Átlőni a tű fokán

Jó három évvel ezelőtt állították le a világ legnagyobb kutatóberendezését, az Európai Nukleáris Kutatási Szervezet (CERN) Nagy Hadronütköztetőjét. A részecskegyorsítót két éven át akarták karbantartani, továbbfejleszteni, de a terveket átírta a koronavírus-járvány. Nem a protonok és az ólomatomok voltak veszélyben, hanem a kezelőszemélyzetet óvták a fertőzéstől. A járvány tűnőben, pár napon belül kezdődik a gigantikus rendszer felélesztése.

2022.02.24. Svájc, Genf,i CERN kutatóközpont Barnaföldi Gergely Gábor kutató Magyar Nemzet Éberling András Fotó: Éberling András

Húsz éve jártam a kutatóközpontban. Most alig találtam ismerős helyet. Barnaföldi Gergely Gábor, a Wigner Fizikai Kutatóközpont csoportvezető fizikusa megnyugtat, ő gyakorta jár ki, mégis elcsodálkozik a változásokon. Ahol pár éve mezőgazdasági területek voltak, ott most lakóparkok terpeszkednek, kisebb-nagyobb vállalkozások sora települt a határ francia oldalára. Azért oda, mert ott érezhetően minden olcsóbb, mint a csillogó-villogó svájci városban. A Dolgozz Genfben, lakj és élj Franciaországban! szlogent nagyon sokan betartják.

 

Fogadás száz dollárban

A fellendülés egyértelmű oka az LHC (Large Hadron Collider, Nagy Hadronütköztető), a különleges részecskegyorsító, amelynek a története 1954-ben kezdődött. Az európai országok az amerikai nemzeti laboratóriumok mintájára közös kutatóközpontot akartak létrehozni kimondottan alapkutatási céllal, mindenféle hadi célú felhasználás nélkül. A CERN 1954-ben 12 ország összefogásával jött létre, három évvel később már üzembe helyezték az első protonokat gyorsító eszközt. Ez jelenleg a világ legnagyobb részecskefizikai alapkutatásra szakosodott intézménye, jelentősége azonban messze túlnő a részecskefizikán. Egy példa: Georges Charpak francia fizikus 1968-ban Genfben építette meg azt a részecskedetektort, amelyért 1992-ben Nobel-díjat kapott.

Az Alpok és a Jura között található a svájci kutatóhely.Fotó: Éberling András

A CERN máig legnagyobb jelentőségű (mellék)terméke a „világháló”. 1993. április 30-án jelentették itt be, hogy a világháló mindenki számára szabadon hozzáférhető és ingyenes. Tim Berners-Lee brit tudós eredetileg a CERN kutatói közötti adat, hír és dokumentáció megosztására fejlesztette ki. Megalkotása – a feltaláló szerint – a kétségbeesés műve volt, mert nélküle Európa legnagyobb kutatóközpontjában nehéz volt dolgozni.

Az LHC tervezése 1985-ben indult, és 23 év alatt épült fel. 2008. szeptember 10-én futott végig az első protonnyaláb. A tízmilliárd euróból épített gyorsítónak és detektorainak egyik fő célja a Higgs-bozon megtalálása, vagy – rosszabb esetben – létezésének teljes kizárása volt. 2012-ben – fél évszázaddal a részecske létének feltételezése után – sikerült bizonyítani az „isteni­ ­részecskének” is nevezett bozon létezését. A világhírű brit elméleti fizikus, Stephen Hawking száz dollárban fogadott Gordon Kane amerikai elméleti fizikussal, hogy megtalálják-e valaha a Higgs-bozont. Hawking szerint erre nincs esély. „Úgy látszik, vesztettem száz dollárt” – reagált a 2012-es bejelentésre Hawking. A Higgs-bozon felfedezését követő évben Francois Englert és Peter Higgs megkapta a fizikai Nobel-díjat.

A 27 kilométer hosszú alagút közepén fut a két nyalábcső. Megér egy szelfit.Fotó: Éberling András

Az LHC protont és nehéz ionokat gyorsít, de emellett létezik antiprotonprogramja is. (Ebben az antivilágban az antielektron pozitív, az antiproton ellenben negatív töltésű.) Az első antihidrogént is a CERN-ben állították elő. Idén januárban jelentették az ott dolgozó fizikusok, hogy az antianyag lefelé esik, ami bár nyilvánvalónak hangzik, a tudósok azonban eddig még nem tudták megerősíteni, hogy pontosan ugyanúgy reagál-e a gravitációra, mint a hagyományos anyag. Tavaly májusban pedig arról érkezett hír, hogy négy újabb részecskét fedeztek fel. Így 2009 óta 59-féle részecskét találtak.

