Utazás a részecskék világába

Így jellemzi egyetlen mondattal a francia-svájci határon működő intézetben tett augusztusi látogatását az egerszegi Kölcsey-gimnázium fizikatanára, Kovácsné Kiss Piroska. A látottakról oly lelkesedéssel beszél, ami laikus hallgatóként is magával ragadó, mintha bejuthattam volna én is az óriási hadron ütköztető közelébe. És ez nem elképzelhetetlen, mert az intézmény működését a teljes nyitottság jellemzi.

- Nagyon komolyak a biztonsági intézkedések, de aki azokon átjut, az szinte mindent megismerhet - mondja Kovácsné Kiss Piroska, aki harminc éve tanít a gimnáziumban matematikát és fizikát. Számára idén, az országos fizikatanári ankéton kiírt pályázat elnyerésével nyílt lehetőség, hogy húsz tanárral együtt a budapesti Wigner Fizikai Kutatóközpont szervezésében továbbképzésre látogasson el az Európai Részecskefizikai Laboratóriumba, aminek francia nevéből képzett rövidítés a CERN. Ezt 1954-ben 12 ország kormánya alapította, jelenleg már 22 ország a teljes jogú tagja, hazánk 1992 óta. A Genf mellett felépült kutatóközpontban évtizedek óta vizsgálják az anyag legparányibb építőköveit. A kutatás, pontosabban a kutatás tárgyát jelentő események a föld felszíne alatt 100 méter mélyen zajlanak. A CERN területén számos részecskegyorsító működik, az első számú a Nagy Hadronütköztető (LHC). Ezt a nevet azzal érdemelte ki, hogy 27 kilométer a kerülete, a világ legnagyobb mérőeszköze.

- Lenyűgöző volt ez a csúcstechnológiákat, tudományos titkokat rejtő világ. Kevés volt a fantáziám ahhoz, hogy előre elképzeljem, amint a 27 kilométer kerületű körön a szupravezető mágnesek által kijelölt pályán keringenek, gyorsulnak a protonok, hogy azután a fénysebesség 99,999 százalékával ütközzenek egymással, mikronos pontossággal. Hiszen itt még a kéregmozgás vagy a Föld görbülete is hibát jelenthet - mondta, és rövid magyarázattal is szolgált. - A modern, nagyenergiájú részecskegyorsító működésének alapelve nagyon hasonlít a képcsöves tévé, illetve monitor működéséhez, mert ezek szintén részecskegyorsítók. Ugyanaz található bennük: részecskeforrás, nyalábvezérlő és fókuszáló mágneses tér, céltárgy. Minden gyorsító az ion- vagy elektronforrással kezdődik, hiszen csak töltött részecskéket lehet gyorsítani, legkézenfekvőbb módon elektromos térrel. Minél nagyobb az ütközés energiája, minél nagyobb sebességgel találkoznak az egymással szemben száguldó részecskék, annál nagyobb esély van arra, hogy feltárul szerkezetük, hiszen az ütköztetéskor sok-sok újabb részecske keletkezhet.

A detektorokra ekkor van szükség, velük lehet a keletkező részecskék által hagyott „nyomokat" rögzíteni.

- A detektornál attól maradt tátva a szánk, hogy az óriási méretű darabok precíz összehangolása micsoda munkát, együttműködést követelt. Az általunk látott Comapct Müon Solenoid, azaz CMS-detektorszelet metszetének külső átmérője 12 méter, az abba kerülő 1 méter széles mágnes belső átmérője 6 méter, hossza 13 méter. A teljes detektor 16 méter átmérőjű, 22 méter hosszú és 12 ezer tonna - jellemezte.

