Az ősrobbanás utáni első mikromásodpercben az univerzum egy nagyon sűrű, nagyon forró massza, az "ősleves" (primordial soup) formájában létezett. Ez az úgynevezett kvark-gluon plazma állapot, ami elemi részecskékből, szabadon mozgó kvarkokból és gluonokból állt.
Mai ismereteink szerint, ezek azok az elemi részecskék, amiket már lehetetlen tovább bontani kisebb részecskékké.
A plazma azonnal hűlni és tágulni, az atomok elemi alkotóelemei pedig rendeződni kezdtek az erős és az elektromágneses kölcsönhatás következtében. Az elemi részecskékből atomok, az atomokból pedig anyag lett - mindaz, amit ma magunk körül ismerünk. Azzal, hogy az anyagnak ezen állapotát tanulmányozzuk, megfigyelhetjük, hogyan rendeződtek az elemi részecskék azokká az atomokká, amiket ma ismerünk, rájöhetünk, hogy a kvarkok és gluonok hogyan adják az anyag tömegének nagy részét.
Mivel ma már nincs természetes állapotban kvark-gluon plazma a világegyetemben, ha tanulmányozni akarjuk az univerzumot felépítő anyag eredetét, akkor magunknak kell létrehozni az ősrobbanás utáni állapotot. Itt lép be a képbe a CERN nagy hadronütköztetője, az LHC, és az ALICE detektor.
Majdnem fénysebességgel száguldó atommagok
Az LHC egy 27 kilométer kerületű alagút átlagosan 100 méterrel a földfelszín alatt, amelyben a kutatók atommagokat gyorsítanak, összeütköztetik őket, és megmérik a gyűrűn található négy detektorban a keletkező részecskéket. Az alagútban egy mágnesekkel felszerelt, hosszú cső fut, ebben található a két atommagnak utat adó, egyenként 5 cm átmérőjű járat. Az atommagok közel fénysebességgel haladnak egymással szemben az alagútban, és csak a detektoroknál ütköznek. Az atommagokból álló, kisebb, mint
1 mm átmérőjű nyalábot vezető atommag egy másodperc alatt összesen 11103 alkalommal fut körbe a 27 kilométeres gyűrűn.
Az LHC vonalán négy óriásdetektor található, ahol az atommagok ütköznek: az ATLAS, a CMS, az LHCb, és az ALICE. Utóbbi célfeladata az univerzum kezdőpillanatainak tanulmányozása. Látogatásunkkor a detektort éppen szétszedték karbantartás miatt, így lehetőségünk adódott közelebbről megnézni, miképp fest egy ilyen szerkezet belülről. Hihetetlen, de a monstrum minden egyes elemének megvan a saját pótolhatatlan feladata, mindegyiknek más a funkciója, és mást is mér. A berendezés olyan speciális, hogy az egyik szerkezeti elemet csak az orosz atomvárosban tudták elkészíteni, 3-4 részletben érkezett az ALICE-ba, és ott kellett összerakni. Az atomváros egy zárt katonai terület, ahová még a CERN munkatársai sem léphettek be, a technológia pedig szigorúan titkos. És ez az elem csak az egyike azoknak a speciális berendezéseknek, amelyek képesek az ősrobbanás utáni állapotokat vizsgálni.
A CMS és az ATLAS elsősorban részecskefizikai detektorok, a részecskefizika pedig - nagyon leegyszerűsítve - eldöntendő kérdésekre válaszol
- mondta Barnaföldi Gergely Gábor, a Wigner Fizikai Kutatóközpont tudományos munkatársa, az ALICE magyar kutatócsoportjának vezetője. Ezek a következők: Működik az elméleti fizikusok által kiszámolt modell? Van-e Higgs-bozon? Lesz-e újabb szuperszimmetrikus részecske?
Az ALICE-t ezzel szemben nagyenergiás magfizikára, úgynevezett ultrarelativisztikus nehézionos ütközésekben keletkező anyag vizsgálatára találták ki, ami azt jelenti, hogy nagyobb atommagokat is ütköztetünk, és ezekről az ütközésekről próbálunk meg minél több adatot szimultán megmérni - tette hozzá Barnaföldi Gergely Gábor.
Az ALICE külsőre olyan, mint a másik három detektor, de az aldetektorai másak, mint a CMS-nek vagy az ATLAS-nak. A szerkezet 50 méterrel a földfelszín alatt található, és finoman szólva is óriási: 16 méter magas, 26 méter széles, a mágnese pedig önmagában olyan nehéz, mint az Eiffel-torony. Ez jól is látszik, ahogy az ember besétál a detektorterembe, és felnéz az óriási eszközre: ekkora szerkezet kell ahhoz, hogy az egy milliméternél keskenyebb atommagnyaláb atommagjainak ütközéseit vizsgálni lehessen.
Ezen ütközéssel hozzák létre azt az elképesztően magas hőmérsékletet, ami az univerzum keletkezésekor is jelen volt: egyfajta mini ősrobbanást, amiben létrejöhet az a kezdeti anyag, amit tanulmányozni szeretnének. Az ALICE-ban többek között ólom atommagokat használnak ütköztetésre, de a Brookhaveni Nemzeti Laboratórium például aranyat. Az ütköztetés során a nyalábok nagy része átcsapódik egymáson, de amikor két atommag telibe eltalálja egymást, egy tűzgolyó jön létre, amit a saját nyomása felfúj, és azonnal hűlni kezd. Ez a folyamat játszódott le a világegyetem keletkezésénél is.
