BENCZE GYÖRGY
A CERN részecskegyorsítói
A 20. század elsõ felében
a fizikai kutatások motorja kétségtelenül Európa
volt, elég végiggondolni az utat az elektron felfedezésétõl
az atommag és annak részei megismeréséig, vagy
a relativitáselmélettõl a kvantummechanikáig.
Ám a történelem megtörte ezt a tradíciót,
és míg Európában az ötvenes évekhez
érve még a radioaktivitáson és a kozmikus sugarakon
alapuló egyszerû berendezések domináltak, Amerikában
már felismerték, hogy egyrészt a továbblépés
már ennél kifinomultabb berendezéseket igényel,
másrészt az alapkutatásba történõ
befektetés a gazdasági és a technológiai fejlõdés
hajtóereje.
Érett a gondolat, hogy a számtalan
nagy tradíciójú egyetem és kutatóhely
ellenére semelyik európai ország sem képes
egymaga felvenni a versenyt. Már 1949-ben a Lausanne-i Európai
Kulturális Konferencián Louis de Broglie felvetette
egy európai tudományos centrum létrehozásának
ötletét. 1950-ben, az UNESCO 5. általános konferenciáján
Firenzében született meg a javaslat egy közös európai
laboratórium felállításáról.
Elsõ lépésként 1951-ben megalakult a Conseil
Européen pour la Recherche Nucléaire (egy lehetséges
átültetése: Európai Atommag-kutatási Tanács),
rövidítve CERN. Ez valóban tanács volt, amely
1953-ban határozta el egy központi laboratórium létrehozását
Genf körzetében. A 12 ország által 1954. szeptember
29-én formálisan is megalapított, ma már 20
tagállamot és 7 megfigyelõi státussal rendelkezõ
országot, illetve szervezetet számláló intézet
hamarosan túllépett az atommag tanulmányozásán,
de a név (mind az atommag, mind a tanács, de legfõképpen
az igen ismertté vált rövidítés) megmaradt.
Mára már a CERN a részecske
(vagy nagyenergiás) fizika elismert fellegvára, amit elsõsorban
a világon valóban egyedülálló, és
nem csak a tagországok számára elérhetõ
gyorsító komplexumnak köszönhet. Ez nemcsak újabb
és újabb energiarekordok felállítását
jelenti, hanem azt a széles nyalábspektrumot is, amit a felhasználók
megtalálnak az elektrontól a hadronokon át a nehézion-
(oxigén, kén vagy ólom) nyalábokig. Természetesen
mindegyik részecskét külön berendezés hozza
létre, de mindegyikük hasonló fokozatokon megy keresztül,
az egyik gyorsítótól a másikra átlépve
és ott tovább gyorsulva. A CERN-ben jelenleg mintegy tíz,
egymáshoz kapcsolódó gyorsító található.
A „mintegy” nem a tízig számolás nehézségére
utal, hanem arra, hogy a CERN, mint élõ intézet állandóan,
változik, és a gyorsítók sem mûködnek
örökké. Így például az 1971-ben indult
és 1984-ben leállított ISR (Intersecting Storage Rings),
a világon elsõként létrehozott proton–proton
ütközés helyszíne, ma az LHC-mágneseknek
és az épülõ LHC-detektoroknak ad otthont. A világ
jelenleg legnagyobb méretû gyorsítója, a LEP
pedig a tervek szerint 2000-ben befejezi mûködését.
(A teljes komplexum 1996-os, a legteljesebb állapotot mutató
vázlati képe a színes borítóoldalon
látható.)
A proton-szinkrotrontól a nagy elektron–pozitron
ütköztetõig
Az 1959-ben átadott és azóta
folyamatos mûködõ Proton Synchrotron (PS) 200 m átmérõjû,
a maximális protonenergia 28 GeV. Természetesen számtalan
átalakításon ment keresztül az indulás
óta, hiszen egyre újabb igényeket kellett kiszolgálnia.
A PS elektront, protont és anti-párjukat, továbbá
nehéziont képes gyorsítani. A részecskék
forrása proton esetében hidrogéngáz, az elektront
fémfelületrõl nyerik, míg a nehézatomokat
a hatvanas évek óta használt (persze nem az akkori
technikájú) ECR (Electron Cyclotron Resonance) forrásokkal
ionizálják.
