Előfizetés a lapra

Részecskék kis- és nagyenergiákon

A hét kutatója, CERN, fizika, interjú, LHC

2017/05/17

Barna Dániel neve két témával is bekerült nemrég a nemzetközi tudományos sajtóba. Részt vesz a következő, az LHC-nél is nagyobb energiákon működő gyorsító, az FCC megvalósításának első munkálataiban, és ő koordinálja a magyar részvételt ebben a programban. Egy nemzetközi kutatócsoport tagjaként társszerzője volt a Science című folyóiratban megjelent tanulmánynak, amely arról szólt, hogyan mérték meg minden eddiginél pontosabban az antiproton tömegét. Az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont tudományos főmunkatársával tevékenységének mai és jövőbeli jelentőségéről beszélgettünk.

– A CERN és benne az LHC neve fogalom a részecskefizikában. Miért van szükség mégis újabb gyorsítóra?

– Mi, kutatók, mindig mélyebbre szeretnénk jutni az anyag belsejébe, hogy még jobban megismerjük az alapvető folyamatokat, részecskéket. Az LHC nagy eredménye a Higgs-bozon volt, és nagy reményeket fűztek ahhoz, hogy látszani fog más fizika is, de úgy tűnik, nincs semmi új. Az FCC (Future Circular Collider) célja, hogy eljussunk olyan tartományokba, ahol a várt vagy legalábbis feltételezett új fizika meg fog jelenni. Olyan nagy kérdésekre kaphatunk választ, hogy léteznek-e a szuperszimmetrikus részecskék, vagy hogy miből áll a sötét anyag.

 A gyorsítókban általában részecskenyalábokat ütköztetünk, és ezek során keletkezhetnek új részecskék. Itt is érvényes a híres tömeg-energia egyensúly, az E=mc2, vagyis ahhoz, hogy egy m tömegű részecske létrejöjjön, mc2 energia szükséges. Tehát minél nagyobb a tömege, annál nagyobb összenergia kell a keletkezéséhez. Lehetnek olyan nagy tömegű részecskék, amelyeknek a keltéséhez eddig nem tudtunk kellő energiát elérni.

– A tervek szerint 2035-ben indul az FCC, ami kissé távolinak tűnik. Hol tart most a fejlesztés?

– A projekt 2014-ben kezdődött egy nyitótanácskozással. 2019 elej-ére kell letenni egy megvalósíthatósági tanulmányt konkrét cselekvé-si programmal. Ezen a területen 20–25 év az átfutási idő, úgyhogy már most is nagyon komoly fejlesztés és kutatás zajlik. Az egyik sarkalatos kérdés a nagyon erős, 16 Teslás mágnesek létrehozása, ami duplája az LHC mágneseinek. Egy másik probléma, hogy nagyon nagy vákuumot kell létrehozni úgy, hogy közben a hatalmas energiájú protonnyalábból származó szinkrotron sugárzás bombázza a vákuumkamra falát. Kérdés az is, hogy hogyan oldható meg a nyaláb ki- és becsatolása, mert ilyen energiákon nagyon nehéz őket kezelni. Ennek a megoldásában is részt akarunk venni. A rádiófrekvenciás rendszerek terén is nagy szükség van fejlesztésekre, mert itt olyan energiaszükséglete lenne a gyorsítónak, ahol néhány százaléknyi hatékonyságjavítás is nagyon komoly áramszámla csökkenést okozhat. Ezeken a területeken kell néhány éven belül használható eredményeket produkálni, és javaslatot tenni a legfontosabb problémák megoldására. Akkorra derül ki, hogy mennyibe kerülne ennek a gyorsítónak a megépítése, és ezután döntenek a megvalósításról. Tehát még egyáltalán nem biztos, hogy elfogadják ezt a projektet. De arra mindenképpen jó, hogy nagyon sok problémát felvet, és szervezett keretet biztosít a fejlesztéseknek, összehangolja a széles körben folyó kutatásokat.

– Az Ön egyik fő témája az előbb említett nyalábkicsatolás. Hogy lehet ezt megoldani?

– Éppen ez a kérdés! Már az LHC nyalábja is rettentően pusztító, ha félreszaladna, kivágná magát a gyorsítógyűrűből. Az FCC nyalábja 350 méter rézen vágná át magát, ha egy pontba csapódna be. A nyaláb kezelése, és a tőle való megszabadulás tehát egyáltalán nem egyszerű. Az LHC-ben normál vezető, vasmagos mágneseket használnak a nyaláb kicsatolására a nyalábtemető felé. Ez a mágnes egymástól 5 centiméter távolságban 1 Tesla és 0 mágneses tereket hoz létre. Az FCC-ben jóval erősebb térre lesz szükség, ehhez pedig új megoldás kell. Az ötletünk egy szupravezető cső, ami képes akár 3-5 Tesla teret leárnyékolni, és a belsejében 0 mágneses teret létrehozni. Az első prototípus már elkészült, hamarosan teszteljük. A nyalábtemető megvalósítása is nagyon nehéz: a teljes nyalábenergiát el kell nyelnie. Az LHC nyalábtemetője például 1000 fokkal melegszik fel 90 mikroszekundum alatt, és 10 óránként kap egy ilyen sokkot. Az FCC esetében még inkább fontos, hogy a nyaláb energiáját egyenletesen osszuk el a nyalábtemető felületén. Ennek a kidolgozásában is részt veszünk.

