CERN – INDITÁSA

Indul a legnagyobb részecskegyorsító

- 1. rész: Miért kellenek a gyorsítók?

A kísérleti részecskefizika mai legnagyobb eszköze, a legnagyobb részecskegyorsító, a nagy hadron ütköztető egy 27 kilométer kerületű föld alatti alagútban működik majd, ami hosszabb a budapesti metróvonalaknál. A detektorok több tíz méteresek, a belsejükben a sok tonnányi vas éppúgy megtalálható, mint a nagyon finom szerkezetek. Minden másodpercben hatalmas adatmennyiséget gyűjtenek, az események milliárdjaiból pedig a legnagyobb teljesítményű számítógépek, számítógépek hálózatai válogatják ki a néhány nagyon érdekes új jelenséget. De egyáltalán miért van szükség ezekre a gigantikus és drága szerkezetekre?

De miért van szükségünk részecskegyorsítókra? Egyrészt segítségükkel szemügyre vehetjük az atomi és az atominál is kisebb, úgynevezett szubatomi világot. Másrészt a részecskegyorsítók elengedhetetlenek a legtöbb részecskefajta létrehozásához és tanulmányozásához.

Az atomok belsejében

Görög eredetű atom szavunk oszthatatlant, szétvághatatlant jelent. A fizikai kutatások a 20. században feltárták, hogy az atom különböző részekből áll, sőt az alkotórészek egy része is összetett. Egy részekből összeépített szerkezetet úgy lehet alaposan megismerni, hogy szétszedjük, egyenként alaposan szemügyre vesszük az alkotóelemeket, majd megpróbáljuk újra felépíteni a rendszert. Ez a kíváncsiság munkál a kisgyermekben, amikor szétszedi játékait, és ugyanez munkál a kutatókban is, amikor az atomot és az azt felépítő részecskéket szeretnék megismerni. A fizikusok munkáját furcsa paradoxon nehezíteni: minél jobban részeire szeretnék bontani az anyagot, annál nagyobb energiát kell ehhez befektetni, annál nagyobb, bonyolultabb kísérleti berendezéseket kell építeni.

1911-ben Ernest Rutherford (1871-1937) aranyfóliát tett ki alfa-sugárzásnak. Az alfa-részecskéktöbbsége simán áthatolt a fólián, néhány részecske viszont visszaverődött. A brit fizikus mérési eredményeiből arra következtetett, hogy az atom belsejében egy tömör tartománynak kell lennie, amelyről az alfa-részecskék egy része "visszapattant". Megszületett az atom máig érvényes modellje: az atom közepén foglal helyet a százbilliomod méternél kisebb atommag, ez tömöríti magába az atom tömegének 99%-át. Az atommag kiterjedése tízezred része az atoménak, az atomtérfogat túlnyomó részét a mag körül keringő elektronok töltik ki.

Jobbra: a Bohr-féle atommodell a Rutherford-féle atommodell javított változata. A pozitívan töltött atommag körül keringenek az elektronok. Ma már az atom kvantummechanikai leírásateljesebb, ezt a modellt azonban egyszerűsége miatt még mindig tanítják (forrás: Wikipedia)

Rutherford kísérletei után két évtizeddel kiderült, hogy az atommagokat közel azonos tömegű elemi részecskék, pozitív töltésű protonok és semleges neutronok alkotják. A múlt század hatvanas-hetvenes éveinek elméleti modelljei és kísérleti vizsgálatai pedig feltárták, hogy a protonok és a neutronok is összetettek, belső szerkezetük van, kvarkokból állnak. Később újabb és újabb részecskéket fedeztek fel, és lassan több százra nőtt a számuk. E parányok vizsgálatához óriások adnak segítséget.

Látni a láthatatlant

A mikrovilág fogalmainak, folyamatainak többségét nehéz, vagy sokszor lehetetlen a hétköznapi, a makrovilágban megszokott fogalmakkal leírni, lehetetlen a szokásos módon elképzelni. Ilyen megfoghatatlan dolog a részecskék kettős természete is. Évszázados vitákat lezárva Albert Einstein 1905-ben kimondta, hogy a fénynek hullám- és részecsketulajdonságai egyaránt vannak, bizonyos helyzetekben a hullám-jelleg uralkodik, más helyzetekben pedig a részecske-jelleg. A két tulajdonság elválaszthatatlan. Az 1920-as években bebizonyosodott, hogy az elektronok és a protonok is rendelkeznek ezzel a kettőséggel, majd ez igaznak bizonyult valamennyi elemi részecskére.

A szóhasználat úgy alakult a fizikában, hogy az anyag elemi és összetettebb építőköveire a részecske elnevezést használják, de nem szabad elfeledkezni arról, hogy a részecske kettős jellegű, hullámtulajdonságai éppoly fontosak. Az éppen hullámként megfigyelt részecske hullámhossza az energiájától függ: minél nagyobb a részecske energiája, annál kisebb, annál rövidebb hullámhossza. Minél rövidebb a hullámhossz, annál kisebb tárgyak tanulmányozhatók egy műszer segítségével, annál finomabb részleteket lehet feltárni.

Éppen ez a részecskegyorsítók működésének lényege: ahogy egyre nagyobb és nagyobb energiákat szolgáltató berendezések épültek, úgy rövidült a gyorsított részecskék hullámhossza, és a szubatomi világ egyre finomabb részletei váltak megfigyelhetővé. Szabad szemmel nagyjából a centiméter századrészének megfelelő nagyságú dolgokat vagyunk képesek észlelni. Az optikai fénymikroszkóppal ezerszer kisebb dolgokat, a sejtek részleteit tanulmányozhatjuk. Az elektronmikroszkópban a felgyorsított elektronnyalábokkal megfigyelhetővé válnak a vírusok, a nagyobb szerves molekulák. Ha az atomokat akarjuk tanulmányozni, akkor nagyobb energiájú részecskegyorsítókra van szükségünk. Az atom magja a hétköznapi méretekhez képest elképzelhetetlenül kicsi, a nagyobb magok átmérője a méter százbilliomod része. Az atommag alkotórészei, a protonok és a neutronok még vagy tízszer kisebbek és ezek is összetett részecskék, mint említettük, kvarkokból állnak. És a kvarkokat is "látni" szeretnénk.

A nagy hadron ütköztető

A nagy hadron ütköztető (Large Hadron Collider, LHC) megépítése az emberiség egyik legnagyobb tudományos-technikai teljesítménye, amihez csak a Nemzetközi Űrállomás építése fogható, és természetesen ez is nemzetközi összefogással készült. Az LHC máris egy sor technológiai rekordot döntött meg, többek között itt van a világ legnagyobb szupravezető mágnese. A CERN legutóbbi hivatalos információi szerint a berendezés szegmenseinek lehűtése a terv szerint halad, és körülbelül augusztus végére az egész rendszerben elérik az 1,9 kelvint (ez mindössze 1,9 fokkal van az abszolút nulla fok felett, azaz valamivel több mint mínusz 271 Celsius-foknak felel meg). Ha ez bekövetkezik, megkezdődhetnek az első, még teszt-jellegű kísérletek. A hivatalos indulást idén októberre tervezik.

Egzotikus részecskék

A gyorsítók varázspálcaként segítenek új részecskék létrehozásában. A rengeteg ismert részecske közül csak nagyon kevés stabil, a többi elbomlik, más részecskévé, részecskékké alakul át. A megismerésükhöz tehát kísérleti körülmények között kell őket létrehozni. Ebben a jól ismert Einstein-féle formula, a tömeg és az energia ekvivalenciája van a segítségünkre. Ha két részecske összeütközik - például a felgyorsított, nagyenergiájú részecske az álló céltárgy valamelyik részecskéjébe ütközik -, akkor elsősorban az energiától függ, hogy milyen részecskék keletkezhetnek, a folyamatban rendelkezésre álló energia szabja meg, hogy maximum milyen tömegű részecske jöhet létre. Természetesen nem keletkezhet "akármi", teljesülni kell a megmaradási törvényeknek és bizonyos kiválasztási szabályoknak is.

A részecskegyorsítók működési elvei

A részecskegyorsítók működési elvei nagyon egyszerűek, felépítésük viszont igencsak bonyolult, és mindig is koruk műszaki csúcsteljesítményeit testesítették meg. Gyorsítani csak elektromos töltéssel rendelkező részecskéket lehet, semlegeseket nem. Mindenekelőtt kell egy forrás, amelyből a gyorsítandó részecskéket, például az elektronokat vagy a protonokat kinyerik. A gyorsítandó részecskenyaláb pályája mentén - legyen az egyenes vagy körpálya -, tehát abban a csőben, amelyben a nyalábot mozgatják, nagy légritkítást, vákuumot kell elérni, hogy a felgyorsított részecskék ne ütközzenek idő előtt a levegő atomjaiba, molekuláiba. Az ilyen ütközés ugyanis a felgyorsított részecske elvesztésével jár, hiszen nem gyorsulhat fel a tervezett energiára, nem ér oda kísérletünk tervezett helyszínére.

A gyorsításra, az energiaközlésre az elektromos teret használják fel, a feszültségkülönbséget befutó részecske energiát vesz fel, felgyorsul. A részecskéknek az eltervezett pályán való megtartására, "kormányozására" pedig a mágneses tér szolgál. A mágneses tér eltéríti a mozgó töltést, megpróbálja körpályára terelni, ezért megfelelően kialakított mágneses térrel tetszőleges pályákra terelhetők a töltött részecskék. A különböző típusú, eltérő elvi megoldású gyorsítók elektromos és mágneses tereik kialakításában különböznek egymástól. Forrás és vákuum mindegyikhez kell, az egyedi érdekességek a gyorsításra szolgáló elektromos terek és a nyaláb vezetésére szolgáló mágneses terek kialakításában rejlenek.

Alapjában véve kétféle pálya alakítható ki: a részecskéket vagy egyenes vonal mentén gyorsítják (ezek a lineáris gyorsítók), vagy körpályán (ezek a ciklikus gyorsítók). A ciklikus gyorsítókon belül többféle típus létezik: van, ahol spirális pályát fut be a részecske (mint a ciklotronban), másutt, a nagyobb energiájú ciklikus gyorsítókban állandó a pálya köríve, itt a mágneses tér folyamatos módosításával, a mágneses tér erősségének folyamatos növelésével érik el, hogy az egyre gyorsabb részecske ugyanazon a pályán rója köreit. A gyorsítás történhet folyamatosan és impulzusokban, utóbbi esetben kis "részecskecsomagokat" mozgatnak.

Az LHC 27 kilométer kerületű alagútjában protonok fognak összeütközni

Még nagyobb energia érhető el, ha két, egymással szemben felgyorsított részecskenyaláb ütközik. Ezen az elven működnek az ún. találkozónyalábos részecskegyorsítók, és ez a folyamat valósul majd meg a nagy hadron ütköztetőben is: a két részecskenyaláb hosszú ideig gyorsul egymástól függetlenül külön-külön pályán, majd frontálisan ütköznek.

A részecskék észlelése

Az atommagfolyamatok és a részecskék közti kölcsönhatások, ütközések következményeinek kimutatására, észlelésére szolgálnak a részecskedetektorok. Az egyszerű detektorok csak a részecske jelenlétét jelzik egy adott pillanatban és helyen. A detektorok lényeges jellemzője a térbeli és időbeli felbontóképesség: minél jobbak ezek a paraméterek, annál finomabb térbeli és időbeli részleteket tudnak megkülönböztetni a kutatók, annál pontosabb választ kaphatnak arra, hogy itt és most részecske jelent meg.

Valójában ennél jóval többre kíváncsiak: azonosítani kell a részecske fajtáját. Ebben segít, ha sikerül megmérni a töltését, a tömegét. A lejátszódott folyamat megértéséhez pedig fontos információt ad a részecske energiája, mozgásának az iránya. A részecskedetektálás alapjául csaknem mindig a részecske (vagy a sugárzás) és a detektor anyagának elektromágneses kölcsönhatása szolgál. A detektorban mozgó részecske többféle módon adhat hírt a megjelenéséről: nyomot hagyhat a műszer anyagában, fényfelvillanásokat kelthet vagy elektronlavinát indíthat el. Az LHC-programban négy nagy detektor működik majd (lásd az alábbi ábrán), amelyeket sorozatunk egy későbbi cikkében mutatunk be részletesen

Égi laboratórium

Joggal merül fel az a kérdés, hogy a hatalmas, drága berendezések megépítése helyett miért nem elég a természetben spontán lezajló folyamatok tanulmányozása? Az ismert Világegyetemben mindenütt ugyanazok a fizikai törvények érvényesülnek, elvileg elég lenne tehát a természet megfigyelése is.

A világűrből érkező részecskesugárzás, a kozmikus sugárzás tanulmányozása a részecskegyorsítók, atomreaktorok elterjedése előtt a magfizika és a részecskefizika egyetlen kísérleti lehetőségét jelentette. Jelentősége ma sem csökkent, hiszen a földi laboratóriumokban elérhető részecskeenergiák milliárdszorosa is előfordul a kozmikus sugárzásban, a nagyon nagy energiájú részecskék tanulmányozására ma is csak a kozmikus sugárzás ad lehetőséget. A földi, megtervezett kísérletekkel szemben viszont ennek kétségtelen hátránya, hogy az események bekövetkezési ideje, módja nem befolyásolható, csak a megtörtént esemény jellemzőinek a rögzítésére van mód.

A részecskék világának szisztematikus, előre megtervezett vizsgálatára tehát nem marad más megoldás, mint egyre nagyobb részecskegyorsítók és detektorok építése.

* * *

A nagy hadron ütköztető építéséről, működéséről és a vizsgálatok céljairól a következő hónapokban részletesen olvashatnak sorozatunkban. A következő részben röviden áttekintjük a CERN több mint fél évszázados történetét, megismerkedünk az itt épült részecskegyorsítókkal és a velük elért legfontosabb fizikai felfedezésekkel.

Indul a legnagyobb részecskegyorsító

- 2. rész: Antianyag, ősanyag és más korábbi nagy felfedezések

A CERN, a nukleáris kutatások európai tanácsának alapkövét 1955-ben rakták le a svájci-francia határnál. Az alapító okirat kimondta, hogy nem végeznek katonai célú kutatásokat, a kísérleti és elméleti kutatások eredményeit pedig közzéteszik. Az intézmény azóta a világ egyik vezető kutatóhelyévé vált. Hatalmas detektorrendszerek készültek, az irdatlan adatmennyiség kezelésére és feldolgozására kiépült számítóközpont mindig is a világ egyik legnagyobbika volt. Itteni szakemberek találták ki az internetet. Itt végezték azt a híres kísérletet, amelyben felfedezték az úgynevezett elektrogyenge kölcsönhatás közvetítő részecskéit. Itt sikerült először az antirészecskékből atomot felépíteni. Ám egy sor alapvető tudományos kérdésre a CERN eddigi legnagyobb berendezései sem tudtak választ adni. Ezek a felfedezések a remények szerint az új, még nagyobb energiájú gyorsítóra, az idén induló nagy hadronütköztetőre maradnak.

Néhány hónapon belül megkezdődhetnek a kísérletek a világ legnagyobb és legújabb részecskegyorsítójában a Genf mellett lévő részecskefizikai kutatóközpontban, a CERN-ben. Az itt végzett megfigyelésekből az Univerzum kialakulásának és az anyag szerkezetének soha nem látott titkaira derülhet fény. Cikksorozatunk bevezető részében a kísérletekkel kapcsolatos biztonsági szempontokat tekintettük át, majd azt vizsgáltuk, miért van szükségünk egyáltalán részecskegyorsítókra, ezekre a gigantikus és drága szerkezetekre.

Európa összefog: a CERN megszületése

Az 1940-es évek végén az európai fizikusok felismerték, hogy ha a magfizikai alapkutatásokban versenyben akarnak maradni az Egyesült Államokkal, akkor ehhez olyan nagy részecskegyorsítókra lesz szükség, amelyeknek a méretei és a költségei meghaladják az egyes országok erejét. Elsőként a francia Louis de Broglie, az 1929. évi fizikai Nobel-díj kitüntetettje fogalmazta meg nyilvánosan ezt a felismerést egy európai kulturális konferencián 1949 decemberében Lausanne-ban. A tudósok összefogási szándéka támogatására talált a politikusoknál, akik szívesen segítették a tervet, mint az új (nyugat)-európai egység szellemének szimbólumát. Az ENSZ nevelési, tudományos és kulturális szervezete, az UNESCO is felkarolta a kezdeményezést. Isidor Rabi Nobel-díjas amerikai fizikus határozati javaslatát 1950 nyarán fogadta el az UNESCO közgyűlése, és tanácskozásra hívta a regionális európai laboratóriumok létrehozásában érdekelt államokat. Az UNESCO támogatásával 1951 decemberében kormányközi tanácskozás jött létre a nemzetközi magfizikai laboratórium ügyében. 1952 tavaszán 11 ország közös döntésével egy ideiglenes bizottság alakult, a nukleáris kutatások európai tanácsa, más fordításban az európai atommag-kutatási tanács, francia nevén a Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire. Ennek rövidítése a CERN, máig ez a betűszó a kutatóközpont világszerte ismert neve.

1952-ben fogadták el Svájc felajánlását, a Genf melletti területet a laboratórium számára. A bizottság kidolgozta a laboratórium felépítését és programját, majd 1953-ban tizenkét ország írta alá az alapító okmányt, amely a ratifikálások után 1954. szeptember 29-én lépett életbe. Az alapító okirat kimondta, hogy nem végeznek katonai célú kutatásokat, a kísérleti és elméleti kutatások eredményeit közzéteszik. Az alapító államok az angol ABC sorrendjében: Belgium, Dánia, Franciaország, NSZK, Görögország, Olaszország, Hollandia, Norvégia, Svédország, Svájc, az Egyesült Királyság és Jugoszlávia. (Magyarország 1992-ben lett a CERN teljes jogú tagállama, de az intenzív tudományos kapcsolatok már jóval korábban kiépültek.)

A CERN helyének kiválasztása 1953-ban

Az alapkövet 1955. június 10-én helyezte el Felix Bloch, a CERN első főigazgatója a svájci államelnök jelenlétében a Genf melletti Meyrinben, a francia határ közelében (lásd a legfelső fotón). A 40 hektáros területen már egy évvel korábban, 1954. májusban megkezdődött két gyorsítóberendezés építése.