Az ALICE detektor óriási, de szigorú rend van a káoszban: minden vezetéknek, csőnek, zsinórnak, minden kis műszernek megvan a maga pontos helye és feladata. A detektor 18 különböző technológiával méri a kvark-gluon plazma lehető legtöbb tulajdonságát, ebben különbözik a többi detektortól, amik általában csak egy-egy elemi részecske tulajdonságát mérik.
Olyan az egész, mintha megkérdezném tőled, hogy milyen tulajdonságai vannak egy pohár víznek: mondani fogod a hőmérsékletét, a viszkozitását, a halmazállapotát, a térfogatát. Ezek mindegyikét más műszerrel lehet megmérni. Ugyanez a helyzet a kvark-gluon plazmánál is: az ALICE-ban minél több tulajdonságát szeretnénk megfigyelni egyszerre, minél többféle aldetektorral. Amikor egy ütközés történik, megmérjük a részecskék pályáját, mindenféle fizikai tulajdonságát, amiből együttesen meg lehet mondani, hogy például milyen hőmérsékletű, milyen viszkozitású volt a kvark-gluon plazma
- magyarázta Barnaföldi Gergely Gábor.
Az ALICE részei
Az ALICE-ban 18 különböző detektor méri az atommag-atommag ütközési eseményeket. Ezek közül néhány:
- a belső nyomkövetőrendszer (ITS, inner tracking system),
- az időprojekciós kamra (TPC, time projection chamber),
- átmenő sugárzási detektor (TRD, transition radiation detector),
- a röppálya időtartam (TOF, time of flight),
- a nagy impulzusú[6] részecskeazonosító (HMPID, high momentum particle identification),
- foton spektrométer (PHOS, photon spectrometer).
Az ALICE legfontosabb részei közé tartozik a hatalmas mágnestekercs, ami azt a mágneses mezőt biztosítja, ami meghajlítja az ütközések során keletkező töltött részecskék útját, ezáltal ki lehet számolni az elektromos töltésüket és a tömegüket. A belső nyomkövető rendszer tizedmilliméteres pontossággal meg tudja mondani a rövid életű nehéz részecskék születésének helyét. Az időprojekciós kamra képes a töltött részecskék pályáját 3D-ben mérni, a kaloriméter pedig elnyeli a részecskék energiáját, így mérve, mennyi is van nekik pontosan. A müon spektrométer az elektronnál 200-szor nehezebb müonokat detektálja. A trigger detektorok pedig olyan speciális detektorokat jelölnek, amik valamilyen összetett feltételrendszer alapján elindítják vagy leállítják a méréseket.
A legmagyarabb detektor a CERN-ben
Az ALICE kísérletein közel 1500 kutató dolgozik, közülük 34-en magyarok. A hazai szakemberek között van, aki a detektor építésében vesz részt, mások adatokat gyűjtenek, vagy azokat elemzik. "Ez a szám nagyon szép ahhoz képest, hogy milyen kis ország vagyunk, és a társaság jelentős része ráadásul diák, a BSC-től a PhD szintig" - mondta Barnaföldi.
A magyar CERN-tagság 1992-ig vezethető vissza, az ALICE-t 1993-tól kezdték el tervezni, és a magyarok már a kezdetektől benne voltak. Az első hazai részvétellel zajló kísérlet az NA49 volt, és először Zimányi József és Vesztergombi György vezetésével dolgoztak itt magyarok: nagyenergiás, atommag-atommag ütközések elméleti és kísérleti vizsgálatát kezdték el
- tette hozzá.
A magyarok benne vannak az egyik aldetektor, az időprojekciós kamra (time projection chamber, TPC) kifejlesztésében, tervezésében, a prototípus és a beszerelt szerkezet megépítésében is. Ez olyannyira saját projekt, hogy a fejlesztés részben Budapesten történt. Magyar technológia teszi lehetővé azt is, hogy gyűjteni, majd továbbítani lehessen az ALICE által mért adatokat, ugyanis hazai fejlesztésű, tervezésű és kivitelezésű az a kártya, amire beérkeznek az adatok a detektorból, és ami tovább küldi őket a feldolgozó számítógépek felé.
A magyarok nélkül egyetlen bit sem jöhetne ki a detektorból.
- jegyezte meg a kutató.
Az ALICE és maga a CERN is annyira élen jár az informatikában, hogy a 2000-es évek elején, amikor az otthoni modemek még 56 kilobitesek voltak, a magyarok által fejlesztett kártya már közel 2 gigabit/szekundum sávszélességgel dolgozott. A most elkészült kártyák együttesen már tudják akár a 4 terabites sávszélességet is.
Az ALICE kísérlet 2008-tól végzi méréseit, de a tervezése és az építése évtizedekig nyúlik vissza. A detektor 2030-ig biztosan működni fog, méghozzá egy fejlettebb, következő generációs detektor formájában, ami ugyanúgy a kvark-gluon plazma sajátosságait kutatja majd, csak pontosabban és hatékonyabban, mint korábban.
