Borbála, Barbara, János2020. december 04., péntek
Tudomány

A nagy részecskevadász

2008.09.10.Admin
National Geographic Magyarország

Fúrjunk vagy kilencven méter mély aknát a bájos francia Crozet falucska főterén, és eljutunk valahová, ami kísértetiesen emlékeztet a James Bond-filmek rosszfiúinak alvilági búvóhelyére.

Írta Joel Achenbach
Fényképezte Peter Ginter

Ez az „alvilági technika” valójában egy gigászi tudományos kutatóeszköz: minden idők legnagyobb teljesítményű részecskegyorsítója, afféle nukleáris „fúvócső”. A hivatalosan Nagy Hadronütköztető, azaz LHC nevet viselő létesítmény célja nagyra törő, mégis egyszerű: megfejteni az anyagi világ titkát, s kideríteni, hogy miből is áll a Világegyetem. Más szóval – a dolgok mélyére hatolni.

Elérkezett a nap, amikor e közel 27 kilométer kerületű föld alatti gyűrűben útjára indíthatnak két ellenkező irányba suhanó részecskenyalábot. A gyorsító belsejében több mint ezer, kolbászkarikaként összefűzött, csaknem abszolút nulla fokra lehűtött mágneshenger irányítja a részecskéket. Majd azon a négy ponton, ahol a két nyaláb találkozik, a részecskék közel fénysebességgel csapódnak egymásnak. S ha minden jól sikerül, ebben a heves ütközésben az anyag energiává alakul, majd érdekes új részecskék sokasága születik belőle – talán még eddig sohasem látottak is. Voltaképpen ez a kísérleti részecskefizika veleje: önmagával ütköztetjük az anyagot, s kíváncsian várjuk, mi sül ki belőle.

Az ütközések szétspriccelő anyagát az imént látott masszív berendezések elemzik ki odalent, az alagút mélyén. A gigászi hadronütköztető legnagyobbik detektora, az Atlas nevű, hat emelet magas. A legnehezebb, a CMS (avagy a kompakt müon-szolenoid) pedig még az Eiffel-toronynál is súlyosabb. „Ha a parányokat méred, a méret a lényeg!” – ez akár az Európai Részecskefizikai Kutatóközpont (közismert rövidítésével a CERN) jelmondata is lehetne.

Rémisztően hangzik, de hát a gyorsító is az! Hogy alagútba helyezték, előrelátó óvintézkedés volt, mert a részecskenyaláb bármit átüthet – elsősorban persze magát a berendezést. 2007 márciusában, a próbaüzem során már történt egy kisebb baleset: az egyik mágnes kiugrott a tokjából. Azóta huszonnégy mágnest kellett átalakítani, hogy kijavítsák a tervezési hibát.

Az LHC üzemeltetői nem szívesen emlegetik, mi minden romolhat el. Talán azért, mert sok laikus attól tartott, hogy az őrült tudósok véletlenül létrehoznak egy fekete lyukat, amely még a Földet is elnyeli – ami persze badarság.

Jóval reálisabb viszont annak a veszélye, hogy a fizikusok az ütköztetővel sem találják meg azt, ami szerintük az anyag mélyén rejtezik. Mese pedig nincs – egy ekkora masinával komoly tudományos eredményt kell fölmutatniuk. Olyat, ami a lapok címoldalára kerülhet. Csakhogy az anyag és energia minden fontos kérdésére még egy ekkora szabású vállalkozás sem feltétlenül
ad választ. A részecskefizika százéves története megmutatta: a Világegyetem kemény dió. Nehéz feltörni. A természet nem adja könnyen titkait.

Ugorjunk vissza kissé a múltba – pontosabban a 19. század végére, amikor a fizika már nagykorú tudomány volt, sőt talán némileg rátarti is! Akkoriban úgy gondolták, hogy a természet összes kérdését megválaszolták, s finomítások maradtak csupán. Megvolt a dolgok logikus rendje. A newtoni erők uralták az Univerzumot. Az anyag alapvető építőköve az atom volt, amelyet (görög eredetű nevéhez híven) oszthatatlannak véltek.

