A Nagy Hadronütköztető

6.4 milliárd eurónyi tudomány!

Nagy Hadronütköztető:

A nagy hadronütköztető gyűrű (angolul Large Hadron Collider ring, LHC)
a CERN 2008-ban átadott részecskegyorsítója és ütköztetőgyűrűje, amely
a 2000-ben leállított LEP (A nagy elektron–pozitron ütköztetőgyűrű) 27
km kerületű alagútját használja fel. Több előgyorsító fokozat után
ebben a gyorsítóban fognak végleges 7 TeV‑es energiájukra gyorsulni a
protonok (illetve időszakonként ólomionok) mindkét körüljárási
irányban. Ezután a protonnyalábok több órán keresztül keringenek majd
egymással szemben, és a gyorsító kerületén található detektorok
közepén az egymással szemben keringő protonnyalábok pályáját úgy
módosítják majd, hogy ott proton–proton ütközések fognak történni. A
sikeres nyalábtesztek után.[1][2] 2008 szeptember 10-én kezdte meg a
működését[3] Az ütköző részecskék energiáját az elindítás után
fokozatosan növelik, s amikor eléri a végleges, 7 TeV energiát, ez
lesz a legnagyobb energiájú gyorsító.

Működése során nagyjából 80 állam 7000 fizikusa fog hozzáférni az
LHC-hez. A fizikusok azt remélik, hogy közelebb jutnak a következő
kérdések megválaszolásához az LHC kísérleteivel:

Sérül-e a népszerű Higgs-bozon elmélet, amely magyarázattal szolgálhat
az elemi részecskék tömegére? Ha nem, hányféle Higgs-bozon van, és
mekkorák a tömegeik?
Továbbra is összhangban lesz a barionok még pontosabban mért tömege a
részecskefizika standard modelljével?
Léteznek-e a jelenleg ismert részecskéknek szuperszimmetrikus („SUSY”)
partnerei?
Miért van több anyag, mint antianyag?
Léteznek-e extra dimenziók, ahogy a húrelmélet ihlette modellek
jósolják, és „látjuk”-e őket?
Milyen természetű az az anyag, amely a világegyetem tömegének 96%‑át
alkotja, és a jelenlegi csillagászati megfigyelések számára
elérhetetlenek (sötét anyag, sötét energia)?
A gravitáció miért gyengébb nagyságrendekkel, mint a másik három
alapvető kölcsönhatás?

A gyorsító egy 27 km kerületű kör alakú föld alatti alagútban
helyezkedik el, a felület domborzati viszonyaitól függően 50-150 méter
mélyen.[4] A korábbi nagy elektron–pozitron ütköztetőgyűrű (LEP)
alagútját hasznosítja újra. A 3 méter átmérőjű alagút négy helyen
keresztezi a svájci–francia határt; hosszának legnagyobb része francia
területen fekszik. Az ütköztető maga ugyan a föld alatt helyezedik el
– mivel így csökkenthetők a területbérleti díjak és a mérést zavaró
kozmikus sugárzás –, több felszíni épület is van, amelyek olyan
kiegészítő berendezéseket tartalmaznak, mint a kompresszorok, a
ventillátorok, a vezérlő elektronika és a hűtőtelep.

Főbb jellemzői:

A gyorsító egy szinkrotron, mely kör alakú pályán gyorsítja fel a
részecskéket a fénysebesség közelébe. A részecskék a kerület mentén
több csomagban keringenek, a gyorsító ezeket a részecskecsomagokat
több óráig keringeti mindkét irányban két olyan csőben, amelyben nagy
vákuum van. Az ilyen gyorsítót – amelyben hosszú ideig keringenek a
részecskék – nevezzük tárológyűrűnek (storage ring). A gyorsító
kerületén négy nagy detektor található, azok középpontjában a
részecskenyalábok pályáját keresztezik, lehetővé téve a részecskék
ütközését. Kétféle ütközést hoznak létre: egyikben protont ütköztetnek
protonnal, protononként 7 TeV energiával (azaz az ütközés során 14 TeV
energia szabadul fel), másikban ólomatommagot ólomatommaggal 1312 TeV
energiával. A felgyorsított protonoknak akkora mozgási energiájuk
lesz, mint egy repülő szúnyogé, csak sokkalta kisebb tömegen. A teljes
kerület mentén – folytonos nyaláb helyett – 2835 protoncsomag fog
keringeni mindkét irányban, egyenként nagyjából 1011 darab protonnal,
és teljes üzemben 25 ns-onként fogják egymást keresztezni a nyalábok:
ilyenkor várható ütközés.

