MTA Wigner
Fizikai Kutatóközpont

CERN

ALICE együttműködés

A CERN LHC és az ALICE

A világegyetem elképesztõen színes, s hatalmas. A csillagokat nézve egy pillanatra mi is érzékelhetjük ezeket a monumentális méreteket, még ha csak töredékét látjuk is szemünkkel. E térben a legkülönbözõbb jelenségek miriádjai zajlanak minden egyes idõpillanatban. Az anyagot felépítõ legapróbb részecskék jelentik ugyanakkor a méretskála másik végletét, s világunk bámulatos precizitását mutatják. Nem véletlen, hogy évezredek óta vágyunk az elemi részecskék megismerésére. Most, ezekben az években közelebb állunk hozzájuk, mint a történelemben eddig bármikor. Részecskegyorsítókat építettünk, hogy megvizsgálhassuk természetüket, s fény derüljön a mikrovilág titokzatos törvényeire. Kutatók ezrei igyekeznek megérteni a tapasztalt jelenségeket, hogy az elméletek alapján azután újabb eseményeket jósolhassanak meg.

A részecskefizikai kutatások azonban túlmutatnak a mikrovilág törvényszerûségeinek feltérképezésén. Segítségükkel olyan kérdésekre adhatunk válaszokat, melyek például az Univerzum legelsõ pillanatainak történéseire, vagy az anyag tömegének eredetére, esetleg a sötét anyag és energia mibenlétére vonatkoznak. A nagyenergiás fizika eredményei alapjaiban változtathatják meg világképünket az elkövetkezendõ évtizedekben, s általuk olyan tapasztalati tudáshoz juthatunk, melynek felhasználási lehetõségeit ma még nem is sejthetjük. Azt azonban teljes bizonyossággal mondhatjuk, hogy a tudomány és a társadalom nem túl távoli jövõjét ezek a kutatások alapozzák meg, mindenképp érdemes tehát figyelemmel követnünk az itt zajló események alakulását.

Az itt következõ írások ebbe a bonyolult, de csodálatos világba nyújtanak rövid betekintést, a teljesség igénye nélkül. Elsõ cikkünk a részecskefizikai kísérletek európai központját mutatja be, majd rátérünk csoportunk kutatási területének, a nagyenergiás nehézionfizika alapvetõ elképzeléseinek vázolására. Ezután a kísérleti tényeket szolgáltató ALICE detektort mutatjuk be. Végezetül a magyar csoport munkáját, s az egyes területek mögött meghúzódó fizikai alapgondolatokat tekintjük át.

Miért kellenek a gyorsítók?

Az anyag belsõ szerkezetének megismeréséhez szét kell bontanunk az anyagot építõelemeire. A mai felfogásunk szerint ezen építõkövek a fermionok, a feles spinû részecskék, melyek közötti kölcsönhatást a bozonok, az egész spinû részecskék közvetítik. Az anyag szétszedésének legkézenfekvõbb módja, hogy akkora energiát közlünk vele, aminek a benne kötött állapotú fermionok már nem tudnak ellenállni, és kiszabadulva szabad részecskévé válnak. Az egyik legegyszerûbb eljárás, hogy a mozgási energiát alakítjuk át belsõ energiává, például úgy, hogy az anyagdarabot felgyorsítjuk, majd hirtelen megállítva, a mozgási energiát belsõ energiává konvertáljuk. Iskolai kísérlet, hogy egy jégtömböt kellõen sokáig kalapálva vagy földhöz csapkodva fel tudjuk olvasztani. Hasonló dolog történik nagyban a nagyenergiás részecskegyorsítók esetében is. Sokaknak meglepõ, de a háztartások egy részében van részecskegyorsító! Ilyen például a régi típusú katódsugárcsöves televízió vagy monitor. Ezekben elektronokat keltünk, majd elektromágneses térrel felgyorsítjuk õket 20.000 - 30.000 keV (keV = kilo elektronvolt) mozgási energiájúvá. Az elektronok nekicsapódnak a képernyõnek, ahol mozgási energiájukat látható fénnyé alakítjuk. A részecskegyorsítókban szintén valamilyen részecskéket gyorsítunk, ami például lehet elektron, proton vagy atommag (pl. deutérium, kén, oxigén, arany, ólom, indium). A gyorsítás során az elektromos térrel gyorsítjuk, a mágneses térrel pedig irányítjuk (körpályára kényszerítjük) a töltött részecskéket. A gyorsítással a részecskék a fénysebességhez közeli (ám annál mindig kisebb) sebességre gyorsulnak. A felgyorsított részecskéket a laboratóriumban rögzített fix céltárgy atommagjainak, vagy az ellentétes irányba haladó részecskenyalábnak ütköztetjük. Az ütközõ részecskék vagy atommagok azután további részecskéket keltenek, amelyeket a detektorokkal mérhetünk meg.

Az LHC gyorsító

A CERN a világ legnagyobb részecskefizikai kutatóintézete, és az ilyen irányú kutatások európai központja. A rövidítés a francia Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (Nukleáris Kutatások Európai Tanácsa) elnevezésbõl ered. Az intézet mai hivatalos neve European Organization for Nuclear Research (Európai Nukleáris Kutatási Szervezet). A CERN a francia-svájci határon helyezkedik el, Genf közelében. 12 ország alapította 1954-ben, azzal a céllal, hogy egy közös európai részecskefizikai laboratórium jöhessen létre. A mára húsz tagországot magába foglaló intézetben többezer állandó alkalmazott biztosítja a monumentális berendezések mûködését, s jelenleg mintegy tízezer kutató dolgozik CERN-beli tudományos projekteken. Magyarország 1992 óta tagja a CERN-nek. A Large Hadron Collider (röviden LHC, magyarul Nagy Hadronütköztetõ) a CERN legújabb, és egyben a világ legnagyobb részecskegyorsítója. E hatalmas gyorsító segítségével képesek vagyunk a legapróbb ismert részecskék, valamint a közöttük ható erõk széleskörû vizsgálatára. A gyorsító 27 km hosszú körgyûrûjében részecskéket, ún. "hadronokat" gyorsítanak fel közel fénysebességre, hogy azután összeütköztessék õket. A nagyenergiás ütközések során bekövetkezõ jelenségeket rendkívül precíz detektorrendszerek érzékelik és rögzítik, melyet késõbb a kutatócsoportok analizálnak. Az itt zajló kutatások a természet egészen új arcát tárhatják elénk, alapvetõen befolyásolva az emberiség szemléletét, és a világegyetemrõl alkotott képünket. Soron következõ cikkünkben a nagyenergiás részecskefizikai ütközések fizikai hátterét tekintjük át, s megpróbálunk választ adni a sokszor elhangzó kérdésre: miért van szükségünk ezekre a módfelett bonyolult és drága szerkezetekre?
Az LHC gyorsító aktuális státusza.

Az ALICE kísérlet

Az ALICE kísérlet az LHC egyetlen elsődlegesen nehézion-ütközésekre optimalizált detektorrendszere. Célunk az erősen kölcsönható anyag fizikájának tanulmányozása a lehető legnagyobb energiasűrűségek mellett. Az ALICE alrendszerei szinte a teljes térszöget lefedik, a részecskéket igen széles impulzustartományban képesek azonosítani.
ALICE detektor