Már csak néhány hét van hátra és megkezdődnek a fizikai kísérletek a világ vadonatúj, legnagyobb részecskegyorsítójánál a genfi részecskefizikai kutatóközpontban, a CERN-ben. Az LHC – Large Hadron Collider – nagy hadron ütköztető neve először is a berendezés nagy méretére utal: a gyorsítót magába fogadó földalatti alagút kerülete 27 kilométer. A hadron szó a részecskék egy családját jelöli, a gyorsítandó részecskék, a protonok ebbe a családba tartoznak. A hadronok még kisebb egységekből, kvarkokból állnak. Az ütköztető a gyorsító típusára utal: két részecskenyaláb kering körpályán egymással szemben, ellentétes irányban, majd a gyorsító négy pontján összeütköznek, ezeken a pontokon zajlanak a tanulmányozandó részecskeátalakulások. A részecskegyorsítók, a mellettük végzett kísérletek évtizedek óta az adott kor műszaki csúcsmegoldásait igényelték, sokszor a fizikusok igényei kényszerítettek ki megoldásokat.
Mindkét nyalábban 7 TeV (teraelektronvolt) energiára tesznek szert a protonok, a két nyaláb ütközésénél tehát 14 TeV energia áll rendelkezésre. Ekkora energiájú folyamatokat még sohasem figyeltek meg laboratóriumban. Ha összeütjük a tenyerünket, akkor az „ütközés” energiája nagyobb lesz, mint az LHC-ban a protonoké, de messze nem olyan koncentrált. A részecskegyorsítóban elért új csúcsenergia a hétköznapi életben jelentéktelen. Körülbelül 1 teraelektronvolt mozgási energiája van például egy repülő szúnyognak. Az LHC-ban azonban ez az energia szúnyognál billiószor (milliószor millió) kisebb térfogatban koncentrálódik. Ha nem egyetlen protonnal számolunk, hanem a két teljes nyalábbal, akkor már hétköznapi méretekben is impozáns ütközési energiához jutunk. A maximális energiával ütköző nyalábokhoz hasonló energiát képvisel egy 400 tonnás, 200 km/órás sebességgel mozgó vonat. Ugyanekkora energia elegendő lenne fél tonna réz megolvasztásához.
A gyorsítóban elérhető legnagyobb energiát a körülmények szabják meg. Az LHC egy korábbi gyorsító, a nagy-elektron-pozitron ütköztető (LEP) alagútjában épült meg, miután a LEP-et 2000-ben leszerelték. Az alagút mérete, a részecskéket körpályára kényszerítő mágnesek erőssége, a részecskéket gyorsító rádiófrekvenciás berendezések méretezése szabja meg az elérhető legnagyobb energiát. Az LHC átlagosan 100 méter mélyen van a felszín alatt.
A CERN már fél évszázadosnál is hosszabb történelme során egyre nagyobb energiájú részecskegyorsítókat építettek, ezek többsége ma is működik. Az LHC-ba is több berendezésen áthatolva jutnak el a protonok. Először is a hidrogén atomokat megfosztják elektronjaiktól és a továbbiakban a hidrogén atom magjával, a pozitív töltésű protonnal dolgoznak, gyorsítani ugyanis csak töltött részecskéket lehet. A protonok a Linac2 gyorsítóban 50 megaelektronvolt (0,05 GeV) energiára tesznek szert, majd átkerülnek a PS Booster gyorsítóba, ahol 1,4 GeV energiára gyorsítják őket. A következő lépcsőfok a proton szinkrotron (PS), ebből 25 GeV energiával mennek át a szuper-proton-szinkrotronba (SPS), ahonnan már a végállomásra, az LHC-ba érkeznek 450 GeV energiával.
A részecskék akkor tudnak egyre nagyobb sebességre szert tenni, ha útjuk során nem ütköznek akadályba, más atomokba, részecskékbe. Ezért a gyorsítócső egész térfogatában igen nagy légritkítást kell elérni. Az LHC-ban 10-13 atmoszféra lesz a légnyomás, vagyis a normál légköri nyomás tízbilliomod része. A műszaki feladat nagyságát mutatja, hogy ezt a fantasztikus légritkítást hatalmas, kb. 6500 köbméter térfogatban kell elérni, ez egy nagy katedrális térfogatához hasonló nagyság.
