Nagy Hadronütköztető

Nagy Hadronütköztető (LHC), a világ legerősebb részecskegyorsítója. Az LHC-t az Európai Nukleáris Kutatási Szervezet (CERN) építette ugyanabban a 27 km-es (17 mérföldes) alagútban, amelyben a Nagy Elektron-Pozitron Ütköztető (LEP) is helyet kapott. Az alagút kör alakú, és 50-175 méterrel a föld alatt, Franciaország és Svájc határán található. Az LHC 2008. szeptember 10-én hajtotta végre első tesztüzemét. Szeptember 18-án az egyik hűtőrendszer elektromos problémája miatt a mágnesek hőmérséklete mintegy 100 °C-kal megemelkedett, pedig a mágnesek az abszolút nulla (-273,15 °C, azaz -459,67 °F) közeli hőmérsékleten működnek. A korai becslések, miszerint az LHC-t hamarosan megjavítják, túlságosan optimistának bizonyultak. A LHC 2009. november 20-án indult újra. Röviddel ezután, november 30-án kiszorította a Fermi Nemzeti Gyorsító Laboratórium Tevatronját, mint a legerősebb részecskegyorsítót, amikor 1,18 teraelektronvolt (TeV; 1 × 1012 elektronvolt) energiára növelte a protonokat. 2010 márciusában a CERN tudósai bejelentették, hogy az LHC szupravezető huzalának kialakításával kapcsolatos probléma miatt az ütköztető csak fél energián (7 TeV) működik. Az LHC-t 2013 februárjában leállították, hogy kijavítsák a problémát, majd 2015 áprilisában újraindították, hogy a teljes, 13 TeV-os energián fusson. Egy második hosszú leállás, amelynek során az LHC berendezéseit korszerűsítenék, 2018 decemberében kezdődött, és a tervek szerint 2021 végén vagy 2022 elején ér véget.

A LHC szíve egy gyűrű, amely az LEP-alagút kerületén fut végig; a gyűrű átmérője mindössze néhány centiméter, a mélyűrnél nagyobb mértékben evakuált, és az abszolút nulla fokon belül két fokra hűtött. Ebben a gyűrűben két, egymással szemben forgó nehézion- vagy protonnyalábot gyorsítanak fel a fénysebesség egymilliomod részének megfelelő sebességre. (A protonok a nehéz szubatomi részecskék hadronoknak nevezett kategóriájába tartoznak, innen ered ennek a részecskegyorsítónak a neve). A gyűrű négy pontján a sugarak keresztezhetik egymást, és a részecskék egy kis része egymásnak ütközik. Maximális teljesítmény mellett a protonok közötti ütközések akár 13 TeV együttes energiával zajlanak majd, ami körülbelül hétszer nagyobb, mint amit eddig elértek. Az egyes ütközési pontokon hatalmas, több tízezer tonnás mágnesek és detektorok bankjai gyűjtik össze az ütközések során keletkező részecskéket.

A projekt megvalósítása negyed évszázadot vett igénybe; a tervezés 1984-ben kezdődött, a végső zöld utat pedig 1994-ben adták meg. Az LHC megtervezésében, tervezésében és építésében tucatnyi ország több ezer tudósa és mérnöke vett részt, az anyag- és munkaerőköltség pedig közel 5 milliárd dollár volt; ez nem tartalmazza a kísérletek és a számítógépek üzemeltetésének költségeit.

Az LHC-projekt egyik célja az anyag alapvető szerkezetének megértése az univerzum első pillanataiban az ősrobbanás modellje szerint kialakult szélsőséges körülmények újratermelésével. A fizikusok évtizedek óta az alapvető részecskékre vonatkozó úgynevezett standard modellt használják, amely jól működött, de vannak gyengeségei. Először is, és ez a legfontosabb, nem magyarázza meg, hogy egyes részecskéknek miért van tömegük. Az 1960-as években Peter Higgs brit fizikus egy olyan részecskét tételezett fel, amely az idők kezdetén kölcsönhatásba lépett más részecskékkel, hogy azok tömeget kapjanak. A Higgs-bozont soha nem figyelték meg – csak olyan energiatartományban történő ütközések során keletkezhetett volna, amely az LHC előtt nem állt a kísérletek rendelkezésére. Egy évnyi, az LHC-ben végzett ütközések megfigyelése után az ottani tudósok 2012-ben bejelentették, hogy érdekes jelet észleltek, amely valószínűleg egy körülbelül 126 gigaelektronvolt (milliárd elektronvolt) tömegű Higgs-bozontól származik. További adatok véglegesen megerősítették, hogy ezek a megfigyelések a Higgs-bozontól származnak. Másodszor, a standard modell néhány önkényes feltételezést igényel, amelyeket egyes fizikusok szerint fel lehet oldani a szuperszimmetrikus részecskék egy további osztályának posztulálásával; ezeket az LHC extrém energiái hozhatják létre. Végül a részecskék és antirészecskéik közötti aszimmetriák vizsgálata nyomra vezethet egy másik rejtélyhez: az anyag és az antianyag közötti egyensúlyhiányhoz az univerzumban.