométerre, azaz nyolc fénypercre a Naptól (ennyi ideig tart, míg a Nap fénye a Földre ér). A Naprendszer a Tejútrendszernek nevezett, százezer fényév átmérőjű, 16 ezer fényév vastagságú galaxis egyik spirálkarján található, 25 ezer fényévre a központtól. A Naprendszer 1 millió km/h sebességgel halad, 226 millió évente megtéve egy fordulatot. A Tejútrendszer körülbelül 200 milliárd csillagot tartalmaz, négy fő spirálkarja és két kisebb karja van, ez utóbbiak egyikén, az Orion-ágon található a Naprendszer.

Galaxisunk nem egyedi objektum. A látható Világegyetem átmérője minimum 20 milliárd fényév, talán ennél is nagyobb, s ebben a térfogatban körülbelül százmilliárd galaxis van, pontosabban ennyire becsüljük a számukat. A közelebbi galaxisokat jól látjuk, a távolabbiakat kevésbé élesen. Ez a műszereinktől függ, amelyek az utóbbi években egyre érzékenyebbé váltak. A Tejútrendszer más-más képet mutat, ha különböző színképtartományokban vizsgáljuk. Például infravörösben a port láthatjuk jól, a röntgentartományban pedig a nagyenergiájú objektumokat. Ezek a felvételek együtt adnak teljes képet a Galaxisról.

Néhány évvel ez

előtt megdöbbentő eredményre jutottak a csillagászok: a galaxisok (így Tejútrendszerünk) látható anyaga nem elegendő ahhoz, hogy a gravitáció ismert törvényei az általunk megfigyelhető alakzatokba rendezzék őket. Elvégezték a vizsgálatokat különböző hullámhosszokon (infravörös, ultraibolya, röntgen), de ugyanezt az eredményt kapták: a galaxisok peremén 5-20-szor annyi tömegre lenne szükség, mint amennyit látunk. Megvizsgálták a fény elhajlását a galaxisok gravitációs terében, valamint a galaxishalmazok tágulását, és arra a következtetésre jutottak, hogy a látható anyag csupán 4%-a annak, amire szükségünk van ahhoz, hogy megértsük mindazt, ami a szemünk elé tárul. Kiderült, hogy a hiánynak két komponense van, egy vonzó és egy taszító jellegű. A vonzó komponens a világegyetem becsült tömegének 23%-a, ez felelős a forgó galaxisok dinamikai egyensúlyáért. Ezt nevezzük sötét anyagnak. A még hiányzó 73% pedig taszító jellegű és a világegyetem gyorsuló tágulásához kapcsolható. Ez a komponens a sötét energia.

Bármilyen meglepő, de ilyen járulékok létezésére már több mint száz éve is történt utalás. Einstein 1905-ben írta fel az általános relativitáselmélet alapegyenleteit, és már ott szerepelt egy tag, a kozmikus állandó, amely nagyon hasonló szerepet tölt be, mint a sötét anyag és a sötét energia. Einstein azonban nem tudta ezt megmagyarázni, csak a szükségességét érezte. Az utóbbi években nyílt rá lehetőség, hogy a csillagászati megfigyelések információval szolgáljanak a kozmikus állandó nagyságáról.

Miként magyarázhatjuk a fent említett vonzó és taszító erőket?  A részecskefizika nagyon jól ismeri ezeket a fogalmakat: az erőket részecskék közvetítik. Egy nagyon naiv kép alapján azt mondhatjuk, hogy az erőt közvetítő részecske teniszlabdaként pattog az anyagot alkotó, teniszjátékosként viselkedő kölcsönható részecskék között. Tehát ha a csillagászoknak szükségük van egy vonzó és egy taszító erőre, akkor meg kell keresnünk azokat a részecskéket, amelyek felelősek ezekért az erőkért.

A hidrogénpalackunkban lévő hidrogénatomok jó példával szolgálnak erre. A hidrogénatom egy nehéz, pozitív töltésű protonból, valamint egy könnyű, negatív töltésű elektronból áll. Köztük elektromágneses kölcsönhatás

lép fel, ez tartja össze az atomot. Az elektromágneses kölcsönhatást a tömeg nélküli foton közvetíti: a fotonok „pattognak” a proton és az elektron között. Hogy aztán az elektronpályák miért olyanok, amilyenek, miért ott vannak, ahol, arról már a kvantummechanika ad számot – de ez messzire vezetne a témánktól.

III. Röntgen feleségének kezétől a CERN-ig

Honnan tudjuk mindezt ilyen biztosan? Fizikai kísérletekből. 1895-ben Wilhelm Röntgen kísérletei nyitották meg az utat a részecskefizika felé.

Röntgennek sikerült előállítania egy nagy áthatoló képességű sugárzást („kemény fényt”), amivel legelőször felesége, Anna Bertha kezéről készített felvételt, amelyen jól láthatóak a kézben található csontok. Ha fényként gondolunk erre a sugárzásra, akkor azt mondhatjuk, hogy a kemény fény hullámhossza olyan rövid, hogy a lágy kötőszöveten áthatol, de a sokkal sűrűbb csont már akadályt jelent számára.

Tíz évnek kellett eltelnie, hogy Albert Einstein 1905-ben arra is rájöjjön, hogy a fotoelektromos hatást – amikor „kemény fény” hatására elektronok lépnek ki különféle anyagokból – úgy tudja megmagyarázni, hogy a fény maga is részecske, egy energiakvantum. Ezzel megszületett a foton – ami az elektromágneses kölcsönhatást közvetíti, s amely összeragasztja az atomokat.

