Jéki László | LHC – a nagy hadron ütköztető a genfi CERN-ben (2. rész)

Népszerű tudomány

LHC – a nagy hadron ütköztető a genfi CERN-ben (2. rész)

Legutóbb bemutattuk a genfi részecskefizikai kutatóközpont, a CERN új szupergyorsítóját, a nagy hadron ütköztetőt (LHC). Ezúttal a tervezett fizikai vizsgálatok alapkérdéseiről adunk rövid összefoglalót.

*

Az LHC-ban nem csak protonokat, hanem ólom ionokat is fognak gyorsítani. A protonokkal 14 teraelektronvolt, míg az ólom ionokkal 1150 teraelektronvolt (1,15 petaelektronvolt) ütközési energiát érnek el. Mindkét érték 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 fizika ma 6 féle kvarkot ismer, és nem számítunk újabbak felfedezésére. A kísérleti fizikusok természetesen a 2 vagy 3 kvarkból felépült részecskéket megpróbálták összetevőire szétszedni. Szabad kvarkot azonban minden erőfeszítés ellenére sem sikerült megfigyelni. A kvarkok „börtönükből” való kiszabadításához a relativisztikus energiájú nehézion ütközések kínálják a legjobb lehetőséget. Részecskegyorsítóban nehéz, például arany vagy ólom ionokat gyorsítanak nagy energiára, majd a felgyorsított nyalábokat ütköztetik az azonos anyagból álló céltárggyal vagy a másik nyalábbal.

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 (mikroszekundummal) 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 négy nagy kísérlet egyike, az ALICE remélhetően tisztázza a nyitott kérdéseket.

*

A legfontosabb, ma még nyitott kérdések egyike, az anyag és az antianyag eltéréseinek feltárása. Így remélhetünk választ arra, hogy miért csak anyag van a világegyetem eddig általunk megismert részében, miért, hogyan alakult ki ez az állapot. A CERN hagyományosan az antianyag kutatás egyik központja, az eddigi kísérletek mellett most egy újabbat indítanak.

Az univerzum eddig megismert részében sehol sincs nagyobb mennyiségben antianyag. Ha lennének nagyobb anyag- és antianyag-tartományok, akkor ezek egymás közelébe kerülve szétsugároznának, és a folyamatra jellemző gammasugárzást bocsátanának ki. Ilyen diffúz sugárzást azonban nem észleltünk.

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 (SM). A modell jól leírja a ma ismert tényeket, eddig a modell 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 Standard Modell két fő részből áll. Egyrészt tartalmazza az elektromágneses és a gyenge kölcsönhatás egységes elméletét, az elektrogyenge elméletet, másrészt a magerők erős kölcsönhatását leíró kvantum-színdinamikát. Mindkét elmélet közvetítő részecskékkel írja le a részecskék közötti kölcsönhatásokat. A Standard Modell a természet négy alapvető kölcsönhatása közül egyedül a tömegvonzást, a gravitációt nem tartalmazza.

A Standard Modell sikeresen jelezte előre a kvarkok és leptonok kölcsönhatásait. A jelenlegi modell azonban nem képes megmagyarázni, hogy miért három generációja van a kvarkoknak és a leptonoknak. A modellből nem lehet kiszámítani a kvarkok és a leptonok tömegét, sem a kölcsönhatások erősségét.

A részecskék tömege széles tartományt fog át, a legnehezebb kvark tömege például 350000-szerese az elektronénak. A SM azonban nem tud magyarázatot adni arra, hogy egyáltalán miért van tömege a részecskéknek, s ha van, akkor miért pont akkora. A tömeg létrehozására egy újabb teret vezettek be a fizikusok. Még nem sikerült megtalálni ezeknek a tereknek a kvantumát, a Higgs-részecskéket. (Létezésük lehetőségét Peter Higgs angol fizikus vetette fel először.) A Standard Modell a Higgs-bozon valamennyi tulajdonságát pontosan megjósolja a tömege kivételével, számítások 80 és 144 GeV közé teszik. Reálisan arra lehet számítani, hogy a CERN-ben lévő óriásgyorsítónál, az LHC-nál sikerül majd létrehozni és kimutatni a Higgs-részecskéket. Korábban is keresték több laboratóriumban, de mindig csak arra jutottak, hogy a Higgs-nehezebb, mint az adott gyorsítóban elérhető energia.

A Standard Modell helyességét kísérleti megfigyelések hosszú sora igazolta. A Higgs-bozon kivételével valamennyi alkotórészét megfigyeltük. A Higgs-bozon azonban 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 cikk hosszabb változata az [origo] internetes portálon jelent meg)

Print Friendly, PDF & Email
Please follow and like us:

Hozzászólások

Nincs hozzászólás ehhez: “LHC – a nagy hadron ütköztető a genfi CERN-ben (2. rész)”



Szóljon hozzá!



Archívum

Hirdetés