Csapdába csalt antianyag – részletes beszámoló az ALPHA-program legutóbbi eredményéről

Az antianyag előállítása ma már nem lehetetlen feladat, életben tartani, tárolni azonban rendkívül nehéz. A CERN fizikusainak elsőként sikerült antianyag-atomokat csapdába ejteni és stabil körülmények között tartani. Gömöri Márton Horváth Dezsővel beszélgetett, ennek alapján készült az a részletes beszámoló, amely itt olvasható.

Új időszámítás kezdődött az LHC-vel – a CERN főigazgatója Budapesten

A CERN nagy hadronütköztetője a Világegyetem egyik leghidegebb helye, ugyanakkor Galaxisunk egyik legforróbb pontja is egyben. “Folyamatosan gyűlnek a mérési adatok és felkészültünk az első váratlan eredményekre” – mondta Budapesten a CERN főigazgatója, a Magyar Tudományos Akadémián pénteken este tartott előadásán. Bővebben itt

Az Akadémia a jövőben széles nyilvánosság előtt, ismeretterjesztő előadások keretében kívánja bemutatni a világ tudományos életének legfontosabb eredményeit. A nagy jelentőségű témák bemutatásához világszerte ismert előadókat kér fel. Bővebben itt

Pillantás a kulisszák mögé: egy poén a nyalábmérnököktől

Az alábbi képen az látható, hogy egy adott időszakban hogyan zajlott az ólomion-nyalábok injektálása az LHC-be. Megfigyelhetjük, hogy az első néhány alkalommal a művelet nem sikerült, majd szépen felépül mindkét nyaláb (az ábra jobb oldalán). A poén az ábra bal alsó sarkában lévő szöveg, amellyel az LHC operatorai biztatják a kísérleteket: „Now we do it for real”, azaz most igazán a fizikai nyalábot próbálnak adni…

Kattints a képre a nagyobb méretért!

Az LHC egyébként kitűnően teljesít, e hét elején a “delivered luminosity” átlepte az 1 ub-1 küszöböt, ami az idei nehézion run célja volt. Az új irányszámot 1 és 10 ub-1 között határoztak meg az év végére, e hétre pedig 6 ub-1 a várt érték. A kísérletek természetesen minél több adatot szeretnének felvenni, így az LHC jelenlegi „kedvence”, az ALICE is.

Molnár Levente, 2010. november 25.

Valószínűtlen képek jönnek a CERN-ből: megint zenélnek a fizikusok

Részeletek az [origo] Tudomány rovatában, ezen az oldalon.

Előadás az LHC-ről az ELTE-n, élő internetes közvetítéssel

Az ELTE Fizikai Intézet Atomoktól a csillagokig című előadássorozatának legújabb előadása november 18-án, csütörtökön 17 órától. Előadó: Varga Dezső fizikus.

A legelemibb részecskék világában a klasszikus szemlélet csődöt mond – a szabályokat a relativitáselmélet és a kvantummechanika írja. A fizikusok közel négy évtizede kutatják ennek a világnak az egyik legérdekesebb szereplőjét, amelytől minden egyéb anyagfajta tömege ered. De miért gondoljuk, hogy létezik ilyesmi, és miért fontos, hogy megtaláljuk? Miért gondoljuk, hogy a genfi nagy hadronütköztető (LHC) biztosan megtalálja, ha létezik – vagy ha nem, akkor valami még érdekesebbet? Egyáltalán mit tekintünk ma elemi részecskének, hiszen még kvarkokat sem látott senki szabadon? Az előadás ezekre a kérdésekre keresi a választ, áttekintve a modern részecskefizikai berendezések működését és az LHC első évének eredményeit.

Az előadás helyszíne: az ELTE TTK lágymányosi északi tömbjében (1117 Budapest, Pázmány Péter sétány 1/A), az Eötvös teremben (földszint 0.83 terem). A teremhez további bejárati lehetőség: az 1. emelet 1.67-es vagy 1.68-as ajtón.

Az előadás élőben követhető az interneten, a www.galileowebcast.hu oldalon.