Sokáig vitatkoztak arról, hogy részecske- vagy hullámtermészetűek vagyunk-e. Az egyik lehetséges válasz, hogy az energia növelésével egyre inkább részecskék vagyunk – hisz csak a „kemény fény” esetében látták a részecskejelleget. De hogyan lehet a természetben található radioaktív anyagok bomlásánál jellemző részecskéknél még nagyobb energiájú részecskéket előállítani, kiemelve ezzel a részecsketermészetet?

Ezt a feladatot Ernest Orlando Lawrence oldotta meg a kaliforniai Berkeleyben, amikor 1931-ben megalkotott egy 12 centiméter átmérőjű szerkezetet, amelyben az elektromos és a mágneses tér tulajdonságait kihasználva, egy speciális geometriai elrendezés segítségével fel tudta gyorsítani a töltött ionokat, például protont, a korábban sohasem látott 80 000 eV energiára. A berendezés a ciklotron nevet kapta a részecskék

ciklikus, spirális mozgása nyomán. Ez volt az első működő gyorsító. Az 1. ^|1}| videón  a ciklotron működési elve látható.

Nem olyan régen derült ki, hogy a ciklotron elvét már 1928-ban egy erdélyi magyar mérnök, Gaál Sándor leírta, de a Zeitschrift für Physik című lap visszaküldte a kéziratot azzal, hogy ezt már korábban felfedezték. Valójában tévedtek: az újság egy, a lineáris gyorsítót leíró cikket publikált korábban.

Hogy milyen zseniálisan egyszerű szerkezetről van szó, azt a 9. ábrán

látható 30 cm átmérőjű ciklotron mutatja, amelyet Eszes András fiatal kolléga tervezett és épített meg 16 évesen. Csak vákuumot kell benne létrehozni és feszültséget kapcsolni rá, és már működne is. Ez az egyszerű berendezés 270 ezer eV energiára képes a protont felgyorsítani. Ilyen energiájú protonsugárzás már szétroncsolja a polimerek szerkezetét, azaz ha mágnesekkel vezérelni tudjuk a nyalábot, akkor mikroszkopikus szöveges üzeneteket írhatunk vele polimerlapok felületére.

Lawrence eredményei alapján egyre nagyobb gyorsítók épültek Berkeleyben és szerte a világban. A tömör

ciklotronokat felváltották a jóval nagyobb sugarú és így jóval nagyobb energiájú szinkrotronok.

Ezek a berendezések nagyon drágák, ezért is merült fel a nemzetközi együttműködések, a közös kutatóközpontok létrehozása. Az egyik ilyen központ a CERN, amelyet 1954-ben 12 európai ország alapított Genf mellett. Magyarország 1992-ben csatlakozott a CERN-hez, azóta teljes jogú tagok vagyunk. Úgy is mondhatjuk, hogy a CERN egy magyar kutatóintézet a határainkon túl, amelynek költségeihez 1%-ban járulunk hozzá. Azaz lemondunk arról, hogy itthon akarjunk egy ilyen drága berendezést megépíteni és fenntartani, cserébe a magyar kutatók a tudományos kutatás élmezőnyében tevékenykedhetnek, együtt a többi európai kutatóval. 2010 óta a CERN-hez Európán kívüli országok is csatlakozhatnak, ha vállalják a csatlakozás szabályait – így a CERN ma már egy világlaboratórium.

IV. A standard modell

A közös erőfeszítések eredményeképpen az elmúlt 50 évben az egyre nagyobb energiájú részecskékkel egyre mélyebbre hatoltunk az anyag szerkezetének megismerésében. Kísérletileg is megmértük a protonokból és neutronokból álló atommagok legfontosabb tulajdonságait, majd sok száz új részecskét hoztunk létre a felgyorsított protonok ütköztetésével. Végül a protonok és neutronok belső szerkezetéről is pontos információkat szereztünk.

A protonok és neutronok még kisebb összetevőkből, kvarkokból állnak.

Az elektromágneses kölcsönhatáson túl feltérképeztük az erős és a gyenge kölcsönhatást, és ismereteinket a részecskefizika standard modelljében foglaltuk össze, amit a 12. ábrán

mutatunk be. Eszerint hatféle kvark van, amelyeknek az angol neve: up, down, strange (ritka), charm (bájos), bottom és top (ezeket a narancssárga körök jelölik). A kvarkok nem létezhetnek szabadon, csak hadronokba zárva. Ilyen hadron például a proton és a neutron (innen ered a Nagy Hadronütköztető neve is). A kvarkok elektromos töltése tört értékű, 1/3 vagy 2/3, az elektromágneses kölcsönhatást a foton közvetíti. A kvarkok közötti erős kölcsönhatást a gluon nevű (glue: ragasztó) részecske közvetíti.

A 6 kvark mellett létezik 6 lepton (ezeket bordó körök jelölik). Ebből háromnak van töltése: a jól ismert elektronnak, valamint a nála jóval nehezebb müonnak és a még nehezebb tau-részecskének (az ábrán az alsó sorban). A további három lepton semleges, ezek a neutrínók (felső bordó sor).

A három töltött lepton között természetesen hat az elektromágneses kölcsönhatás. Továbbá a kvarkok és leptonok között nagyon rövid hatótávolságú gyenge kölcsönhatás lép fel, amely például a radioaktív bomlásokért is felelős. A gyenge kölcsönhatást a protonnál közel 80-szor nehezebb W és Z részecske közvetíti – ezeket a részecskéket 1983-ban a CERN-ben fedezték fel. A neutrínók csak gyenge kölcsönhatásban vesznek részt, ezért is nehéz őket detektálni. Sokáig azt gondolták, hogy a mindenütt jelenlévő neutrínók alkotják a sötét anyagot, de mára kiderült a kísérletekből, hogy a tömegük túl kicsi ahhoz, hogy ezt a szerepet betöltsék.