Az elsõ lépésként
egy lineáris gyorsító (LINAC) következik, külön
mindegyik részecsketípusra, mivel tömegük nagyon
eltérõ, az ólomioné mintegy 400 000-szerese
az elektronénak. Ebben a lépésben az elérhetõ
energia 500 MeV (elektron), 50 MeV (proton) illetve 4,2 MeV/nukleon (ólomion).
A proton és a nehézion ezután egy 1 GeV-es Booster-be
kerül, mielõtt beinjektálódik a PS gyorsítóba.
Az elektronok elõször tárolódnak, és tovább
gyorsulnak az EPA (Electron–Positron Accumulator) gyûrûben.
A pozitronok elektronok nehézfém céltárgyon
való ütköztetésével nyerhetõk, majd
szintén az EPA-ban tárolódnak. Ezután mindegyik
típusú nyaláb a PS-ben gyorsul tovább. Egy
ciklus 2,4 másodperc, majd a nyalábok továbbkerülnek
az SPS (Super Proton Synchrotron), illetve a LEP gyorsítóra,
a protonnyaláb ezenkívül részben az ISOLDE-t
(Isotope Separator On Line) és az East Hall elnevezésû
mérõhely öt mérõnyalábját
szolgálja ki, részben az antiproton elõállításának
forrása.
A Super Proton Synchrotron (SPS) egy 6 km kerületû,
föld alá süllyesztett alagútban helyezkedik el.
Eredetileg proton gyorsítására készült
– ezt a feladatát továbbra is ellátja –, de ma már
elektron–pozitron elõgyorsítóként a LEP-et
is kiszolgálja. Ezenkívül nehéziont is gyorsít,
az ólommal (208Pb) elért 158 GeV/nukleon, azaz
33 TeV teljes energia világrekordnak számít. A mérõhelyekre
kivezetett proton energiája 450 GeV, amely egy berillium céltárgynak
ütköztetve a részecskék széles skálájával
(elektron, pion, kaon, müon, proton) látja el a kísérleteket.
Az SPS történetének legfényesebb
szakasza kétségkívül a nyolcvanas évekhez
kötõdik. A korábban említett ISR proton–proton
ütköztetõn szerzett tapasztalatok alapján döntötte
el a CERN 1978-ban, hogy az SPS-t proton–antiproton ütköztetõként
üzemelteti, így az elérhetõ energia az ISR akkori
62 GeV tömegközponti energiájához képest
majdnem megtízszerezhetõ. Ennek a lépésnek
a fõ motivációja a W- és a Z-részecskék
kísérleti kimutatása volt. A legnagyobb gondot a kellõ
mennyiségû antiproton felhalmozása és egybentartása
jelentette. A probléma megoldása a holland Simon van der
Meer nevéhez fûzõdik és – legalábbis
elvileg – meglepõen egyszerû és elegáns. A pálya
egyik szakaszán elhelyezett monitor érzékeli a nyaláb
állapotát, és egyenes úton a jelet a gyorsító
átellenes pontjára küldi. Mivel a gyorsító
kör alakú, az átmérõ mentén küldött
jel hamarabb ér oda, mint az antiprotonnyaláb, és
így van idõ a mágnesek áramának megfelelõ
korrekciójára. A sztohasztikus hûtésnek (stohastic
cooling) elnevezett, és azóta elterjedten használt
módszer fényesen bevált, lehetõvé téve
1983-ban a W- és Z-részecskék kimutatását
a Carlo Rubbia olasz fizikus vezette UA1-es detektor segítségével.
E felfedezés Rubbiát és van der Meert (és elsõ
ízben fennállása óta a CERN-t) Nobel-díjhoz
juttatta már a következõ évben.
Még 1981-ben, amikor az SPS-en éppen
hogy csak regisztrálták az elsõ proton–antiproton
ütközéseket, a CERN határozatot hozott a következõ,
ezúttal elektron–pozitron gyorsító megépítésérõl.
Ez a határozat azt jelentette, hogy a CERN létrehozza a világ
legnagyobb tudományos létesítményét,
a 27 km átmérõjû LEP (Large Electron-Positron
collider) tárológyûrût, amelyre négy kísérletet
terveztek.
|
|
A gyorsító alagútja |
Nyalábformáló mágnesek |
A munka hét éven át folyt.