Ám ekkor furcsa új jelenségekre bukkantak a laborokban. Gamma- és röntgensugarakra vagy a rendkívül rejtélyesnek tetsző radioaktivitásra. Miután pedig J. J. Th omson fi zikus fölfedezte az elektront, kiderült, hogy az atomot mégis több kisebb részecske alkotja. Th omson egyfajta pudingnak képzelte el, melyben mazsolaként ülnek az elektronok. Nos, tévedett. Fizikustársa, Ernest Rutherford 1911-ben kimutatta, hogy az atom jórészt üres: tömege egy apró magban összpontosul, s az elektronok akörül keringenek.

Forradalmi új kor kezdődött a fi zikában. Einstein 1905-ben, illetve 1915-ben megalkotta a speciális és az általános relativitáselméletet. Hamarosan még az abszolút tér és abszolút idő oly szilárdnak hitt fogalmai is elavultak. Helyükbe a téridő zavarba ejtő szövedéke került – amelyben már soha nem jelenthető ki, hogy két esemény egyidejűleg történt volna. Az anyag meggörbíti a mozgását meghatározó teret. A fény egyszerre részecske is és hullám is. Az energia és a tömeg egyenértékű egymással. Sőt, kiderült, hogy maga a valóság sem meghatározott, hanem valószínűségeken alapul. Bár Einstein nem hitte, hogy Isten kockajátékot űz az Univerzummal, a véletlen szerepe utóbb tudományosan elfogadottá lett.

Jóllehet a körpályás részecskegyorsító elvét Gaál Sándor erdélyi magyar hadmérnök írta le elsőként pár esztendővel korábban, az első ciklotront az amerikai Ernest Lawrence alkotta meg az 1930-as évek elején. Ez a szerkezet még olyan apró volt, hogy a tenyerében is elfért…

A modern részecskegyorsítók jóval nagyobbak. Az egyik (a Fermilab több négyzetkilométert betöltő Tevatronja) Chicagótól nyugatra, a prérin épült, ahol bölénycsordák legelésznek békésen a tetején. A kaliforniai Junipero Serra autópályát Palo Alto közelében keresztező slac lineáris gyorsító három kilométeres hosszáról nevezetes, az lhc körgyűrűje pedig kétszer is átbúvik a francia–svájci határ alatt. S míg egyes „szobatudósok” ma is szerény elméleti eszközökkel keresik a nagy kérdések megoldását, igazából ezek a hatalmas méretű s teljesítményű berendezések fejthetik föl a valóság szövetét.

Ma már sok mindent tudunk, amiről Einstein, Rutherford, Max Planck, Werner Heisenberg, Niels Bohr meg a múlt század eleji többi fizikus nem is álmodhatott. A fizikai valóság végső elméletének kidolgozásától azonban még távol vagyunk. A molekulák atomokból épülnek föl. Az atomot kisebb részecskék: protonok, neutronok és elektronok alkotják. A protonok és neutronok (összefoglaló nevükön a hadronok) kvarkokból és gluonokból állnak – de innen már ingoványos a terep. Vajon a kvarkok lennének az alapvető részecskék, vagy ezek is tovább bonthatók? S bár az elektront ma elemi részecskének tekintik, mérget azért ne vegyünk rá!

Az elméleti fizikusok az egyszerűség megszállottjai: azokat a modelleket kedvelik, amelyekben szépen egymáshoz passzol minden. Épp ezért a hatvanas-hetvenes években kidolgozott „Standard Modellt” – a maga 57 elemi részecskéjével s azok olykor meglehetősen logikátlannak tűnő kölcsönhatásaival – sok fizikus túl nehézkesnek tartja. Legtöbben egy olyan szerkentyűhöz hasonlítják, amit számtalan gomb és kallantyú meg
szabadon fityegő drót ékesít. „Volt egy szépnek és elegánsnak ígérkező elméletünk, de addig bütykölgették, míg végül igazán rusnya lett” – sopánkodott Joe Lykken, a Fermilab fizikusa.