Az LHC egyedülálló mérnöki kihívást jelentett egyedülálló biztonsági
előírásokkal. Üzemelése alatt a mágnesekben tárolt összes energia 10
GJ, a nyalábok összenergiája pedig 725 MJ. A nyalábenergia
jellemzésére álljon itt két adat. Ha nyalábnak csak egy egész kicsi
része a falnak ütközne, akkor megszűnne a szupravezetés a mágnesekben,
tehát a nyalábvezető mágnesek szabályozásának nagyon fontos szerepe
van. Amikor pedig pár órai keringés után a nyalábot kivezetik a
gyorsítóból, annak energiája egész jelentős robbanással ér fel.

A proton energiájának és sebességének összefüggése.[5] A táblázatban
jól látható, hogy a feszültséglökések hatására elsősorban az energia
növekszik, a sebesség GeV felett már alig, fénysebességhez közelít.

A részecskegyorsító kerületén 4 nagy részecskedetektor helyezkedik el.
Két nagyobb általános célú detektor a CMS és az ATLAS. A másik kettő,
az LHCb és az ALICE kisebb és speciálisabb feladatot lát el.
Magyarország legnagyobb létszámmal a CMS kísérletben vesz részt, de az
ALICE-ban, az ATLAS-ban valamint az LHCb-ben is vesznek részt
magyarok. (A magyar részvételről egyelőre a CERN szócikkben
olvashatunk. A magyar Wikipédiában a legrészletesebb leírás az
ATLAS-kísérletről, több hasznos ábra a CMS szócikkben található.)

Az LHC használatának ellenzői azzal érvelnek, hogy bizonyos elméletek
szerint a meginduló kísérletek során kisméretű fekete lyuk
keletkezhet, amely azután elnyeli az egész Földet. A bizonytalanság
világméretű félelmet keltett (Indiában például egy időben
százszorosára nőtt a templomok látogatóinak száma).[7] Az Emberi Jogok
Európai Bírósága nem állíttatta le az LHC-t, mert fenntartotta a
lehetőséget a veszélytelenség bizonyítására. A részecskefizikusok
többsége szerint azonban csak olyan kicsi fekete lyukak jönnek majd
létre, amelyek azonnal „elpárolognak”.

2008. szeptember 15-én kiderült, hogy a berendezés számítástechnikai
rendszere kívülről feltörhető, ezért a működését leállították

2008. szeptember 18-án a hűtőrendszer meghibásodott és emiatt
leállították az LHC-t.[9] Egy 30 tonnás elem kicserélése után másnap
újraindították a 6,4 milliárd euróba került berendezést,[10] de az egy
nap alatt újra meghibásodott, és ezért két hónapra ismét
leállították.[11] Majd az újraindítást 2009 márciusára várták, majd
2009 júliusára

A világ legerősebb ütköztetője végül is működésbe kezdett.[16] Az
ütköztető 2009 utolsó hónapjaiban nagy lépésekkel haladt előre.[17] Az
első sugárnyaláb november 20.-án járta körül az ütköztető teljes
pályáját, előbb lassan, de gyorsan felgyorsult, délután 13:03-ra már
100 000 fordulatot tett meg, 13:07-kor 10 millió fordulatot. A
második, ellenirányú sugárnyaláb 14:12-kor indult és 14:52-re érte el
első fordulatát, de 15:27-re már 100 000 fordulatot tett meg. Az első
ütköztetést 23.-án dél felé figyelték meg a négy detektorban. November
24.-én 540 GeV energiára, majd 29.-én rekord 1180 GeV energiára
gyorsították fel a részecskenyalábok protonjait. November 30.-ára
mindkét protonnyaláb protonjai elérték az 1,18 TeV energiát, december
14.-èn pedig 2,36 TeV energiával 50 000 ütköztetést figyeltek meg.[18]