Maga a civilmérnöki szakasz is nem mindennapi problémákat
vetett fel. Így a próbafúrások során
derült ki, hogy ha mind a négy kísérletet és
az alagút minél nagyobb részét szilárd
sziklaalapra kívánják helyezni, nem túllépve
a 150 méteres maximális mélységet, akkor a
gyorsító síkját mintegy 1,4%-kal meg kell dönteni.
Problémát okoztak a vízbetörések is, fõként
a Jura-hegység alatt húzódó 3,5 km-es szakaszon.
Más természetû kihívást jelentett a mágnesek
megtervezése és beépítése. A 27 km-es,
a svájci–francia határt hatszor átszelõ gyûrû
mintegy háromnegyedét 4600 mágnes tölti ki, biztosítva
a nyalábok körpályán tartását,
fókuszálását és ütköztetését.
A beépítés pontosságára jellemzõ,
hogy az utólagos mérések szerint a kerület a
névleges értéktõl mindössze 8 mm-rel tér
el. Maga a nyaláb egy vákuumcsõben mozog, a statikus
nyomás 8·10–12 torr (üzem közben két
nagyságrenddel magasabb a körpálya miatti szinkrotron
sugárzás hatására a vákuumcsõ
belsõ falából kilépõ gáz miatt).
A LEP az utolsó az öt gyorsítóból
álló sorban. A LEP-injektor (LIL) elsõ lépésben
200 MeV-es elektront küld egy céltárgyra, az így
keletkezõ pozitronok és az elektronok egy második
lépésben 600 MeV-re gyorsulnak. Ezt követi a 600 MeV-es
akkumulátor, az EPA. A PS 3,5 GeV-re gyorsítja az elektronokat
és a pozitronokat, majd az SPS következik, az energia 20 GeV.
Mindezt természetesen össze kellett hangolni a PS és
az SPS saját protonprogramjával, így azokat alkalmassá
tették multiciklusú üzemmódra: egy protonciklust
négy elektron–pozitron-ciklus követ. Így a gyorsítók
egymást nem zavarva, párhuzamosan tudnak mûködni.
A négy LEP-kísérlet, az L3,
ALEPH, OPAL és DELPHI a gyûrû négy szimmetrikus
pontján helyezkedik el. A kis (bár egyenként 1011
részecskét tartalmazó) kötegek a kísérletek
középpontjában találkoznak. A nagy részecskeszám
ellenére az elektron–pozitron ütközés csak átlagban
minden 40 000. találkozáskor következik csak be. A kötegek
ezért órákon keresztül a gyûrûben
keringenek, másodpercenként több mint 100 000 fordulatot
megtéve.
A LEP az 1989-es indulás után hat
éven keresztül a Z0-részecske keletkezési
energiájára (45 GeV nyalábonként) volt beállítva.
1996-tól az energia csaknem megduplázásával
a LEP a W+- és W–-részecskék
elõállítására állt rá.
1999-ben a LEP rekordot döntött, elérte a 101 GeV nyalábonkénti
energiát.
Egy ekkora és ennyire egyedi berendezés,
mint a LEP, még a sok gyorsítót látott tervezõket
is meg tudja lepni. Az indulás után hamarosan kiderült,
hogy a hatalmas méretû létesítmény hihetetlenül
érzékeny. Már az elsõ idõben az energia
finom, de rendszeres változására figyeltek fel. Idõbe
telt, mire kiderült a bajok forrása, a Hold! Az árapályjelenség
nem csak a vízben játszódik le, de a szárazföldön
is. Ennek olyan csekély a mértéke, hogy nem is számolunk
vele. Nos, a LEP megérezte. Megérzi azt is, ha a közeli
Leman-tóban megnövekszik a vízszint és ezzel
a földre nehezedõ nyomás. Ezek után nem csoda,
hogy a LEP jelzi, ha valahol a távolban szeizmikus események
történnek. És még mindig maradt meglepetés.