A Standard Modell nem ad például magyarázatot az Univerzum egyes rejtelmeire, melyek a részecskék és kölcsönhatások mikrovilágáig vezethetők vissza. Ha született az utóbbi száz évben korszakalkotó teória, akkor az Ősrobbanás elmélete az. Márpedig eszerint az Univerzum kezdetben kisebb volt még egy atomnál is. Ezért foglalkoznak tehát részecskefizikával a kozmológusok, a részecskefi zikusokat meg ezért érdekli a kozmológia! Hisz épp ebben a legapróbb mérettartományban végbement eseményekből öltött testet a Világegyetem, s vele mi magunk is. Az ősrobbanási elmélet szerint a ma ismert Univerzumnak egykor nem volt sem térbeli, sem időbeli kiterjedése (nem volt fent vagy lent, nem múlt benne az idő), és hol voltak még a fizika ma ismert törvényei!

De hogyan lett az az egykor végtelenül sűrű és parányi Világegyetem ilyen naggyá és tágassá?
S hogyan tölti be az anyag? Elméletileg az Univerzum tágulásának kezdetén az energiából pont ugyanannyi anyag és antianyag kondenzálódott. Amint ezek érintkezésbe kerültek, kölcsönösen megsemmisítették egymást, s tisztán energiává alakultak vissza (azaz annihilálódtak). Elvben a mai Világegyetemnek tehát üresnek kellene lennie. Ám mégis csillagok, bolygók, bájos francia falvak vannak benne…

Nos, azLHC-vel végzett kísérletek alapján a fizikusok most talán azt is megérthetik, minek köszönhető a szerencse, hogy a Világegyetem tágulása során több anyag maradt, mint antianyag – s hála ennek, mi is létezhetünk.

Vagy mi van a titokzatos „sötét anyaggal”? A távoli galaxisokra (mozgásuk alapján ítélve) tudniillik erősebb tömegvonzás hat, mint amekkorát a látható anyaguk indokolna. Valamiféle különös, láthatatlan anyagnak kell tehát rejlenie bennük. A szuperszimmetria elmélete a következőképpen
magyarázza ezt a jelenséget: a fiatal Világegyetemben minden elemi részecskének volt egy jóval nagyobb tömegű (szuper)párja is. Az elektronét szelektronnak, a müonét szmüonnak, a kvarkét szkvarknak nevezték el a fizikusok. E szuperpartnerek zöme bomlékony volt, az egyik azonban elég stabil lehetett ahhoz, hogy fennmaradjon az Univerzum hajnala óta. Meglehet, ezek a részecskék e percben is átjárják testünket – anélkül, hogy bármiféle kölcsönhatásba lépnének izmainkkal és csontjainkkal. S talán éppen ez az a keresett sötét anyag.

Az LHC akkora energiát szabadít föl és olyan nagy hőmérsékletet teremt a részecskék ütköztetése által, amilyenre nem volt példa a Világegyetem születése óta. Ebben a pokolban pedig olyan részecskéket és kölcsönhatásokat is érzékelhetünk, amelyek végül megszabták a mindenség későbbi történetét. A kísérlet így választ adhat az értelmes lényeket foglalkoztató egyik alapvető kérdésre is: Milyen világban élünk?

A nagy energiájú ütköztetések keltette részecskezáporból remélik most a fizikusok kiszűrni e nagy
kirakójáték egyik fontos darabját, amelyet Leon Lederman Nobel-díjas fizikus nem átallott néhány
éve „Isten-részecske” néven emlegetni. Ledermannek jó érzéke van a hangzatos nevek kiötléséhez, az újságírók pedig kapva kaptak az alkalmon, hogy ne kelljen olyan kacifántos szavakat leírniuk, mint a müon vagy a Z-bozon. Szóval ha Isten-részecskéről olvasnak, gondolatban helyettesítsék be nyugodtan az unalmas, valódi nevét: Higgs-bozon!