Ismerkedés az energiaegységekkel

A részecskegyorsítókkal való "barátkozáshoz" elengedhetetlen a magfizikában és részecskefizikában használatos energiaegységek megismerése. 1 elektronvolt (eV) az a mozgási energia, amelyre egy elektron 1 Volt feszültségkülönbséget befutva szert tesz. Többszörösei: ezerszerese a kiloelektronvolt (keV); milliószorosa, vagyis a keV ezerszerese a megaelektronvolt (MeV); a MeV ezerszerese a gigalelektronvolt (GeV). Újabban már a TeV egységre is szükség van a gyorsítók leírásánál, ez a teraelektronvolt, az eV billiószorosa, a GeV ezerszerese. (1 TeV=10³ GeV=10⁶MeV=10⁹ keV=10¹² eV)

A CERN első gyorsítói

A 28 GeV energiájú proton szinkrotron (PS) 1959-ben érte el a csúcsenergiát, ekkor és még jó ideig ez volt a világ legnagyobb részecskegyorsítója. A PS-ben elektronokat, protonokat, pozitronokat, antiprotonokat és nehézionokat gyorsítanak. A gyorsítás nem nulláról indul, a protonokat például első lépésben egy lineáris gyorsító 50 MeV-ra, majd egy másik egység 1 GeV-ra gyorsítja, ezután kerül át a nyaláb a PS-be. Később a PS is előgyorsítói szerepet kapott, a nyalábok más, nagyobb gyorsítókba kerültek át, a szuper-proton-szinkrotoronba (SPS), a LEP gyorsítóra és más mérőhelyekre. A proton szinkrotronnal (PS) párhuzamosan épült a 600 MeV-os szinkrociklotron, amellyel rövid élettartamú, gyorsan bomló atommagokat állítottak elő és tanulmányoztak.

Már a legelső gyorsítókhoz hatalmas detektorrendszerek készültek, jelentősen fejlődött a számítástechnika, az irdatlan adatmennyiség kezelésére és feldolgozására kiépült számítóközpont mindig is a világ egyik legnagyobbika volt. Itteni szakemberek találták ki később a world wide web-et.

1965-ben fogadták el az ISR (Intersecting Storage Ring - találkozónyalábos tárológyűrű) részecskegyorsító tervét. Az építkezéshez a svájci-francia határ francia oldalán bővült közel 40 hektárral az intézet, így a CERN az első olyan nemzetközi intézménnyé vált, amely nemcsak szellemében, hanem fizikailag is átlépte a nemzeti határokat. 1971-re elkészült az ISR, a szembeütköző két felgyorsított protonnyaláb találkozásánál annyi energia állt rendelkezésre, mintha egy 2000 GeV-os nyaláb ütközött volna álló céltárgynak. Az ISR 10 évig volt világcsúcstartó.

Egy történelmi eredmény

A következő óriásgyorsító, az SPS (szuper-proton-szinkrotron) 1976-ban kezdett nyalábot szolgáltatni. Gyűrűjének kerülete 6 km, a föld alatti alagútban 1000 mágnes gondoskodik a nyaláb körpályán tartásáról. Az 1980-as években ezt is átépítették találkozónyalábos gyorsítóvá, amelyben protonok és antiprotonok ütköztek egymással, és ahol a legnagyobb gondot a kellő mennyiségű antiproton felhalmozása és egyben tartása jelentette.

Egy történelmi eredmény, a W-részecskék felfedezésének bejelentése 1983-ban (a magyarázatot lásd az alábbi szövegben)

Itt végezték azt a híres kísérletet, amelyben felfedezték az úgynevezett elektrogyenge kölcsönhatás közvetítő részecskéit. Elméleti fizikusok már az 1960-as években sikeresen leírták a természet négy alapvető kölcsönhatása közül kettőnek az egyesítését, ezzel megszületett az elektromágneses és a gyenge kölcsönhatás egységes, később ugyancsak Nobel-díjjal elismert elmélete. Az elmélet előre jelezte, hogy milyen, addig ismeretlen részecskék közvetítik ezt a kölcsönhatást. Carlo Rubbia olasz fizikus vezetésével az SPS-nél végzett kísérletben 1983-ban meg is találták a keresett W- és Z-részecskéket. A következő évben Rubbia és az antiprotonok problémájára szellemes megoldást találó Simon van der Meer fizikai Nobel-díjat kapott. (Egyébként már a közvetítő részecskék felfedezése előtt, az ún. semleges gyengeáramok felfedezésével fontos bizonyítékot találtak az elektrogyenge elmélet igazára a CERN-ben.)

Magyarokkal az ősanyag nyomában

Magyar kutatók is fontos szerepet játszanak abban a kísérletben, amellyel ugyancsak a szuper-proton-szinkrotronnál az anyag hajdanvolt ősi állapotát próbálják meg laboratóriumi körülmények között létrehozni. A Világegyetem hajnalán, közvetlenül az Ősrobbanás után a legelemibb részecskék, a kvarkok még szabadok voltak, csak később álltak össze kettesével mezonokká, hármasával barionokká (neutronokká és protonokká). A laboratóriumban a folyamat fordítottjának megvalósítására törekszenek, a ma részecskékbe zárt kvarkokat próbálják kiszabadítani. Ehhez nagy energiára felgyorsított ólom-atommagokat ütköztetnek egymással. Az eddigi eredmények biztatóak, átmenetileg, rendkívül rövid időre már sikerült létrehozni az anyag egy különleges állapotát, a kvarkok és az erőhatást köztük közvetítő gluonok plazmaállapotát. További komolyabb előrelépést ezen a téren is a nagy hadron ütköztetőtől (Large Hadron Collider, LHC) várhatunk, amelyben ólom-atommagokat is ütköztetnek.

Antianyag és antianyag-gyár

Az antianyag kimutatása. A buborékkamra-felvételen elektron-pozitron párok nyoma is látható; a negatív részecskék balra, a pozitív részecskék jobbra térülnek el a mágneses térben

Az egyre nagyobb berendezések építése közben megszületett egy speciális gyorsító is, egy alacsonyenergiás antiprotongyűrű (Low Energy Antiproton Ring, LEAR), a világ egyik nagy "antiprotongyára", amely 1982 és 1996 között mintegy százbillió antiprotont szolgáltatott a kísérletekhez.

2000-ben új program indult a CERN-ben az antianyag tanulmányozására, működésbe lépett az AD (Antiproton Decelarator) nevű antiproton-lassító. Az antiprotonok előállítása egy hatalmas régi részecskegyorsítóban, a 26 GeV energiájú protonszinkrotronban kezdődik. Ezután a nagyenergiájú antiprotonokat adagokban, csomagokban juttatják át a következő egységbe. Ez egy CERN-méretekben kicsinek minősülő részecskegyorsító, kerülete mindössze 188 méter.

1995-ben sikerült először az antirészecskékből atomot felépíteni, egy antiprotonból és egy pozitronból megszületett az első antihidrogén-atom. Az első kísérletben mindössze 9 atomot hoztak létre, később megoldották az antianyag "nagyüzemi előállítását". Sikerült olyan atomokat is létrehozni, amelyek egyszerre tartalmaznak részecskéket és antirészecskéket.

A legfinomabb részletekig kell összehasonlítani az anyag és az antianyag valamennyi tulajdonságát, hogy választ kapjunk a mai fizika egyik alapkérdésére, arra, miként maradhatott meg egyáltalán az anyag a Világegyetem hajnalán. A japán-dán-magyar együttműködésben zajló kísérletben az antiprotonokat természetes csapdába, héliumatomba zárják, ezen a különleges atomon tanulmányozni lehet a kétféle anyag kölcsönhatását. Újabb eredményeket itt is az LHC-tól várnak.

A nagy alagút

Ezt követően ismét rekordjavító gyorsító épült. A LEP, a nagy elektron-pozitron gyűrű 27 kilométer kerületű, 150 méterrel a felszín alatt kialakított alagútja kétszer szeli át az országhatárokat. Az első időszakban nyalábonként 45-45 GeV-re gyorsították itt az elektronokat és pozitronokat, később 100 GeV nyalábonkénti energiát is elértek, ami ebben a műfajban világcsúcs volt. A LEP-nél elért egyik fontos eredmény szerint három (és csak három) kvark-lepton-család létezik a természetben. Az 1983-ban felfedezett, fent már említett W- és Z-részecskéket "nagyüzemben" hozták létre a LEP-ben, így mód nyílt az elektrogyenge elmélet finom részleteinek a tisztázására is.

W- és Z-részecskék megjelenésének nyomai egy detektorban

Az elméleti fizikusok azonban nem álltak meg két kölcsönhatás egyesítésénél. A nagy egyesítés elméletének egyik változata a szuperszimmetria elmélet, eszerint minden ismert részecskének létezik egy eddig nem ismert párja. A LEP-nél nem találtak szuperszimmetrikus részecskéket, bár kitartóan keresték őket. Ha léteznek, akkor olyan nehezek, hogy csak egy nagyobb energiájú gyorsítóban, például az LHC-ben számíthatunk megjelenésükre (a szuperszimmetria elmélettel, illetve az anyag-antianyag kérdéssel még részletesen foglalkozunk sorozatunkban).

Alkatrészek a LEP-ből. A részecskegyorsítóban "rezonáns üregek", hatalmas rézgömbök rádiófrekvenciás elektromos teréből nyertek energiát a részecskék az egyre gyorsabb mozgáshoz

A LEP leállítására 2000-ben került sor. Az utolsó hónapok különösen izgalmasak voltak, mert a kutatócsoportok egy része megtalálni vélte a Higgs-bozont. A modern részecskefizika sikeres, átfogó elméletének van egy alapvető hiányossága: nem tud számot adni a részecskék tömegéről. Higgs angol fizikus megalkotta ennek elméletét, és a Higgs-részecskét már évtizedek óta keresik eredménytelenül a kísérletekben. A CERN-ben végzett mérések eredménye sem egyértelmű, az eredmény nem meggyőző. A felfedezés a remények szerint az új, még nagyobb energiájú gyorsítóra, az LHC-ra marad.

A CERN 1994 decemberében döntött az LHC megépítéséről. A LEP-et leszerelték, és az új gyorsítót ennek a helyére telepítették. A csúcsüzem alatt itt minden korábbinál nagyobb, 7 + 7 TeV-os protonnyalábok ütköznek majd, remélhetőleg választ adva a fent említett legtöbb kérdésre. Következő írásunkban az LHC-t mutatjuk be.

A nagy hadron ütköztető

Indul a legnagyobb részecskegyorsító

- 3. rész: Hidegebb lesz, mint a világűr

Huszonhét kilométeres alagút, benne a világűrnél is hidegebb gigantikus mágnesek, 96 tonna hélium, 40 ezer szivárgásmentes csatlakozás, 11 700 amper erősségű áram. A fénysebesség 0,999999991-szeresével egymással szemben száguldó, 100 milliárd protonból álló részecskecsomagok, 600 millió ütközés másodpercenként. Többek között ilyen paraméterei vannak az alaphangon is 4 milliárd euróba kerülő, augusztusban induló nagy hadron ütköztető nevű részecskegyorsítónak, amely a legnagyobb a világon, és amelytől a világ legnagyobb kérdéseire is várunk válaszokat.

Néhány héten belül megkezdődhetnek a kísérletek a világ legnagyobb és legújabb részecskegyorsítójában a Genf mellett lévő részecskefizikai kutatóközpontban, a CERN-ben. Az itt végzett megfigyelésekből az Univerzum kialakulásának és az anyag szerkezetének soha nem látott titkaira derülhet fény. Cikksorozatunk bevezetőjében a kísérletekkel kapcsolatos biztonsági szempontokat tekintettük át, majd az első részben vizsgáltuk, miért van szükségünk egyáltalán részecskegyorsítókra, ezekre a gigantikus és drága szerkezetekre. A második részben a CERN eddigi részecskegyorsítóit és a korábban elért legfontosabb tudományos eredményeket ismertettük.11 245 kör másodpercenként

Az igazán nagy felfedezések azonban az augusztusban induló nagy hadron ütköztetőre (Large Hadron Collider, LHC) várnak, amelynek neve először is a berendezés nagyméretére utal: a gyorsítót magába fogadó 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.

Az alábbiakban nagyon sok számadatot használunk fel az LHC bemutatásához, mert csak ezekkel lehet érzékeltetni a paraméterekben elért műszaki csúcseredményeket. A részecskegyorsítók, illetve a velük végzett kísérletek évtizedek óta az adott kor műszaki csúcsmegoldásait képviselik, amelyeket sokszor a fizikusok igényei kényszerítettek ki.

Ez a hat emelet magas mágnes is rendszer része

A gyorsító alagútja áthalad a francia-svájci határon is

A gyorsítóban közel fénysebességgel száguldanak a részecskék (a fénysebességet természetesen csak megközelíteni tudják, elérni vagy meghaladni nem). Az LHC-ba más gyorsítókból belépő, előgyorsított részecskék energiája 450 gigaelektronvolt (GeV, lásd keretes írásunkat), amelyek a fénysebesség 0,999997828-szorosával repülnek. Az LHC-ban tovább gyorsítják őket, energiájuk több mint tizenötszörösére nő, a gyorsítás végén már 7000 GeV (7 teraelektronvolt, 7 TeV) lesz. A sebesség megváltozása viszont nem ilyen látványos: a 7 TeV energiájú protonok a fénysebesség 0,999999991-szeresével mozognak (a fizikusok ezért nem a sebességgel, hanem az energiával jellemzik a részecskéket).

Ezzel a sebességgel egy proton 11 245 kört tesz meg másodpercenként a 27 kilométeres pályán. A nyaláb 10 órát kering a rendszerben, ez idő alatt a részecskék 10 milliárd kilométert mozognak. Nagyjából ilyen hosszú lenne egy utazás a távoli Neptunusz bolygóra és vissza.

Ismerkedés az energiaegységekkel

Taps, szúnyogok, tehervonatok és protonok

Mint említettük, mindkét nyalábban 7 TeV energiára tesznek szert a protonok, a két nyaláb ütközésénél tehát 14 TeV energia áll majd rendelkezésre. Ekkora energiájú folyamatokat még sohasem figyeltek meg laboratóriumban. Érdekes, hogy ha összeütjük a tenyerünket, akkor az "ütközés" energiája nagyobb lesz, mint az LHC-ban az egyes protonoké, de messze nem olyan koncentrált. A részecskegyorsítóban elért új csúcsenergia a hétköznapi életben tehát 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 pedig 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 például egy 400 tonnás, 200 km/órás sebességgel mozgó vonat. Ugyanekkora energia elegendő lenne fél tonna réz megolvasztásához.

A teljesen felgyorsított protonok a fénysebesség 0,999999991-szeresével mozognak majd a gyorsítócsőben

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 alagútja átlagosan 100 méter mélyen van a felszín alatt. Mélysége a geológiai adottságoktól függően változik, a Jura-hegység alatt 175 méter, a Genfi-tó közelében pedig csak 50 méter. A hatalmas berendezésre hatással van a Hold is. Telihold és újhold idején 25 centiméterrel mozdul el a földkéreg Genf környékén, ami 1 milliméternyi változást idéz elő az LHC 27 kilométeres kerületében. A kerület hosszának, a részecskék pályájának ez a parányi megváltozása elhanyagolhatónak tűnik, de valójában nem az. A kerület megváltozása miatt a nyaláb energiája az ezredrész két tizedével változik meg. Az LHC-ben viszont olyan pontos méréseket végeznek, hogy a nyaláb energiáját az árapály okozta parányi változásnál tízszer pontosabban állítják be.

A gyorsítás művészete

A cikksorozat előző részben bemutattuk, hogy a CERN már fél évszázadosnál is hosszabb története során egyre nagyobb energiájú részecskegyorsítókat építettek. Ezek többsége ma is működik, és az LHC-ba is több berendezésen áthatolva jutnak el a protonok. Először is hidrogénatomokat fosztanak meg elektronjaiktól, és a továbbiakban a hidrogénatom 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, körülbelül 6500 köbméteres térfogatban kell elérni, ami egy nagy katedrális térfogatához hasonló.

A mágnesek hidegebbek lesznek, mint a távoli világűr

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 mintegy 35 tonna. Az LHC építésénél ezeknek a dipól mágneseknek a megépítése jelentette a legnagyobb műszaki kihívást. Egy protongyorsítóban 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, azaz 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 szupravezető mágneseket a világűrénél is alacsonyabb hőmérsékletre hűtik le

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 héliumfürdőben ülnek. A hűtőrendszer 40 ezer szivárgásmentes csatlakozást tartalmaz. A rendszerben 96 tonna hélium van, ennek 60%-a a mágnesekben, 40% pedig az elosztó- és hűtőrendszerben. Az egész LHC-rendszert (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. Jelenleg is ezen dolgoznak a mérnökök, és rövidesen megkezdik a munka utolsó fázisát.

600 millió ütközés másodpercenként

A részecskéket ún. rádiófrekvenciás térrel gyorsítják. A proton-nyaláb nem folyamatos, hanem "csomagokból" áll. Normál üzem esetén minden nyaláb 2808 csomagból áll, egy-egy csomagban pedig körülbelül 100 milliárd darab proton van. A keringés során változik a részecskecsomagok mérete, tágulnak és összehúzódnak. Az ütközési ponttól távol néhány centiméter hosszú és 1 milliméter széles egy-egy csomag, az ütközési ponthoz közeledve viszont összenyomják őket, így méretük mintegy 16 mikrométerre csökken. Így nagyobb valószínűséggel következik be egy proton-proton ütközés. (Egy emberi hajszál körülbelül 50 mikrométer vastag.) Az LHC-ban 25 nanoszekundumonként (nano = milliárdod rész), vagyis körülbelül 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 másodpercenként átlagosan 30 milliószor ütköznek, az LHC-ban tehát mintegy 600 millió ütközés következik be másodpercenként.

Minden ütközésben részecskék sokasága keletkezik, ezeket kell a cikksorozat egy későbbi részében bemutatandó négy hatalmas detektorrendszernek észlelnie, elemeznie és az adatokat rögzítenie. Egyetlen kísérletnél annyi adatot rögzítenek évente, hogy az százezer DVD-t töltene meg.

A hatalmas berendezések megépítése, a műszaki csúcsteljesítmények megalkotása nem olcsó. A CERN költségvetésében a gyorsítóberendezés költsége 3 milliárd euró, ehhez járul a kísérleti berendezések és a számítógépes hálózat összesen 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 résztvevő intézmények finanszírozzák.

Következik: Az Univerzum ősanyagának nyomában

Indul a legnagyobb részecskegyorsító

- 4. rész: Végre megfőhet az ősleves

Az Ősrobbanás utáni néhány milliomod másodpercben egy egészen speciális anyag tölthette ki az újszülött Univerzumot: a protonok és neutronok építőelemei, a kvarkok egy egészen rövid ideig szabad állapotban létezhettek. Ezt az ősi "kvarklevest" már régóta szeretnék kísérleti úton létrehozni, és bár voltak már komoly eredmények, a bizonyosságot itt is a világ legnagyobb részecskegyorsítójától, a nagy hadron ütköztetőtől várják. Az itt zajló ólom-ólom ütközésben az Ősrobbanás óta először koncentrálódik közel 1,2 petalelektronvolt energia, szabályozott körülmények között. Az ősi kvarkanyag létrehozása, tulajdonságainak részletes vizsgálata az anyagszerkezet legmélyebb rétegeit tárja fel, és egyúttal a Világegyetem őstörténetének kezdetéről is hírt adhat.

