Nagy Hadronütköztető – az út a Higgs-bozon felfedezéséig

A világ legnagyobb részecske­gyorsítója, a CERN Nagy Hadron­ütköztetője (hivatalos nevén LHC, Large Hadron Collider) 100 méterrel a föld alatt, egy 27 km kerületű alagútban épült 2000-től 2008-ig, és két megszakítástól eltekintve azóta sikeresen működik. (Az első megszakítás egy kisebb katasztrófa következménye volt, a másodikra a tervezett tovább­fejlesztés miatt volt szükség.)

A CERN és környéke a Szuper Protonszinkrotron (SPS) és az LHC gyűrűivel, valamint a Genfi-tóval. Jelentős magyar csoport a CMS-, ALICE, NA61 és TOTEM kísérletekben dolgozik. Forrás: CERN

Nagyenergiás fizika

A részecskegyorsító elnevezés némileg félrevezető, hiszen ezeken az energiákon a részecske sebessége nagyon közel van már a fénysebességhez, tovább nemigen gyorsul, csak az energiája növekszik. A gyorsítók teljesítményét az elért energia, valamint a nyaláb intenzitása és minősége határozza meg. A modern, nagy energiájú részecskegyorsítók egymással szemben mozgó részecskecsomagokat ütköztetnek az észlelőrendszerek közepén, így lehet biztosítani a befektetett energia legjobb kihasználását. Az energiát a részecske­fizikában elektronvoltban (eV) mérjük, azzal az energiával, amelyre 1 volt feszültség átszelésekor tesz szert egy egységnyi töltésű részecske, például elektron vagy proton. A nagyenergiájú fizika kedvenc egységei a giga- és teraelektronvolt (1 GeV = 10⁹ eV és 1 TeV = 10¹² eV).

Az LHC alagútja a mágnesekkel Forrás: CERN

Ütközőnyalábok esetén az ütközések gyakoriságát a részecskenyalábok intenzitásán kívül azok minél kisebb keresztmetszeten történő átfedése, azaz lehető legjobb fókuszálása és pontosabb összeirányítottsága határozza meg. A részecskefolyamatok valószínűségét a szóródási kísérletekhez bevezetett hatáskeresztmetszettel jellemezzük, amelynek mértékegysége a barn (1 b = 10^–28 m²). Nem véletlenül kapta az angol csűr nevet, hiszen nagyon nagy: a jelenleg tanulmányozott részecskefizikai folyamatok hatáskereszt­metszetét általában pikobarnban (1 pb = 10^–12 b) vagy femtobarnban (1 fb = 10^–15 b) mérik. Az ütközési gyakoriságot azzal lehet a leg­könnyebben szemlélteni, mekkora hatás­keresztmetszet mérésére nyújt lehetőséget, ennek megfelelően a kísérletezők az ütköztetők intenzitását, amelyet igencsak szerencsés kifejezéssel luminozitásnak hívunk, a hatáskeresztmetszet reciprokában szokták kifejezni, tehát 1/pb (pb^–1) vagy nagyobb intenzitásnál 1/fb (fb^–1) egységben.

Az LHC indulása 2008. szeptember 10-én Forrás: CERN

A Nagy Hadronütköztető

Átadása óta az LHC bámulatos fejlődésen ment keresztül. 2009-ben 3,5 TeV protonenergiával, azaz 7 TeV ütközési energiával indult. 2012-ben a protonütközési energiát 8 TeV-re, majd a másfél éves fejlesztés eredményeképpen 2014-ben 13 TeV-re sikerült növelni. Mivel a proton összetett részecske, amelyben hemzsegnek az elemibb részecskék, főként a magerőket hordozó gluonok, új jelenségek keresésére a nagyobb protonenergia az alkatrészek közötti nagyobb ütközési energiát jelent, tehát nagyobb felfedezési potenciált, nagyobb tömegű esetleges új részecskék keltését.

Még az energiánál is jelentősebb volt az ütközési intenzitás, a luminozitás fejlődése. Amint azt az alábbi ábra mutatja, 2010 és 2011 között a luminozitás 140-szeresére, 2012-ben az energia növelése mellett még négyszeresére növekedett. Jelenleg ugyanez a folyamat figyelhető meg: 2016 első hónapja alatt már több adatot gyűjtöttünk, mint 2015-ben az egész évben. Figyelemre méltó, ahogyan a gyorsítófejlesztéssel összefüggő egy-egy hosszabb vízszintes (tehát a kísérleti luminozitást nem növelő, ütközések nélküli) időszak után a luminozitás növekedése felgyorsult.