E részecske létezését több mint negyven éve jósolta meg Peter Higgs, edinburghi fizikus. A tudósok többsége ma úgy tartja, hogy léteznie kell egy „Higgs-mezőnek”, amely áthatja az egész teret, a Higgs-részecskék pedig e mező hordozóiként lépnek kölcsönhatásba más részecskékkel – úgy valahogy, mint a Csillagok háborúja jedi lovagjai, akik az „Erő” hordozói. A Higgs a Standard Modell egyik fontos eleme, csak még soha, senkinek nem sikerült megtalálnia…

John Ellis, a cern elméleti fizikusa is a Higgs után kutat. Az asztalán föltornyozott szakfolyóiratok mintha megcáfolnák a gravitáció ismert törvényeit. Az elmélet szerint – magyarázza Ellis – az elemi részecskék tömege a Higgs-mezőtől származik. Hasonlata szerint a különféle elemi részecskék olyanok, akár a sártengeren futva átkelő emberek. Egyesek nehéz csizmát viselnek, amelyre rengeteg sár tapad – ilyenek például a kvarkok. Mások, mint az elektronok, kis cipellőben tipegnek, amire alig ragad sár. A mezítlábas fotonok pedig úgy suhannak el a dagonya fölött, hogy még csak sarasak sem lesznek. Példánkban a sár a részecskék tömegét jelképezi, míg a sártenger magát a Higgs-mezőt.

A Higgs-bozon feltehetőleg nehezebb a többi szubatomi részecskénél, tömege egy-kétszázszor akkora lehet, mint a protoné. Ezért kell ekkora böhöm gyorsító az előállításához: minél nagyobb az ütközési energia, annál nehezebb részecskék keletkezhetnek. Csakhogy egy olyan túlméretes részecske, mint a Higgs, fölöttébb instabil. Mielőtt bárki észrevehetné, a nanoszekundum törtrészének töredéke alatt elbomlik. Az LHC már elegendő sűrített energiacsomagocskát képes előállítani ahhoz, hogy előteremjen végre egy kellően hosszú életű Higgs-bozon.

Engem a Higgs-vadászok vállalkozása valahogy arra a kabarészínészre emlékeztet, aki egyre reménykedik, hogy a színpadi pillanat hevében mondott vicce nemcsak megnevetteti a nézőit, de értelmes tükörmondatot is alkot.

Sisak és légzőmaszk nélkül senki nem ereszkedhet alá az LHC alagútjába. Amikor odalent jártam,
lázas építkezés folyt, hegesztés és fémfűrészek zaja hallatszott mindenfelől. Javában szerelték az óriásmágneseket. Azóta elkészült a nagy mű: több mint ezerhatszáz darabot építettek be az alagútba ezekből a fél kosárlabdapálya hosszúságú, 30 tonnánál súlyosabb mágnesekből. Elég furcsának tűnhet, de a mágnesek nem is vesznek részt a gyorsításban, mert a részecskéket egy másik részegység elektromos hullámai hajtják-űzik előre a gyűrű mentén. A mágnesek feladata az, hogy – az egyenes vonaltól enyhén eltérítve – körpályán tartsák a részecskenyalábot. A közel fénysebességre gyorsított részecskék zöme ugyanis egyvalamit akar: egyenesen száguldani tovább. Az elhajlási ívnek tehát egész csekélynek kell lennie: ezért is építettek 27 kilométer kerületű gyűrűt.

Amikor aztán bekövetkezik az ütközés, és az energia tömeggé alakul át, új részecskék özöne spriccel szerte. Bár magát a Higgset aligha fogják észrevenni a fizikusok ebben a záporban, a bomlástermékeit – létének áruló bizonyítékait – már igen.

Az LHC négy nagy detektora közül kettő alkalmas e célra. Csakhogy a Higgs-bozon születése roppant ritka eseménynek ígérkezik! Még a billiomod törtrészénél is kisebb az esélye. S mivel az ütközések túlnyomó többsége aligha szolgálhat érdekes információkkal, a keresett Higgs-bozon (pontosabban a bomlástermékek) nyomait a detektor számítógépei fogják kirostálni a mérési adatok csupán petabájtokban mérhető rettentő halmazából.