Néhány héten belül megkezdődhetnek a kísérletek a világ legnagyobb és legújabb részecskegyorsítójában a Genf mellett lévő részecskefizikai kutatóközpontban, a CERN-ben. Az itt végzett megfigyelésekből az Univerzum kialakulásának és az anyag szerkezetének soha nem látott titkaira derülhet fény. Cikksorozatunk bevezetőjében a kísérletekkel kapcsolatos biztonsági szempontokat tekintettük át, majd az első részben vizsgáltuk, miért van szükségünk egyáltalán részecskegyorsítókra, ezekre a gigantikus és drága szerkezetekre. A második részben a CERN eddigi részecskegyorsítóit és a korábban elért legfontosabb tudományos eredményeket ismertettük, majd a harmadik részben az LHC lenyűgöző technikai jellemzőit mutattuk be.

A CERN új szupergyorsítójában, a nagy hadron ütköztetőben (LHC) nem csak protonokat, hanem ólomionokat is fognak gyorsítani. A protonokkal 14 teraelektronvolt, míg az ólomionokkal 1150 teraelektronvolt (1,15 petaelektronvolt) ütközési energiát érnek el. Mindkét érték új csúcs lesz, laboratóriumban még sohasem értek el ekkora energiát. A kutatók arra számítanak, hogy az ólom-ólom ütközésekben kiszabadulnak a protonok és neutronok alkotórészei, a kvarkok. Szabad kvarkok legutóbb az Ősrobbanás utáni első pillanatokban létezhettek a természetben, tehát a kísérletek az Univerzum őstörténetének megismeréséhez is közelebb visznek.

Bebörtönzött részecskék

Az Univerzum ősanyagát szeretnék észlelni az ólom-ólom ütközésekkor (illusztráció)

Az elmúlt évtizedekben bebizonyosodott, hogy az erős kölcsönhatásban résztvevő részecskék nagy családjának valamennyi tagja kvarkokból áll. A fizika ma 6 féle alapvető kvarkot ismer, és nem számítunk újabbak felfedezésére. A kísérleti fizikusok természetesen a 2 vagy 3 kvarkból felépült részecskéket megpróbálták összetevőire szétszedni. Korábban az atomot atommagra és héjra, később az atommagot protonokra és neutronokra bontották. Szabad kvarkot azonban minden erőfeszítés ellenére sem sikerült eddig megfigyelni.

Úgy tűnik, hogy a kvarkok be vannak börtönözve a protonokban, neutronokban és a többi, kevésbé hétköznapi részecskében. A kvarkok közti erőhatás tulajdonságainak feltárásáért ítélték oda 2004-ben három kutatónak a fizikai Nobel-díjat. A számítások szerint ahogy a kvarkok távolodnak egymástól, úgy erősödik köztük az összetartó erő (ezt egy hétköznapi példával úgy tudjuk elképzelni, hogy a gumiszalag is egyre nagyobb erővel akar összehúzódni, ahogyan nyújtjuk). Így már érthető, miért nem sikerült eddig kiszabadítani a kvarkokat. Csak nagyon nagy energiákon remélhetjük, hogy átmenetileg, nagyon rövid időre szabaddá válnak.

Ekkor jönne létre a szabad kvarkokból és gluonokból, az erőhatást köztük közvetítő részecskékből álló plazma, a kvark-gluon-plazma. A kvarkok kiszabadításához a relativisztikus energiájú nehézion-ütközések kínálják a legjobb lehetőséget. Részecskegyorsítóban nehézionokat - például arany- vagy ólomionokat - gyorsítanak nagy energiára, majd a felgyorsított nyalábokat ütköztetik az azonos anyagból álló céltárggyal vagy a másik nyalábbal.

Ólom-ólom ütközés számítógépes szimulációja. Az esemény során szabad kvarkok megjelenését várják

Az óriási energiájú részecskenyalábok egymással való ütközésekor rövid időre, átmenetileg olyan körülmények jönnek létre, mint amelyek a Világegyetem történetének kezdetén, az Ősrobbanás után néhány milliomod másodperccel (mikroszekundummal) létezhettek. Ekkor még nem alakultak ki az atommagok stabil összetevői, a protonok és a neutronok, viszont léteztek a protonok és a neutronok alkotóelemei, a kvarkok és a kvarkok közti kölcsönhatást közvetítő gluonok. Ezt az ősi "kvarklevest" már régóta szeretnék kísérleti úton létrehozni.

Az első protonnyaláb: szombaton kinyitják az LHC kapuját

A végéhez közelednek a nagy hadronütköztető (LHC) üzembeállításának előkészületei. A tervek szerint augusztus 9-én lép be először protonnyaláb a gyorsítóba. Korábban már sikeresen kipróbálták az előgyorsító berendezéseket (mint arról korábban részletesen olvashatak, a protonnyaláb több lépésben, több, egymás után kapcsolt kisebb részecskegyorsítóban éri el az LHC-be való belépés előtt a 450 gigaelektronvolt energiát). Most - képletesen szólva - kinyitják az LHC kapuját. A nyaláb azonban még nem tesz meg egy teljes kört, csak egynyolcadot. A gyorsítót ugyanis 8 szektorra osztották, így a mágnesek hűtését is szektoronként, külön végzik. Miután minden szektorban elérik az 1,9 kelvines hőmérsékletet, körülbelül 1400 ellenőrző teszt következik.

Ha minden rendben lesz, akkor a következő fontos lépésre szeptember első napjaiban kerülhet sor, akkor a nyaláb már valóban körbeszáguldhat a 27 kilométeres alagútban. A nyalábok ütköztetésére, a fizikai kísérletek megkezdésére még tovább kell várni. A nyaláb beszabályozására 1-2 hónapot szánnak, és ezalatt nem is a végső soron tervezett 7 teraelektronvoltra, hanem csak 5 teraelektronvoltra gyorsítják a nyalábot. A beszabályozás után megkezdődik az adatgyűjtés az ATLAS és CMS detektorokkal. Télen leállítják majd a gyorsítót, és úgy állítják be úgy a mágneseket, hogy utána már megkezdődhet az üzemszerű működés a 7+7 TeV-es nyalábok ütköztetésével.

Ez tehát a ma érvényes optimális menetrend. A hatalmas, műszaki csúcsteljesítmények sorát alkalmazó berendezés beüzemelésénél természetesen jelentkezhetnek olyan problémák, amelyek késleltethetik a tényleges kísérletek megkezdését.

Korábbi próbálkozások

Korábban a CERN szuper-proton-szinkrotronjánál (SPS) az NA49 jelű kísérlet keretében próbáltak meg kvark-gluon-plazmát létrehozni. A KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet (RMKI) munkatársai 1993-ban csatlakoztak az akkor már javában épülő kísérlethez. Később a debreceni Atommagkutató Intézet munkatársai is bekapcsolódtak a munkába. A magyar kutatók építették meg a detektorrendszer egy fontos elemét, a "Budapest fal" névre keresztelt spektrométert. Az SPS-ben ólom-ólom ütközéseket tanulmányoztak különböző energiákon, az eredményeket kisebb magok ütköztetésével is ellenőrizték (szén-szén és szilícium-szilícium ütközéseket is vizsgáltak). Az SPS-nél működött hét kísérlet eredményeit összegezve 2002 februárjában bejelentették, hogy az anyag egy új állapotát figyelték meg. A fogalmazás óvatos volt, nem állították, hogy kvark-gluon-plazmát hoztak volna létre.

A CERN SPS-nehézion programja 2002-ben lezárult, a méréseket már 2000-ben befejezték. A nehézion-fizikai kutatások központja a New York közelében, Brookhavenben működő Relativisztikus Nehézion Ütköztetőhöz (angol rövidítéssel RHIC) tevődött át. A RHIC gyorsítónál 2002-ben aranyatommag-nyalábokat ütköztettek arany-nyalábokkal, az itt elért ütközési energia tízszer nagyobb volt, mint korábban a CERN-ben az SPS-nél. Ezekben az ütközésekben néhány pillanatra a Nap felszíni hőmérsékletét 300 milliószor meghaladó hőmérséklet lép fel. Szemléletesen úgy képzelhető el a jelenség, hogy az aranyatommagok, sőt az atommag alkotórészei, a protonok és neutronok "szétolvadnak", az így szabaddá váló kvarkok és gluonok sűrű "részecskelevest" alkotnak, ami maga a kvark-gluon plazma. A kísérleti megfigyelések alapján fogalmazták meg a következtetést: az arany-arany ütközésekben megfigyelt részecskeloszlások éppen olyanok voltak, mint amilyenekre az elméleti fizikusok a kvark-gluon-plazma keletkezése esetén számítanak.

Az ALICE detektor. A várakozások szerint ez a berendezés fogja észlelni a kvark-glüon-plazmát

A RHIC gyorsítónál három, egymástól alaposan eltérő detektorrendszerrel rögzítik a folyamatok jellemzőit. A PHENIX kísérlet szerzői között 10 magyar kutató nevét találjuk, ők a PHENIX-Magyarország együttműködés keretében vesznek részt a kutatásokban. A PHENIX-Magyarország együttműködés a KFKI RMKI szervezésében és koordinálásával, az RMKI, az Eötvös Loránd Tudományegyetem és a Debreceni Egyetem részvételével jött létre.

Tökéletesen folyó ősanyag

A Bookhavenben dolgozó kutatók 2005-ben adtak hírt arról, hogy az anyag legelemibb összetevőire vonatkozó kísérleti adataik meglepő eredményt hoztak: a kvarkokból és gluonokból álló forró és sűrű anyagállapot nem gázként viselkedik, mint ahogy várták, hanem folyadékra emlékeztető tulajdonságai vannak. Korábban egyértelműen úgy vélték, hogy a szabaddá vált kvarkok és gluonok úgy viselkednek, mint az ideális gáz részecskéi. Ezzel szemben ideális folyadékként látszanak viselkedni. Az ideális folyadékban nagyon kicsi a súrlódás, a folyadékrészecskék közt erős a kölcsönhatás, ezért gyorsan termikus egyensúlyba kerülnek. A részecskék mozgása egy halrajéra emlékeztet, amelyben a halak szinte egyetlen élőlényként változtatnak irányt, amikor környezetük változásaihoz alkalmazkodnak.

A kutatók még ekkor sem mondták ki, hogy már sikerült kvark-gluon-plazmát létrehozniuk, csak hogy elérték azt az energiasűrűséget, amely a számítások szerint a kvark-gluon-plazma létrehozásához szükséges. Lehet, hogy az anyag ezen új állapota valóban a kvark-gluon-plazma egy formája, csak éppen nem olyan, mint amilyennek elképzeltük.

A további kísérletek során kiderült, hogy a jelenleg ismert legmagasabb hőmérsékleten (2 terakelvin felett) a kvarkfolyadék legalább négyszer tökéletesebben folyik, mint az addig "legszuperfolyékonyabbnak" ismert anyag, az ultrahideg, 4 kelvin alatti hőmérsékletű hélium.

Ismerkedés az energiaegységekkel

A LCH-ben végre biztosan elkészülhet a kvarkleves

Eddig tehát sem a CERN-ben, sem Brookhavenben nem sikerült a keresett kvark-gluon-plazmát egyértelműen megfigyelni. Az LHC-hoz tervezett négy nagy kísérlet egyike, az ALICE remélhetően tisztázza a nyitott kérdéseket. Az ólom-ólom ütközésben az Ősrobbanás óta először koncentrálódik közel 1,2 petalelektronvolt energia.

Ennél a kísérletnél is hatalmas mennyiségben keletkezik majd feldolgozásra váró információ. Az adatgyűjtő rendszer egyik kulcseleme, a detektorok és a számítógépek között közvetlen kapcsolatot létesítő digital-data-link (DDL) magyar fejlesztés, az alapkoncepciótól a hardvergyártásig mindent az RMKI munkatársai készítettek el.

Az ALICE kísérletben 28 ország 94 intézményének ezernél is több kutatója dolgozik együtt. Az ALICE detektor 26 méter hosszú, 16 m magas és 16 m széles, súlya tízezer tonna.

Az ALICE szívében

Az ólomionok gyorsítása - a protongyorsításhoz hasonlóan - többlépéses folyamat lesz a CERN-ben. 550 Celsius-fokon elpárologtatják az ólmot, majd elektromos árammal megfosztják az atomokat néhány (maximum 27) elektronjuktól. (Az ólom rendszáma 82, tehát atommagjában 82 proton található, az elektronfelhőben pedig 82 elektron.) Az ionokat 4,3 MeV/u energiára gyorsítják fel, majd egy szénfólián repülnek keresztül és újabb elektronokat veszítenek. (MeV/u: 1 nukleonra eső energia megaelektronvoltban, nukleonok: a protonok és neutronok az atommagban).

Az 54 pozitív töltéssel bíró ionokat ezután összegyűjtik, és a kisenergiájú iongyűrűben (LEIR) tovább gyorsítják őket. Az innen 5,9 GeV/u energiával kilépő ólomionok ezután egy újabb fólián áthaladva elveszítik maradék elektronjaikat is, és 82 pozitív töltéssel kerülnek át a szuper-proton-szinkrotronba (SPS). Az SPS 177 GeV/u energiával adja át az ionokat az LHC-nak, abban érik el az ólom ionok 2,76 TeV/u energiájukat.

Az ólom-ólom ütközésekben keresett kvark-gluon-plazma létrehozása, tulajdonságainak részletes vizsgálata az anyagszerkezet legmélyebb rétegeit tárja fel, és egyúttal a Világegyetem őstörténetének kezdetéről is hírt ad. Az LHC kísérletei végre egyértelműen bebizonyíthatják, hogy a szabad kvarkok valóban létezhettek az Ősrobbanás utáni rövid időszakban, alátámaszthatják a korábbi, hasonló kíséretek eredményeit, és új ismereteket nyújthatnak a kvark-gluon plazmáról. A kutatásban jelentős számban vesznek részt magyar fizikusok, kísérletiek és elméletiek egyaránt.

Következik: Hova tűnt az antianyag?

Indul a legnagyobb részecskegyorsító

- 5. rész: Hová tűnt az antianyag?

A CERN új nagy részecskegyorsítójánál, nagy hadron ütköztetőnél tervezett fizikai kísérletektől a modern fizika számos nyitott kérdésére várnak választ. A legfontosabbak egyike az anyag és az antianyag problémájának feltárása. Miért csak anyag van a Világegyetem eddig általunk megismert részében, hová lett az antianyag? Egyáltalán miért létezhet az anyag? A CERN hagyományosan az antianyag-kutatás egyik központja, és az eddigi kísérletek mellett most egy újabbat indítanak.

Néhány héten belül megkezdődhetnek a kísérletek a világ legnagyobb és legújabb részecskegyorsítójában a Genf mellett lévő részecskefizikai kutatóközpontban, a CERN-ben. A nagy hadron ütköztetővel (Large Hadron Collider, LCH) végzett megfigyelésekből az Univerzum kialakulásának és az anyag szerkezetének soha nem látott titkaira derülhet fény. Cikksorozatunk bevezetőjében a kísérletekkel kapcsolatos biztonsági szempontokat tekintettük át, majd az első részben vizsgáltuk, miért van szükségünk egyáltalán részecskegyorsítókra, ezekre a gigantikus és drága szerkezetekre. A második részben a CERN eddigi részecskegyorsítóit és a korábban elért legfontosabb tudományos eredményeket ismertettük, a harmadik részben az LHC lenyűgöző technikai jellemzőit mutattuk be. A negyedik részben a kvark-gluon-plazmával, az Univerzum ősanyagával foglalkoztunk, amelyet a várakozások szerint "elkészítenek" majd végre a CERN-ben. Aktuális témánk az anyag-antianyag probléma.

P.A.M. Dirac 1928-ban alkotta meg az elektron mozgását és egyéb jellemzőit tökéletesen leíró hullámegyenletét, amely meglepő következtetéshez vezette: a negatív töltésű elektronok mellett léteznie kell pozitív töltésű antielektronoknak. Az antielektront, vagyis a pozitront Carl Anderson 1932-ben megtalálta a kozmikus sugárzás másodlagos részecskéi között, Dirac feltételezésétől teljesen függetlenül. Néhány hónappal később P. Blackett és G. Occhialini ködkamrás felvételeken kimutatta, hogy egy nagyenergiájú foton (gamma-kvantum) hatására egyszerre keletkezik egy elektron és egy pozitron, ez az úgynevezett párkeltés. Létezik a folyamat fordítottja is: az elektron és pozitron egymással találkozva szétsugárzódik, a két részecske tömege a gammasugárzás energiájává alakul át. A szétsugárzás angol megnevezése, az annihiláció megsemmisülést jelent, ami sok zavart keltett. Az anyag ugyanis valójában nem tűnik el, csak egyik részecskefajtából egy másikká, illetve sugárzássá alakul át. A fordított folyamatban sem a semmiből keletkezik az anyag, ez a folyamat is részecskeátalakulás.

Hol van az antianyag?

Dirac arra a következtetésre jutott, hogy minden részecskének (pl. elektron, proton, neutron stb.) létezik antirészecskéje, és ezen részecskepárok minden fizikai jellemzője megegyezik, az elektromos töltést kivéve. 1955-ben figyeltek meg először antiprotont részecskeütközésekben. Azóta sorra előállították, megfigyelték az összes részecske antirészecske párját.

Az Univerzum eddig megismert részében azonban sehol sincs nagyobb mennyiségben antianyag. Ha lennének nagyobb anyag- és antianyag-tartományok, akkor ezek egymás közelébe kerülve szétsugároznának, és a folyamatra jellemző gammasugárzást bocsátanának ki. Ilyen diffúz sugárzást azonban nem észleltek a csillagászok.

Nem tudjuk pontosan, hogy mi történt a Világegyetem kezdetének tartott Ősrobbanás (Big Bang) utáni első töredékmásodpercben. Lehetséges, hogy először egyenlő mennyiségben keletkeztek részecskék és antirészecskék, de az is elképzelhető, hogy már a kezdetektől nem volt egyensúlyban anyag és antianyag. Mindkét változat mellett találni érveket. A fizikusok többsége szerint az indulás szimmetrikus volt, azonban valamitől rövidesen megváltozott a helyzet (ún. szimmetriasértés jött létre), és túlsúlyba kerültek a részecskék. Az aszimmetria igen csekély volt: a számítások szerint minden egymilliárd antirészecskére egymilliárd és egy részecske jutott. Ennek a kis eltérésnek, ennek a minimális anyagtöbbletnek köszönhető a mai világ, a többi részecske párosával szétsugárzott.

A laboratóriumi kísérletek végső célja az, hogy feltárják: töltésükön kívül miben különböznek egymástól a protonok és az antiprotonok, illetve általában az anyag- és az antianyag-részecskepárok. A töltésen kívül ugyanis léteznie kell más eltérés(ek)nek is, különben nem élhetnénk anyagi világban. Ezek a különbségek csak nagyon kicsik lehetnek, pédául az eddigi vizsgálatokból már tudjuk, hogy a proton és az antiproton tömege maximum egy tízmilliárdod résszel különbözhet egymástól, ha egyáltalán van eltérés.