Az LHC ütközési energiájának és luminozitásának fejlődése napról napra és évről évre a CMS-kísérlet adatai alapján Forrás: CERN

A részecskefizika standard modellje

A részecskefizika matematikai elmélete, amelyet történeti okokból standard modellnek hívunk, a világot kétféle elemi részecskéből építi fel, fermionokból és bozonokból (Enrico Fermi és Satyendra Nath Bose neve után), amelyek szimmetriatulajdonságaikban különböznek. Az elemi fermionok tekinthetők az anyagi részecskéknek, ilyen például az elektron, a bozonok pedig általában a közöttük fellépő kölcsönhatásokat közvetítik – a foton például az atomokat összetartó elektromágneses kölcsönhatást. Mindezek a részecskék különböző tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek kvantumszámokkal jellemezhetők. Van azonban egy furcsa bozon, a Peter Higgsről elnevezett Higgs-bozon, amelynek valamennyi kvantumszáma zérus, a tömege az egyetlen jellegzetes tulajdonsága (a szerzőt kollégái megbírálták, amikor tulajdonságok nélküli részecskének nevezte).

A standard modell a háromféle alapvető részecske-kölcsönhatást, az elektront atomi pályán tartó elektromágneses, az atommagot összetartó erős és a részecskék bomlását vezérlő gyenge kölcsönhatást szimmetriákból származtatja, de azok nem tűrik meg a tömegeket. Az elemi részecskék tömegének bevezetésére ki kellett fejleszteni egy olyan mechanizmust, amely megbontja a vákuum tökéletes szimmetriáját. Ezt a mechanizmust gyakorlatilag egyidejűleg közölte 1964-ben Peter Higgs és két kutatócsoport, az első kettőről Brout–Englert–Higgs- (BEH-) mechanizmusnak nevezzük. A felfedezés bejelentését követő évben, 2013-ban François Englert és Peter Higgs megkapta a fizikai Nobel-díjat, Robert Brout nem érte meg a felfedezést.

A szimmetriasértő BEH-potenciál. A csúcsra tett golyó legurul, és megbontja a tökéletes hengerszimmetriát. Forrás: CERN

A CERN részecskegyorsítói

Az LHC tervezése már az előző nagy gyorsító, a Nagy Elektron-pozitron Ütköztető (LEP) indulása előtt megkezdődött. Amint az alábbi ábrán látható, a gyorsítókomplexum sok részből áll, egyik gyorsítófokozat a másiknak adja át további gyorsításra a részecskéket. A LEP idején a rendszer elektront, pozitront, protont és nehéz ionokat gyorsított, valamint antiprotonokat lassított antianyag (antihidrogén) előállítására. Az LHC egyszerűsített: csak protont és nehéz ionokat gyorsít, és az antiprotonprogramra külön antianyaggyárat (Antimatter Factory) építettek. A mérőberendezések közül a két legnagyobb, az ATLAS (A Toroidal Lhc ApparatuS) és a CMS (Compact Muon Solenoid) az LHC átellenes pontjaiban épült. A szerző a CMS-kísérlet résztvevője, tehát példáit abból idézi, de az ATLAS teljesen hasonló eredményeket kapott; a részecskefizikában csak más független kísérletekkel megerősített eredményeket fogadunk el a vizsgálatok rendkívüli bonyolultsága miatt.

A CERN gyorsítókomplexuma a LEP időszakában (balra) és jelenleg Forrás: CERN

A CMS-kísérlet

A CMS-kísérlet észlelőrendszerét az alábbi ábrán mutatjuk be. Hagymahéjszerűen egymásra épülő rétegei különböző részecskék azonosítására szolgálnak. Magyar fizikusok és mérnökök a hadronkaloriméter megépítésében és a müonkamrák helyzetmeghatározó rendszerének tervezésében, megépítésében vállaltak feladatokat, és jelenleg a müonkamrákon kívül a legbelső nyomkövető rendszer fejlesztésében és üzemeltetésében vesznek részt.