Az eddig felsorolt anyagi részecskéket (azaz a kvarkokat és leptonokat) 3 családba rendezhetjük. A kísérletek arra is rámutattak, hogy a kvarkoknak és a leptonoknak léteznek tükörrészecskéi, amelyeket antirészecskéknek nevezünk. Így 2 antiup és 1 antidown kvark alkot egy antiprotont, amely egy antielektronnal (azaz pozitronnal) együttesen alkotja az antihidrogént, amely az antianyag legkönnyebb megjelenési formája. A kölcsönhatásokat viszont továbbra is a foton, a gluon, a W és Z részecskék közvetítik, ezeknek nincs antipárjuk (az ábrán zöld színnel szerepelnek). A kölcsönhatások nem tesznek különbséget részecske és antirészecske között.

A standard modell alapvetően nagyon jól működik a környezetünk alkotórészeinek leírására, de az elemi részecskék tömegének magyarázata hiányzik. Ezt a problémát oldotta meg 1964-ben Peter Higgs, amikor megalkotta a róla elnevezett Higgs-mechanizmust, és a modellbe bevezették a szintén róla elnevezett Higgs-részecskét (röviden higgs, az ábrán kékkel). A standard modell a higgs bevezetésével vált matematikailag is teljes elméletté. Egy probléma van csupán: a kísérletekben eddig nem sikerült a Higgs-részecskét megfigyelnünk. Minden jel arra mutat, hogy ott van, de nem láttuk az elmúlt 45 évben. Pedig egyre nagyobb gyorsítók épültek, köztük a CERN-ben a LEP gyorsító, az USA-ban pedig a TEVATRON. A Nagy Hadronütköztető megépítésének egyik fő célja a higgs megtalálása, a Standard Modell teljessé tétele.

Alapkérdésünk (melyre még visszatérünk) tehát az, hogy a higgs meg tudja-e magyarázni a hiányzó sötét anyagot és sötét energiát. Tekintsük át röviden a Nagy Hadronütköztető legfontosabb tulajdonságait. Milyen technika szükséges egy ilyen fontos részecske felfedezéséhez?

V. A Nagy Hadronütköztető: a világ jelenlegi legnagyobb részecskegyorsítója

Először is le kell szögeznünk, hogy a Nagy Hadronütköztető (LHC: Large Hadron Collider) nem egyetlen berendezés, hanem egy gyorsítókomplexum: a protonok gyorsítása több lépcsőben történik, s ebben nagy szerepe van a korábban megépített gyorsítóknak is. A 2. ^|2}| videón egy animáción követhetünk végig egy „utazást” a világűrtől az LHC nagy alagútjáig.

Az előadás elején mutatott hidrogénpalackból származó hidrogénmolekulákat atomokra bontjuk, majd ionizáljuk, azaz megfosztjuk elektronjaiktól, s így kapjuk a pozitívan töltött protonokat. Ezeket egy lineáris gyorsítóban 50 millió elektronvoltra (50 MeV, a mértékegységet lásd a kislexikonban) gyorsítjuk, majd egy következő lépcsőben a Proton Szinkrotron Booster (PSB) 1 millió 400 ezer elektronvoltra (1,4 GeV) növeli a protonok energiáját. A Proton Szinkrotron (PS) végzi a következő gyorsítást 28 GeV-re, majd a Szuper Proton Szinkroton (SPS) 450 GeV energiát ér el.

Ezeket a protonokat lőjük be a Nagy Hadronütköztetőbe, ahol a tervek szerint elérik majd a 7000 GeV gyorsítóenergiát, azaz a proton energiája 7000-szer lesz nagyobb, mint a tömege. Így ha összeütköztetünk majd két szembefutó protont, akkor 14 000 GeV (azaz 14 TeV) ütközési energiakoncentrációt tudunk létrehozni. Jelenleg (a tervek szerint 2012 végéig) még csak félgőzzel, 7 TeV-en működik az LHC, a csúcsenergia elérését 2014-re tervezik. A protonok mellett nehézionok, így 82 protont és 126 neutront tartalmazó ólomionok gyorsítására is lehetőség van. Ilyenkor mind a 82 elektronjától megfosztjuk az ólomatommagot, s a fenti lépésekben felgyorsítjuk. A neutronok semlegessége befolyásolja a gyorsítást, az LHC-ben az

ólomatommagokat maximum 2,75 TeV/nukleon energiára tudjuk csak felgyorsítani az egyes protonok 7 TeV-jével szemben.

Ha összehasonlítjuk az LHC teljesítményét Lawrence első ciklotronjával, akkor azt láthatjuk, hogy az LHC a maga 8,6 kilométeres átmérőjével 5000-szer lett nagyobb. A CERN állandó személyzete (mérnökök, informatikusok, technikusok) 2500 fő, akik 7500 felhasználó fizikust szolgálnak ki – ők a kísérletek végzésekor, csak időlegesen tartózkodnak a CERN-ben –, azaz 5000-szer több ember szükséges az LHC működtetéséhez, mint Lawrence és technikus segítője korában. Ha viszont az elért protonenergiát tekintjük, akkor a 7 TeV közel 100 milliószor nagyobb energia, mint a kezdeti 80 000 eV. Bár a Nagy Hadronütköztető önmagában 4,5 milliárd euróba került, a teljes gyorsítókomplexum és a CERN felépítése körülbelül 15 milliárd eurót emésztene föl, ha most kellene megtennünk, s nem az elmúlt 50 évben, apránként építettük volna meg. Ne felejtsük el, hogy jelképesen mindennek 1%-a magyar tulajdonnak tekinthető a tagságunk eredményeként. Mivel ma egy Lawrence-féle miniciklotron előállítása körülbelül 150 euróba kerül, azt láthatjuk, hogy itt is megjelent a 100 milliós faktor. Azaz az energia növelésével egyenes arányban nő a felhasználandó anyagi forrás is. Elgondolkodtató, hogy mibe kerülhet a következő nagyenergiás gyorsító – hacsak ki nem találunk valami új módszert a részecskék gyorsítására.