A nehézion-ütközések első hete az LHC-ben

Amint azt korábban írtuk, az LHC gyorsítóban 2010. november 4-én, csütörtökön futottak körbe az első nehézionok. Az elektronjaiktól teljesen megfosztott ólomionok 82*3,5 TeV energiára való gyorsítására először november 6-án éjszaka került sor. November 7-én hajnali 0 óra 35 perckor létrejöttek az első nehézion-ütközések, és megkezdődött az adatgyűjtés 2,76 ATeV ütközési energián. Az első órában kb. 5000 nehézion ütközés adatait sikerült elmenteni. Ekkor a nyaláb még nem volt stabil, hanem sokszor megszöktek belőle ionok, ezért csak a nyalábcsőhöz legközelebbi, legkevésbé érzékeny detektorokat kapcsoltuk be. A nagyon érzékeny TPC és HMPID detektorok bekapcsolására – és ezzel nagyon pontos fizikai analízisek elvégzésére alkalmas adatok begyűjtésére – csak stabil nyaláb esetén van lehetőség. Erre végül november 8-án, hétfőn, 11.20-kor került sor, s ezzel minden adatgyűjtő csatornán elindult a nehézion-program.

A nehézion-program első teljes hetének (az idei év 45. hetének) fő célja a stabil ólomnyaláb fenntartása és a luminozitás növelése volt, amit sikerült is elérni. A hétfő reggeli stabil nyaláb még csak 2 ioncsomagot (bunch-ot) tartalmazott, a kedd éjfélkor gyorsított nyaláb már 5 ioncsomagból állt. Ez 9 órán keresztül keringett az LHC-ben, ütközések százezreit létrehozva az ALICE, ATLAS és CMS belsejében lévő keresztezési pontokban. Még kedd éjfél előtt sikerült 17 ioncsomagot elindítani, ezzel a 3.5*10^24 cm^-2s^-1 luminozitást elérni, és szerda (november 10.) reggelig közel fél millió ütközést létrehozni.

A szerda és csütörtök a nyalábmérnökök napja volt, a cél 69 részecskecsomag sorbaállítása és gyorsítása volt. Nem ment egyszerűen. Végül péntek (november 12.) hajnalban 0.53-kor sikerült a 69×69 csomagos beállítást stabilizálni, és közel 6 órán keresztül adatot gyűjteni, szintén több százezret. Szombat hajnali 1.04-kor ugyancsak 69×69 csomagos beállítással indult el újra a gyorsítás, és mintegy 9 órán keresztül működött a gyorsító úgy, “mint egy óramű” – ahogy Rolf Heuer, a CERN igazgatója is jelentette a hét közepén az LHC állapotáról.

Szombaton (november 13.) 22 órakor újabb csúcsjavítás következett: 121×121 csomag ütköztetése. Az elért luminozitás meghaladta a 2×10^25 cm^-2 s^-1 értéket, ami közel 10-szerese a kedd éjszaka elért korábbi értéknek. A vasárnap reggelig tartó 6 órányi adatgyűjtés alatt mintegy 4,6 millió nehézion-ütközés adatainak szalagra mentése történt meg. Ezzel az első héten, pontosabban vasárnap (november 14.) reggelig bezárólag, az ALICE 0,7 mikrobarn^-1 nehézion-ütközéses eseményt gyűjtött össze. Most már tényleg gőzerővel indulhatnak a fizikai elemzések!

A jelen állapotban a nyaláb stabilnak tűnik, és sikerült létrehozni a megcélzott 121×121 csomag ütközését lehetővé tevő üzemmódot is. Ha a nehézion-program következő hetében sikerül ezt a luminozitást fenntartani, akkor sokszor tízmillió esemény adatainak rögzítésére lesz lehetőség – ami óriási tudományos eredmény lesz. 

A következő kép mutatja a nyalábintenzitást és a nyalábenergiát a péntek (november 12.)  éjjeltől szombat éjjelig tartó 24 órás időszakban. Péntek éjjeltől szombat reggelig 9 órán keresztül keringtek a felgyorsított nehézionok az LHC-ben, majd szombat éjszaka újra kezdődött a gyorsítási-ütköztetési periódus.

2010. november 15.
Lévai Péter és Molnár Levente

A nagyobb képért kattints a képre!

A kvark-gluon plazma keresésének története II.

Korábbi kísérletek a RHIC-ben magyar részvétellel

A CERN SPS-nehézion programja 2002-ben lezárult, a méréseket már 2000-ben befejezték. A nehézion-fizikai kutatások súlypontja 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.

A RHIC gyorsítónál négy 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 Brookhavenben 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 tökéletes folyadékként látszanak viselkedni. A tökéletes 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.