Aktuális információk: sikeres volt az első teszt, az első teljes kör szeptember 10-én

Augusztus 9-én léphetett be első ízben protonnyaláb a nagy hadron ütköztető (LHC) 27 kilométer kerületű gyűrűjébe. Az előgyorsító rendszer pontos működését már korábban beszabályozták, ellenőrizték. A hatalmas gyorsító üzembe helyezése fokozatosan, lépésről-lépésre történik. Most az LHC "ajtaját kinyitva" csak a gyűrű egyik szegmensébe való belépést tesztelték. A részecskecsomag 3 kilométeres utat tett meg.

A mostani próba szerint rendben van az előgyorsító és az LHC egyik gyűrűje közti kapcsolat. Augusztus 22-én következik a másik gyűrű próbája, majd a nyaláb megteheti az első teljes kört, szeptember 10-én. Ezután jöhet a nyaláb gyorsítása az LHC-n belül is, aminek során fokozatosan érik majd el az első hetekre tervezett, maximum 5 teraelektronvoltos energiát (ezt később növelik 7-re).

A felvételen a sárga folt mutatja az LHC-ba érkezett részecskenyalábot. A nyaláb útjába egy részecskedetektort helyeztek, ez mutatta ki az itt még kb. 5 milliméter átmérőjű protonnyaláb beérkezését.

Antianyag-gyárak

Ezekhez a vizsgálatokhoz az antianyagot kell előállítani. Erre két mód kínálkozik: az úgynevezett béta-bomlás és a nagyenergiájú részecskeütközések létrehozása. A pozitív béta-bomlás során egy proton alakul át neutronná, és egy pozitron és egy neutrínó is létrejön. Sokféle bétasugárzó izotóp keletkezik az atommagok hasadása során, és célzott magreakciókkal is létre lehet hozni ilyen izotópokat. Ez történhet részecskegyorsítókban, például az orvosi PET-vizsgálatok izotópigényeit kiszolgáló ciklotronokban.

Antiprotonokat részecskegyorsítókban állítanak elő: nagyenergiájú protonokat ütköztetnek valamilyen céltárggyal. Az ütközés során sokféle részecskefizikai folyamat megy végbe, ezek egy részében antiprotonok is keletkeznek. Ezután az antiprotonokat szét kell választani a többi részecskétől, és tárolni kell őket addig, míg elegendően nagy számban gyűltek össze ahhoz, hogy a továbbiakban már egy tiszta antiproton-részecskenyalábbal lehessen vizsgálatokba kezdeni. A nagyenergiájú részecskefizikai folyamatokban keletkező antiprotonok maguk is meglehetősen nagy energiájúak, gyorsak. Kordában tartásukhoz, "kezelhetővé tételükhöz" le kell lassítani őket. Egymás után többféle fizikai folyamatot, műszaki megoldást vetnek be a lassításhoz.

A CERN-ben 1982 és 1996 között az alacsony energiájú antiproton-gyűrűvel (Low Energy Antiproton Ring, LEAR) lassították és tárolták az antiprotonokat. Becslések szerint ez a berendezés másfél évtized alatt százbillió antiprotont szolgáltatott a kísérletekhez. 2000-ben új program indult a CERN-ben az antianyag tanulmányozására, működésbe lépett az antiproton-lassító (Antiproton Decelarator, AD). Az antiprotonok előállítása egy régi részecskegyorsítóban, a 26 GeV energiájú proton-szinkrotronban (PS) kezdődik, majd a nagyenergiájú antiprotonokat kis adagokban juttatják át a következő egységbe.

Az első antiatom

A fizikai kísérletek során 1995-ben sikerült először antirészecskékből atomot felépíteni: egy antiprotonból és egy pozitronból megszületett az első antihidrogén-atom. Az első kísérletben mindössze 9 atomot hoztak létre. Néhány éve megoldották az antianyag "nagyüzemi előállítását". Korábban csak naponta, most már másodpercenként állítanak elő néhány antihidrogén-atomot a kísérletekhez. Az előállítás felgyorsítását az tette lehetővé, hogy megoldották mindkét antirészecske lelassítását. Sikerült olyan atomokat is létrehozni, amelyek egyszerre tartalmaznak részecskéket és antirészecskéket. Ezek az egzotikus képződmények természetesen rövid életűek. Az elektronból és pozitronból álló pozitrónium csak a másodperc tízmilliomod-milliárdod részéig marad együtt. Kísérleteznek olyan héliumatommal is, amelynek két elektronja közül az egyiket az elektronhoz hasonlóan negatív töltésű, de az elektronnál 2000-szer nehezebb antiprotonra cserélik. Mindezek a kísérletek az anyag és az antianyag közötti összefüggések mélyebb feltárásához vezethetnek.

Magyar kísérlet is van

A CERN-ben három nagy kísérleti rendszer várja az antiprotonokat. Két kísérletben (ATHENA és ATRAP) az antiprotonokhoz antielektront (pozitront) adnak hozzá, így atomi antihidrogént hoznak létre. Ebben a két kísérletben az erősen gerjesztett állapotban keletkező antiatomok spektrumvonalait vetik egybe a hidrogén spektrumvonalaival. Ebből következtetni lehet az úgynevezett CP- és a CPT-szimmetriák (lásd alább) teljesülésére, illetve sérülésére, ami választ adhat arra a kérdésre is, hogy miért lett az anyag kitüntetve az antianyaggal szemben a Világegyetemben.

A harmadik kísérlet az ASACUSA, amely egy japán-dán-magyar együttműködés. A magyar csoport vezetője Horváth Dezső, a KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet (RMKI) tudományos tanácsadója, a Debreceni Egyetem professzora. A kísérleti berendezés egyik fontos részét az RMKI-ben építették meg, a kutatócsoportban budapesti és debreceni fiatalok dolgoznak. Ők is csapdába zárják az antiprotonokat, méghozzá egy természetes csapdába, a héliumatomba. A negatív töltésű antiproton az egyik elektron helyébe lép, és így egy nagyon különleges atom jön létre, ezen pedig részletesen tanulmányozni lehet az antiproton és a közönséges anyag kölcsönhatását. A különleges atomot lézernyalábbal gerjesztve évről-évre egyre nagy pontossággal mérik meg az antiproton tömegét.

Kulcsfontosságú szimmetriasértések

A fizikusok sokáig úgy vélték, hogy a fizika törvényei töltésszimmetrikusak, vagyis egy antianyag-atom ugyanúgy viselkedik, mint megszokott atomjaink. Több mint negyven éve azonban kiderült, hogy a radioaktív bomlásokban, a gyenge kölcsönhatásban sérül a térbeli szimmetria. A gyenge kölcsönhatásban a részecskék képletesen szólva jobbkezesek vagy balkezesek. Ha képzeletben tükörben néznénk őket, akkor a béta-bomlásban a tükörben a jobbkezes részecske balkezessé válik, megváltozik a kép, sérül a szimmetria. Ez a térbeli tükrözés a paritás, amit P-vel jelölnek.

Hamarosan kiderült, hogy a töltésszimmetria is sérülhet, ha a gyenge kölcsönhatásban részecske alakul át antirészecskévé, vagy fordítva. A töltésszimmetria sérülése, a C-sértés (C = charge, töltés) felfedezése után megállapították, hogy a külön-külön végbemenő P- és C-sértés kompenzálja egymást, így az egyesített CP-szimmetria nem sérül. A "CP-tükörben" a balkezes részecskéből jobbkezes antirészecske lesz. Ez a megnyugtató helyzet azonban csak néhány évig állt fenn, mivel 1964-ben olyan részecskefizikai folyamatot fedeztek fel, amelyben nem érvényesült a CP-szimmetria, azaz CP-sértésre bukkantak. Mai tudásunk szerint a CP-szimmetria esetenként sérül, viszont a CPT hármas szimmetria kivétel nélkül, mindig érvényesül; itt a T (time) a harmadik tükrözés, az időtükrözés.

A CP-sértést vizsgáló részecskefizikai kísérletek főszereplői először az úgynevezett K-mezonok, más néven kaonok voltak, ezek két kvarkból felépülő semleges mezonok. A kaonok nem stabilak, bomlásuk többféle módon, más-más végeredményre vezetve mehet végbe. A különböző bomlásformák összehasonlító elemzésével mutatták ki a CP-sértést. A kaonok CP-sértése azonban a számítások szerint nem lehetett önmagában elegendő az Univerzumban tapasztalt anyagdominancia létrejöttéhez.

A részecskefizika mai átfogó elmélete, a Standard Modell szerint egy másik mezon, a semleges B-mezon bomlásainál erősebben, tehát könnyebben megfigyelhetően jelentkeznek a kaonoknál tapasztalt aszimmetriák. A B-mezon is két kvarkból felépülő bomlékony részecske, amelyben a K-mezon "ritka" kvarkja helyébe egy jóval nehezebb "alsó" (bottom) kvark szerepel. Az elmúlt években különleges, kifejezetten a B-mezonok előállítására szolgáló részecskegyorsítókat építettek Japánban (Tsukuba) és az Egyesült Államokban (Stanford), ezeket B-gyáraknak hívja a szakmai zsargon. A B-gyárakban nagy energiákra felgyorsított elektronok és pozitronok ütközésénél keletkeznek a további kísérletek alapjául szolgáló B-mezonok és antirészecske párjuk. Stanfordban és Tsukubában több tízmillió B-mezon pár átalakulásának adatait elemezve megállapították, hogy valóban jelentkezik CP-sértés a B-mezonok bomlásánál.

A CERN-ben most újabb antianyag kísérletekre készülnek, az LHC mellé telepített négy nagy detektorrendszer egyike, az LHCb szolgál majd erre (két részlete az alsó képeken). Nevében a b betű a szépségre, a "beauty" (bájos) kvarkra utal. A nagyenergiájú proton-proton ütközésekben szép számmal keletkeznek majd b kvarkot tartalmazó B- és antiB-mezonok. A mezonok keletkezési helyüktől, az ütközési ponttól a protonnyaláb közelében repülnek előrefelé. Ezért a detektor 20 méter hosszan követi pályájukat, hogy eközben rögzítsék az azonosított részecskék pályáját, impulzusmomentumát, energiáját.

Ezeknek és az LHC-ben tervezett, még pontosabb kísérleteknek köszönhetően várhatóan kisebb lesz majd a B-mezonokra vonatkozó mérési eredmény bizonytalansága. Emiatt az is elképzelhető, hogy a pontosabb eredmény nem esik egybe a részecskék világát leíró, ma általánosan elfogadott Standard Modell jóslataival. Ez is hozzájárulhat a mait meghaladó "új fizika" megszületéséhez, amelyet sokan már nagyon várnak, és amelyről további cikkeinkben olvashat részletesebben.

Következik: Keresik a modern fizika Szent Grálját

Indul a legnagyobb részecskegyorsító

- 6. rész: A modern fizika Szent Gráljának nyomában

Az elmúlt évtizedekben végzett részecskefizikai kísérletek eredményeinek értelmezésére, egységes keretbe foglalására dolgozták ki a Standard Modellt. A modell jól leírja a ma ismert tényeket, és eddig a rá alapozott előrejelzések is beigazolódtak. Van azonban egy komoly hiányossága: még nem sikerült megtalálni az egyik alapvető összetevőjét, az úgynevezett Higgs-bozont. A CERN új nagy részecskegyorsítója, a nagy hadron ütköztető korábban sohasem vizsgált energiatartományt nyit meg a kutatók előtt. Az új kísérletek egyik fő célja ennek a régen keresett részecskének a megtalálása, megismerése.

Néhány héten belül megkezdődhetnek a kísérletek a világ legnagyobb és legújabb részecskegyorsítójában a Genf mellett lévő részecskefizikai kutatóközpontban, a CERN-ben. A nagy hadron ütköztetővel (Large Hadron Collider, LCH) végzett megfigyelésekből az Univerzum kialakulásának és az anyag szerkezetének soha nem látott titkaira derülhet fény. Cikksorozatunk bevezetőjében a kísérletekkel kapcsolatos biztonsági szempontokat tekintettük át, majd az első részben vizsgáltuk, miért van szükségünk egyáltalán részecskegyorsítókra, ezekre a gigantikus és drága szerkezetekre. A második részben a CERN eddigi részecskegyorsítóit és a korábban elért legfontosabb tudományos eredményeket ismertettük, a harmadik részben az LHC lenyűgöző technikai jellemzőit mutattuk be. A negyedik részben a kvark-gluon-plazmával, az Univerzum ősanyagával foglalkoztunk, amelyet a várakozások szerint "elkészítenek" majd végre a CERN-ben. Az ötödik részbenarra kerestük a választ, hogy miért csak anyag van a Világegyetem eddig általunk megismert részében, hová lett az antianyag, illetve miért létezhet egyáltalán az anyag. A következőkben egy kulcsfontosságú részecskével ismerkedhetünk meg, amelyet eddig nem sikerült felfedezni.

A kvark-hipotézis

1970-ben a Stanfordi Egyetemen 20 gigaelektronvolt energiára gyorsított elektronokkal bombáztak protonokat. A vártnál több elektron szóródott nagy szögekben, ami arra utalt, hogy a protonokon belül kisebb alkotórészek vannak. Ez volt az első kísérleti bizonyíték arra, hogy a jól ismert elemi részecskék egyike, a proton is összetett szerkezet, részei vannak. A megdöbbentő új eredményeket szolgáltató kísérletekkel párhuzamosan, azokat meg is előzve, az elméleti fizika is hasonló eredményekre jutott. Az elméleti modellekből olyan elemi részecskecsalád képe rajzolódott ki, amelynek a tagjai, köztük a proton is, összetett részecskék.

Gigászi detektorok fogják érzékelni a kulcsfontosságú hiányzó részecskét - a remények szerint

Ekkor lépett a színre M. Gell-Mann amerikai fizikus kvark-hipotézisével. Számításai szerint három, általa kvarknak nevezett feltételezett részecskéből valamennyi olyan részecske felépíthető, amely az erős kölcsönhatásban vesz részt. Az erős kölcsönhatásban résztvevő részecskék, azaz a hadronok közé tartozik a proton, a neutron és még számos, akkoriban éppen csak megismert, nem stabil részecske. Gell-Mann kiszámította, milyen tulajdonságokkal kell rendelkezniük a kvarkoknak ahhoz, hogy jól használható építőkövek lehessenek. Munkája nagyon sikeres volt, az elemi részecskék valamennyi sztatikus tulajdonságát, tehát az elektromos töltésüket, különböző kvantumszámaikat pontosan adta vissza a kvark-hipotézis.

Hatalmas volt a siker, ismét közeledett a világkép a görögök régi álmához: egyszerűen, néhány elemből felépíthető a világ. A három kvark (és antirészecske párjaik, a három antikvark) színre lépésével több száz részecske már nem volt jogosult az elemi jelzőre, hiszen fény derült összetett voltukra.

Három kvarkot Mark mesternek!

"Three quarks for Muster Mark!" - Három kvarkot Mark mesternek! Az idézet James Joyce Finnegan ébredése c. szürrealista regényéből való, innen származik a modern részecskefizika egyik alapszava, a kvark. Joyce írásában szakértő irodalmárok szerint a quark (kvark) kifejezés a hark! (hé!) és a quart (negyedgallonos sör) szavak összevonásából keletkezett. A fizikába Murray Gell-Mann vezette be, így nevezte el az akkor még csak feltételezett részecskéit. Gell-Mann azért választotta ezt a szót, mert a tengeri sirály hangjára emlékeztette, a névválasztásban az is erősítette, hogy három kvarkot (három sört) kérnek a regényben, s az ő eredeti modelljében is három kvark szerepelt. Gyermekkorában sok időt töltött New Yorkban az Atlanti-óceán partján, ott hallgatta a sirályokat.

Szabad, magában létező kvarkot a rengeteg erőfeszítés ellenére sem sikerült megfigyelni. Mire megszülettek a kvarkok bezártságát magyarázó elméletek, más számítások már arra utaltak, hogy nagyobb energiákon a kvarkok mégis kiszabadulhatnak börtönükből. Laboratóriumi körülmények között ez az állapot természetesen csak átmeneti lehet, mert nem tudjuk fenntartani a kvarkok tartós szabadságához szükséges viszonyokat. Ezért a kvarkok átmeneti kiszabadulásuk után újra visszazáródnak, visszafagynak a hadronok belsejébe. (A kvark-gluon-plazma létrehozásával cikksorozatunk egyik korábbi részében foglalkoztunk.)

Újabb kvarkok

A három kvark hipotézis nagyon jól bevált 1974 novemberének közepéig. Ekkor fedezték fel a J vagy pszí részecskét két laboratóriumban egyidejűleg, egymástól függetlenül. Két évvel később mindkét csoport vezetője megkapta a fizikai Nobel-díjat, ami szokatlanul rövid idő (a Nobel-bizottság hosszabb időt szokott hagyni arra, hogy az eredmények hitelessége és fontossága bebizonyosodjon). A gyorsaság ezúttal a felfedezés nagy horderejét mutatja. A J/pszí részecske azért okozott forradalmat a részecskefizikában, mert a tulajdonságai, például rendkívüli stabilitása nem voltak értelmezhetők a három kvark hipotézissel. Mi a megoldás? Feltételezték, hogy létezik egy negyedik kvark, amelynek tulajdonságait a J/pszí részecske tulajdonságaiból következtették ki. A korábbi három kvark többféle néven szerepelt, végül a fel, le és a ritka (különös) elnevezések terjedtek el (angol eredetiben up, down és strange). A negyedik kvark a bájos nevet kapta, a rá jellemző kvantummennység neve báj (charm). A J/pszí részecske egy mezon, amely egy bájos kvarkból és egy bájos antikvarkból áll.

Már látszik az alagút vége - a nagy hadron ütköztetővel megtalálhatják a Higgs-bozont

Az ötödik kvark létezésére utaló első kísérleti eredményt 1977 júniusában, a Budapesten rendezett részecskefizikai konferencián jelentették be. Az amerikai L. Lederman és munkatársai üpszilon-részecskének keresztelték el az egyre bővülő részecske család legújabb tagját. Az üpszilon-részecske a számítások szerint az új, ötödik fajta kvark-antikvark párból épül fel. Az ötödik kvark több nevet kapott már, szépség, felső vagy csúcs, illetve alsó vagy fenék. Végül az alsó vagy fenék (bottom) elnevezés terjedt el, így a hatodik kvark kapta a felső vagy tető (top) nevet.