A részecskék pályáját összesen 9300 különböző típusú mágnessel alakítják ki. A nagy mágnesek testébe építették be a kisebb, korrekciós célokat szolgáló mágneseket. A legnagyobb mágnesekből, a dipól mágnesekből 1232 darabot építettek be a körpálya mentén. Minden dipól mágnes 14,3 méter hosszú, súlya kb. 35 tonna. Az LHC építésénél ezeknek a dipól mágneseknek a megépítése jelentette a legnagyobb műszaki kihívást. Egy proton gyorsítóban adott körpálya mellett az elérhető maximális energia egyenesen arányos a dipól tér erősségével. Az LHC-ban szupravezető mágnesekkel hozzák létre a 8,3-8,4 tesla erősségű mágneses teret, hagyományos megoldásokkal nem lehet ilyen nagy térerősséget létrehozni. (Ez a tér kétmilliószor erősebb a földmágneses térnél.) A mágnesekben niobium-titán ötvözetből készített kábeleket használnak, ez az anyag az abszolút nulla fölött 10 fokkal, 10 kelvinen válik szupravezetővé, vagyis ellenállás nélkül vezeti az áramot. Egy kábel 6300 darab, egyenként 0,006 mm vastag szálból áll. A szálak tízszer vékonyabbak az emberi hajnál! Ha a hajszálnál vékonyabb szálakat képzeletben egymás után kötjük, a magunk után húzott fonallal ötször tehetnénk meg oda-vissza a Nap-Föld távolságot és még némi fonalunk maradna is. A mágnesekben 11 700 amper erősségű áram folyik, ez hozza létre a szupererős mágneses teret.
A mágneseket szuperfolyékony héliummal hűtik 1,8 kelvinre, vagyis –271,4 °C-ra. A távoli világűr ennél melegebb, –270,5 Celsius-fokos (2,7 K)! A mágnesek folyékony hélium fürdőben ülnek. A hűtőrendszerben 40 ezer szivárgásmentes csatlakozás van. A rendszerben 96 tonna hélium van, ennek 60%-a a mágnesekben, 40% pedig az elosztó- és hűtőrendszerben. Az egész LHC gépezetet (36 800 tonna tömeget) több lépésben hűtik le. Az előhűtés során 10 ezer tonna folyékony nitrogénnel 80 kelvint (–193,2 °C) érnek el, ezután a héliumot lehűtik 4,5 kelvinre és a mágneseket feltöltik 60 tonna folyékony héliummal. A mágnesek feltöltése után folytatódik a hűtés, lassan mennek le 1,9 kelvinre.
A részecskéket rádiófrekvenciás térrel gyorsítják. A nyaláb nem folyamatos, hanem ún. csomagokból áll. Normál üzem esetén minden nyaláb 2808 csomagból áll, egy-egy csomagban százmilliárd darab proton van. A keringés során változik a részecskecsomagok mérete, tágulnak és összehúzódnak. Az ütközési ponttól távol néhány cm hosszú és 1 milliméter széles a csomag, az ütközési ponthoz közeledve összenyomják a csomagokat, méretük mintegy 16 mikrométerre csökken, így nagyobb valószínűséggel következik be egy proton-proton ütközés. (Egy emberi hajszál kb. 50 mikrométer vastag.) Az LHC-ban 25 nanoszekundumonként (nano – milliárdod rész), vagyis kb. 7 méterenként követik egymást a részecskecsomagok. A két nyaláb találkozásakor a két találkozó csomagban lévő összesen 200 milliárd proton közül mindössze 20 ütközés megy végbe. A csomagok átlagosan másodpercenként 30 milliószor ütköznek, az LHC-ban tehát mintegy 600 millió ütközés következik be másodpercenként.
A hatalmas berendezések megépítése, a műszaki csúcsteljesítmények megalkotása nem olcsó. A CERN költségvetésében a gyorsítóberendezés költsége 3 milliárd EUR, ehhez járul a kísérleti berendezések és a számítógépes hálózat együtt 1 milliárd eurós költsége. Az összes ráfordítás ennél jóval nagyobb, mert a négy hatalmas mérőrendszer költségeinek csak egyötöde szerepel a CERN költségvetésében, a fennmaradó 80%-ot a kísérletekben részt vevő intézmények finanszírozzák.
(A cikk hosszabb változata az [origo] internetes portálon jelent meg)
Hozzászólások