Mint mondta, a többféle részecskét érzékelni képes detektor általában henger alakú, benne közel hengerszimmetrikus rétegek épülnek egymásra. E henger tengelyében érkeznek az ütköztetendő részecskék, s erre közel merőlegesen repülnek a keletkezők. A legbelső réteg a nyomkövető detektor, benne a töltött részecskék hagynak nyomot, a foton nem. Az ezt követő elektromágneses kaloriméterben az elektron és a foton elnyelődik, pályájuk véget érése alapján azonosíthatók. Ezt ölelik körül a hadron kamrák, melyekben kvarkok által keltett események észlelhetők. Következik a terelő mágnes, ami a világ legnagyobb szupravezető mágnesei közé tartozik. Ezek a Világegyetem dermesztő hidegénél is alacsonyabb hőmérsékleten, 1,9 Kelvin fokon működnek. Ezt árnyékolás és a mágneses erővonalak terelése céljából rengeteg vassal veszik körül, ezekbe ékelődnek a müon kamrák. A müonok akadálytalanul hagyják el a berendezést, de nyomot hagynak. A másodpercenkénti 40 millió ütközésből kiválasztanak néhány százat, és ezeket elemzik, márpedig az LHC kísérletek 10-15 millió GB adatot termelnek évente.

A mai részecskefizika nagybetűs „Elmélete", a Standard Modell az 1970-es évek óta ismert. Ennek hiányzó láncszeme volt a Higgs-bozon, amit kísérletileg a közelmúltban sikerült megfigyelni és létezését 2013-ban mérésekkel bizonyítani. A legújabb kutatások és kísérletek pedig már a sötét anyag vizsgálatára irányulnak.

- Előre készültem, de a valóság meghaladta a képzeletemet, életem talán legszebb, legtartalmasabb élménye volt az egyhetes képzés - fogalmazott. - Délelőtt részecskefizikai előadásokon vettünk részt, délután bejártuk a CERN fontosabb részeit. Ez kiegészült laboratóriumi foglalkozással. Készítettünk a kozmikus sugárzást kimutató ködkamrát és müon-detektort is. Ez utóbbi csak itt működik, mert a részecskegyorsítóból kilépő müon gyorsan elenyészik. Sok éve tanítunk, de mindannyian szinte gyermeki örömmel „bütyköltünk", élveztük, amikor tényleg működött a detektor. Ehhez több méter hajszálvékony, 100 mikronos bronz és 24 mikronos aranyozott volfrám szálat építettünk keretekbe, amit dobozzá állítottunk össze. Ezt légmentesen lezártuk, a szerkezet oldalán pedig felvillantak a LED-ek, ahogy a szálakon keletkező jeleket észlelték, amint az áthaladó müonok a gázban ionizációval elektronokat keltettek, és ezek a vékony szál közelében sokszorozódtak - magyarázta.

Kovácsné Kiss Piroska elárulta, szeretné minél többekkel megosztani az élményeit, sőt másokat is eljuttatni a CERN-be. A kiutazás is megszervezhető, de van mód arra, hogy online, akár tanulókkal is virtuális látogatást tegyenek a gyorsítóban.

Jó fizikatanárnak lenni!

Beszámoló a magyar fizikatanárok 2016. évi továbbképzéséről a CERN-ben

(Hungarian Teachers Programme 2016.08.15-08.21.)

Azon szerencsések közé tartozom, akik 2016-ban részt vehettek a magyar fizikatanárok 20 fős csoportjának szervezett egy hetes továbbképzésen a CERN-ben.

Az előzetes szervezés során már a nyár elejétől kaptuk a hasznos információkat, anyagokat a képzésről, a CERN-ről, a feladatokról. Amúgy is nagyon vártam már az utazást, de ezzel még jobban felkeltették az érdeklődésemet, előzetes információkat gyűjthettem, fejben, és gyakorlatban is felkészülhettem az egy hétre: a CERN betűszó, (European Organization for Nuclear Research) a benne folyó tevékenység fő irányára utalva a magyar megfelelője: Európai Részecskefizikai Laboratórium. Nézegettem a küldött anyagot, a CERN honlapját, az interneten fellelhető ide kapcsolódó cikkeket. Elmondhatom, hogy kialakult bennem egy kép, mire is számíthatok Svájc és Franciaország határán, a Mont Blanc lábánál.  A valóság azonban meghaladta a képzeletemet, sokkal többet kaptam a vártnál, és életem talán legszebb, legtartalmasabb élménye volt a CERN-beli fizika tanári képzés!  A tanulmányút előzetes megszervezése, és a program lebonyolítása Dr. Horváth Dezső, és Oláh Éva érdeme.