A hatodik kvark felfedezésére várni kellett néhány évet. Először 1994 áprilisában feltételesen, majd 1995 februárjában már biztos meggyőződéssel jelentették be a chicagói Fermi Nemzeti Laboratóriumban, hogy felfedezték a top kvarkot. A top kvark rendkívül nehéznek, nagy tömegűnek bizonyult, ez a magyarázata annak, miért nem találták meg korábban. A korábbi kísérletekben a részecskegyorsítók, így az ütköző részecskék energiája nem volt elegendő ahhoz, hogy ilyen nehéz részecske létrejöhessen. A top kvark tömege kb. a volfrám-atommag tömegével egyenlő, ez is jól mutatja a kvarkok különbözőségét. A kvarkok táblázatában most már nem maradt üres rovat. Kérdés, jól ismerjük-e a táblázatot, hátha vannak olyan sorok vagy oszlopok, amelyeknek a létezésére sem gondoltunk eddig.

Fermionok és bozonok

Mai tudásunk szerint a részecskék két alapvető csoportba oszthatók. A feles spinűek a fermionok, ezekből épül fel az anyag. Az egész spinű részecskék, a bozonok családjába a kölcsönhatásokat közvetítő részecskék tartoznak (foton, W- és Z-bozon, gluon). A fermionok három jól elkülönülő családba rendeződnek. Mindegyikbe tartozik két nehéz részecske, ezek kvarkok, és két könnyű részecske, ezek a leptonok. A leptonok közül az egyik töltött részecske (elektron, müon, tau), a másik pedig a hozzátartozó neutrínó. Tehát az anyag minden változata, valamennyi részecske, valamennyi részecskeátalakulás 6 kvark és 6 lepton (és antirészecske párjuk) felhasználásával valósul meg. Ennek a 6-6 részecskének a létezését meggyőző kísérletek bizonyítják. Tapasztalati, kísérleti oldalról jelenleg nincs ok újabb részecskecsaládok, köztük újabb kvarkféleségek feltételezésére. Azt egyelőre nem tudjuk, hogy miért pont 3 fermioncsalád létezik, és ezek miért olyan hasonlóak egymáshoz.

A spin

A spin (angolul forgás, pörgés) a részecskék saját impulzusnyomatéka (perdülete). A részecskék spinje - neve ellenére - nem felel meg a makroszkopikus világban ismert saját tengely körüli forgásnak. A spin értéke kvantumszám, amely egész vagy fél értéket vehet fel (0, 1/2, 1, 3/2, 2,...). A részecskéket spinkvantumszámuk szerint két csoportra osztják: a feles (1/2, 3/2, ...) spinűek a fermionok, az egész spinűek (0, 1, 2...) a bozonok.

Írásunkban végig 6 kvarkról (és antikvark párjukról) értekezünk, de a valóság ennél gazdagabb. Alapvető jellemzőiket (tömeg, töltés) tekintve valóban hatan vannak, de mindegyik kvarknak van három változata, ezek "színükben" különböznek egymástól. Mindegyik kvarkból van vörös, zöld és kék, ezeknek természetesen semmi köze a megszokott színekhez, az elnevezések egyszerűen egy, az erős kölcsönhatásban megnyilvánuló tulajdonság megkülönböztetésére használatosak. Az erős kölcsönhatás elméletét ezért hívják kvantumszíndinamikának.

A Standard Modell sikeresen jelezte előre a kvarkok és leptonok kölcsönhatásait. A jelenlegi modell azonban nem képes megmagyarázni, hogy miért három generációja van a kvarkoknak és a leptonoknak. A modellből nem lehet kiszámítani a kvarkok és a leptonok tömegét, sem a kölcsönhatások erősségét.

Peter Higgs angol fizikus a CERN-ben - feladta a leckét

A részecskefizika Standard Modellje ún. kvantumtérelmélet. Alapösszetevői a terek, ezeknek apró fodrozódásai energiát és impulzust hordoznak egyik helyről a másikra. A kvantummechanika szerint ezek a fodrozódások csomagokban jelentkeznek, ezeket észleljük elemi részecskeként a laboratóriumokban. Az elektromágneses tér kvantuma a foton. A SM-ben minden részecskecsaládhoz külön tér tartozik. A leptontérhez tartozik az elektron, a müon, a tau-részecske és a neutrínók. A különböző típusú kvarkokhoz más terek tartoznak. A részecskék közti erőhatás valójában részecskék cseréje, az elektromágneses kölcsönhatást a fotonok, a gyenge kölcsönhatást a W- és Z-részecskék, az erős kölcsönhatást 8 féle gluon közvetíti.

Honnan jön a tömeg?

A részecskék tömege széles tartományt fog át, a legnehezebb kvark tömege például 350 000-szerese az elektronénak. A SM azonban nem tud magyarázatot adni arra, hogy egyáltalán miért van tömege a részecskéknek, s ha van, akkor miért pont akkora. A tömeg létrehozására egy újabb teret vezettek be a fizikusok. Ez egy ún. skalártér - a skalár szó arra utal, hogy a tér nem irányérzékeny. A skalárterek átjárják a teljes teret, a skalárterek és a többi tér kölcsönhatása ad tömeget az SM részecskéinek. Még nem sikerült megtalálni ezeknek a skalárterenek a kvantumát, a Higgs-részecskét, amely ezt a kölcsönhatást közetítené. (Létezésük lehetőségét Peter Higgs angol fizikus vetette fel először.)

A Higgs-mechanizmus

A Higgs-mechanizmus, a Higgs-térrel való kölcsönhatás ad tömeget a kvarkoknak, leptonoknak és a kölcsönhatásokat közvetítő bozonoknak. Ha nem létezne ez a mechanizmus, akkor minden részecske állandóan fénysebességgel száguldana, nem jöttek volna létre a csillagok, az égitestek, természetesen élet sem lenne. A Higgs-mechanizmus közvetlenül az Ősrobbanás után jelenhetett meg. Képletesen olyan a hatása, mintha a testek súrlódnának a téridőben, vagy ahogy a víz akadályozza járásunkat egy tóban. Az elektromágneses és a gyenge kölcsönhatás egységes elmélete megalkotásához a Higgs-mechanizmust is bevonták. Így derült ki, hogy az elektrogyenge kölcsönhatás közvetítő részecskéi, a W- és Z-bozonok nagy tömegűek, a protonénál 81-szer, illetve 92-szer nagyobb a tömegük. A CERN-ben végzett kísérletek pontosan igazolták a számításokat. A Higgs-mechanizmus magyarázatot adott arra is, miért 0 a tömege a fotonnak, az elektromágneses kölcsönhatás közvetítőjének, így vált érthetővé, hogy nagyobb tömegű közvetítő részecskéi miatt gyengébb a gyenge kölcsönhatás az elektromágnesesnél. A Higgs-mechanizmus igazolásához már "csak" a közvetítő részecskéit kellene megtalálni.

Az elméletben jól bevált skalárterek létezése tehát még bizonyításra szorul. Az is vitatott, hányféle lehet belőlük. A Standard Modell úgynevezett kiterjesztett változatai például ötféle Higgs-bozonnal számolnak, ezek közül kettő töltött.

A Standard Modell a Higgs-bozon valamennyi tulajdonságát pontosan megjósolja a tömege kivételével, számítások 80 és 144 GeV közé teszik.

Reálisan arra lehet számítani, hogy a CERN-ben hamarosan munkába álló óriásgyorsítónál, az LHC-nál sikerül majd létrehozni és kimutatni a Higgs-részecskéket. Korábban is keresték több laboratóriumban, de mindig csak arra jutottak, hogy a Higgs-nehezebb, mint az adott gyorsítóban elérhető energia. Az LHC előtt a CERN-ben a LEP elektron-pozitron ütköztető mellett több kísérletben is keresték a Higgs-bozont. 2000-ben még a gyorsító leállításának elhalasztása is felmerült, mert az egyik kísérletben észlelni vélték a keresett részecskét. Alaposabb elemzés után ezt elvetették, és 114 GeV-ben adták meg azt a határt, aminél biztosan nehezebb a Higgs-bozon.

Szimulált adatok alapján készült modell a Higgs-bozon egy lehetséges elbomlásáról

A Standard Modell helyességét kísérleti megfigyelések hosszú sora igazolta. A Higgs-bozon kivételével valamennyi alkotórészét megfigyeltük. A Higgs-bozon azonban nem egy a sok részecske közül, hanem kulcsfigura. Fontosságára és eddigi sikertelen keresésére utal, hogy gyakran a modern fizika Szent Gráljaként említik. Léte és tulajdonságai bizonyítanák a Standard Modell érvényét. Vannak azonban arra utaló jelek is, hogy a Standard Modell mögött egy egységes, mélyebb elmélet húzódik meg. Ezzel a sorozat következő írásában foglalkozunk.

Következik: A Standard Modellt meghaladó elméletek

Aktuális információk: sikeresek az eddigi tesztek, az első teljes kör szeptember 10-én

Augusztus 9-én léphetett be első ízben protonnyaláb a nagy hadron ütköztető (LHC) 27 kilométer kerületű egyik gyűrűjébe. Az előgyorsító rendszer pontos működését már korábban beszabályozták, ellenőrizték. A hatalmas gyorsító üzembe helyezése fokozatosan, lépésről-lépésre történik. Augusztus 9-én az LHC "ajtaját kinyitva" csak a gyűrű egyik szegmensébe való belépést tesztelték. Augusztus 22-én a másik gyűrűbe való belépés is megtörtént (a két gyűrűben ellentétes irányban mozognak majd a protonok, és a detektorok területén ütköztetik őjket). A részecskecsomag mindkét esetben 3 kilométeres utat tett meg.

A próbák szerint rendben van az előgyorsító és az LHC gyűrűi közti kapcsolat. A nyaláb az első teljes kört szeptember 10-én teheti meg. Ezután jöhet a gyorsítása az LHC-n belül is, amelynek során fokozatosan érik majd el az első hetekre tervezett, maximum 5 teraelektronvoltos energiát (ezt később növelik 7-re).

Jobbra: a felvételen a sárga folt mutatja az LHC-ba érkezett részecskenyalábot. A nyaláb útjába egy részecskedetektort helyeztek, ez mutatta ki az itt még kb. 5 milliméter átmérőjű protonnyaláb beérkezését

Nem fog összeomlani az Univerzum a világ legnagyobb részecskegyorsítójától

Néhány hónapon belül megkezdődhetnek a kísérletek a világ legnagyobb és legújabb részecskegyorsítójában a Genf mellett lévő részecskefizikai kutatóközpontban, a CERN-ben. Az itt végzett megfigyelésekből az Univerzum kialakulásának és az anyag szerkezetének soha nem látott titkaira derülhet fény. Ám furcsa dolgok, például apró fekete lyukak vagy "időutazás" megjelenése is lehetséges, sőt olyan spekulációk is vannak, hogy már a tesztüzem alatt az egész Világegyetem eltűnik egy fura vákuumbuborékban. A tudósok véleménye alapján megnyugodhatunk: szerintük ezek a dolgok már természetes módon is megtörténhettek volna, minden másodpercben sokmilliószor az Univerzumban. Így aztán indulhat a munka.

Mit vizsgálnak és mit látnak?

Az LHC megépítéséhez egy sor műszaki csúcsteljesítményre volt szükség, de a működésétől is csúcseredményeket várnak: a fizikusok előtt egy mindeddig feltáratlan világ nyílik meg, mert az LHC-vel elérhető energiák tartományában korábban sohasem végezhettek vizsgálatokat. A 27 kilométer kerületű, átlagosan 100 méterrel a felszín alatt lévő gyorsítógyűrűben protonokat gyorsítanak közel fénysebességre, majd összevezetik és összeütköztetik őket (később ólomionok ütköztetését is tervezik). Ekkor olyan állapotok jönnek létre, amilyenek a nagyon fiatal Világegyetemben lehettek jellemzők. A "nagyon fiatal" kifejezés alatt az Ősrobbanás utáni első töredékmásodpercet kell érteni, azt az időszakot, amikor kialakultak az anyag alapvető építőkövei.

Zajlanak a végső előkészületek a 27 kilométeres alagútban

A berendezésben létrehozható ütközések energiája a Világegyetem azon állapotának felel meg, amilyen az Ősrobbanás után százbilliomod másodperccel volt, amikor a hőmérséklet közel milliárdszor milliárd fok lehetett. Ezeknek a roppant energiájú ütköztetéseknek nem a kozmológiai kutatás az elsődleges célja, hanem az anyag mélyebb szerkezetének felderítése - olvasható Paul Davies magyar nyelven várhatóan ősszel, az Akkord Kiadó gondozásában megjelenő új könyvében.

A kutatóknak tehát vannak elképzeléseik arról, hogy mire számíthatunk a most megnyíló energiatartományban: főleg új elemi részecskék előállítására, megismerésére. A kísérletek majd kizárják vagy megerősítik ezeknek a feltételezett részecskéknek a létezését, ami végső soron az anyag mélyebb megismeréséhez vezet el bennünket.

Ezekben a dimenziókban természetesen nem egyszerű érzékelni az eseményeket, és még bonyolultabb értelmezni az adatokat. A részecskeütközések következtében fellépő folyamatokat négy nagy detektorrendszerrel fogják megfigyelni. A gigantikus adattömeg feldolgozását hatalmas informatikai háttér segíti, és a kapott eredményeket fogják az elméleti modellekkel összevetni. Az alábbi ábrán például az látható, hogy a fizikusok által régóta keresett, a mai anyagmodellek szempontjából kulcsfontosságú részecske, az úgynevezett Higgs-bozon elbomlásakor milyen más részecskék nyomait érzékelnék.

Szimulált adatok alapján készült modell a Higgs-bozon egy lehetséges elbomlásáról

Biztonságosak-e a tervezett kísérletek?

Az előzőek alapján érthető, ha a tervezett kísérletekkel kapcsolatban biztonsági, sőt környezetvédelmi kérdések is felmerültek, hiszen nem szokványos fizikai viszonyok létrehozásáról van szó. Az alapvető kérdés az, hogy a mesterségesen létrehozott új részecskéknek, illetve az anyag mesterségesen létrehozott új állapotának lesz-e bármilyen fenyegető hatása a környezetre. Fantasztikus, a tudomány határait súroló elképzelésekben sincs hiány, felmerült például fekete lyukak, mindent elnyelő vákuumbuborékok, az anyag lebomlását okozó mágneses monopólusok megjelenésének, sőt az időutazásnak a lehetősége is.

2003-ban már kiadtak egy jelentést ezekről a problémákról, ezt bővítették ki mostanra, még alaposabban elemezve a lehetséges veszélyforrásokat. A mintegy két hete megjelent, a CERN kutatóin kívül amerikai és orosz szakemberek által is jegyzett új jelentés is megállapítja, hogy a kísérletek biztonságosak, aggodalomra nincs ok.

Az indoklás lényege az, hogy a világűrből a gyorsítóban vártnál is nagyobb energiájú részecskék bombázzák a Föld légkörét. Az úgynevezett kozmikus sugárzás hatására természetes úton is létrejöhetnek, illetve az elmúlt évmilliárdok alatt már számtalanszor létrejöttek ilyen, sőt nagyobb energiájú állapotok bolygónkon. Becslések szerint az Univerzumban minden egyes másodpercben tízmilliószor millió "LHC-kísérlet" következik be, láthatóan minden következmény nélkül. Az LHC abban fog különbözni ezektől, hogy irányított körülmények között, jól vizsgálhatóan hozza létre ezeket az állapotokat.

Szimulált adatok alapján készült modell egy miniatűr fekete lyuk elbomlásáról. A legtöbb elmélet szerint nem keletkeznek majd ilyenek az LHC-ben, abban pedig minden modell megegyezik, hogy ha mégis, akkor azonnal elbomlanak, így nem kezdhetik meg a körülöttük lévő anyag elnyelését

A nagy hadron ütköztető építéséről, működéséről és a vizsgálatok céljairól a következő hónapokban részletesen olvashatnak sorozatunkban. Bemutatjuk, hogy az elemi részecskék tanulmányozásához miért van szükség egyre nagyobb és bonyolultabb részecskegyorsítókra, kísérleti berendezésekre. Röviden áttekintjük a CERN több mint fél évszázados történetét, megismerkedünk az itt épült részecskegyorsítókkal és a velük elért legfontosabb fizikai felfedezésekkel. Bemutatjuk az LHC egyedülálló műszaki megoldásait és a legizgalmasabb várt tudományos eredményeket is. Részletesen kitérünk a kutatásokban való magyar részvételre is, amiből azonban cikkünk következő oldalán máris olvashatnak egy rövidebb áttekintést.

Következik: Indul a legnagyobb részecskegyorsító - 1. rész: Miért kellenek a gyorsítók?
Miért építünk hatalmas, drága berendezéseket az elemi részecskék világában zajló folyamatok tanulmányozásához?

* * *

A nagy kérdések

A Wikipedia CERN-oldalán olvasható információk szerint 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 által inspirált modellek jósolják, és "látjuk"-e azokat?
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?

Mindezekről is részletesen olvashatnak majd cikksorozatunkban.

Magyar részvétel a CERN-ben és az LHC-ben

A hazai fizikusok először a dubnai Egyesített Atomkutató Intézet közvetítésével kapcsolódtak be a CERN-ben folyó kutatásokba az 1970-es években, majd fokozatosan kiépültek a kétoldalú kapcsolatok. Magyarország 1992 óta teljes jogú tagja a CERN-nek.

Az utóbbi években a magyar kutatók többsége két, a modern fizika frontvonalában álló kísérletben vett részt a CERN-ben. Az egyikben a nagyenergiájú szuper-proton-szinkrotron (SPS) részecskegyorsítónál az anyag hajdanvolt ősi állapotát próbálják meg laboratóriumi körülmények között létrehozni. A másik fontos kísérletben az anyag és az antianyag különbségeinek feltárásán dolgoznak érzékeny módszerekkel. Az Ősrobbanás után egyenlő mennyiségben keletkezett anyag és antianyag, majd ez az egyensúly megszűnt, az antianyag átalakult, eltűnt. Ezt a folyamatot máig sem értjük, ezért különösen izgalmas az antianyag alapos tanulmányozása.

Az LHC gyorsítógyűrűjének kerülete 27 kilométer, és átlagosan 100 méterrel a Föld alatt halad

Korábban a CERN legnagyobb gyorsítójánál, a nagy elektron-pozitron-ütköztetőnél (LEP) végzett kísérletekben is aktív szerepet játszottak a magyar kutatók. Ma főként az ALICE és a CMS (az LHC detektorai) mellett folyó kutató-fejlesztő munkában, a kísérletek előkészítésében, egyes részegységek létrehozásában vettek részt.

Az LHC támasztotta igények kiszolgálására állítják fel az egész világra kiterjedő számítógépes hálózatot (Computing GRID), ebben szintén részt veszünk egy, a nemzetközihez kapcsolódó hazai GRID-rendszer kiépítésével. Az MTA KFKI RMKI-ban létrehozott számítógépes GRID-farm jelenleg mintegy 200 számítógépből áll, és az ALICE és CMS kísérletek adatainak feldolgozására hozták létre.

