Világunk építőköveit kutatja a részecskefizika

Az a gondolat, hogy az anyag alapvető „építőkövekből” épül fel, több mint 2000 éves. Az építőkövekről azt feltételezték, hogy egyszerűek és szerkezet nélküliek, Demokritosz például így gondolkodott időszámításunk előtt 450-ben: „Az örökké való dolgok természete végtelen számú kis részecskékből áll [...] a részecskék olyan kicsik, hogy felfoghatatlanok számunkra, és a legkülönbözőbb alakzatokat öltik, és mindenféle formájúak és különböző méretűek. Belőlük, mint az elemekből (föld, víz, tűz, levegő) állítódnak össze és erednek a látható és felfogható testek...”

Ma már tudjuk, hogy a Világegyetem összes anyaga közel száz különböző típusú atomból épül fel, mindegyik negatív töltésű elektronokból áll, amelyek a pozitív töltésű magok körül keringenek. A mag továbbá nukleonokból áll: pozitív protonokból és semleges neutronokból. Mindezen összetevőket a fizikusok anyagrészecskéknek nevezik. Az elektronnak nincs belső szerkezete. A protonok és neutronok összetett részecskék, mindegyik három kvarkból áll. Az elektronhoz hasonlóan a kvarkoknak sincs belső szerkezete. Csak két fajta kvark szükséges ahhoz, hogy felépítsük a protont és a neutront: az u (up = fel) és a d (down = le) kvark. Még egy további szerkezetnélküli részecskét kell hozzávennünk, hogy teljes legyen a kép: egy semleges nagyon könnyű részecskét, a neutrínót. Ez fontos szerepet játszik azokban a reakciókban, amelyekben a neutronok protonná alakulnak át és fordítva. Ezek a reakciók alapvető jelentőségűek a radioaktív bomlások során és a Nap energiatermelésében.

Összesen ez a négy részecske kell ahhoz, hogy felépítsük a közönséges anyagi világot magunk körül. Ezen túl vannak az anyagnak kevésbé közönséges formái, amelyek léteznek, de nem látjuk őket: a kozmikus sugárzás, amely az űrből érkezik, valamint a nagyenergiás anyag, amit a laboratóriumainkban hozunk létre, és mindezek „tükörképe”, az antianyag. Ezek leírását és megmagyarázását tűzik maguk elé az elemi részecskék fizikájával foglalkozó fizikusok.

STANDARD MODELL – A NAGY ELMÉLET FELÉ

A fizika elsődleges célja, hogy egységes módon értse meg a természet csodálatos változatosságát. Minden múltbeli nagy eredmény e cél felé vezető újabb lépés volt: az égi és földi mechanika egyesítése Newton által a 17. században; az elektromosság és mágnesesség Maxwell által kidolgozott elmélete a 19. században; a téridő geometriájának és a gravitáció elméletének egyesítése Einstein által 1905 és 1916 között, valamint a kémia és az atomfizika megértése a kvantummechanika kialakulásával az 1920-as években.

Van-e mód további egyesítésre? Igen, a részecskefizika Standard Modellje egyesíti az elektromágneses és gyenge kölcsönhatásokat, azokat az erőket, amelyek a radioaktív kölcsönhatásokért felelősek, és hasonló módon írja le az erős kölcsönhatásokat, azokat az erőket, amelyek a kvarkokat tartják a protonon és a neutronon belül, és amelyek a protonokat és neutronokat tartják össze a magokban.

Több mint 20 fizikus kapott Nobel-díjat olyan eredményért, amely megalapozta a Standard Modellt, a kvantumelektrodinamikától kezdve (1965) a neutrínó és a tau részecske felfedezéséig (1995), legutoljára pedig alapvető elméleti munkájukért ‘t Hooft és Veltman (1999) holland fizikusokat díjazták.

A Standard Modell relativisztikus kvantumtérelmélet. Alapvető elemei terek, köztük az elektrodinamika elektromos és mágneses terei. Ezen terek kis fodrozódásai energiát és impulzust hordoznak helyről helyre. A kvantummechanikából pedig az következik, hogy ezek a fodrok kis csomagokat, kvantumokat alkotnak, amiket a laboratóriumban elemi részecskékként ismerünk fel. Például az elektromágneses tér kvantuma az a részecske, amit fotonnak nevezünk.