Forró és buborékos

A RHIC idén februárban két fontos új eredményt jelentett be. Egyrészt egy kísérleti hőmérsékleti rekordot: 4 billió Celsius-fokot hoztak létre a PHENIX-kísérletben (és ez nem az angol „billion” rossz fordítása, hanem valóban billió) – az Univerzum ősanyaga legalább ilyen forró volt. Másrészt a STAR-kísérletben felfedezték, hogy az extrém magas hőmérsékleten megjelenő anyag belsejében olyan kis tartományok – „buborékok” – jönnek létre, amelyekben megsérülnek bizonyos alapvető természeti szimmetriák. Az ilyen buborékoknak fontos szerepet kellett játszaniuk az Univerzum igen korai korszakában, és az eredmények közelebb vihetnek bennünket olyan, a természetben létező aszimmetriák eredetének megértéséhez, mint például az anyag túlsúlya az antianyaghoz képest.

Mindkét eredményről részletes összeállítást készítettünk Posztobányi Kálmán fizikussal, a RHIC-nél dolgozó magyar kutatók, Csörgő Tamás és Nagy Márton hathatós segítségével, amit ezúton is köszönünk.

Legalább négybillió Celsius-fokos volt az Univerzum ősanyaga

https://cernblog.wordpress.com/2010/02/23/legalabb-negybillio-celsius-fokos-volt-az-univerzum-osanyaga/

A PHENIX cikk

http://arxiv.org/abs/0804.4168

A szimmetriasértés buborékai a RHIC kvarklevesében
https://cernblog.wordpress.com/2010/02/23/a-szimmetriasertes-buborekai-a-rhic-kvarkleveseben/

A STAR cikk

http://arxiv.org/abs/0910.0464

A bejegyzés az OTKA támogatásával készült.

A kvark-gluon plazma keresésének története I.

Korábbi kísérletek a CERN-ben magyar részvétellel

Korábban a CERN szuper-proton-szinkrotronjánál (SPS) előbb az NA35, majd az NA49 jelű kísérlet keretében próbáltak meg kvark-gluon plazmát létrehozni, előbb kén-, majd ólom-atommagok ólom céltárggyal való ütköztetésével. A magyar kutatók egyénileg már az 1980-as évek elejétől részt vettek az NA35, majd az NA49 kísérlet létrehozásában. Magyarország 1992-ben lépett be a CERN-be hivatalosan, ezután már kutatócsoportként is közreműködhettünk a kísérletben. Előbb a KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet (RMKI) munkatársai csatlakoztak az akkor már javában épülő NA49 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 NA49 kísérletben ólom-ólom ütközéseket tanulmányoztak az SPS-ben előállított különböző gyorsítóenergiákon, és az eredményeket kisebb magok ütköztetésével is ellenőrizték (szén-szén, szilícium-szilícium, és iridium-iridium ütközéseket is vizsgáltak). Az SPS-nél működött hét kísérlet eredményeit összegezve 2000 februárjában bejelentették, hogy a több évig folytatott kísérletek eredményeként bizonyító erejű jelzését („compelling evidence”) találták a kvarkok kiszabadulásának. A fogalmazás óvatos volt, nem állították, hogy kvark-gluon plazmát hoztak volna létre, mert a kísérletekben a plazma állapot több fontos tulajdonságának meghatározására nem volt lehetőség. Ezután a kísérleteket leállították, részben az LHC építésének költségei miatt, részben a gyorsító átépítése miatt.

Közben azonban izgalmas elgondolás merült fel a kvark-gluon plazmával kapcsolatban, amelynek elméleti alapjait Fodor Zoltán és Katz Sándor dolgozta ki az Eötvös Loránd Tudományegyetemen. Eszerint éppen abban az energiatartományban, ahol az NA49 kísérlet működött, fellép egy érdekes fizikai jelenség a kvark-gluon plazma fázisátmeneteivel kapcsolatban, méghozzá jelentős mértékben megváltozik a fáziátalakulás jellege. Ezért 2007-ben a CERN elfogadott egy közös magyar-lengyel javaslatot a kísérletek folytatására. Az NA61-re átkeresztelt új kísérletben az elméleti háttér mellett a mérés lebonyolítását, valamint az adatfeldolgozó rendszer modernizálását is magyar szakemberek biztosítják. Ez ugyanaz az adatgyűjtő rendszer, ami az ALICE-t is kiszolgálja az LHC-ben, és ily módon sikerült megtízszerezni az adatfelvételi sebességet. A felújított NA49 detektorokkal és a modernizált SPS nyalábbal 2009-ben újraindultak a fix targetes ólom-ólom kísérletek.