Ami pezsgőt ért

A szenzációs tudományos eredmények különös lenyomatai a központi irányítóban találhatók. A rengeteg monitorral telepakolt hatalmas terem polcain üres pezsgősüvegek sorakoznak. – Egy-egy palack egy-egy siker elismerése – nevet Tobias Persson, a CERN gyorsítóközpont munkatársa, aki szerint az első sikeres ütközés, majd a legnagyobb energiájú ütközés és a Higgs-bozon felfedezése egyaránt pezsgőt ért.

A föld alatt nyolcvan-kilencven méterre található, 27 kilométeres kör alakú gyorsító kisebb része Svájc, nagyobb része Franciaország alatt húzódik. Nagyjából három méter átmérőjű, kör alakú alagutat képzeljünk el, amelynek a közepén fut a sokszorosan beburkolt két nyalábcső. Ezekben robognak közel fénysebességgel azok a protonok és a nehézatommagok, amelyek a négy észlelőrendszer, azaz detektor középpontjában ütköznek. A nyalábcsőben lévő vá­kuum ritkább, mint a bolygóközi gáz a Naprendszerben. Egy proton nyolc-tíz órát kering benne anélkül, hogy bármilyen kóbor atommal ütközne. Ez olyan, mintha a proton elszáguldana a Szaturnuszig és vissza, miközben nem találkozik más részecskével.

A négy detektor egyike a CMS (Compact Muon Solenoid). A CERN-ben dolgozó mintegy 15 ezer szakemberből 5500 kötődik ehhez az eszközhöz. Ebből negyven magyar. A mérőhely bejáratánál Szillási Zoltán és Béni Noémi fogad.

Gyorsítóközpont. Minden palack egy-egy siker elismerésének emléke.Fotó: Éberling András

A debreceni Atomki fizikusai 13 éve élnek Genfben. A 14,5 ezer tonnás detektor a párizsi Eiffel-torony tömegének a kétszerese. (A mérőhely kialakításakor római villa romjait találták, azaz már kétezer éve tudták, hogy különleges helyről van szó.) Elképesztő mennyiségű cső, vezeték, vezérlőkábel és ki tudja még mi minden alkotja a hatalmas, folyékony héliummal hűtött mágneseken túl a mérőpontot.

– A nióbium-titanát ötvözetből készült szupravezetőt 4,2 Kelvinre, azaz mínusz 269 Celsius-fokra hűtjük. A rendszerben 18 640 amper áram folyik keresztül, és csúcsüzemben óránként egy Higgs-bozon keletkezik az ütközések során. Több milliárd ütközés történik ennyi idő alatt. Az alagútban kisebb a légnyomás, mint a felszínen azért, nehogy szennyező anyag, például felaktiválódott por kerüljön ki a levegőbe – sorolja az érdekességeket Szillási Zoltán, aki úgy érzi, élete leg­kreatívabb szakaszát éli. Miközben megérkezünk a nyolcvan méterrel a föld alatt lévő, húsz méter hosszú és 16 méter átmérőjű detektorhoz, az is kiderül, hogy az ütközések nem magától értetődőek. A 27 kilométeres alagútban elhelyezett, 1232 héliummal hűtött szupravezető mágnes és 392 hagyományos mágnes feladata a fénysebesség közelébe gyorsított részecskék ütköztetése. A szuperfolyékony hélium hűti le a szupravezető nióbium-titanát alkatrészeket, hogy a bennük folyó sok ezer amperes áram létrehozhassa azt a hatalmas mágneses teret, amely a pályán tartja az elképesztő energiával keringő részecskéket. Hihetetlenül összehangolt műveletről van szó. A debreceni fizikus kedvenc hasonlata: olyan ez, mint amikor valaki a tű fokán akar keresztüllőni, de a tű a Holdon van. Hasonlóan fizikust próbáló feladat, hogy az ütközések során keletkező irdatlan mennyiségű adat közül a fontosakat ne veszítsék el.

Az LHC-t folyamatosan fejlesztik, eredetileg 2026-ra tervezték a kibővített, továbbfejlesztett rendszer munkába állását. A részecskék, köztük a Higgs-bozon tulajdonságait nagyobb pontossággal tudja mérni, és még mélyrehatóbban tárja fel a világegyetem alapvető alkotórészeit. Aminek szintén meghatározó része lesz a megannyi mágnes. A gyergyószentmiklósi születésű Bajkó Márta a szupravezetőmágnes-tesztállomás egyik vezetője. A kutatónő hosszú utat tett meg Genfig. Politikai fogoly édesapja miatt csupán bányamérnöknek tanulhatott Petrozsényban. 1989-ben azt hitte, minden jóra fordul, de az 1990-es tavaszi marosvásárhelyi pogrom kijózanította. Fogta a hátizsákját, és meg sem állt Budapestig. A Műszaki Egyetemen közlekedésmérnöknek tanult, majd a végzés után cserediákként Madridba került. Itt került kapcsolatba a szupravezetéssel, a mágnesekkel, a CERN-nel és a férjével. 1996-tól dolgozik Genfben. Az utóbbi tíz évben a nióbium-titanát ötvözetből készült szupravezető mágneseket felváltó, bonyolultabb gyártástechnológiát igénylő nióbium-ón mágneseket fejleszti. Ezek a jelenleginél nagyobb mágneses teret tudnak majd generálni. A nagyobb mágneses tér pontosabb fókuszálási lehetőséget biztosít, ezáltal százszor több ütközés történhet majd a detektorokban. A nió­bium-ón mágnesek komoly előnye, hogy magasabb hőmérsékleten válnak szupravezetővé, csakhogy nehezen előállíthatók.