– Kapcsolható ez a téma az an­ti­pro­to­nok­hoz?

– Tulajdonképpen igen. A modern fizika egyik legnagyobb rejtélyéről van szó. Az elméletek szerint az ősrobbanás után azonos mennyiségben kellett volna anyagnak és antianyagnak keletkeznie, de gyakorlatilag csak anyag létezik körülöttünk, amerre csak látunk a vi­lág­egyetemben. Fontos tehát tudnunk, hogy részecskék és an­ti­ré­szecs­kéik között van-e valami különbség. A CERN Asacusa kísérletében már lassan 20 éve folyó kutatások a proton és antiproton tömegét hasonlítják össze, folyamatosan javuló pontossággal. A jelenlegi eredményeink szerint az antiproton és proton tömege 10 jegy pontossággal azonos.

– Ez azt igazolja, hogy egyenlő szám­ban kellene lennie protonnak és antiprotonnak?

– Nem igazolja, csak azt jelenti, hogy a jelenlegi pontosságú méréseknél nem látunk eltérést, vagyis ennél nagyobb nem lehet a különbség. Hogy 0 vagy sem, azt még nem tudjuk.

– Ki lehet egyáltalán mutatni, ha nincs különbség?

– Szerintem közvetlenül nem. Ki tudjuk zárni, hogy bizonyos különbségnél nagyobb nem lehet, és ezt a határt szorítjuk egyre lejjebb. Amennyiben bizonyíthatóan lenne bármilyen kicsi eltérés, az borítana sok mindent a fizikában.

 Az LHC alagútja és a kicsatoló mágnesek

A CERN-ben most kezdik beüzemelni az ELENA nevű kis szinkrotront, ami az antiproton-lassító (AD) következő fázisa lesz. Az LHC a nagy energiák felé törekszik, az antiproton-fizika pont az ellenkezője: inkább atomfizika, mint nagyenergiás részecskefizika. Az a célja, hogy elkapják az an­ti­pro­tont, és kísérletezni tudjanak vele. Eddig az AD szolgáltatta az antiprotonokat, kicsit kényelmetlen energián. A kísérletek legtöbbje egy vékony fóliát tett az antiprotonok útjába. A fólia atomjaival való ütközés lelassította az antiprotonokat, így már elkaphatók hagyományos elektromos terekkel is. Ez viszont nem elég hatékony módszer. Ezt a problémát hidalja át az ELENA, ami az Extra Low ENergy An­ti­proton Ring rövidítése – plusz az ötletgazda lányának neve is. A berendezés 5,3 millió elektronvoltos antiprotonokat lassít le 100 keV-re egy 30 méter kerületű gyűrűben. Ezzel már jóval nagyobb hatékonysággal lehet dolgozni, továbbá egyszerre négy kísérletet is tudnának párhuzamosan végezni. Az ELENA nyalábvezetékeinek tervezésében, megépítésében, szimulációjában a-tól z-ig benne voltam. 2017-ben kerül sor az átállásra. Az AD-t becsatolják az ELENA-ba és ez fogja szolgáltatni a nyalábot a kísérletekhez.

– Úgy látom, optimista az FCC megvalósulást illetően, tehát nem felesleges megkérdeznem, hogy a magyar kutatóknak milyen szerepe lehet benne?

– Valóban bízom benne, és szeretném, ha Magyarország magában a gyorsítófejlesztésben és építésben is részt venne. Most hozok létre ehhez csoportot és nem csak a tudományos kutatásokban gondolkodom. Az ilyen szintű gyorsítófejlesztés eszméletlenül komplex tudomány és technológia. Ennek megfelelően nagyon sokféle cégnek és kutatócsoportnak lenne lehetősége részt venni benne számos területen. A komplex rendszervezérlésben, a precíz alkatrészek megmunkálásában, a vákuumtechnológia, rádiófrekvenciás technológia, félvezető technológia, erősáramú vagy nagyfeszültségű berendezések, alacsony hőmérsékletű technológia, elektronika, részecske detektálás, adatbázis kezelés területén is lehetnének magyar partnerei és beszállítói a CERN-nek.

 TRUPKA ZOLTÁN

2017/6