A Nagy Hadronütköztető a 27 kilométer kerületű alagútban elhelyezett berendezéseivel jelenleg a legnagyobb méretű mérnöki berendezés. Az alagutat eredetileg 1980 körül alakították ki, akkor a Nagy Elektron-Pozitron Ütköztető (LEP) mágneseit tartalmazta. A LEP 1986-2000 között működött, a higgs felfedezését célozták meg vele, azonban az elért 209 GeV ütközési csúcsenergia kevésnek bizonyult a feladat teljesítéséhez. A higgs tömegét eredetileg 50-60 GeV-re becsülték, a LEP-kísérletek eredményei azonban megmutatták, hogy 114 GeV-nél nehezebbnek kell lennie, és a LEP-ben folyó kísérletek segítségével nem találhatjuk meg. Ezért 2000-ben a LEP-kísérleteket leállították, a szobahőmérsékleten működő mágneseket eltávolították az alagútból, és megkezdődött az LHC építése.

Az LHC gyorsítóban ma 9500 mágnes található. Ezek közül a leglátványosabbak a 15 méter hosszú 35 tonna súlyú, 1,7 kelvin hőmérsékleten üzemelő szupravezető dipólmágnesek, melyek darabja félmillió svájci frankba került. 1242 ilyen dipólmágnes gondoskodik arról, hogy a 7 TeV-es protonok körpályán keringjenek. A 14. ábrán

az LHC 27 kilométer kerületű alagútjának részletét látjuk, benne a kék dipólmágnesekből álló gyűrű egy kis szakaszával. Az illusztráción bepillanthatunk az egyik mágnes belsejébe, és megfigyelhetjük a két részecskenyalábot.

Miután a világegyetemben a Nagy Bumm maradványaként ismert kozmikus háttérsugárzás 2,725 kelvin hőmérsékletű, jogosan mondhatjuk, hogy az LHC a világegyetem egyik leghidegebb pontja, s ezt mi, emberek hoztuk létre (néhány infravörös műhold van még hasonló hőmérsékletre lehűtve). A gyorsító az 1,7 kelvin hőmérséklet fenntartásához mintegy 120 tonna folyékony héliumot használ, de párhuzamosan 10 000 tonna folyékony nitrogén is szükséges a kiegészítő berendezések hűtéséhez. A dipólmágnesekben az 1,7 kelvinre lehűtött nióbium-titanát (NbTi) vezetékek szupravezetőkké válnak, azaz ellenállás nélkül vezetik a 11 850 amperes áramot (körülbelül 100 amper egy nagy háztartás áramfelvétele). Ez az óriási áramerősség szükséges a megcélzott 8,33 tesla erősségű mágneses tér létrehozásához, ahhoz, hogy a 7 TeV-es protonokat a 27 kilométeres körpályán tarthassuk. Az ezredfordulón a világ addigi nióbiumtermelésének mintegy 80%-át építették be a 1242 dipólmágnesbe.

A részecskék gyorsításáról úgynevezett rádiófrekvenciás üregrezonátorok gondoskodnak, nyalábonként 8 darab, azaz összesen 16. Ezek szintén szupravezető berendezések, 4,5 kelvin fokon működnek, 2 millió volt feszültséget biztosítanak minden egyes áthaladáskor a gyorsításhoz, illetve a gyorsítási energia fenntartásához (rövid távolságon 5 millió volt/méter gyorsítófeszültséget képesek előállítani).

A protonok felgyorsítása és pályán tartása csak az egyik feladat. Arról is gondoskodnunk kell, hogy a gyorsítócsőben lehetőleg minél kevesebb szennyező atom és molekula legyen, hogy ne szóródjon ki a gyorsított ion. Ezért az LHC-ben elért vákuum 10^-13 atmoszféra, ami tizedrésze a bolygóközi térben mérhető vákuumértéknek. Ekkora vákuum esetén biztosított, hogy az LHC-ben a felgyorsított protonnyaláb 10 óráig szinte zavartalanul cirkulálhasson – ez alatt az idő alatt annyi utat megtéve, mint a Föld–Neptunusz távolság oda-vissza.

A protonnyaláb azonban nem folytonos, hanem csomagokból áll, hogy könnyebben lehessen vezérelni a nyalábot. A tervezett 14 TeV-es csúcsüzemmódban 2808 protoncsomag kering majd mindkét irányban, minden egyes csomagban 100-100 milliárd lesz, és két csomag 7 méterenként követi egymást. Egy ilyen csomag másodpercenként 11 245 fordulatot végez majd a 27 kilométeres gyűrűben.

VI. Az LHC kísérletei és az általuk generált adatfolyam kezelése

Az eddigiekben ismertettük a Nagy Hadronütköztető felépítését, a protonnyalábok előállítását és fenntartását. A fizikai kísérletekhez azonban ütköztetnünk kell ezeket a csomagokat. Az LHC-ben az egymással szembefutó protoncsomag-szerelvények 8 helyen keresztezik egymást. Ezekből négy helyen található detektor,

nevezetesen az ALICE, ATLAS, CMS és LHCb kísérletek területén.