A 14 000 tonnás CMS detektor keresztmetszetének szelete. A részecskék a baloldalt látható középpontban ütköznek, a kirepülő részecskéket a félvezető alapú nyomkövető rendszer, a 75 848 ólom-volframát-kristályból álló foton- és elektrondetektor, a mezonokat és nukleonokat befogó hadronkaloriméter észleli. Mindezt körbeveszi a világ legnagyobb szupravezető szolenoidja, akörül pedig a mágnes vaslemezei vannak a gyors müonokat észlelő kamrákkal. Forrás: CERN

Az LHC fő célja a Higgs-bozon felfedezése vagy – rosszabb esetben – létezésének teljes kizárása volt. Utóbbi eshetőségben kevesen hittek, hiszen a ráépülő standard modell kicsit ad hoc, hevenyészett jellege ellenére évtizedek óta kiválóan működött, pontosan megjósolva minden addig mért adatot. A méltán világhíres Stephen Hawking volt a legnevesebb ellenzéke; a Higgs-bozon felfedezésének bejelentésekor közölte: „Úgy látszik, vesztettem 100 dollárt.”

Korábbi ábránkon jól látszik, hogy az LHC 2012-ben elérte a 2013–14-re tervezett nagy leállás előtti csúcsteljesítményét. A nagy luminozitás jelentősen növeli a felfedező munka hatékonyságát, ugyanakkor megnehezíti az adatok elemzését. A nagyenergiás fizika eseményekkel dolgozik: így hívjuk a detektorban történtek rögzítését, amikor egy érdekesnek gondolt ütközési folyamat következik be. Tekintettel arra, hogy az LHC protoncsomagjai másodpercenként 40 milliószor ütköznek, igencsak intelligens módszerekre van szükségünk, hogy kiválasszuk belőlük azt az ezret vagy legfeljebb néhány ezret, amelyet kezelni és tárolni tudunk. Az alábbi ábrán egy olyan CMS-esemény látszik, amelyben két protoncsomag ütközésekor 78 egyidejű protonütközés következett be; az eseményt a két nagy energiájú müon megjelenése tette rögzítésre érdemessé.

CMS-esemény két protoncsomag ütköztetésével, amely 78 egyidejű proton-proton reakcióhoz vezetett Forrás: CERN

A Higgs-bozon felfedezése

A CERN vezetése 2012 elején közölte, hogy addig nem állítják le az LHC-t, amíg meg nem figyelik a Higgs-bozont, az addig gyűjtött adatokból ugyanis már látszott, hogy felfedezése a küszöbön áll. A szerző 2012 májusában, nem sokkal az LHC az évi indulása után előadást tartott az Akadémián, amelynek ezt a címet adta: „Higgs-bozon: felfedezésre ítélve?” A felfedezést azonban már a 2012-es adatok egynegyedének elemzése után, 2012. július 4-én bejelentették: mindkét nagy kísérlet, az ATLAS és a CMS észlelt 125 GeV/c² tömegnél (az Einstein-féle E = mc² összefüggés alapján a részecskefizikában a tömegeket energiában mérjük) egy új részecskét a Higgs-bozonnak megfelelő tulajdonságokkal. Mivel a CERN erre az előadásra meghívta a világsajtót és azokat az elméleti tudósokat, akik a Higgs-bozont eredményező mechanizmust 40 évvel korábban megjósolták, a bejelentés nem lepte meg a közvéleményt.

Benjamin Franklinnak tulajdonítják az a mondást, hogy három ember akkor tud titkot tartani, ha közülük kettő halott, a Higgs-bozon megfigyeléséről pedig már 4000 fizikus tudott, még ha az ellenőrzés és bejelentés előtt nem volt is szabad beszélnünk róla. Ennek megfelelően a Nature Online elektronikus folyóirat két nappal az előadások előtt már publikálta a pontos adatokat, és azt a hazai hírközlés is azonnal átvette.

Higgs-bozonnak tulajdonítható CMS-esemény. A sok más részecske között keletkező Higgs-bozon két nagy energiájú fotonra bomlik Forrás: CERN

Protonok nagyenergiás ütközésekor rengeteg részecske, főként a legkönnyebb mezon, pion keletkezik (lásd a CMS detektort bemutató és az azt követő ábrát). A Higgs-bozont legjobban két jellegzetes bomlási folyamata segítségével tudtuk azonosítani: amikor két fotonra (lásd a fenti ábrát) és 4 töltött leptonra, elektronra vagy müonra (lásd az alábbi ábrát) bomlik. 2012. július 4-én ezekben az eseményekben sikerült a két nagy LHC-kísérletnek hitelt érdemlően megmutatnia a Higgs-bozon megfigyelését. Valamennyi 2012-es adat értékelése azután ezt messzemenően pontosította: a Higgs-bozon tömege 125 GeV/c²-nek bizonyult, és valamennyi keletkezési és bomlási tulajdonsága igazolta a standard modell előrejelzéseit.

Higgs-bozon bomlása egy elektron- és egy müonpárra Forrás: CERN