A részecskefizika szintjén a különböző kölcsönhatásokban részecskék keletkeznek és tűnnek el, elbomlanak és átalakulnak. Például egy szabad neutron elbomlik egy elektronra, egy protonra és egy antineutrínóra. A bomlások során a nehezebb részecskék könnyebbekre bomlanak el, ha ez lehetséges. Mi szabályozza ezeket a bomlásokat?

Minden folyamat során kötelezően érvényesülnie kell az alapvető megmaradási törvényeknek: az energia, az impulzus és az impulzusmomentum megmaradásnak. Természetesen a speciális relativitáselmélet következtében a tömeg és az energia ekvivalens, így például a neutron, melynek tömege nagyobb, mint a proton, elektron és antineutrínó együttes tömege, elbomolhat ezekre a részecskékre. Miért nem bomlik el mégis minden részecske a legkönnyebbre? Mert vannak még más megmaradási törvények is. Ilyen például az elektromos töltés megmaradása, vagy a protonhoz és neutronhoz rendelhető „bariontöltés” megmaradása. Az utóbbi miatt nem bomolhat el a proton például pozitronná és fotonná. Bizonyos mennyiségek minden kölcsönhatás folyamán megmaradnak, mások csak bizonyos kölcsönhatások esetén.

A RÉSZECSKEKUTATÁS „MIKROSZKÓPJAI”: A GYORSĺTÓK

Csak úgy tudunk a Standard Modell keretében egyre újabb eredményeket elérni, ha egyre nagyobb energiájú részecskeütközéseket hozunk létre. Az erre szolgáló berendezések rendkívül költségesek. Látva az Egyesült Államokban és a Szovjetunióban megindult kísérleti berendezéseket, 1954-ben tizenkét európai állam egyezményt írt alá egy európai részecskefizikai kutatóközpont létrehozására.

A CERN kutatóközpontot Genf mellett a francia-svájci határ mentén hozták létre. A helyszínválasztásnak geológiai oka is volt, itt találtak egy olyan összefüggő geológiai táblát, amelyre rá lehetett helyezni a berendezéseket. Az együttműködés sikerét mutatja, hogy mára húsz európai ország, többek között Magyarország is (1992) csatlakozott ezekhez a kutatásokhoz.

A korábbi nagy tárológyűrűs berendezésen sikerült felfedezni többek között a W és Z bozont 1983-ban, amit Nobel-díjjal jutalmaztak. 2007-re a korábbi LEP kísérletre megépített 27 km hosszúságú alagútban az új kísérleti berendezést, az LHC-t fogják üzembe helyezni, amelyben nagyenergiájú protonnyalábokat kívánnak ütköztetni. (Sebességük a fénysebesség 99,999999%-a.) Ahhoz, hogy egy ilyen nyalábot eltérítsenek kör alakú pályára, igen nagy mágneses térerősségre van szükség: 8,5 Teslára. Az alagútban 1232 darab 15 méter hosszúságú mágnest helyeznek el. A mágneseket szupravezető kábelekből hozzák létre, amelyekben 12000 A áram folyik és állandó -271 °C-on vannak tartva. Azt, hogy ilyen mágnesek létrehozhatók és tartósan működtethetők, kísérletileg igazolták 1994-ben.

A nyalábok az alagút négy pontjában fogják metszeni egymást, ahol a részecskék ütközését detektorokkal vizsgálják majd. A cél az, hogy minél több olyan ütközést hozzanak létre, amikor a két protont alkotó kvarkok közül egy pár frontálisan ütközik. Ezeket a nagyenergiás eseményeket kívánják kiszűrni. A nyaláb – mint egy gyöngyfüzér – 25 milliárdod másodpercnyi távolságra levő protoncsomagokból fog állni. Ezek a csomagok minden ütközési pontnál áthaladnak egymáson 40 milliószor egy másodperc alatt, minden alkalommal körülbelül 20 ütközés jön létre. Már akkor újabb ütközés jön létre, amikor még az előző ütközés termékei repülnek a berendezésen belül. ĺgy 800 millió ütközés jön létre másodpercenként, ezek közül azonban csak egymilliárd ütközés közül egyben fordul elő, hogy két kvark frontálisan ütközik. Hogy ezzel az őrült sebességgel lépést tudjanak tartani, az információt a detektorból olyan elektronikus vonalon küldik tovább, amely elég lassú ahhoz, hogy néhány ezer esemény adatait tárolja. Ez lehetőséget ad a számítógépeknek, hogy eldöntsék, érdekes-e az esemény és rögzítsék-e, mielőtt a vonal végére érne és elveszne. Az LHC detektorok egy esemény esetén több tízmillió adatot szolgáltatnak. Megfelelni ennek a feladatnak észbontó követelmény.