Két kisebb kísérlet is épült, a TOTEM a CMS mellett és az LHCf az ATLAS mellett. A legnehezebb detektor a CMS, tömege közel 14 ezer tonna (az Eiffel-torony tömege 7 ezer tonna). Az ALICE 10 ezer tonna, az ATLAS tömege 7 ezer tonna körül van. Ezek a detektorok hatalmas berendezések, például az ALICE 26 méter hosszú,

16 méter széles és 16 méter magas. A felszíni csarnokból biztonsági ellenőrzések (pl. írisz-szkennelés) után gyorslift visz le a detektorhoz.

A detektorokat a föld alatt 80-100 méterrel szerelték össze. Az ütközések a detektorok közepén jönnek létre, és a hagymahéjszerűen elhelyezett aldetektorok rögzítik és elemzik a keletkezett új részecskéket, amelyek tulajdonságaiból ki akarjuk olvasni az ütközés során történteket. A 3. videó ^|3}| a CMS felépítését, illetve proton-proton ütközést mutat be.

A fizikai program végrehajtásához nagyon sok ütközésre van szükségünk. Az ütközési számot úgy növelhetjük, hogy a körpályán normál esetben 1 mm átmérőjű nyalábot a detektorok közepén 16 mikrométerre fókuszáljuk (az emberi hajszál átmérője 50 mikrométer). Így érhetjük el, hogy másodpercenként 600 millió proton-proton ütközésre kerülhessen sor például a CMS és az ATLAS detektorokban az év 10 hónapján keresztül. Ha ez sikerül, akkor 1-2 év alatt összegyűjthetjük azt a néhány tucatnyi érdekes eseményt, amelyekben higgs keletkezhetett, s amelyek alapján meghatározhatjuk a Higgs-részecske tulajdonságait.

A keletkező részecskék tulajdonságai sokat elárulhatnak az ütközés pillanatában lezajló folyamatokról. A 17. ábrán

két nagyenergiájú proton összeütközése látható a sok rétegből álló, henger-alakú CMS-detektor középpontjában. Az ütközésben keletkezett több mint száz töltött részecske a sárgával rajzolt pályákat futja be a nyomkövető (félvezető-alapú) észlelőrendszerben. A pályákat a világ legnagyobb szupravezető mágnese elgörbíti a részecskék töltésének megfelelően. A nyomkövető rendszert az elektromágneses sugárzást elnyelő, 80 000 nehézkristályból álló elektromágneses kaloriméter veszi körül, az ábrán sötétbarna téglalapok jelzik a bennük hagyott energiát. Körülöttük található a nehézrészecskék (protonok, neutronok és mezonok) azonosítására szolgáló hadron-kaloriméter, az ebben hagyott energiát világosabb téglalapok jelölik. Az egész rendszert magába foglalja a világ legnagyobb (6 méter átmérőjű) szupravezető mágnese, amelyet kívülről az illékony müonok azonosítására szolgáló észlelők vesznek körül.

A 4. videó ^|4}| az ALICE felépítését, illetve ólom-ólom ütközést mutat be.

A 18. ábrán körülbelül háromezer olyan részecske nyomait láthatjuk az ALICE

detektorban, melyek egy ólom-ólom nehézion-ütközés eredményeként jöttek létre. A detektor egyik fő részegysége egy kamra, amely körbefogja az ütközési pontot, és amelyben az ütközés során szétrepülő töltött részecskék ionizációs nyomot hagynak. Ezeket a nyomokat kiolvassák, majd számítógéppel összekötik, kirajzolva a részecskék pályáját. Az egész detektor 0,5 tesla erősségű mágneses térben található, amely eltéríti a töltött részecskéket: minél kisebb energiájúak, annál jobban. A nagyenergiás részecskék viszont szinte egyenes pályán haladnak – a képen a legtöbb részecske ilyen. Minél nagyobb energiájú egy részecske, annál világosabb az őt jelölő sárga szín. Azt is mondhatjuk, hogy az ALICE detektor egy nagy digitális fényképezőgép, amelyben másodpercenként 8000 nehézion-ütközés jön létre

Ennyi adat feldolgozását, az érdekes adatok kiválogatását, majd gyors elemzését számítógépek nélkül

nem tudnánk elvégezni. A CERN rendelkezik a világ egyik legnagyobb számítógépparkjával.

A számítógépek kisebb része a CERN-ben található, nagyobb része azonban a résztvevő kutatóintézetekben. Óriási műszaki kihívást jelent a közel 100 ezer processzor munkájának összehangolása. Miért van szükség ennyi számítógépre? Azért, mert az LHC csúcsüzemmódjában minden egyes kísérlet évente annyi adatot hoz létre, ami körülbelül 100 000 DVD-re férne rá. Ez óriási, eddig sohasem látott adatmennyiség. Itt már nem

terabyte-okban, sőt nem is petabyte-okban, hanem exabyte-okban kell számolnunk. Óriási szalagos egységek gyűjtik és tárolják a már előzetesen kiválogatott adatokat, és a számítógépek éjjel-nappal az adatok elemzésével foglalkoznak.

A számítógépek rendszere, a grid hierarchikusan épül föl. A CERN-ben lévő Tier-0 szintű központ gyűjti és raktározza az adatokat, amelyeket kioszt a Tier-1 központok között, biztosítva a biztonsági másolatokat is. Innen a Tier-2 és Tier-3 szintű állomások töltik le az általuk elemezni kívánt adatmennyiséget, majd az eredményt visszaküldik a központokba, illetve az elemzést végzőkhöz. Mindezt legtöbbször úgy, hogy a megrendelő fizikus nem is tudja, hogy melyik központból származnak az adatok, és mely gépeken történt az elemzés – ő csak a végeredményt látja, azt, hogy lezajlott az analízis. Amint a 21. ábrán

látjuk, a grid egy fantasztikus precizitást igénylő szerveződés, a számítástechnika felhasználásának élvonala. A CERN gridje (LHC Computing Grid) az első globális grid, amely az LHC-t használó részecskefizikai kutatóközösség számára tárol és elemez adatokat.