Dave Barneyt, a CMS egyik kutatóját tapintatlanul arról kérdeztem, mi lenne, ha az egyik darab valami hiba folytán a mélybe zuhanna. „Az teljesen kizárt! Rosszabbat el sem képzelhet az ember!” – fakadt ki indulatosan.
Az LHC lehetséges hibáit firtatva rögtön éreztem, hogy ez biz ingoványos terület. Nem – az ütköztető nem robbantja föl a világot, hajtogatták interjúalanyaim. S mégis… „Amikor bekapcsolják a mágneseket, bárki, aki kalapácsot tart a kezében, jól teszi, ha becsatolja a védő si sakot” – tanácsolta az egyik kutató, Richard Jacobsson, tréfás figyelmeztetés gyanánt, hogy bizony a nagyenergiájú fizika birodalma.

Minderről bővebben olvashat a National Geographic szeptemberi számában.

Hozzászólások

Rég elpusztult csillagokra bukkantak

Rég elpusztult csillagokra bukkantak

Nagyon ősi szupernóvák maradványait észlelték, a szakértők szerint a ritka környezet segíthette az objektumok fennmaradását.

Az egyik legfontosabb idegtudományi díj 2020-as kitüntetettje: Buzsáki György

Az egyik legfontosabb idegtudományi díj 2020-as kitüntetettje: Buzsáki György

Buzsáki György agykutatót, a New York-i Egyetem Biggs-

Épül az ország legnagyobb közösségi asztrofotós távcsöve

Épül az ország legnagyobb közösségi asztrofotós távcsöve

A Pest megyei Sülysápon épül az ország első, nagy teljesítményű, asztrofotós célokat kiszolgáló csillagászati távcsöve.

Laboratóriumban előállított csirkehús

Laboratóriumban előállított csirkehús

Szingapúr a világon elsőként engedélyezte laboratóriumi körülmények között előállított csirkehús értékesítését - írja az MTI a BBC News cikke alapján.

Sikeresen landolt a kínai mintagyűjtő holdszonda

Sikeresen landolt a kínai mintagyűjtő holdszonda

A Csang'e 5 szonda hamarosan kőzetmintákkal térhet vissza a Holdról.