Az LHC egyik detektorának szívében

Ezeket a tudományos eredményeket is figyelembe véve a magyar kutatók részvételével született tudományos közlemények száma mintegy 500-ra tehető, ezekre tízezernél több szalmai hivatkozás történt. A magyar fizikusok, mérnökök és információ-technológusok közül körülbelül 30-35 kolléga vesz részt folyamatosan a CERN-kísérletekben, munkájukat körülbelül 15 diák segíti, követi nyomon, azaz évi 2-3 doktori fokozat megszerzésére kerül sor. A résztvevők főként az MTA KFKI Részecske és Magfizikai Kutatóintézet, valamint az ATOMKI kutatói, doktoranduszai, illetve az ELTE, a BME és a Debreceni Egyetem munkatársai és diákjai.

A sötét anyag nyomában - 1. rész: földi

kísérletek

Kitartóan keresik a sötét anyagot a fizikusok. Azért sötét, mert nem bocsát ki fényt, sem másféle, számunkra érzékelhető sugárzást. Sötétnek nevezhetjük azért is, mert egyelőre a sötétben tapogatózunk mibenlétét illetően, pedig már számos detektort építettek a kimutatására. Összeállításunk első részében a részecskegyorsítókkal végzett kísérleteket mutatjuk be.

Mára kiderült, hogy a galaxisok csillagai és sugárzó anyagfelhői, vagyis a "látványos" megjelenésű, műszereinkkel érzékelhető égitestek a Világegyetem teljes anyagának csak kis részét képezik. Ugyancsak ismeretlen jellege miatt kapta a sötét jelzőt az az energia, amely a gravitáció ellen hatva a Világegyetem egyre gyorsuló tágulását okozza.

Az Univerzum történetének első 10 milliárd évét a sötét anyag uralta, majd a sötét energia vette át a főszerepet, és kezdte felgyorsítani a Világegyetem tágulását. Cikksorozatunkban Jéki László fizikus gyűjtötte össze e "sötét dolgokkal" kapcsolatos legfontosabb információkat. Az első részben a sötét anyag feltételezett részecskéit és a kimutatásukra épített berendezéseket mutatjuk be.

A VILÁGEGYETEM KÖZELÍTŐ ÖSSZETÉTELE

Az Univerzum teljes összetételét tekintve a sötét energia részesedését 73%-ra, a sötét anyagét 22%-ra becsülik, így mindössze 5% marad a Világegyetem látható, ismert összetevőire, a csillagokra, galaxisokra, a por- és gázanyagra

Honnan tudjuk, hogy a sötét anyag létezik?

A sötét anyag létezésére a galaxisok mozgásából következtetnek. A megfigyelt mozgás magyarázatához ugyanis nem elégséges a látható, elektromágneses sugárzást kibocsátó anyag, további jelentős tömegre van szükség. Ez lenne a sötét anyag. 1933-ban Fritz Zwicky (Caltech - Kaliforniai Műegyetem) a Bereniké Haja csillagképben a Coma-galaxishalmazt vizsgálva jutott elsőként arra a felismerésre, hogy túl kevés a látható anyag a halmaz tagjainak együtt tartásához.

A sötét anyag egy részét ismerjük, ezek a kihunyt csillagok, a bolygók, a fekete lyukak. Néhány éve vált ismertté, hogy a fénysebességhez közeli sebességgel száguldó neutrínóknak van tömege. Mivel rengetegen vannak, egyenkénti kis tömegük ellenére összességében nagy tömeget hordoznak, ami a Világegyetem össztömegének körülbelül 10%-át teheti ki. A fennmaradó rész, az ún. hideg sötét anyag mibenlétére vonatkozóan viszont egyelőre csak egymásnak ellentmondó feltevések, elméleti modellek léteznek.

Az elemi részecskék elméletének, a Standard Modellnek az egyik továbbfejlesztett változatában minden ma ismert részecskének van egy nála nagyobb tömegű párja, ezek lennének a szuperszimmetrikus partnerek. Kísérletekben évek óta keresik őket, mindeddig eredménytelenül. A sötét anyagot alkothatja ilyen részecske, pl. a WIMP (Weakly Interacting Massive Particle), vagyis egy gyengén kölcsönható, tömeggel rendelkező elemi részecske. A WIMP a legkisebb tömegű szuperpartner, tömege minimum százszor nagyobb a protonénál. Modellszámítások szerint ezek részecskék az Ősrobbanás óta fennmaradtak. Egyes számítások szerint 100 proton tömegű WIMP-részecskékből olyan sok van a Tejútrendszerben, hogy a Föld egyetlen négyzetméterén másodpercenként 10 milliárd haladhat át. Mégsem észleltünk eddig egyetlen egyet sem, tehát nagyon gyenge kapcsolatba kerülhetnek a közönséges anyaggal.

Ugyancsak nagyon gyengén kölcsönhatónak gondolják a kis tömegű axionokat, amelyek szintén jól beleillenek a modern részecskefizikai elméletekbe (részletesen lásd később). Az axionok és a WIMPek egymás mellett is létezhetnek, az egyik létezése nem zárja ki a másikét. A régóta keresett WIMPek és axionok mellett újabb és újabb részecskék létezését is feltételezik.

Hogyan keresik a sötét anyagot?

Számtalan elméleti spekuláció és elemzés után a kísérleti fizikusok hozzáláttak azokhoz a mérésekhez, amelyekkel a sötét anyag mibenlétét akarják feltárni. Egyes kísérletekben közvetlen kimutatásukra törekszenek, a normál anyaggal való kölcsönhatásuk jeleire vadásznak. Mások az égbolton keresik annak a jelét, hogy valahol egy galaxisban a sötét anyag részecskéi kölcsönhatnak egymással.

A Large Hadron Collider (nagy hadron-ütköztető) nevű részecskegyorsító (CERN)

Vizsgálatuk harmadik lehetősége a létrehozásuk, előállításuk részecskegyorsítókban. 2008-ban kezd üzemszerűen működni a világ legnagyobb részecskegyorsítója, a nagy hadron-ütköztető (LHC - Large Hadron Collider) a CERN-ben, a genfi nemzetközi részecskefizikai kutatóközpontban.

Axionok keresése

Mint már említettük, a sötét anyagként szóbajöhető részecskék közé tartoznak az axionok. Ezek a számítások szerint könnyű részecskék, tömegük tízezred-század elektronvolt közé eshet; összehasonlításul az elektron tömege 511 ezer elektronvolt. Kimutatásuk - ha egyáltalán léteznek - azért sem sikerült, mert nagyon kevéssé lépnek kölcsönhatásba az anyaggal. Esetleges létezésükkel 1977 óta számolnak a fizikusok, akkor vezették be őket egy probléma megoldása végett. Ez gyakori eljárás a fizikában, a neutrínó is így "született": először hipotézis volt, aztán kísérletek igazolták a létezését. Ma is egy sor olyan részecske szerepel különböző modellekben, amelyek létezését egyelőre nem igazolják mérések.

2006-ban a legnaroi olasz nemzeti laboratóriumban lézernyalábot vezettek át erős mágneses téren. A nyaláb polarizáltsága megváltozott a mágneses térben, amire számítottak is, de a változás tízezerszer erősebb volt a vártnál. Az egyik lehetséges magyarázat szerint a lézernyaláb fotonjainak kis hányada axionná alakult át. Más kísérletekben azonban nem tudtak axiont közvetlenül kimutatni, így a CERN-ben működő, kifejezetten a Napból várt axionok kimutatásra épített mérőrendszerben sem. A lézeres kísérlet axionos értelmezése akkor lesz meggyőző, ha valóban sikerül az axionokat létezését közvetlenül vagy kevésbé áttételesen igazolni.

Krzysztof Piotrzkowski (Katolikus Egyetem, Leuven, Belgium) Hamburgban a HERArészecskegyorsítónál lát lehetőséget axionok megfigyelésére. A HERA (Hadron-Electron Ring Accelerator) találkozónyalábos gyorsító, ahol például protonokat ütköztetnek elektronokkal. A gyorsító működése során intenzív foton-nyaláb is keletkezik, és ez a nyaláb áthalad a gyorsító erős mágneses terén. Elméleti számítások szerint, ha a foton energiája sokkal nagyobb az axionok feltételezett tömegénél, akkor a fotonok egy része axionná alakul át. Piotrzkowski egy 50 cm vastag ólom réteget helyezne a nyaláb útjába, ez elnyeli a fotonokat, de továbbengedi az axionokat. Az ólomból kilépő axionok egy része visszaalakul fotonná - tehát ha az ólom túloldalán fotonok jelennek meg, akkor ez az axionok létét bizonyítaná.

A HERA részecskegyorsító részlete

Az amerikai Lawrence Livermore nemzeti laboratóriumban olyan kísérletet készítenek elő, amelytől egyértelmű választ remélnek arra, hogy van-e szerepe az axionoknak a sötét anyagban. A Seattle-ban felállítandó mérőrendszerből 2011 táján várhatók az első adatok.

WIMP-részecskékre várnak a földalatti laboratóriumokban

Dél-Koreában mélyen a felszín alatt készítik elő a KIMS (Korea Invisible Mass Search - láthatatlan anyag keresése Koreában) kísérletet. Az észlelőrendszer lelke 100 kilogramm talliummal adalékolt cézium-jodid kristályösszeállítás, amely fényfelvillanással reagál a kristályba jutott részecskékre. A kutatók WIMP-eket keresnek, ennek érdekében igyekeznek megvédeni a kristályt minden más részecskétől. Erre szolgál a berendezés feletti 700 méteres sziklaréteg, a gammasugarak útját 15 cm vastag ólom állja el, az ólomréteg után még egy 10 centis rézlap is véd az ólomból esetleg kilépő röntgensugarak ellen. A neutronok olajfürdőben vesztik el energiájukat, és onnan nem jutnak tovább.

A kísérletet rendkívül gondosan és alaposan készítették elő. Három évig elemezték például a gammasugarak és a kozmikus részecskék által a légkörben keltett és a mélybe jutott neutronok által előidézett fényjeleket. A neutronokkal nagyon kell vigyázni, mert a WIMP-hez hasonló jeleket keltenek. A kísérlet vezetője szerint most már 99,999% biztonsággal ki tudják szűrni a neutronok jeleit. Több éves elékészítés után idén nyáron kezdődött meg az adatgyűjtés. Napi 1-2 WIMP felbukkanására számítanak. Természetesen a WIMP-részecskék csak akkor adnak jelet, fényfelvillanást a detektorban, ha kölcsönhatnak a normál anyag részecskéivel. Ha nincs ilyen kölcsönhatás, akkor továbbra is láthatatlanok maradnak, és nem tudunk megbizonyosodni arról, hogy léteznek-e egyáltalán.

A CDMS kísérlet detektorának hűtőberendezése (Fermilab)

Az Egyesült Államokban Minnesota északi részén, a Soudan bányában szintén mélyen a föld alatt várja a WIMP-részecskéket a CDMS kísérleti összeállítás (CDMS - Cryogenic Dark Matter Search). A detektor germánium- és szilíciumrétegekből áll, ezeket az abszolút nullához egészen közeli hőmérsékletre hűtik le. Ha egy WIMP-részecske beleütközik egy atommagba, akkor az energiaátadás miatt parányi mennyiségű hő jelenik meg. Ezt a hőemelkedést és a kilökött elektronok által keltett töltésváltozást figyeli a detektor. Tavaly ezt a detektort is kibővítették, a korábbi 1 kg helyett már 4 kg germániummal dolgoznak.

Újabb szuperdetektorok

Olaszországban is egy földalatti mérőrendszerrel láttak munkához a fizikusok. A XENON10 detektor a Gran Sasso alagútban kapott helyet 1400 méter mélyen, egy 10 km-es alagút végén. 15 kg folyékony xenont töltöttek tartályba. Ha egy WIMP a xenon-atommagba ütközik, akkor ebben a rendszerben is fény villan fel, és szabaddá válik néhány elektron. Az összehasonlító vizsgálatok szerint aXENON10 mérőrendszer ötször olyan érzékeny, mint a CDMS, de eddig ők sem észleltek WIMP-részecskét. 60 nap alatt 10 további vizsgálatra érdemes eseményt regisztráltak, de később ezek zavaró háttérjeleknek bizonyultak. A kutatók akkor látnák igazoltnak a WIMP-ek létezését, ha legalább 15 olyan eseményt sikerülne rögzíteniük, amire semmilyen más magyarázat sem adható. Hamarosan nagyobbra cserélik a detektort, 60 kg folyékony xenon, az eddigi mennyiség négyszerese kerül a tartályba.

A XENON-10 detektor központi része (Columbia Egyetem)

Japánban, Kamiokában már építik az XMASS detektort, amelynek gömb alakú tartályában 800 kg folyékony xenon várja majd a részecskéket. Angliában is épül egy xenon-detektoros mérőrendszer (Zeplin-III), az első eredmények 1-2 év múlva várhatók. Az olasz Gran Sasso alagútban a Nobel-díjas Carlo Rubbia vezetésével argondetektorra bízzák majd a részecskedetektálást, ez lesz a WARP kísérlet (WIMP Argon Programme).

Mérési hiba?

1997-ben és 2000-ben a Gran Sasso alagútban a DAMA kísérletben WIMP-részecskék észleléséről számoltak be a kutatók a Science hasábjain. Detektoruk 100 kg nátrium-jodid kristályrendszer volt. Az észlelt felvillanások száma szezonális változást mutatott. A magyarázat szerint a galaxis WIMP-felhőt bocsát ki, és a Naprendszert állandó WIMP-szél éri. A Föld a Nap körüli pályáján mozogva periodikusan belemegy a nyalábba, majd eltávolodik tőle. A DAMA kísérlet eredményeit másutt nem sikerült reprodukálni, a fizikusok többsége nem is fogadja el az eredményt, valamilyen mérési hibát gyanítanak. 2003-tól már a továbbfejlesztett, 250 kg-os detektorral mérő DAMA/LIBRA kísérlet gyűjti az adatokat.

Egy amerikai szakmai tanácskozáson 2007 májusában a 170 résztvevő több mint fele arra fogadott, hogy öt éven belül sikerül észlelni sötét anyag részecskéit. A nagyszámú, eltérő technikát alkalmazó kísérletre utalva Rocky Colb professzor, a terület egyik vezető kutatója úgy vélekedett, vagy megtudjuk öt éven belül, hogy a mi sötét anyag, vagy sohasem fogjuk megtudni.

Cikksorozatunk csütörtökön megjelenő, következő részében arról olvashatnak, hogy keresik a sötét anyagra utaló jeleket a csillagászati megfigyelések során.

Jéki László

A sötét anyag nyomában

- 2. rész: égi nyomok keresése

Kitartóan keresik a sötét anyagot a fizikusok. Azért sötét, mert nem bocsát ki fényt, sem másféle, számunkra érzékelhető sugárzást. Sötétnek nevezhetjük azért is, mert egyelőre a sötétben tapogatózunk mibenlétét illetően, pedig már számos detektort építettek a kimutatására. Összeállításunk első részében egzotikus részecskéket mutattunk be, most pedig azt vizsgáljuk meg, hogyan keresik a csillagászok a sötét anyagot az égbolton.

A VILÁGEGYETEM KÖZELÍTŐ ÖSSZETÉTELE

Az Univerzum történetének első 10 milliárd évét a sötét anyag uralta, majd a sötét energia vette át a főszerepet, és kezdte felgyorsítani a Világegyetem tágulását. Cikksorozatunkban Jéki László fizikus gyűjtötte össze e "sötét dolgokkal" kapcsolatos legfontosabb információkat. Összeállításunk első részében a részecskegyorsítókkal végzett kísérleteket mutattuk be, most pedig a csillagászati megfigyeléseket ismerhetik meg ezen a területen.

Térkép a sötét anyag eloszlásáról

2007 januárjában mutatták be a sötét anyag eloszlásáról készített első, háromdimenziós térképet. Mint az első rész elején is olvashatták, a Világegyetemben a közönséges (világító) anyagnál legalább ötször-hatszor több sötét anyag közvetlenül nem észlelhető, jelenlétét csak gravitációs hatása alapján lehet kimutatni. Létezéséről az első közvetlen bizonyítékot 2006-ban a két galaxishalmaz összeolvadásából formálódott Lövedék-galaxishalmaz anyageloszlásának elemzése szolgáltatta.

Az újabb vizsgálatban a Hubble-űrteleszkóp felvételeit földi megfigyelésekkel egészítették ki. A vizsgált égterület nyolcszor nagyobb volt a telehold látszó területénél. Mintegy félmillió galaxis alakját mérték ki. A messzi galaxisokból érkező fényt az útja közelébe eső sötét anyag gravitációs hatása kissé eltéríti, és ebből az ún.a gravitációslencse-hatásból meghatározható a sötét anyag tömege.

Kiderült, hogy a sötét anyag laza hálózatot alkotó hosszú, szálas szerkezetek formájában helyezkedik el. A közönséges anyagból álló galaxishalmazok a sötét anyagszálak találkozási pontjainál csoportosulnak, vagyis ott, ahol a legsűrűbb a sötét anyag. A térkép a Világegyetem történetének második felét tárja fel: ebben az időszakban a láthatatlan tömeg az idő múlásával (a gravitáció hatására) egyre sűrűbb csomókba koncentrálódott, így az eredmény igazolta a szálas szerkezetek kialakulásának elméletét. A sötét anyag csomósodásának felderítése hozzájárulhat a tömegvonzás ellen ható sötét energia mibenlétének tisztázásához.

A sötét anyag szálas, csomós szerkezetű; a közönséges anyagból álló galaxishalmazok a sötét anyagszálak találkozási pontjainál csoportosulnak

Galaxis szinte csak sötét anyagból

Csaknem teljesen láthatatlan, vagyis sötét anyagból álló galaxisra is akadtak már. Az első megfigyelés évekkel ezelőtt történt, de csak mostanra zártak ki minden más lehetséges magyarázatot. A titokzatosVIRGOHI21 galaxis a Virgo-galaxishalmazban található, mintegy 50 millió fényévre tőlünk.

A hideg sötét anyagra vonatkozó számítások szerint több sötét anyagból álló halónak (a galaxisok korongja körüli gömb alakú térrész) kell léteznie, mint látható galaxisnak, vagyis lehetnek sötét halók csillagok nélkül - ezek a sötét galaxisok. Brit, francia, olasz és ausztrál csillagászok a hidrogén 21 cm-es rádiósugárzását mérve keresték a sötét galaxisokat. A VIRGOHI21 100 millió naptömegnyi, semleges hidrogénből álló hatalmas felhő. A galaxis rotációs sebességéből azonban kiderült, hogy tömege ezerszer nagyobb, mint a hidrogén tömege. Ekkora anyagtömeg csillagformában jól látható lenne, de semmiféle látható nyomot nem találtak. Sötét galaxisok valószínűleg akkor keletkeznek, ha az anyag sűrűsége túl kicsi ahhoz, hogy csillagok formálódhassanak.