VII. Az LHC tudományos céljai

A részecskegyorsítás és az adatfeldolgozás technikai részletei után térjünk vissza ahhoz a kérdéshez, hogy miért is csináljuk mindezt, milyen fizikai célokat szeretnénk elérni. Egyrészt a standard modell működéséért

felelős Higgs-részecskét szeretnénk megtalálni – 50 évvel Peter Higgs javaslata után igazolni szeretnénk az állítását.

Persze nem csak Higgs professzornak szeretnénk örömet okozni, és (vélhetően) egy Nobel-díjjal megajándékozni. A higgs egy újfajta anyagi részecske, ahogy a részecskefizikusok mondják: skalárrészecske. Ilyet még nem láttunk, ez tulajdonképpen a vákuum alkotórésze. Létezésének bebizonyításával több olyan tudományos kérdés tanulmányozása kezdődhet újra, amelyeket részletesebb információ hiányában korábban

lezártunk. A higgs tulajdonságai segíthetnek a sötét energia kérdésének megoldásában is. A higgs pontos megismeréséhez néhány száz, de inkább néhány ezer értékelhető eseményre lesz szükségünk, amelyek összegyűjtéséhez néhány év kell.

A másik terület az univerzum ősanyagának, a kvark-gluon plazmának a vizsgálata nehézion-ütközések segítségével. Amint említettem a standard modell ismertetésénél, szabad kvarkokat nem láttunk, a kvarkok a hadronok belsejében találhatóak. Ha azonban létre tudjuk hozni a hadronok belsejében uralkodó energiasűrűséget egy nagyobb térfogatban, akkor azon belül már szabadon mozoghatnak a kvarkok és gluonok. Néhány milliomod másodperccel az Ősrobbanás után ilyen körülmények uralkodhattak az akkor még kis térfogatú, ezért mindenképp nagy energiasűrűségű univerzumban. Akkor a szabadon mozgó kvarkokból, antikvarkokból és gluonokból álló kvark-gluon plazma töltötte ki a világegyetemet, hogy aztán a tágulás során lehűljön, és a kvarkok bezáruljanak a protonokba, neutronokba, létrehozva ezzel a kémiai elemek kialakulásához szükséges körülményeket. Ha megismerjük a kvark-gluon plazma tulajdonságait, akkor visszapillanthatunk az univerzum korai állapotába. Mintha egy időgéppel 13,7 milliárd évet repülnénk vissza a kezdetekhez. Az 5. videón ólom-ólom ütközés, a kvark-gluon plazma kialakulása követhető nyomon.

Az ALICE-kísérletben 2010 őszén sikeresen megtörténtek az első ólom-ólom ütközések. Mintegy 80 millió eseményt gyűjtöttünk be 208x2,76 TeV energián. Az adatanalízis első eredményei nagyon biztatóak. A kvarkanyag sok olyan tulajdonságát sikerült újra megtalálnunk, amelyeket a New York melletti Brookhaven National Laboratoryban a RHIC gyorsítónál arany-arany ütközésekben tized ennyi energián (0,2 ATeV-en) már láthattunk. Így újra megtaláltuk a nagyenergiás részecskék számának elnyomását, ami a kvarkok és gluonok intenzív kölcsönhatására utal az ütközés során kialakult kvarkanyaggal. A pontosabb eredmények, új felfedezések bejelentése 2011 nyarán várható. 2011 novemberében újabb kísérletek elvégzésére kerül sor, 1 hónapig ismét nehézionnyaláb áll majd a kutatók rendelkezésére.

A higgs és a kvark-gluon plazma olyan felfedezések, amelyeket nagyon várunk, amelyek létezésében eléggé biztosak vagyunk – illetve annál nagyobb meglepetés lesz, ha nem tudjuk közvetlenül kimutatni például a Higgs-részecskét. Ugyanakkor az elméleti fizikusok is felfokozott várakozással tekintenek az LHC-eredményekre, ugyanis nagyon sok jóslat hangzott el az elmúlt években arra vonatkozóan, hogy mi mindent lehetne felfedezni az LHC-vel.

A jóslatok közül kiemelkednek a szuperszimmetrikus részecskék. Ezek a standard modell részecskéinek árnyékai. Egy olyan részecskecsalád, amely nagyon hasonlóan rendszerezhető a standard modellhez: megtalálhatjuk az skvarkokat és az sleptonokat, köztük a fotinó, a gluino, a zénó és winó részecskék közvetítik a szuperszimmetrikus kölcsönhatásokat, és a részecskéknek a higssinó ad majd tömeget. Ráadásul másképp, mint a higgs: ha valami könnyű volt a standard modellben, mint például az up kvark vagy az elektron, akkor a szuperszimmetrikus párjaik, az s-up-kvark és a selektron a legnehezebb részecskék lesznek, míg az

s-top-kvark az egyik legkönnyebb. A szuperszimmetria-elmélet szerint a standard modellből ismert mindegyik részecskének van egy számunkra egyelőre nem látható párja. Ezek a szuperszimmetrikus részecskék, amelyeket először talán az LHC-ben fedeznek fel.