National Geographic 2020. novemberi címlap

Előfizetés

A nyomtatott magazinra,
12 hónapra

11 160 Ft

Korábbi számok

National Geographic 2010. januári címlapNational Geographic 2010. februári címlapNational Geographic 2010. márciusi címlapNational Geographic 2010. áprilisi címlapNational Geographic 2010. májusi címlapNational Geographic 2010. júniusi címlapNational Geographic 2010. júliusi címlapNational Geographic 2010. augusztusi címlapNational Geographic 2010. szeptemberi címlapNational Geographic 2010. októberi címlapNational Geographic 2010. novemberi címlapNational Geographic 2010. decemberi címlapNational Geographic 2011. januári címlapNational Geographic 2011. februári címlapNational Geographic 2011. márciusi címlapNational Geographic 2011. áprilisi címlapNational Geographic 2011. májusi címlapNational Geographic 2011. júniusi címlapNational Geographic 2011. júliusi címlapNational Geographic 2011. augusztusi címlapNational Geographic 2011. szeptemberi címlapNational Geographic 2011. októberi címlapNational Geographic 2011. novemberi címlapNational Geographic 2011. decemberi címlapNational Geographic 2012. januári címlapNational Geographic 2012. februári címlapNational Geographic 2012. márciusi címlapNational Geographic 2012. áprilisi címlapNational Geographic 2012. májusi címlapNational Geographic 2012. júniusi címlapNational Geographic 2012. júliusi címlapNational Geographic 2012. augusztusi címlapNational Geographic 2012. szeptemberi címlapNational Geographic 2012. októberi címlapNational Geographic 2012. novemberi címlapNational Geographic 2012. decemberi címlapNational Geographic 2013. januári címlapNational Geographic 2013. februári címlapNational Geographic 2013. márciusi címlapNational Geographic 2013. áprilisi címlapNational Geographic 2013. májusi címlapNational Geographic 2013. júniusi címlapNational Geographic 2013. júliusi címlapNational Geographic 2013. augusztusi címlapNational Geographic 2013. szeptemberi címlapNational Geographic 2013. októberi címlapNational Geographic 2013. novemberi címlapNational Geographic 2013. decemberi címlapNational Geographic 2014. januári címlapNational Geographic 2014. februári címlapNational Geographic 2014. márciusi címlapNational Geographic 2014. áprilisi címlapNational Geographic 2014. májusi címlapNational Geographic 2014. júniusi címlapNational Geographic 2014. júliusi címlapNational Geographic 2014. augusztusi címlapNational Geographic 2014. szeptemberi címlapNational Geographic 2014. októberi címlapNational Geographic 2014. novemberi címlapNational Geographic 2014. decemberi címlapNational Geographic 2015. januári címlapNational Geographic 2015. februári címlapNational Geographic 2015. márciusi címlapNational Geographic 2015. áprilisi címlapNational Geographic 2015. májusi címlapNational Geographic 2015. júniusi címlapNational Geographic 2015. júliusi címlapNational Geographic 2015. augusztusi címlapNational Geographic 2015. szeptemberi címlapNational Geographic 2015. októberi címlapNational Geographic 2015. novemberi címlapNational Geographic 2015. decemberi címlapNational Geographic 2016. januári címlapNational Geographic 2016. februári címlapNational Geographic 2016. márciusi címlapNational Geographic 2016. áprilisi címlapNational Geographic 2016. májusi címlapNational Geographic 2016. júniusi címlapNational Geographic 2016. júliusi címlapNational Geographic 2016. augusztusi címlapNational Geographic 2016. szeptemberi címlapNational Geographic 2016. októberi címlapNational Geographic 2016. novemberi címlapNational Geographic 2016. decemberi címlapNational Geographic 2017. januári címlapNational Geographic 2017. februári címlapNational Geographic 2017. márciusi címlapNational Geographic 2017. áprilisi címlapNational Geographic 2017. májusi címlapNational Geographic 2017. júniusi címlapNational Geographic 2017. júliusi címlapNational Geographic 2017. augusztusi címlapNational Geographic 2017. szeptemberi címlapNational Geographic 2017. októberi címlapNational Geographic 2017. novemberi címlapNational Geographic 2017. decemberi címlapNational Geographic 2018. januári címlapNational Geographic 2018. februári címlapNational Geographic 2018. márciusi címlapNational Geographic 2018. áprilisi címlapNational Geographic 2018. májusi címlapNational Geographic 2018. júniusi címlapNational Geographic 2018. júliusi címlapNational Geographic 2018. augusztusi címlapNational Geographic 2018. szeptemberi címlapNational Geographic 2018. októberi címlapNational Geographic 2018. novemberi címlapNational Geographic 2018. decemberi címlapNational Geographic 2019. januári címlapNational Geographic 2019. februári címlapNational Geographic 2019. márciusi címlapNational Geographic 2019. áprilisi címlapNational Geographic 2019. májusi címlapNational Geographic 2019. júniusi címlapNational Geographic 2019. júliusi címlapNational Geographic 2019. augusztusi címlapNational Geographic 2019. szeptemberi címlapNational Geographic 2019. októberi címlapNational Geographic 2019. novemberi címlapNational Geographic 2019. decemberi címlapNational Geographic 2020. januári címlapNational Geographic 2020. februári címlapNational Geographic 2020. márciusi címlapNational Geographic 2020. áprilisi címlapNational Geographic 2020. májusi címlapNational Geographic 2020. júniusi címlapNational Geographic 2020. júliusi címlapNational Geographic 2020. augusztusi címlapNational Geographic 2020. szeptemberi címlapNational Geographic 2020. októberi címlapNational Geographic 2020. novemberi címlap

Hírlevél feliratkozás

Kérjük, erősítsd meg a feliratkozásod az e-mailben kapott linkre kattintva!

Kövess minket