A VIRGOHI21 közelítő helyzete

Sötét anyag a Tejútrendszer körül

A Tejútrendszert körülvevő sötét anyagról 2000-ben a MACHO kutatócsoport azt állította, hogy nagyjából 20%-át a MACHO objektumok teszik ki. A MACHO (massive compact halo object) megnevezés kisméretű, optikailag nem látható égitesteket takar; valószínűleg ősi, kiégett törpecsillagokról van szó, tömegük nagyjából fél naptömeg. A galaxis láthatatlan tömegének többi részét a gyengén kölcsönható nehéz részecskék (WIMP) adják (lásd az első részben). Az EROS-2kutatócsoport szerint viszont a MACHO-k hányada maximum 7% lehet, de valószínűleg ennél sokkal kevesebb, tehát a haló sötét anyagát csaknem teljesen WIMP-ek adnák.

Mindkét kutatócsoport a mikrolencse-hatást mérte. Ennek lényege, hogy egy távoli csillag fénye megváltozik, napokra, hetekre vagy hosszabb időre kifényesedik a csillag előtt elhaladó MACHO objektum tömegvonzásának hatására. A MACHO program 6 év alatt közel 12 millió csillag fényét mérte ki a Nagy Magellán-felhőben és 17 MACHO égitestet észlelt. Az EROS-2 együttműködés keretében 60 millió csillagot figyeltek meg, és egyetlen MACHO objektumot azonosítottak. A kutatók csak a legfényesebb 7 millió csillagnál keresték a mikrolencse-hatást.

Titokzatos gammasugárzás

Ha a sötét anyagból álló galaktikus halóban két WIMP összeütközik, akkor az elméleti számítások szerint a két részecske szétsugárzódik, és nagyenergiájú gammafotonok vagy más, "normál" részecskék jelennek meg. Vannak olyan mérőrendszerek, amelyek ezeknek a szétsugárzásoknak a jeleit keresik.

Az Európai Űrügynökség 2002-ben felbocsátott INTEGRAL műholdja a korábbiaknál pontosabban mérte ki az elektron-pozitron részecske-antirészecske párok találkozását követően szétsugárzott 511 keV energiájú gammasugárzás keletkezési helyét. A műhold adataiból készített térkép szerint a pozitronok galaxisunk kidudorodó középső részében jelennek meg, nincs nyomuk viszont a galaxis lapos korongjában, amelyben mi is vagyunk. Középen vannak az öreg csillagok, a korongban pedig a fiatalabbak. A pozitronok megjelenésére kínálkozó egyik magyarázat szerint a galaxis magját a sötét anyag könnyű részecskéi veszik körül, ezek bomlásából származnának a pozitronok. A számítások szerint ez csak akkor képzelhető el, ha a sötét részecskék tömege 20 MeV alatti, nagyobb tömeg esetében más energiájú gammasugárzásnak is fel kellene lépnie. (A fizikusok által gyakran használt tömeg (energia) egységek így kapcsolódnak egymáshoz: 1 TeV = 1 ezer GeV = 1 millió MeV = 1 milliárd keV = 1 billió eV; egy proton tömege kb. 1 GeV.)

Galaxisunk középpontja felől rendkívül nagyenergiájú gammasugárzást észleltek. Lehet, hogy a Világegyetem ismeretlen, sötét anyaga a forrásuk? A pontos mérés lehetővé tette a forrás azonosítását, a kibocsátás a galaxis középpontjához köthető. Ha a gammasugárzás forrása a sötét anyag, akkor a kibocsátó részecskék tömegének meg kell haladnia a 12 TeV-et! A sötét anyag részecskéire a Tejútrendszer gammasugárzását vizsgálva tehát két friss becslés született: tömegük vagy jóval 20 MeV alatt, vagy jóval 12 TeV fölött lehet. A korábbi, részleteiben kidolgozottabb elméletek közbenső értékeket jósolnak.

Részecskék a szuperszimmetria elméletből

A CGRO-szonda (NASA)

A Compton Gamma Ray Observatory (CGRO) űrszonda 10 éves adatgyűjtéssel feltérképezte az égbolt extragalaktikus, vagyis nem a mi galaxisunkból származó, 30 MeV-nél nagyobb energiájú gamma-sugárzását. A Würzburgi Egyetem kutatóinak a Physical Review Lettersben közölt számításai szerint a gammasugárzás forrása ún. neutralínók szétsugárzása hideg sötét anyagban. A neutralínók a neutrínók szuperszimmetrikus párjai az ún. szuperszimmetria elmélet keretében. Lehet, hogy a neutralínó a legkönnyebb szuperszimmetrikus részecske, lehet, hogy a WIMP-ek neutralínók. Tömegüket a proton tömegénél (1 GeV) jóval nagyobbnak gondolták, a neutralínó tömegére 515 GeV-et kaptak, 30%-os bizonytalansággal. Ezen a példán jól érzékelhető, hogy mennyire különbözőek lehetnek egymástól a szuperszimmetrikus párok: a neutrínók és feltételezett szuperszimmetikus párjuk, a neutralínók tömege között százmilliárdszoros a különbség.

A neutralínókkal kapcsolatban érdekes ötletet vetettek fel csillagászok: egy fekete lyuk körül keringő fehér törpecsillag megfigyelése közelebb vihet a sötét anyag mibenlétének felderítéséhez. A kérdés tisztázásához mindössze a fehér törpék fényességének változását kellene figyelemmel kísérni. A gondolat egy sor feltételezésre épül, ezért a siker egyáltalán nem biztos. Igor Moskalenko és Larry Wai (Stanford Egyetem, Kalifornia) tavaly közölt gondolatmenete szerint a neutralínók a galaxisok középpontjában koncentrálódnak az ott levő szuper-nagytömegű fekete lyuk tömegvonzásának köszönhetően. A fekete lyuk körül néhány fényév távolságban keringő csillagok magukhoz ragadják ezeket a WIMP részecskéket és "elégetik". A csillagok magjában a WIMP részecskék más részecskékkel ütközve szétsugárzódnak, eredményül gammasugárzás és más részecskék jelennek meg. Ez a folyamat tehát egy újabb energiaforrás a csillag normál energiatermelése mellett. A fehér törpecsillagokban már leállt a magfúziós energiatermelés, az elnyelt sötét anyag lehet az új fűtőanyaguk. A sötét anyagot "elégetve" ezek a csillagok felfényesedhetnek, korábbi állapotukhoz képest sokkal, a Napnál akár több százszor is fényesebbek lehetnek. Olyan fehér törpéket kell nyomon követni, amelyek erősen elnyúlt elliptikus pályán keringenek a fekete lyuk körül. Az elgondolás szerint ezek a fekete lyuktól távol, ahol kevés a neutralínó, normálisan, a megszokott módon világítanak, de a fekete lyukhoz közeledve a sötét anyag elnyelése után drámaian felfénylenek.

A sötét anyag igen sűrű a Galaxis középponti tartományában

2004 szeptembere óta a teljes HESS mérőrendszer üzemszerűen működik Namíbiában. A HESS (High Energy Stereoscopic System - nagyenergiás sztereoszkópikus rendszer) a nagyenergiájú (>100 GeV) kozmikus gammasugárzás minden eddiginél érzékenyebb, jobb felbontású mérésére szolgál. (A név egyúttal a kozmikus sugárzás felfedezőjére, Victor Hessre is emlékeztet.) A mérőrendszer öt évig épült, Németország, Franciaország, az Egyesült Királyság, Csehország, Örményország, Dél-Afrika és Namíbia 19 kutatóintézete vesz részt a programban. A világűrből érkező nagyenergiájú gammasugárzást a légkör elnyeli, majd elektronok és protonok zápora alakul ki. A részecskék a közegbeli fénysebességnél gyorsabban mozognak, ezért ún. Cserenkov-sugárzás jelenik meg, ezt észleli a HESS. A négy, egyenként 107 m² felületű teleszkóp négy különböző nézőpontból mutatja meg ugyanazt a részecskezáport, így a bejövő gammasugárzás iránya 0,1 fok, beérkezési helye 10-20 m pontossággal határozható meg. A mérési adatokból 15% pontossággal lehet visszakövetkeztetni az elsődleges gammasugárzás energiájára. A mérőrendszer azért épült a déli féltekén, hogy optimális látószögből vizsgálhassák galaxisunk középponti tartományát. Az itt levő szupernóva-maradványok, pulzárok, a szuper-nagytömegű fekete lyuk bizonyára szerepet játszik a kozmikus részecskék felgyorsításában. A méréssorozat egyik fő célja a galaxisbeli gammaforrások felderítése.

A HESS projekt teleszkópjai (MPG)

Már az első méréssorozatokból egyértelművé vált, hogy kiemelkedően erős gammasugárforrrás található ugyanott, ahol a szuper-nagytömegű fekete lyuk van. A korábbinál egy nagyságrenddel pontosabban sikerült a forrás helyét kimérni. Régóta gyanítják, hogy a galaxis centrumából nagyon nagy energiájú gammasugárzás lép ki. A sötét anyag részecskéinek, pl. a könnyebb szuperszimmetrikus részecskéknek a szétsugárzását gondolják forrásnak. Ha valóban a sötét anyag szétsugárzása, a részecskék annihilációja megy végbe, akkor ezek a részecskék nagyon nehezek (>10 TeV), és a sötét anyag igen sűrű a galaxis középponti tartományában. További mérésekkel mód nyílik a forrás helyének még pontosabb meghatározására.

2007-ben kezdett adatokat gyűjteni a VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System) az USA-ban Arizona államban a Mount Hopkins hegyen. Jövőre pályára állítják a NASA GLAST teleszkópját (Gamma-ray Large Area Space Telescope). Mindkét rendszer gamma-sugárforrásokat keres a Világegyetemben.

A Veritas Teleszkóp (Purdue University)

A WIMP részecskék szétsugárzása során nemcsak gammasugárzás, hanem más részecskék is megjelenhetnek, pl. a fent már említett elektron-pozitron párok. Az orosz-olasz PAMELA műhold ilyen folyamatokban keletkezett antiprotonokat és más antirészecskéket keres. Az Antarktiszon az IceCube (jégkocka) mérőrendszerben 4200 fényérzékelőt süllyesztettek a jégbe, hogy észleljék a Napból származó neutrínók által keltett fényjeleket. Ha nagyon nagy, 100 GeV energiájú neutront észlelnének, az már nem származhat a Napban zajló ismert magreakciókból, a sötét anyag számlájára írnák.

Gyártsunk sötét anyagot

A feltételezett részecskéknek eddig sem földalatti laboratóriumokban, sem az égbolt fürkészése közben nem bukkantak nyomására. A természet folyamatait figyelve ki vagyunk szolgáltatva a véletlen játékának. Ezért könnyebb bármilyen jelenséget úgy tanulmányozni, hogy magunk idézzük elő az általunk választott helyen és időben. A részecskefizikai laboratóriumok gyorsítóberendezései is ilyen célt szolgálnak. A CERN-ben jövőre üzembe álló LHC gyorsítóban a protonok hétszer nagyobb energiával ütköznek össze, mint az eddig legnagyobb energiájú gyorsítóberendezésben. Ha a szuperszimmetria elméletnek megfelelően léteznek az ismert részecskék szuperpartnerei, akkor nagy számban jelenhetnek meg az LHC detektoraiban. Optimista kutatók szerint 1-2 év alatt tisztázhatják a sötét anyag részecskéinek tulajdonságait. A nemleges eredmény is hasznosul. Ha nem találnak szuperpartnereket, akkor pontosítják az elméletet, az előrejelzéseket. Még el sem indult a több évtizedes működésre tervezett LHC, a fizikusok máris nekiláttak egy még nagyobb energiájú részecskegyorsító, a 40 km hosszú International Linear Collider tervezésének.

Nincs sötét anyag?

Miközben rengetegen dolgoznak világszerte a sötét anyag részecskéinek megtalálásán, a sötét anyag létezését kétségbe vonó elméleteket is kidolgoztak.

Négy elméleti fizikus új modellt ad: nem számolnak sötét anyaggal, energiával, sem más új összetevővel a Világegyetemben, a magyarázatot a Világegyetem inflációjában vélik megtalálni. A modern kozmológiában elfogadott modell szerint a Világegyetem történetének még nagyon kezdeti szakaszában hihetetlenül gyorsan tágult, ez volt az inflációs időszak. Az új elméletben feltételezik, hogy nagyon nagy hullámhosszú, a megfigyelhető Univerzumnál nagyobb hullámhosszú kozmológiai perturbációk mennek végbe. A megfigyelő tapasztalata a perturbációk időbeli változásától függ, így egyes esetekben gyorsuló tágulást észlelhetünk. A hosszú hullámhosszú perturbációk az inflációból erednek. A látható Világegyetem csak egy kicsiny része az infláció előtti Univerzumnak. Vagyis a gyorsulva táguló Világegyetem benyomása azért keletkezik, mert nem vagyunk képesek az egész képet áttekinteni.

Egy másik, merész elmélet szerint azért nincs szükség sötét anyag létezésének feltételezésére, mert a téridőt egy éternek nevezett erőtér hatja át és módosítja, ezzel pedig felerősíti a testek gravitációs hatását. Az elmélet szerint nem kell új, ismeretlen részecskéket keresni, a galaxisok mozgása a ma ismert, látható tömegekkel is leírható, ha ezeknek a testeknek a tömegvonzása nagyobb, mint az a relativitáselméletből következne. Kell tehát léteznie egy olyan hatásnak, ami felerősíti a gravitációt. Glenn Starkman szerint ez lenne az általa éternek nevezett, a téridőt átjáró új erőtér.

Mások korábban a gravitációs törvény megváltoztatását vetették fel. Az eredeti, Newton-féle törvény szerint két test között a tömegvonzás a távolság négyzetével arányosan csökken. A MOND (módosított newtoni dinamika) vagy MOG (módosított gravitáció) elmélete szerint az eddigi törvény csak egy gyorsulási küszöbérték felett lenne érvényes, ez alatt lassabban változik a tér. A tér lassabb változása a korábbinál erősebb tömegvonzást jelent, tehát ebben a modellben is felerősödik a gravitáció, szükségtelenné válik egzotikus részecskék keresése.

A sötét anyag titkainak feltárásában az lenne a legkedvezőbb, ha elő tudnánk állítani a laboratóriumban és megtalálnánk Galaxisunkban is, majd bebizonyosodna, hogy ugyanarról az anyagról van szó. Senki nem tudja, mennyit kell erre várnunk.

Jéki László

Cikksorozatunk harmadik (és egyben befejező) részében a titokzatos sötét energiáról olvashatnak.

A sötét anyag nyomában

- 3. rész: sötét energia

Kitartóan keresik a sötét anyagot a fizikusok. Azért sötét, mert nem bocsát ki fényt, sem másféle, számunkra érzékelhető sugárzást. Sötétnek nevezhetjük azért is, mert egyelőre a sötétben tapogatózunk mibenlétét illetően, pedig már számos detektort építettek a kimutatására. Összeállításunk első részében egzotikus részecskéket, a másodikban csillagászati keresési módszereket mutattunk be, ezúttal pedig a leginkább titokzatos összetevőt: a sötét energiát vizsgáljuk meg.

Az NGC 1672 galaxis (NASA, ESA, STScI)

Egyre gyorsuló ütemben tágul a Világegyetem, jelentette be 1998-ban két nemzetközi kutatócsoport a Hubble-űrteleszkóp mérési adatai alapján. A szenzációs hír azonnal élénk szakmai vitákat indított el. Az első, természetes reakció a kétkedés volt. Stephen Hawking, a kozmológia nagy alakja Al Gore akkori amerikai alelnök kérdésére úgy foglalt állást, hogy szerinte komolyan megkérdőjelezhető a mérések pontossága.

A hír hallatán bizonyára sokan újra feltették magukban azokat a kérdéseket, amelyeket legutóbb gyerekkorukban: mekkora a Világmindenség, milyen a jövője, lesz-e és milyen vége lesz a történetének? A válasz keresése előtt rögtön szögezzük le, hogy ezekre a kérdésekre ma sincs egyértelmű és biztos válaszunk, ahogy nem volt évtizedekkel ezelőtt szüleinknek, tanárainknak sem. Ezt tükrözi a szóhasználat is: a Világegyetem gyorsuló tágulását a sötét energiával magyarázzák a fizikusok. A sötét szó arra utal, hogy ma szinte semmit sem tudunk mibenlétéről.

Nagy Bumm és Nagy Reccs

1929-ben Edwin P. Hubble amerikai csillagász fedezte fel, hogy a Világegyetem tágul: bármerre is nézünk, a messzi csillagrendszerek, a galaxisok távolodnak tőlünk. A Világegyetemet korábban évezredeken át változatlannak, statikusnak tartották. A 20. században született meg az Ősrobbanás, a Nagy Bumm (Big Bang) elmélete. A ma elfogadott érték szerint 13,7 milliárd évvel ezelőtt a Világegyetem végtelen kis méretű és végtelen nagy sűrűségű volt, majd tágulni és hűlni kezdett. Ez a tágulás a jövőben vagy minden határon túl folytatódik, vagy egyszer megáll és megkezdődik a Nagy Reccshez vezető összehúzódás.

Egy nagyságrendileg 10 milliárd fényév távolságban lévő szupernóva a HST felvételén (Riess, STScI, NASA)

A két lehetőség között lényegében az Univerzum tömege, a benne levő anyag mennyisége dönt. Természetesen ezt sem ismerjük kellő pontossággal, így bizonytalanok vagyunk a sokmilliárd évvel távolabbi jövőt illetően. Mostanáig az állandó tágulást egyre lassulónak gondolták, vagyis a tágulás sebessége egyre kisebb és kisebb, mivel a testek közti tömegvonzás, a gravitáció a tágulás ellen hat.

A Hubble-űrteleszkóp felvétele a Cl 0024+17 galaxishalmazról (NASA, ESA, Jee, Ford)

Az új felismerés szerint azonban a tágulás üteme nem lassul, hanem éppen növekszik: a tágulás üteme napról napra nő. Ez csak úgy lehetséges, ha valamilyen erőhatás a gravitációs vonzás ellen hat. A fizikusok erről rögtön Einsteinre gondoltak.

Einstein 1916-ban tette közzé az általános relativitáselméletet. Egyenleteiből kikövetkeztethetően a Világegyetem változik, tágul vagy összehúzódik. Az akkori ismeretekre támaszkodó közfelfogás viszont a Világegyetemet állandónak, változatlannak tartotta. Einstein ezért egy kiegészítő tagot illesztett az egyenleteibe, hogy azok statikus Világegyetemhez vezessenek, ez a kozmológiai állandó. Később, a Világegyetem tágulására vonatkozó bizonyítékokat megismerve ezt a lépését élete legnagyobb tévedéseként emlegette.

Új, antigravitációs erőhatás nyomában

Évtizedeken át nem is esett szó az antigravitációs hatások esetleges létezéséről. Az Ősrobbanás-elmélet részleteinek kidolgozása során az 1980-as években azonban kiderült, hogy a Világegyetem történetéről rendelkezésünkre álló tényanyag úgy írható le jól, ha feltételezzük, hogy az Ősrobbanás utáni első másodperc legelején, egy elképzelhetetlenül rövid időszakasz alatt fantasztikus gyorsasággal tágult a Világegyetem. Az inflálódás és a felfúvódás kifejezéseket használja erre a folyamatra a szakirodalom. A legutóbbi bejelentés szerint az egyre gyorsuló tágulás, vagyis az antigravitációs hatások nem csak az első másodperc törtrészében hatottak, hanem azóta is folyamatosan jelen vannak.