Sokáig megmagyarázhatatlannak tûnõ, a mágneseknél
tapasztalható finom eltérés kapott magyarázatot,
amikor egy jó érzékû vagy szerencsés
kutató rájött, hogy az eltérések idõpontja
kísértetiesen egybeesik a Genf és Párizs között
közlekedõ szupergyors vonat, a TGV menetrendjével. A
vonat okozta minimális hálózati ingadozásra
reagált a LEP.
A nagy hadronütköztetõ
A LEP mûködése során
rendkívül precíz információt szolgáltatott
a Standard Modellel kapcsolatban. De természetesen már a
LEP indulása elõtt komoly diszkusszió tárgya
volt, hogy mi legyen a következõ lépés, hiszen
magasabb energiákon nagy valószínûséggel
válasz kapható azokra a kérdésekre, amelyekre
a LEP nem szolgáltatott adatot, ezek közül kétségtelenül
a legfontosabb annak a mechanizmusnak a feltárása, amely
az anyag tömegét adja.
1994 decemberében a CERN hivatalosan is
jóváhagyta az LHC (Large Hadron Collider: nagy hadronütköztetõ)
megépítésének tervét. A CERN most is
követte azt a pozitív hagyományt, hogy fel kell használni,
ami már megvan. Így az LHC a LEP-alagútba kerül
és a meglévõ gyorsítókomplexum fogja
kiszolgálni. A gyorsító protont protonnal ütköztet
majd 7-7 TeV nyalábonkénti energiával. Az LHC alkalmas
lesz nehézionok gyorsítására is, ólom
esetén a tervezett ütközési energia 1250 TeV.
Már láttuk, hogy a LEP is nehéz
technikai feladatok elé állította a tervezõket.
Az LHC ebbõl a szempontból sokszoros kihívást
jelent.
Az ütközési energia az LHC-nél
egy jó nagyságrenddel nagyobb, mint a LEP-ben. Mivel a de
Broglie-hullámhossz az energiával fordítottan arányos,
az ütközési hatáskeresztmetszet (a várható
ütközések száma) négyzetesen csökken
az energia növekedésével, a kísérletek
hatásfoka csak úgy tartható meg, ha a részecskeszám
ilyen arányban növekszik. Így a tervezett maximális
luminozitás 1034 cm–2s–1, a LEP
luminozitásának százszorosa. Ennek az elérésére
a két protongyûrû mindegyikét 2835 protonköteggel
töltik fel, mindegyik köteg 1011 protont tartalmaz
majd (ez másképpen kifejezve 0,56 Amper nyalábáramot
jelent).
A két nyaláb szembetalálkozásakor
csak a részecskék nagyon kis hányada ütközik.
A többiek viszont a szembejövõ nyaláb elektromágneses
terének hatására elhajlanak. Ez a hatás a nagyszámú
találkozás folyamán felhalmozódhat, ami nyalábvesztéshez
vezethet. Ez a korábban is ismert jelenség felsõ korlátot
szab a kötegben található részecskesûrûségnek.
Az LHC ennek a határán fog dolgozni, hogy elérje a
szükséges luminozitást.
A 27 km-es nyalábcsõben a fénysebesség
közelében haladó protonköteg elektromágneses
tere hatással van a következõ kötegre. Így
a pozicionálási vagy energiaeltérések továbbadódnak,
és ugyancsak nyalábvesztéshez vezethetnek. Ez a kollektív
jelenség az LHC nyalábáramánál már
veszélyes méretet ölthet. Bonyolult vezérlõrendszer
szükséges ennek a jelenségnek a kiküszöbölésére.
A nyaláb – mint a LEP-nél – hosszú
ideig kell, hogy fennmaradjon, ez az LHC-nél nagyjából
tíz órát jelent. Ennyi idõ alatt a részecske
400 millió fordulatot tesz meg. Mindez idõ alatt a nyalábnak
stabilnak kell maradnia. Ez nem könnyû, mivel bizonyos kaotikus
jelenségekkel mindig számolni kell. Erre a viselkedésre
nincs megfelelõ elmélet, így szimuláció
segítségével lehet megválasztani a megfelelõ
paramétereket, mint például a mágnesek apertúráját.
Protongyorsító esetén a szinkrotronsugárzás
(az adott görbületi sugár és energia esetén)
lényegesen kisebb, mint elektronok esetén, de a disszipálódó
hõ – mintegy 3,7 kW – nem elhanyagolható terhet jelent a
hõelvezetés szempontjából, mivel ez a szupravezetési
hõmérsékleten levõ nyalábcsövet
terheli. Már a LEP-nél is láttuk, hogy a nyalábcsõ
falából kilépõ gáz lerontja a vákuumot.