Négy detektor építése van folyamatban: az ATLAS és a CMS 22 m magas óriások, az ALICE és az LHCb kisebbek. A CMS eszközt fejlesztésén 36 nemzet, 159 intézet 1940 tudósa dolgozik jelenleg, köztük Magyarország kutatói is.

A RÉSZECSKEFIZIKA „HASZNA”

Az LHC berendezés bemutatása érzékeltethette, hogy milyen szintű technikai nehézségekkel kell megküzdeniük a kísérleti fizikusoknak. A CERN filozófiája az, hogy a kísérleti fejlesztésekhez szükséges berendezéseket lehetőleg a tagállamok cégeitől rendeli meg, ezzel is segítve e cégek fejlődését és a tagdíjként befolyt tőke visszajuttatását a tagokhoz. Az LHC esetében az együttműködés túlmutat az európai tagországokon, bár ezek előnyös helyzetben maradnak. Rajtuk kívül az összes nagyobb állam tudományos közössége (Kanada, India, Izrael, Japán, Oroszország és az Egyesült Államok) is csatlakozott, és a fejlesztési költségek majdnem 40%-át fedezi. ĺgy az LHC az egész világ mérőlaboratóriuma lesz, közel 5000 kutató fog dolgozni a méréseken. A teljes hátralévő költséget 2003. januárjában 3220 millió svájci frankra becsülte az intézet vezető tanácsa.

Az egyik fontos feladat a számítógépes adatfeldolgozás biztonságos megteremtése lesz. A CERN-ből indult ki a keletkező több Pbyte – többmillió Gbyte – adat feldolgozására való elosztott PC-alapú GRID technológia megteremtése. Ebben jelentős szerepet vállalnak a magyar kutatók is. Ilyen nagyságrendű adat gyors kezelése lehetővé tenné például olyan részletes egészségügyi adatbázis felépítését, amelyben egy Magyarország méretű ország összes egészségügyi adatai az orvosok számára bárhol azonnal elérhetők volnának. A különböző vizsgálatok eredményei azonnal kiértékelhetők és a korábbiakkal öszszevethetők lennének. De fontosak az ilyen számítógépes fürtök az elméleti fizika szempontjából is. Ezeken viszonylag szerényebb költség mellett lehet végrehajtani a szükséges nagy számítógép-kapacitást igénylő számításokat.

A CERN-hez kapcsolódik az az újítás is, amely az egész világra hatást gyakorolt: a világhálót és a böngésző szoftvert arra fejlesztették ki, hogy az előző LEP eszköz eredményeit minél könnyebben lehessen megosztani a résztvevők között. Éppen tíz évvel ezelőtt tette a CERN szabad szoftverré és szabad technológiává ezt az eszközt, melynek megalkotója Tim Berners-Lee, a CERN munkatársa volt.

Készítette az M&H Communications szabad felhasználásra, a szerzői jogok korlátozása nélkül.

HORVÁTH ZALÁN fizikus

1943. október 7-én született Debrecenben. 1961-ben érettségizett a Piarista Gimnáziumban. Az ELTE-n diplomázott fizikusként 1967-ben. 1970-ben részecskefizikából védte meg doktori disszertációját. A fizikai tudományok doktora címet szerzett 1991-ben. A Magyar Tudományos Akadémia 1998-ban levelező tagjai közé választotta. Munkahelye az ELTE Elméleti Fizikai Tanszéke, ahol 1971 óta dolgozik. 1993 és 2001 között tanszékvezető, 1995-től 2001-ig tanszékcsoport-vezető volt. 2001-től a Fizika Doktori Iskolát vezeti az ELTE-n. Számos tanulmányutat tett, többek között ĺrországba, Olaszországba, Németországba, Angliába és Franciaországba. Kiterjedt oktatói tevékenységet folytat. Tudományos kutatásait az elméleti elemi részecskefizika, a kvantumtérelmélet és a húrelmélet területén folytatja. 1985-ben Akadémiai Díjat, 1996-ban Széchényi Professzori Ösztöndíjat kapott. Tudományos publikációinak száma 81, melyekre több mint 1000 független hivatkozás érkezett. Több bizottság és kuratórium tagja, az Akadémia Fizikai Osztályának elnöke.