Hétfőn kora reggel, a program indulásakor, már a repülőtéren barátságosan, segítőkészen fogadtak minket vezetőink, és másfél órás repülőút után meg is érkeztünk a genfi reptérre. Kellemes meglepetés, gáláns gesztus fogadott bennünket a kinti magyar fizikusok részéről: autóbuszt küldtek értünk a repülőtérre. Sőt délutánra egy fehér asztalos fogadást is szerveztek a köszöntésünkre. Ez a szívélyes „vendéglátás” ott létünk alatt végig jellemző volt Dr. Béni Noémi, Dr. Szillási Zoltán, és a kutató intézeti koordinátor Jeff Wiener részéről.

A szálláshelyünk elfoglalása után rögtön a kutatóközpont épületeinek, területének megismerése, egy felfedező séta következett Dr. Horváth Dezső nagyon érdekes adataival, történeteivel fűszerezve. A CERN-t 1954-ben 12 ország kormánya alapította, jelenleg már 22 ország, köztük hazánk is (1992 óta teljes jogú) tagja. A Genf mellett felépült kutatóközpont évtizedek óta a részecskefizikai kutatások fellegvára. A részecskefizika az anyag legparányibb építőköveit vizsgálja módszeres alapossággal. Úgy láttam, a bravúros építészeti megoldások, szellemesen tervezett épületek, tudósoknak emléket állító szobrok hiányoznak a CERN-ből. Az emelkedettség érzését nem itt kell keresni. A valódi kutatás, pontosabban a kutatás tárgyát képező események a föld felszíne alatt, 100 m mélyen zajlanak. A hely igazi hangulatát a föld mélye, és az emberi elme rejti.

Érdekes élmény volt, hogy itt minden "utca" fizikusokról van elnevezve. Naponta áthaladtunk az Einstein, Rutherford, Pauli utcákon. A CERN mintául szolgálhat a társadalom egészének: minden kutatási eredmény nyilvános, lehetett fényképezni, (ezt ki is használtuk maximálisan!), mindenhová be lehetett menni, ha az ott folyó munkát nem zavartuk és nem volt káros az egészségre. A 2008-ban beindított híres gyorsítónak, a "nagy hadron ütköztetőnek" (LHC) építését, működését, ezek minden fázisát a weben kamerával on-line és grafikonokon követhetik az érdeklődők.

Az nyilvánvaló volt, hogy a számítógépeknek a CERN-ben óriási szerepe van. Az, hogy itt született meg a Web, ismert volt. Többen viszont itt hallottunk először a GRID-ről Dr. Krasznahorkay Attilától, Darvas Dánieltől. A GRID egy másik, a webhez hasonlóan az internetre épülő szolgáltatás. Viszont az ehhez kapcsolt számítógépek és eszközök nemcsak információt osztanak meg egymás között, hanem tárterületet is. Hogy miért van a GRID-re szükség a CERN-ben? Az LHC kísérletek 10-15 millió GB (kb. 20 millió CD) adatot termelnek évente. Ennek feldolgozása napjaink leggyorsabb asztali processzoraiból mintegy 100 000 darabot igényelne. Sokkot okozott számomra: a másodpercenkénti 40 millió ütközésből miként választanak ki néhány százat, de ezek is miként termelnek meg évente annyi információt, amelyek 20 km-es tornyot alkotnának, CD-kre írva Ezt nem lehet egy helyre bezsúfolni, így számos együttműködő, összekapcsolt számítóközpontra van szükség. A világ 240 ilyen számítógép központja között a budapesti Wigner Adatközpont is szerepel.