LHC-körülmények között várható,
hogy a nyalábcsõ belsõ falából a szinkrotronsugárzás
(kemény ultraibolya-fotonok) hatására kilépõ
elektronok a protonkötegek terével kölcsönhatva instabilitást
okozhatnak.
Az LHC tulajdonképpen két, egymás
mellett haladó (és a kísérleteknél ütköztetett)
szinkrotronból áll. Mindkettõt az SPS tölti fel
0,45 TeV energiájú protonokkal. A két mágneses
csatorna gyorsítja fel a protonokat 7 TeV energiára, majd
órákon keresztül tárolja és ütközteti
a kötegeket, amíg a nyaláb további használatra
alkalmatlanná válik és a gyorsítót ki
kell üríteni és újból feltölteni.
A 7 TeV energiájú protonok 27 km-es
körpályán való tartása rendkívül
erõs mágnesekkel (a tervezett érték 8,33 tesla)
lehetséges csak, ami szükségessé teszi szupravezetõ
mágnesek alkalmazását. A két csatorna ugyanabban
a kriosztátban helyezkedik majd el, ami jelentõs (25%-os)
ármegtakarítást tesz lehetõvé. A nagy
mágneses tér eléréséhez a mágnestekercseket
1,9 K hõmérsékletre kell lehûteni, ami még
a szupravezetõ technikában is szokatlanul alacsony. További
konstrukciós nehézséget okoz, hogy az így elért
nagy áram (több, mint 10 000 A) nagy erõhatást
(több száz tonna!) gyakorol a konstrukcióra, amit annak
el kell viselnie. A szupravezetõ mágneseknél elõforduló
jelenség, hogy a nem kívánt lokális hõ
hatására visszaáll a normálvezetõ-állapot.
Megfelelõ összeszerelési technológiával
kell biztosítani, hogy ez minél ritkábban következzen
be, hiszen az LHC-ben található 5000 mágnes bármelyikének
a leállása órákig tartó üzemképtelenséget
okozna. Várható, hogy ennek a problémának a
megoldása jelentõségében túlnõ
a CERN falain és szerepe lehet például elektromos
energia nagy távolságú szállításában.
Természetesen az LHC-nél is várhatóak
a LEP-nél tapasztalt Hold, Leman-tó és hasonló
effektusok, sõt várható, hogy ezek hatása nagyobb
lesz, mivel a proton nagyobb tömege révén jobban „emlékszik”
bármilyen zavarra. További különbség, hogy
a LEP-nél közös nyalábcsõ van, míg
az LHC esetében a két nyaláb külön van választva,
így a hatások még egymáshoz képest is
különbözõk lehetnek. A megoldást megfelelõen
kiépített monitor- és szabályozórendszer
biztosíthatja.
A fenti, ízelítõül tálalt
mûszaki jellegû kihívás ellenére a tervek
szerint az LHC 2005-re elkészül. Fõbb paramétereit
az 1. táblázat foglalja össze.
1. táblázat. Az LHC fõbb
paraméterei
Energia |
7 TeV |
Proton/köteg |
1,1·1011 |
Kötegszám |
2835 |
Kötegek távolsága |
7,48 m |
Kötegek követési ideje |
24,95 ns |
Luminozitás |
1·1034 |
Nyalábélettartam |
10 h |
Teljes részecskeszám |
3,12·1014 |
Nyalábméret ütközésnél |
16 mikrométer |
Dipólus mágnes áram |
kb. 12 000 A |
Dipólus tér (7 TeV-nél) |
8,33 tesla |
Az LHC-re telepítendõ négy
kísérlet, az általános célú ATLAS
(A Toroidal LHC ApparatuS) és CMS (Compact Muon Solenoid), a nehézionra
„szakosodott” ALICE (A Large Ion Collider Experiment) és a CP sértés
mérését célul kitûzõ LHCb (Large
Hadron Collider Beauty experiment) tervezésekor az elméletileg
már megjósolt vagy feltételezett jelenségek
vizsgálatára lettek méretezve. De mindenki nyitott
bármilyen meglepetésre!