A Chandra-űrteleszkóp (NASA)

A Chandra-űrteleszkóp felvételei alapján amerikai kutatók megállapították, hogy mintegy 6 milliárd éve alaposan megváltozott a Világegyetem tágulásának tempója. Korábban egyre lassuló ütemben, az utóbbi 6 milliárd évben viszont egyre gyorsuló ütemben tágult. A röntgen hullámhossztartományban dolgozó Chandra-űrteleszkóp felvételein 1-8 milliárd fényév távolságban fekvő 26 galaxishalmazt tanulmányoztak. A megfigyelési adatok szerint a múltban a sötét energia sűrűsége nem változott gyorsan az idővel, esetleg állandó is lehetett, összhangban az Einstein által bevezetett kozmológiai állandó fogalmával.

Ha a sötét energia változatlan, akkor az Univerzum örökké tágulni fog. A korábbi drámai forgatókönyvek, a Világegyetem önmagába való összeomlása ("Nagy Reccs"), és a galaxisoktól az atomokig mindennek a szétszakadása ("Nagy Szétszakadás") bekövetkezése ezek szerint kizárható. Az adatok kiértékelése során egyetlen fontos feltevéssel éltek a kutatók: a hatalmas galaxishalmazokban a forró gáz és a sötét anyag aránya valamennyi halmazban azonos. (Mint sorozatunk előző két részében részletesen olvashattak róla, a sötét anyag sugárzásokkal nem ad jelet magáról, mibenlétéről jelenleg csak feltételezések vannak.)

Vázlatos ábra a Nagy Bumm óta eltelt időszakról, eleinte lassuló, majd gyorsuló tágulással (NASA)

Ha lassan is, de gyűlnek a megfigyelési, mérési adatok. A "SuperNova Legacy Survey" nemzetközi kutatócsoport 2003 óta a legnagyobb távcsövek és új módszerek bevetésével méri a szupernóvák távolságát. 2005-ben a Journal of Astronomy and Astrophysics hasábjain tették közzé 71 darab, 2-8 milliárd évvel ezelőtt felrobbant szupernóva adatait. Mérési eredményeik alapján szűkíthető a számba jöhető Világegyetem modellek köre.

Az anyag sűrűsége csökken a tágulással, a sötét energia viszont nagyjából állandónak tűnik. A Világegyetem-modellekben szerepel egy tag, amely a nyomás és az energiasűrűség hányadosát adja meg, ez meghatározza a sötét energia sűrűségének időfüggését, időbeli változását is. Ennek értéke viszont modellfüggő, modellről-modellre változik, tehát a kísérleti tényekkel való összevetés alapján egyes modellek helyesnek, mások tévesnek bizonyulhatnak. A kutatócsoport friss mérési eredményeit is legjobban egy kozmológiai állandó beillesztésével lehet leírni. Ennek értéke eltér attól, amit Einstein annak idején fölírt. A tágulás magyarázatára kidolgozott elméletek köre máris szűkíthető az új adatok alapján, de még mindig tágak a lehetőségek a Világegyetem leírására. A kutatócsoport 2008-ig folytatja az adatgyűjtést, több száz szupernóva adatait szeretnék megmérni, földolgozni. Ezek alapján a mostaninál jóval pontosabban határozhatják majd meg a kozmológiai állandó értékét.

Energia a vákuumból

A modern fizika szerint a vákuumban állandóan keletkeznek és megsemmisülnek részecskék, a vákuum energiát hordoz. A táguló Világegyetemben egyre több lesz a térhez kötődő vákuumenergia, emiatt az energiasűrűség és a nyomás hányadosa állandó marad, tehát van értelme a kozmológiai állandónak. A vákuumenergia viszont a számítások szerint túl nagy, mintegy 100 nagyságrenddel (!) nagyobb annál, mint amennyi a sötét energia megfigyelt hatásának magyarázatához szükséges lenne. Ha csak ez az óriási vákuumenergia hatna, akkor Világegyetemünk egy szempillantás alatt szétrepülne. Talán a természet valamilyen, rejtett szimmetriáján alapuló, ma még ismeretlen hatása kompenzálja a vákuum-energiát?

A tervezett JDEM-szonda (NASA)

A kozmológiai állandó újbóli bevezetése mellett ismét felmerült egy ötödik fajta kölcsönhatás létezésének lehetősége is. A fizikai szaklapokban sorra jelennek meg az egyik lehetőség mellett érvelő, a másik hibáira rámutató számítások. Elvileg nagyon különböző kiinduló alapokról el lehet jutni ugyanahhoz a matematikai eredményhez, a gyorsuló tágulás leírásához. A döntéshez további megfigyelési adatokra lesz szükség. Folytatják a szupernóvák feltérképezését, mérik távoli galaxisok röntgensugárzását. Keresik a sötét energia hatásának jeleit a Világegyetem mikrohullámú háttérsugárzásában.

2003-ban a NASA "Einsteinen túl" (Beyond Einstein) címmel új kutatási programot hirdetett meg. A szakemberek öt célt tűztek ki, a fekete lyukak, a gravitációs hullámok, a sötét anyag, az Univerzum korai inflációja és a sötét energia tanulmányozását. A NASA tavaly felkérte az amerikai akadémiák közös kutatási tanácsát a programok rangsorolására. Első helyre a sötét energia vizsgálata került, ezt követi a gravitációs hullámok mérésére tervezett lézer-inteferométer űrantenna (LISA), a másik három programra egyelőre nincs pénz. Jövőre kezdődik meg az érdemi munka a Joint Dark Energy Mission(JDEM) program keretében. A tervezett költségek meghaladják az 1 milliárd dollárt, az űrszonda felbocsátása 2015-re várható.

Napjaink egyik legnagyobb csillagászati rejtélye

A felfedezés óta eltelt egy évtizedben tehát továbbra is titokzatos, valóban sötét maradt a sötét energia. A Világegyetem háromnegyedét kitevő "valamit" nem sikerült megismerni. Mindössze néhány mondatban összefoglalható, mit tudtunk meg eddig a sötét energiáról.

Nem bocsát ki fényt. A hozzá tartozó nyomás nagy negatív érték. Eloszlása közelítőleg homogén. "Mivel a sötét energia nyomása nagyságrendileg megegyezik energiája sűrűségével, ezért inkább energia, mint anyag jellegű" - írta a Fizikai Szemlében Németh Judit akadémikus.

Van tehát a Világegyetemben valami, amit nem látunk és egyelőre nem is értünk. Ahogy Marx György akadémikus írta néhány éve a Fizikai Szemlében: "Az Univerzum tágulása kezdetben lassult, most pedig gyorsul! ... Ezzel föladta a leckét: derítsétek ki, hogy egy újfajta anyagról van szó, ami másra csak gravitációja révén hat, vagy a vákuum jelzi létét a kozmológiai állandó révén, esetleg egy új fizika küszöbére értünk..." A fizikusok persze új fizikában reménykednek. S. Weinberg Nobel-díjas fizikus szerint "bárhogy is oldódik meg a sötét energia és a kozmológiai állandó problémája, annak valószínűleg mély hatása lesz a fizika és a csillagászat egészére."

Ha a Világegyetem valóban gyorsuló ütemben tágul, akkor néhány milliárd év múlva távcsövekkel szemlélődő utódaink szeme elé más éjszakai égbolt tárul majd. Sokkal üresebb lesz, a ma látható galaxisok közül sok eltűnik a látótérből. Az új felfedezés egyik szerzőjének megfogalmazása szerint nagyon magányos lesz ez a világ.

Jéki László

Sötét energia uralja a Világegyetemet

A Hubble-űrtávcső legújabb megfigyelései is megerősítik az elgondolást, amely szerint gyorsuló ütemben tágul a Világegyetem. Az új eredmények alapján a gyorsuló tágulást okozó láthatatlan energia legalább 9 milliárd éve jelen van az Univerzumban, és 5-6 milliárd éve vette át az uralmat.

Forrás: NASA, ESA, A. Reiss, STScIA felmérés keretében talált egyik távoli szupernóva

Az elmúlt években a távoli szupernóvák megfigyelése során felmerült, hogy a Világegyetem tágulása a korábbi feltételezéstől eltérően nem lassul, hanem ellenkezőleg: gyorsul. A gyorsulást kiváltó tényezőt láthatatlan avagy sötét energiának nevezték el. Bevezetése megosztotta a szakmát, sokaknak túlságosan radikális volt az elgondolás, mások szerint pedig nem volt elég szilárd alapja a feltételezésnek. A Hubble-űrtávcső új megfigyelései azonban ezúttal is megerősítették az elmúlt évek egyik legfontosabb felismerését a Világegyetem viselkedésével kapcsolatban.

Kozmikus távolságjelzők

Az Univerzum tágulásának megfigyeléséhez idős, a korai állapotokat képviselő objektumokat kell tanulmányozni, és azok távolságát minél pontosabban megállapítani. Az ilyen nagy méretskálán történő távolságmérés a csillagászat nehéz területe. Az egyik legmegbízhatóbbnak tartott és nagy távolságokon is használható módszer az Ia típusú szupernóvák robbanásának megfigyelése. Ilyen eseményekre akkor kerülhet sok, amikor egy kettős csillagrendszerben egy fehér törpére (a közepes tömegű csillagok fejlődésének késői állapota) anyag áramlik át társcsillagáról. A kritikus anyagmennyiséget elérve termonukleáris fúziós robbanás történik, és Ia típusú szupernóvaként lángol fel a rendszer.

Ha a jelenség valóban a fentiek szerint zajlik le, akkor a robbanásra mindig nagyjából ugyanakkora tömegnél kerülhet sor, tehát az Ia típusú szupernóvák mindig "ugyanakkorát robbannak", azaz abszolút fényességük megegyezik. Ezt pedig fel tudjuk használni távolságmérésre: minél messzebb történik a robbanás, fénye annál halványabbnak látszik - amit a valódi fényességgel összehasonlítva a távolságra következtethetünk.

A probléma az, hogy egyelőre nem vagyunk teljesen biztosak abban, hogy pontosan így zajlanak-e az Ia típusú szupernóva-robbanások, és nem például két fehér törpe összeolvadása révén. Emellett az ilyen távoli eseményeket nem is egyszerű megfigyelni. Ugyanakkor a láthatatlan energia mibenléte, időbeli változása avagy állandósága szintén nem ismert eléggé elméleti szinten sem. Mindezek miatt kiemelten fontos a távoli Ia típusú szupernóva-robbanások megfigyelése.

A láthatatlan energia és láthatatlan tömeg

Mint említettük, a korábbi eredmények alapján feltételezett gyorsuló tágulást a láthatatlan (avagy sötét) energia bevezetésével magyarázták. Egy ehhez hasonló, a gravitációhoz viszonyítva ellentétes jelleggel működő (taszító) tényezőt Eistein már a múlt században előre jelzett, kozmológiai állandó néven - később azonban mégis elvetette létezését.

Ma azonban ismét számolnak vele: a mai elgondolások alapján a Világegyetem tágulásával az egyes objektumok egyre távolabb jutottak egymástól, és a közöttük lévő gyengülő gravitációs vonzás nyomán a láthatatlan energia antigravitáció jellegű hatása idővel dominánssá válhatott. Ennek eredményeként a Világegyetem tágulása egy kezdeti lassulás - amelyben a szintén csak közvetve megfigyelhető láthatatlan tömegnek volt döntő szerepe - befejeződése után gyorsulásba váltott. Nagy kérdés, hogy mikor vette át az "uralmat" a láthatatlan energia, tehát az eleinte lassuló tágulás mikor váltott gyorsuló fázisba.

Az eddigi megfigyelések eredményei

A Hubble-űrtávcső elmúlt két évben végzett megfigyelései 24 távoli Ia típusú szupernóva-robbanás elemzését tették lehetővé. A megfigyelések alapján egyrészt úgy fest, hogy a felrobbant szupernóvák viselkedése és jellemzői erősen hasonlítanak a mai, a közelünkben megfigyelt robbanásokra - azaz nyugodtan használhatók távolságmérésre. A megfigyelések alapján a sötét energia nem "új" jövevény a Világegyetemben, hanem fejlődéstörténetének nagy részében, legalább kilencmilliárd évvel ezelőtt már érezhető volt a hatása.

A mellékelt felvételeken a HST által megörökített, 3,5 és 10 milliárd fényév közötti távolságban lévő galaxisok láthatók a szupernóva-robbanás idején (fent), illetve azt megelőzően (lent) (NASA, ESA, A. Reiss, STScI)

A növekvő méretű Világegyetemben az egymástól egyre távolabb kerülő objektumok közötti gyengülő tömegvonzás nyomán öt-hatmilliárd évvel ezelőtt vehette át a domináns szerepet a láthatatlan energia - innen kezdve tágult tehát a Világegyetem gyorsuló ütemben. Mindent összevetve úgy fest, hogy a láthatatlan energia révén a Világegyetem jelenleg is gyorsuló ütemben tágul. Az Univerzumban jelenlévő teljes anyag és energia mennyiségének kb.70%-át teszi ki a láthatatlan (avagy sötét) energia. A maradék 30% nagyobb felét a láthatatlan (avagy sötét) tömeg adja, és a jéghegynek csak egészen kis csúcsa az, amit mi látható formában, csillagok, galaxisok és egyéb objektumok képében megfigyelhetünk.

Balra a lassuló és a gyorsuló tágulás egyszerű szemléltetése látható. Az ábrán az idő felfelé halad, alul az Ősrobbanás, legfelül pedig napjaink Világegyeteme foglal helyet. A láthatatlan energiával kapcsolatos fejtegetések és események jól jellemzik a természettudomány fejlődésének jellegét: első lépésként egy új megfigyelés a korábbival ellenkezőt állít. Erre a válasz a jogos kételkedés, és ugyanakkor egy lehetséges magyarázat megalkotása/felélesztése. Mindezek után új megfigyelésekkel próbálunk közelebb jutni a megismerhető valósághoz, amely során elméleteinket is fejlesztjük.

A sötét energia létezésének bizonyítékai egyre erősebbnek mondhatók, de még sok megfigyelés szükséges ahhoz, hogy megnyugtatóan beilleszthessük világképünkbe.

Kereszturi Ákos

Új bizonyíték a sötét energiára

Új megfigyelések erősítik meg, hogy a Világegyetemben valóban létezik a "sötét energia". Hatalmas adatmennyiség feldolgozása után megállapították, hogy az Univerzum mikrohullámú háttérsugárzása forróbb ott, ahol több az anyag - a kutatók szerint ezt a jelenséget csak a sötét energia okozhatja.

Az 1930-as években született meg a Világegyetem történetének ősrobbanás (Big Bang) modellje. Eszerint a Világegyetem folyamatosan tágul. A tágulást a galaxisok színképének megfigyelt változásai (vöröseltolódás) és később más mérési adatok is alátámasztották. A modellek egyre lassuló tágulással számoltak, vagyis az Univerzum anyagcsomói közti tömegvonzás egyre inkább lefékezi a tágulást. Később kiderült, hogy az őstörténet kezdetén, még az első másodperc elején lehetett egy olyan nagyon rövid szakasz, amikor gyorsulva tágult a Világegyetem. Ezt követően azonban egyre kisebb volt a tágulás üteme, a tágulás lassult.

1998-ban új mérési adatok alapján a korábbival éppen ellentétes következtetésre jutottak: a Világegyetem tágulása jelenleg nem lassul, hanem gyorsul. A Hubble-űrtávcső nagyon távoli szupernovákról készült felvételei alapján meghatározták a felrobbanó csillagok távolságát és az onnan ideérkező fény jellemzőit, ebből jött ki a tágulás gyorsulása. 2001-ben egy újabb szupernova-felvétel elemzése hasonló eredményre vezetett.

A tágulás üteme csak úgy fokozódhat, ha valamilyen hatás a gravitáció ellen dolgozik, ez az ismeretlen valami kapta a "sötét energia" nevet - a sötét szó az ismeretlenségre utal. Van a világegyetemben valami, amit nem látunk és egyelőre nem is értünk.

Az új bizonyíték a Világegyetem 1965-ben felfedezett mikrohullámú háttérsugárzásához kapcsolódik. Ez a sugárzás akkor keletkezett, amikor az Univerzum kb. 300 000 éves volt. Az első mérések még egyenletesnek mutatták a minden irányból érkező sugárzást. Később műholdas mérések, először a COBE, majd a WMAP műhold mérései parányi eltéréseket mutattak ki a háttérsugárzás irányeloszlásban.

A kutatók a WMAP műhold friss mérési adatait összevetették a galaxisok térbeli elhelyezkedéséről rendelkezésre álló információkkal. A Sloan Digital Sky Survey mintegy 25 millió galaxis adatait rögzíti. Az összehasonlítás során egyértelmű összefüggésre bukkantak: kissé magasabb hőmérsékletnek megfelelő sugárzás érkezik azokból az irányokból, amelyekben több a galaxis, nagyobb az anyagmennyiség. Az eltérés jól értelmezhető egy antigravitációs hatással, a feltételezett sötét energiával. Mibenlétéről most sem tudunk többet, csak létezése látszik biztosabbnak. Steven Weinerg Nobel-díjas fizikus biztos abban, hogy "bárhogy is oldódik meg a sötét energia problémája, annak valószínűleg nagy hatása lesz a fizika és a csillagászat egészére."

Jéki László

bújt az üldözött

2020. március 5., csütörtök

CERN – INDITÁSA

Indul a legnagyobb részecskegyorsító

- 1. rész: Miért kellenek a gyorsítók?

Indul a legnagyobb részecskegyorsító

- 2. rész: Antianyag, ősanyag és más korábbi nagy felfedezések

Indul a legnagyobb részecskegyorsító

- 3. rész: Hidegebb lesz, mint a világűr

Indul a legnagyobb részecskegyorsító

- 4. rész: Végre megfőhet az ősleves

Indul a legnagyobb részecskegyorsító

- 5. rész: Hová tűnt az antianyag?

Indul a legnagyobb részecskegyorsító

- 6. rész: A modern fizika Szent Gráljának nyomában

Nem fog összeomlani az Univerzum a világ legnagyobb részecskegyorsítójától

A sötét anyag nyomában - 1. rész: földi

kísérletek

A VILÁGEGYETEM KÖZELÍTŐ ÖSSZETÉTELE

A sötét anyag nyomában

- 2. rész: égi nyomok keresése

A VILÁGEGYETEM KÖZELÍTŐ ÖSSZETÉTELE

A sötét anyag nyomában

- 3. rész: sötét energia

Sötét energia uralja a Világegyetemet

Új bizonyíték a sötét energiára

Nincsenek megjegyzések:

Megjegyzés küldése