Ezekből a szuperszimmetrikus részecskékből aztán létrehozhatunk szuperszimmetrikus shadronokat is, amelyeknek a tömege egész más lehet, mint a normális világban. Lényeges, hogy ezek a részecskék csak nagyon-nagyon gyengén fogják látni a standard modell részecskéit, mert a kölcsönhatásuk szinte teljesen elkülönül. A várakozások szerint főként a gravitáció köti majd össze ezt a két világot. A sötét anyagra az egyik jelöltünk a legkönnyebb szuperszimmetrikus részecske, amely már stabil lesz, nem bomlik tovább, de ahhoz elég nehéz lehet, hogy a hiányzó 23%-ot megmagyarázza.

Hogyan igazolhatjuk ezt az elméletet kísérletileg? Hogyan tudunk az árnyékvilágról információt szerezni? Az elmélet szerint a két világ minimális mértékben átjárható, azaz nagyon ritkán szuperszimmetrikus részecskék is keletkezhetnek az LHC proton-proton ütközéseiben. Ha másodpercenként 600 millió ütközést végzünk, akkor arra számítunk, hogy évente 1-2 ilyen esemény is megjelenik. Ha szerencsénk van, akkor egy kicsit több. Az LHC tudományos programja 2030-ig vázolták fel, ennyi időre lesz várhatóan szükség, hogy információt szerezzünk a szuperszimmetrikus részecskecsaládról. Az így kapott adatok ismeretében már megtervezhetjük a következő nagy gyorsítót, hogy az LHC felfedezései után részletesen, nagy pontossággal tanulmányozhassuk ezt az új árnyékvilágot.

A szuperszimmetrikus anyag várhatóan megoldja a hiányzó sötét anyag problémáját. Ezzel párhuzamosan azt várjuk, hogy a hiányzó sötét energiára is információt szerzünk a higgs és a szuperszimmetrikus partnere, a higgsinó-mezők tulajdonságaiból. De az is lehet, hogy további meglepetések várnak minket. Elméleti számolások felvetették, hogy talán már az LHC ütközési energiáján bepillanthatunk abba a világba, ahol az 1 idődimenzió mellett nem 3 térdimenzió, hanem esetleg sokkal több van. Például még további 6, vagy annál is több.

Hogyan nézhetnek ki ezek az extra dimenziók? A hétköznapokban miért nem látjuk, érzékeljük őket? Mert egyrészt nagyon kis méretűek, azaz nagyon nagy energiák esetén válnak láthatóvá. Másrészt ezek az extra dimenziók végesek, zártak. Gondoljunk arra, hogy az asztallap számunkra két dimenziót jelent. Most helyezzünk el apró, belül üres pingponglabdákat az asztallapon és indítsunk el egy hangyát (vagy inkább egy papucsállatkát). A hangya az asztalon haladva előbb utóbb bejut az egyik pingponglabda belsejébe, s ott elkezd

körbe-körbe keringeni. Számára a pingpong labda belsejének felülete 2 jól érzékelhető extra dimenzió, és így hirtelen 4 dimenziós lesz a világa. Kívülről nézve mi csak azt látjuk, hogy a hangya folyamatosan mozog, de a 2 dimenziós asztallapon nem halad. Mintha hirtelen nagyon nehézzé vált és lelassult volna. Lehetséges, hogy a véges méretű extra dimenziók is képesek tömeget generálni?

Mi van akkor, ha nem pingponglabdákat képzelünk az asztallap minden pontjába, hanem topológiailag bonyolultabb formákat, például tripla tóruszokat (triplán összefüggő biciklibelsőket)? Vagy esetleg még bonyolultabb sokdimenziós felületeket? Az elmúlt évek megmutatták, hogy az elméleti fizikusok spekulációs képessége egyszerűen határtalan. Csak a pontos kísérleti eredmények tarthatják kordában a fantáziájukat. Ezért kell elvégeznünk a Nagy Hadronütköztető kísérleteit, hogy megtalálhassuk a létező ajtót ebbe az új

világba, ahol árnyékrészecskék és extra dimenziók között dönthetünk. Vagy éppen még extrémebb következtetésekre juthatunk világunk szerkezetét illetőleg. Mindezt a következő 20 év fogja eldönteni.

VIII. A CERN és az LHC az emberiség szolgálatában

De addig is, tudnánk-e az LHC-ra elköltött jelentős pénzügyi források közvetlen hasznaként a mindennapjainkat befolyásoló tudományos eredményeket, fejlesztéseket felmutatni? Hogyan is szolgálja ma az LHC az emberiséget?

A CERN már adott egy fantasztikus, ma már nélkülözhetetlen újítást a világnak, nevezetesen a world wide webet. 1990 körül a fizikusok már aktívan használták a számítógépek összeköttetésével létrejött hálózatokat, de akkoriban még csak speciális nyelven írt parancsokkal tudtunk kommunikálni, adatokat le- és feltölteni. A kissé kényelmetlen rendszer átdolgozását a CERN egyik munkacsoportja végezte el, egyszerűsítette, egyben kiterjesztette és felhasználóbarát grafikus felülettel látta el.

Miközben a fizikusok munkája kényelmesebbé vált, hirtelen a tudomány, majd az élet más területei is felfedezték a webben rejlő lehetőségeket. Ma már kezd kihalni a postán küldött levél, mert leváltotta az e-mail, színházjegyet, repülőjegyet vásárolunk az interneten, a zsebünkben lévő mobileszközök figyelmeztetnek, ha egy akciós árukat tartalmazó bolt mellett megyünk el, s ezt az előadást is az interneten olvashatja a kedves olvasó. Mindez a fejlődés egy viharos 20 éves időszak alatt következett be. Olyan a web, mint az 1950-es években felfedezett tranzisztor: új szemléletet, új életformát hozott el az emberiség számára.