Energiaerõsítõ, a jövõ
ígérete
A fentiekbõl talán úgy tûnhet,
hogy a gyorsítók sorsa annyi, hogy egy adott idõszakban
kiszolgálják a kutatásokat, majd vagy elõgyorsítóként
élnek tovább, vagy bevonulnak a tudománytörténelettel
foglalkozó irodalomba. Ebben van igazság: bár a már
meghódított energiákon is van még kutatnivaló,
egy gyorsító fenntartásának költségei
határt szabnak a lehetõségeknek.
Vannak azonban olyan területek, ahol nem
a közvetlen alapkutatás a cél. Így például
az SPS jelenlegi programjának több mint a felében az
LHC-re telepítendõ detektorok egyes elemeinek kipróbálása,
tesztelése folyik. Az is természetes, hogy egy olyan unikális
eszköz, mint egy gyorsító, helyet kér a részecskefizikán
kívüli területeken is. Eléggé közismert
a gyorsítók alkalmazása az orvostudományban,
elsõsorban a daganatterápiában (a CERN ehhez fõként
gyorsítós tapasztalatainak megosztásával járul
hozzá különbözõ közös programok
keretein belül). Érdemes azonban – mintegy a CERN-beli gyorsítók
körüli utazás lezárásaként – megemlíteni
egy olyan alkalmazási lehetõséget, amely nem ennyire
közismert, de jelentõsége nem becsülhetõ
túl, és ami megint csak rámutat arra, hogy napjaink
sok problémájának megoldásához az alapkutatásokon
keresztül vezet az út.
Ha van „korunknak problémája”, akkor
az energia az. Hagyományos forrásaink korlátozottak.
A nukleáris energia körüli gondok alapvetõen két
probléma köré csoportosulnak: a hosszú élettertamú
veszélyes nukleáris hulladék kezelése és
az esetleges nukleáris katasztrófák. A CERN-ben 1993-ban
született meg az energiaerõsítõ (Energy Amplifier)
Rubbia és munkatársai által kidolgozott koncepciója,
amely a gyorsító és a nukleáris reaktor összeházasítása.
A javaslat szerint az üzemanyag tórium, amit gyorsítóban
elõállított neutronnal bombáznak. A neutron
elõállításához valamennyi energiára
szükség van, de ennél több keletkezik a tórium
hasadásakor: innen az energiaerõsítõ elnevezés.
A hasadáskor termelõdõ neutronok száma nem
elég egy láncreakció fenntartásához,
így az erõmû nem „szaladhat meg”, ha bármilyen
baj van (akár földrengés), a legrosszabb, ami történhet,
hogy az erõmû leáll. A folyamat során sokkal
kevesebb és sokkal kevésbé veszélyes hulladék
keletkezik, így a módszer környezetvédelmi szempontból
is rendkívül ígéretes. A javasolt eljárás
perspektivikusan alkalmas lehet a hagyományos reaktorokban keletkezett
hulladék megsemmisítésére is. Ismeretes, hogy
a világ több kutatólaboratóriumában is
folynak ilyen irányú vizsgálatok. Lehet, hogy a megoldást
itt is a „nem szakirányú” CERN fogja nyújtani?
Ennek, a CERN alapfeladatától eltérõ
kutatásnak egy bizonyos szint után ki kell kerülnie
az intézetbõl, hogy szélesebb európai, sõt
világegyüttmûködésben folyjon tovább.
De az ötlet nem jöhetett volna létre a CERN-ben felhalmozódott
tapasztalat nélkül.
***
Cikkünkben igyekeztünk a részecskefizikai
kutatások fõ kísérleti eszközeit, a gyorsítókat
a szakma vezetõ helyének tekintett CERN berendezésein
keresztül közelebbrõl megismertetni. Mindez az eszköztár
(és a CERN összes szolgáltatása) Magyarország
1992 júliusi belépése óta a hazai kutatóknak
is teljes körben a rendelkezésére áll. A CERN-nel
(és azon belül a gyorsítókkal) tengernyi irodalom
foglalkozik. Az ismerkedés kiindulópontjaként a korszellemnek
megfelelõen a http://www.cern.ch
azaz a CERN honlapja javasolható.
|