– A részecskéket elektromos térrel gyorsítják fel, a mágnesek pusztán fókuszálják a részecskéket, illetve körpályán tartják azokat. Az ütközés a cél, nem az, hogy egymás mellett elszáguldjanak. Ilyen energiák mellett nagyon erős mágneses tér szükséges. Ahhoz, hogy nagyobb energiájú ütközések legyenek, vagy nagyobb sugarú gyorsítóra van szükség, vagy erősebb mágnesekre. Én az utóbbiban hiszek, hiszen a nagyobb mágneses tér előállítása komoly szellemi teljesítmény. Komolyabb, mint egy köralagút kifúrása, még ha az a kör száz kilométer kerületű is. Az új mágneshez új szupravezető kell. Ez lesz a nióbium-ón – védi a hazai pályát Bajkó Márta.

Csírátlanított krumpli

A magyar fizika számára nagy jelentőségű lépés volt, amikor 1992. július 1-jétől Magyarország a CERN egyenjogú tagállama lett. Azóta nemcsak a tudomány, hanem a hazai ipar is bekapcsolódott az itt folyó munkába. A magyar részvétel súlyát tekintve a CERN-t egy százalékban hazai intézetnek mondhatjuk. Az itt folyó hazai kutatásokat elsősorban a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal támogatja.

– Ez a kutatóhely technológiai és tudásközpont, amely egyúttal helyet ad a gyorsítóknak. Ezek közül az egyik az LHC, amelyre különleges szolgáltatásként lehet tekinteni. Kitalálsz valamit, amihez adott energiájú protonnyaláb kell. Idejössz és mérsz, de csak akkor, ha mások is megerősítik, hogy az ötleted eredményt hozhat, mert új kölcsönhatást, részecskét fedezhetsz fel – magyarázza a genfi bázis lényegét Barnaföldi Gergely Gábor, aki a másik hatalmas detektor titkait tárja fel. Az ALICE (A Large Ion Collider Experiment) kísérletben 36 ország 132 fizikai intézetének több mint 1200 kutatója dolgozik. A detektor 16 méter magas, 26 méter hosszú és tízezer tonna tömegű. A másodpercenkénti nyolcezer ütközés adatainak tárolására a legmodernebb technológiákat használják.

Kőbe vésték Einstein híres egyenletét.Fotó: Éberling András

Ezen a helyen azt nézik, hogy mi történik akkor, ha ólomatommagokat ütköztetnek össze. Ha sikerül, apró térfogatban nagyon nagy sűrűségű, úgynevezett kvark-glüon plazma jön létre. Ez azért érdekes, mert tudjuk, hogy ilyen plazma az univerzum első milliomod másodpercé­ben létezett nagyon rövid ideig. Ha megértjük ennek a tulajdonságait, alapvető információkhoz jutunk a világegyetem fejlődéséről.

– Bennünket tehát a proton-atommag és az atommag-atommag ütközések érdekelnek. Mi az ütközések után szétszóródó részecskéket azonosítjuk magyar fejlesztésű eszközök segítségével – tájékoztat Barnaföldi Gergely Gábor, aki szerint a világon ötvenezer részecskegyorsító van, ennek kilencven százalékát nem részecskefizikusok használják, hanem a gyógyászatban alkalmazzák, vizet fertőtlenítenek vele, vagy éppen krumplit csírátlanítanak. Ezek a gyorsítók az először itt alkalmazott eszközökön alapulnak. Azaz megannyi hétköznapi életben is hasznos eredménye van az itt folyó munkának.

Az álmok egyre nagyobb ívűek. Száz kilométeres gyorsítóról beszélnek, amelynek az ára akár százmilliárd euró lehet. Ha a tagállamok előteremtik ezt a hatalmas pénzt, a Jura-hegység és az Alpok között, a burjánzó települések és a Genfi-tó alatt éppen elfér a következő szupereszköz.

Borítókép: Barnaföldi Gergely Gábor az ALICE detektor bemutatóhelyén (Fotó: Éberling András)