Egy további fontos jelölt az orvostudomány. Egyrészt a gridtechnika és a nagy mennyiségű adat kezelése területén szerzett tapasztalatokat közvetlenül átültethetjük a diagnosztikai eljárások tökéletesítésére, az orvosi adatok feldolgozása, az adatbányászat területén történő alkalmazására. Jelenleg is zajlik egy együttműködés a KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet és a Semmelweis Egyetem között a genomika területén: az orvosok genetikai adatokkal rendelkeznek, a bioinformatikus kollégák tudják, hogy hogyan keressenek tűt a szénakazalban, a Silicon Graphics kiváló számítógépeket gyárt, mi pedig tudjuk, hogy hogyan kell ezeket a számítógépeket nagy hatékonysággal, gridállomásként használni egész évben, éjjel-nappal. A GENAGRID projekt első eredményeinek publikálására 2010-ben már sor került, és jelentős lépéseket sikerült együtt megtennünk a személyre szabott gyógyászat területén.

Az informatikai alkalmazásokon túl a gyorsítók építése során létrejött technológiai fejlesztések azt

eredményezhetik, hogy kisebb, jobban kezelhető eszközök állnak majd az orvosok rendelkezésére. Ilyen például a gamma-kés és a robotkarra szerelhető kisméretű protongyorsító, a kiberkés, amellyel daganatok hatékony besugárzását, elpusztítását végezhetik el olyan helyeken, ahová lehetetlen vagy túl veszélyes operáló késsel odaférni.

A néhány millió elektronvoltra gyorsított szén- és oxigénatommagok terápiás felhasználása – ilyen hadronterápiás központ nyílt meg 2009-ben Heidelbergben – új lehetőségeket nyújt olyan daganatos betegek számára, akiket a protonterápiával egyébként nem tudnánk kezelni.

A 29. ábrán jól látható, hogy a kezelőhelyeket részecskegyorsító szolgálja ki.

Az orvosi alkalmazások mellett a részecskefizikai detektoroknál szerzett tudásunkat könnyedén felhasználhatjuk nagy felületű, hiperérzékeny, de közben kis költségű, mindennapjainkban is alkalmazható detektorok készítésénél. Ilyen például a speciális felületű elektronsokszorozók alkalmazása automatikus tűzriasztó hálózatok kialakítására a nemzeti parkokban, melyek a tüzek keletkezésekor korai riasztásra képesek.

Ha már rendelkezünk jó detektorokkal, akkor akár a világűrből folyamatosan érkező részecskéket is használhatjuk forrásként. Így szinte menet közben átvilágíthatjuk a határátkelőhelyekre érkező áruszállító kamionokat.

Vagy azzal segíthetjük a régészek munkáját, hogy roncsolásmentesen kereshetik a feltételezett belső termeket a piramisokban. Mozgatható müon-tomográffal támogathatjuk geológus vagy barlangász kollégáinkat hegyek átvizsgálása, földalatti termek keresése során – ahogy azt az RMKI fiatal kutatói is teszik a Rózsadomb alatt elhelyezkedő Molnár János-barlang esetében.

IX. Zárszó

Az előadásban ismertettem, hogy a Nagy Hadronütköztető miként nyithat új kapukat a részecskefizika és a kozmológia területén, az új kutatási eredmények miként határozhatják meg a következő gyorsító feladatait, a következő 50 év nagyenergiás fizikai kísérleteit. De nemcsak a jövőre hat az LHC, hanem a jelenre is: láttuk, hogy a kutatás-fejlesztés eredményeit közvetlenül felhasználhatjuk az orvostudományban, a gyógyításban, az iparban, és olyan területeken is, mint a régészet és a geológia.

A CERN valójában egy tudásközpont, több tudományágban is (részecskefizika, informatika, egyes mérnöki területek) itt találkozhatunk a legizgalmasabb problémákkal, itt ismerkedhetünk meg a legújabb válaszokkal, a világ élvonalába tartozó eredményekkel. A CERN-ben végzett kutató-fejlesztő munkába évente 100-120 magyar kapcsolódik be hosszabb-rövidebb időre. Közülük sokan diákok, doktoranduszok, akik munkalátogatáson vesznek részt, vagy egy-egy célfeladatot hajtanak végre a CERN-ben. A tudástranszfer azonban nem áll meg a kutatói szinten. Évente tucatnyi, magyar középiskolásokból, érdeklődő egyetemistákból álló diákcsoport látogatja meg szervezett formában a CERN-t, bepillantva a világlaboratórium munkájába, megtapasztalva az ott dolgozó kutatók elhivatottságát. Ezek a fiatalok hozzák-viszik azt a munkaszemléletet, azt az életformát, amely a magas szintű, tudásközpontú társadalom alapja. Ilyen szempontból minden CERN-ben dolgozó kolléga és minden, a CERN-t meglátogató érdeklődő egyben küldetést teljesít, egy nagyon speciális tudást továbbít Magyarország felé, ahogyan azt a többi nemzet kutatója és fejlesztője is teszi nap mint nap. Ezért olyan vonzó a CERN, ezért fenntartható az ott folytatott kutatás, és ezért éri meg a CERN aktív tagjaként részt venni a közös erőfeszítésekben.

Előadásom címét Weöres Sándortól kölcsönöztem. Ha jobban meggondoljuk, akkor a Mindentudás Egyetemének összes előadásához illik ez a cím, hiszen minden kutató a teljességre törekszik. Hogy elérjük-e a teljességet? Soha nem tudhatjuk bizonyosan. De talán sokan egyetértenek velem a kutatók közül abban, hogy bennünket igazából a teljesség felé vezető út érdekel.

A teljesség felé című kötetében Weöres Sándor ezt írta: „Alattad a föld, fölötted az ég, benned a létra.” Mindenkit arra biztatok, hogy minél magasabbra jusson ezen a létrán.