Nagy Hadronütköztető – Higgs után sem áll le a pörgés!

A cikksorozat első része itt olvasható.

Jogos a kérdés, minek tovább működtetni az LHC-t, ha egyszer a fő célját, a Higgs-bozon felfedezését már elérte? Egyáltalán, mire jó a részecskefizika, ha egyszer a standard modell olyan csodálatosan leír mindent, nem foglalkozhatna az a rengeteg részecskefizikus valami értelmesebb dologgal?

A standard modell nyilvánvaló sikerei ellenére több sebből vérzik. Nem ad számot a világegyetem 26%-át kitöltő sötét anyagról és a 68%-át adó sötét energiáról. Nem magyarázza meg, hova lett az ősrobbanás után az antianyag, amelynek az anyaggal azonos mennyiségben kellett keletkeznie. Van benne néhány matematikai akna is: óriási mennyiségek jelennek meg az egyenletekben, amelyeket csak némi trükközéssel lehet eltüntetni. A BEH-mechanizmus sikere ellenére nem fér bele a neutrínók nemrégiben felfedezett tömege és egymásba alakulása, az ízrezgés. Nem tudjuk elhelyezni a gravitációt a szimmetria generálta három kölcsönhatás rendszerében, hiszen Einstein általános relativitáselmélete a gravitációt nem bozon közvetítésével, hanem a tér-idő négydimenziós geometriájának változásával írja le. Komoly elméleti munka van a standard modell különböző kiterjesztéseiben, amelyek számot próbálnak adni a fenti hiányosságokra, és amelyeket a kísérleti adatoknak kell igazolniuk vagy elvetniük (eddig inkább az utóbbi eset állt fenn). A részecskefizikusok egyik kedvenc ilyen kiterjesztése a szuperszimmetrikus standard modell, annak ellenőrzésén is dolgoznak magyar fizikusok.

Szerelik az ALICE kísérlet észlelőrendszerének belsejét Forrás: CERN

Egy ideig még reménykedtünk benne, hogy találunk eltéréseket a megfigyelt Higgs-bozon tulajdonságai és a standard modell jóslata között, de a remény hiúnak bizonyult: ahogyan az adatok gyűjtésével a mérések pontosodtak, úgy lett egyre jobb az egyezés. A standard modell elméleti kiterjesztései többféle Higgs-bozont jósolnak, de eddig másmilyent nem találtunk, sem kisebb, sem nagyobb tömegértéknél. Az LHC megfigyelései között egyetlen biztató eltérést találtunk a standard modelltől: egy olyan új részecske halvány nyomát a Higgs-bozon tömegének hatszorosa, 750 GeV/c² környékén, amelynek hasonló tulajdonságai vannak, mint a Higgs-bozonnak, de egészen másképpen bomlik. Az LHC 2016-os adatgyűjtésének egyik fő célja e részecske létezésének ellenőrzése, és ha tényleg létezik (a tavalyi észlelések nem voltak teljesen meggyőzőek), további tanulmányozása. A megfigyelés bejelentése óriási izgalmat váltott ki a nagyenergiás közösségben, mert kilépést jelentene a standard modell keretei közül.

Ólomionok ütközése az ALICE detektorban 2,76 TeV/nukleon energián Forrás: CERN

Nehézion-fizika és az ALICE kísérlet

Az LHC nemcsak protonokat ütköztet: minden év végén ólomionokkal töltik fel, és az észlelőrendszerek nehézion-ütközéseket tanulmányoznak. Erre épült az ALICE (A Large Ion Collider Experiment) kísérlet (lásd a cikk első ábráját), de a CMS-nek és az ATLAS-nak is komoly nehézion-programja van. A nehézion-fizika hazánkban igen fontos, egészen jelentős elméleti és kísérleti háttere van. Emellett nemcsak az LHC kísérleteiben vesznek részt hazai nehézion-fizikusok, a Szuper Protonszinkrotron NA61 jelű kísérletében és az amerikai Brookhaven Nemzeti Laboratórium PHENIX kísérletében is dolgozik magyar csoport, bár a legnagyobb magyar nehézion-csoport az ALICE-ban működik. A nehézion-ütközéseket azzal jellemezzük, hogy nukleonpáronként mekkora energiát helyezünk el bennük. Az LHC nyalábonként 4 TeV-es működésekor a 82 protont tartalmazó, elektronjaitól teljesen megfosztott ólomion 328 TeV energiát nyer, 238 nukleonja mindegyikére 1,38 TeV energia jut. A nukleonpárokra jutó átlagos ütközési energia tehát 2,76 TeV lesz: ilyen esemény látszik a fenti ábrán. Az ALICE detektor belsejében található óriási idővetítő kamra (Time Projection Chamber) lehetővé teszi a nehézion-ütközésekben keletkező sok ezer részecske pontos azonosítását; e berendezés üzemeltetésében és fejlesztésében részt vesznek a Wigner FK kutatói is.