A bejegyzés az OTKA támogatásával készült.

A nehézion-kísérletek célja: a kvark-gluon plazma előállítása



Az Ősrobbanás utáni néhány milliomod másodpercben egy egészen speciális anyag tölthette ki az újszülött Univerzumot: a protonok és neutronok építőelemei, a kvarkok és az őket összeragasztó gluonok 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 hadronütköztetőtől várják. A kvark-gluon plazmát, ha sikerül előállítani, az ALICE detektor fogja észlelni, amelynek fejlesztésében és működtetésében magyar kutatók is részt vesznek.

A “kvarkleves” létrehozásához a relativisztikus energiájú nehézion-ütközések kínálják a legjobb lehetőséget. A nagy hadronütköztetőben a múlt héten kezdték el az ólomionok gyorsítását, melyekkel a tervek szerint 1150 teraelektronvolt (1,15 petaelektronvolt) ütközési energiát érnek majd el. 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.

Az elmúlt évtizedekben bebizonyosodott, hogy az erős kölcsönhatásban résztvevő részecskék nagy családjának valamennyi tagja kvarkokból áll, ezeket nevezzük hadronoknak. A fizika ma 6 féle alapvető kvarkot és ezek antirészecskéit ismeri, és nem számítunk újabbak felfedezésére. A mezonokként ismert részecskéket egy kvark és egy antikvark, a barionokat (mint pl. a protont és a neutront) 3 kvark, az antibarionokat pedig 3 antikvark alkotja. Intenzív kutatás folyik azon hadronok után, amelyeket más kvark-kombináció jellemez – mint például a tetrakvark állapot 2 kvarkkal és 2 antikvarkkal –, de ezek létezése egyelőre nem bizonyított.

A kísérleti fizikusok természetes törekvése volt, hogy az eleminek tartott részecskéket még kisebb alkotórészekre szedjék szét. Korábban az atomot atommagra és héjra, később az atommagot protonokra és neutronokra bontották. A hadronok további szeletelése, szabad kvarkok előállítása azonban minden eddigi erőfeszítés ellenére sem sikerült.

Úgy tűnik, hogy a kvarkok be vannak börtönözve a protonokban, neutronokban és a többi, kevésbé hétköznapi részecskében. A kvarkok közti erőhatás, az erős kölcsönhatás 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.

A következő napokban – az LHC magyar kutatóinak friss beszámolói mellett – további posztok várhatóak a nehézion-kísérletek hátteréről.

A bejegyzés az OTKA támogatásával készült.



Képek az első ólom-ólom-ütközésekből

Az alábbi képek a 2010. november 7-én az ALICE detektor által rögzített első ólom-ólom-ütközésekből mutatnak néhányat. A színes vonalak a részecskék pályáját rekonstruálják, ahogy azokat a Belső Nyomkövető Rendszer (Inner Tracking System, ITS) látja.

Az árnyékolt objektum az ALICE detektor elemeit mutatja perspektivikus látószögből. A vonalak a rekonstruált részecskepályák, a vonalak eltérő színei a részecskék különböző energiáját jelölik.

Ahogy azt az elméleti számolások alapján vártuk, egy-egy nehézion-ütközésben 2500-3000 új részecske keletkezik. Ezek pályáját mutatják ezek a számítógépes rajzok, két irányból (a detektor hossztengelye felől, illetve “perspektivikusan”, amikor a longitudinális irány is látszik). A nagyobb képekért kattints a képre!

Pb+Pb ütközés kevés számú részecske keletkezésével (alacsony multiplicitás). Ez valószínűleg egy súroló (perifériás) nehézion-ütközés:

Kimagaslóan sok új részecske keletkezése teljes (centrális) Pb+Pb ütközésnél. Összesen kb. 3000 új részecske repült ki az eredeti 208+208 nukleon ütközéséből:

 

Részletesebb képekért kattints a képekre!

Még nagyobb felbontású, illetve további képek itt:
http://aliceinfo.cern.ch/Public/en/Chapter1/fhied.html