Nehézion-ütközéskor az átfedési térfogatban feloldódnak a nukleonok, és erősen kölcsönható színes közeg keletkezik Forrás: CERN

Az amerikai Brookhaven Nemzeti Laboratóriumban működő RHIC (Relativisztikus Nehézion-ütköztető) kísérletei már az LHC előtt megmutatták, hogy nagy energiájú arany-arany ütközésekben az atommagokban feloldódnak a nukleonok, szabad kvarkokból és gluonokból álló közeg, kvark-gluon plazma keletkezik. Ezt az LHC nehézion-programja is megerősítette. Nagyon gyakori ugyanis gluonok ütközésekor a kvark+antikvark részecskepárok keletkezése, és a két kvark által keltett hadronzáporok ellenkező irányban hagyják el az ütközési pontot. Ilyen események vizsgálatából kiderül, hogy centrális ütközések esetén, amikor a két atommag frontálisan ütközik, a két hadronzápor közül az egyik nagyon meggyengül, mert a hozzá tartozó kvarknak nagy mennyiségű, erősen kölcsönható kvarkanyagon kell keresztülverekednie magát. Periferiális ütközéseknél, amikor az atommagok átfedése sokkal kisebb, ez a hatás gyakorlatilag eltűnik, a két hadronzápor közel azonos. A nehézion-reakciók rendszeres tanulmányozásához az LHC-kísérletek referencia­méréseket végeznek 2,76 TeV-es proton+proton és 5,02 TeV-es proton+ólom ütközések tanulmányozásával. Az utóbbi arra a meglepő eredményre vezetett, hogy az ólom+ólom ütközésekben sok részecske keltésekor megfigyelhető korrelációk, azaz a kirepülő részecskék közötti összehangoltság megfigyelhető proton+ólom ütközésekben is.

Az LHC további fejlesztése

Láthatjuk, hogy a nagyenergiás fizika kísérletei hosszú időre szólnak: az LHC és kísérletei csaknem húsz évig épültek, és legalább húsz évig működni fognak. A fejlődés természetesen nem állhat le. Egyrészt az észlelőrendszerek élettartama véges, erkölcsileg elavulnak, és fizikailag elöregednek, nem utolsósorban a jelentős sugárzási károsodás következtében. A CERN távlatilag az LHC luminozitásának nagyságrendi növelését tervezi, aminek kezelésére képessé kell tennünk az észlelőrendszereket, tehát a belső elemeket újra kell terveznünk és építenünk. Az adatrögzítést is egyre hatékonyabbá tesszük: az LHC indulásakor a CMS-kísérlet mintegy 400 eseményt tudott másodpercenként rögzíteni, ez azóta 1000-re nőtt. Az adatok kezelésére a CERN létrehozta a Nemzetközi LHC grid-hálózatot, amelynek központi egysége (T0 központja) ugyan a CERN-ben van, de egy része a Wigner FK-ba költözött. A CMS elsődleges adattároló helyei (T1) a Chicago melletti Fermilabban, Barcelonában, Oxfordban, Lyonban, Karlsruhéban, Bolognában és Tajpejben vannak, a T2 adatelmező központok pedig gyakorlatilag minden részt vevő országban. A Wigner FK T2 központjában pillanatnyilag 600 processzor és 250 TB-nyi tároló működik, a hatékonysága évek óta az első helyeken található a CMS 55 T2 központja között.

Az LHC működési terve 2016-ban: májustól novemberig proton+proton ütközésekkel, utána proton+ólom programmal. Az adatgyűjtési periódusokat fejlesztési leállások szakítják meg. Forrás: CERN

Az LHC tehát áprilisban újra elindult, 2016-os működési terve a fenti ábrán látható. Májustól novemberig proton+proton ütközéseket tanulmányoz, utána pedig karácsonyig proton+ólom ütközéseket. Általában havonta egyszer egy-egy hétre leáll az adatgyűjtés, és a rendszert fejlesztik. Ezek a fejlesztési időszakok rendkívül fontosak, nemcsak a gyorsítós mérnököknek, hanem a kísérletező fizikusoknak is, olyankor ugyanis gyakran kiderülnek működési rendellenességek. Ezeket a fejlesztéssel párhuzamosan kijavítják, és utánuk a komplexum megbízhatóbban és hatákonyabban működik.

Mind a gyorsítót, mind a detektorokat folyamatosan fejlesztjük. A budapesti és debreceni kutatócsoportok az MTA és az NKFIH (és jogelődjei) anyagi és erkölcsi segítségével jelentősen hozzájárultak a CMS és ALICE észlelőrendszereinek fejlesztéséhez, és ezt a jövőben is szeretnék fenntartani.

A szerző köszönettel tartozik kollégáinak, főleg Siklér Ferencnek és Trócsányi Zoltánnak értékes tanácsaikért, valamint az NKFI Alap kutatási támogatásáért (K-103917 és K-109703. sz. szerződés).