CERN-i programunk egyik részét előadások jelentették, természetesen a modern részecskefizikáról, gyorsítókról, detektorokról, adatelemzésről, kozmológiáról. Nagy megtiszteltetés volt számomra, hogy középiskolai tanárként olyan vezető magyar kutatóktól hallhattam előadásokat, mint Dr. Horváth Dezső, Dr. Ujvári Balázs, Dr. Varga Dezső, Dr. Lévai Péter, Dr. Veres Gábor.  Külön öröm volt, hogy előadásaikat úgy állították össze, hogy színvonalas elméleti tudást közvetítettek, de ugyanakkor igazodtak ahhoz, hogy (legalább is számomra), régen volt az egyetemen az elméleti fizika vizsga, és igen csak fel kellet eleveníteni az akkor tanultakat! Egy modern nagyenergiájú részecskegyorsító működésének alapelve nagyon hasonlít a TV képernyője, illetve a számítógép (képcsöves) monitorja működéséhez, hiszen ez utóbbiak gyakorlatilag szintén részecskegyorsítók. A televízió képcsöve is tartalmazza azokat az egységeket, amit egy "igazi" részecskegyorsító: részecskeforrás, nyalábvezérlő és fókuszáló mágneses tér, céltárgy. Minden gyorsító az ion- vagy elektronforrással kezdődik, hiszen csak töltött részecskéket lehet gyorsítani, legkézenfekvőbb módon (sztatikus) elektromos térrel. A klasszikus katódsugárcsőben például körülbelül 20 kV-os elektromos tér gyorsít. A gyorsítás során nyert energia a tömegtől nem függ, csak a gyorsított töltés és a gyorsító feszültség nagyságától. Ezért is tűnik természetes mértékegységnek az elektronvolt (eV). A CERN-ben, a mai modern részecskegyorsítóban a gyorsítást időben igen gyorsan változó, nagyfrekvenciás (40 MHz) elektromos térrel hozzák létre. Így akár 13 TeV energiájú részecskék is előállíthatók.

Bevezettek minket az elemi részek rejtelmeibe, az atomtól a kvarkig. Összefoglalást kaptunk a részecskefizikában meglévő szimmetriák és megmaradási tételek között. A mai részecskefizika nagybetűs "Elmélete", a Standard Modell az 1970-es évek óta ismert. Pontos matematikai formalizmuson alapul, melyben szereplő minden fizikai fogalom elvben pontosan mérhető mennyiség. A részecskefizika legkeresettebb szereplője a Higgs-bozon, a Standard Modell hiányzó láncszeme volt. Kísérletileg a közelmúltban sikerült megfigyelni. Az LHC-n végzett kísérletek során a CMS, és az ATLAS detektorokban rögzített mérések alátámasztották létezését 2013-ban, ezzel a Standard Modell bizonyítottá vált.  Nagy energiájú részecskék ütköztetésekor sok-sok újabb részecske keletkezhet. A detektorokra ekkor van szükség, hiszen velük lehet a keletkező részecskék által hagyott "nyomok" helyét, idejét, amplitúdóját, energiáját rögzíteni. A detektorok nagyon sokfélék lehetnek, felépítésükben csakúgy, mint működési elvükben. Mégis sok tipikus vonás van bennük. Egy többféle részecskét is érzékelni képes detektor általában henger alakú, benne közel hengerszimmetrikus rétegek épülnek egymásra. E henger tengelyében érkeznek az ütköztetendő részecskék, s erre közel merőlegesen repülnek a keletkezők. A legbelső réteg egy nyomkövető detektor, benne a töltött részecskék hagynak nyomot, a foton nem. Az ezt követő elektromágneses kaloriméterben az elektron és a foton elnyelődik, pályájuk véget érése alapján azonosíthatók. Ezt ölelik körül a hadron kamrák, melyekben kvarkok által keltett események észlelhetők. Következik a terelő mágnes, ami a világ legnagyobb szupravezető mágnesei közé kell, hogy tartozzon. A mágnesek a Világegyetem dermesztő hidegénél is alacsonyabb hőmérsékleten, 1,9 K-en működnek. Ezt árnyékolás (valamint a mágneses erővonalak terelése) céljából rengeteg vassal veszik körül, melyekbe beékelődnek a müon kamrák. A müonok gyakorlatilag akadálytalanul hagyják el a berendezést, de nyomot hagynak.

Ez után a begyűjtött rengeteg adat feldolgozása történik. Megdöbbentő a pozicionálás fontossága, hiszen ha például 27 km-es távolságon mikrométeres, vagy még nagyobb pontossággal kell célba találni, akkor még az árapályhoz hasonló kéregmozgás, vagy a Föld görbülete is hibát jelenthet. Megtudtuk, hogy a legújabb kutatások, kísérletek a sötét anyag vizsgálatára irányulnak. Manapság tehát a kutató fizikusokat legjobban ez foglalkoztatja!

Az egyes előadások végén a kötetlen, félig szakmai, félig baráti beszélgetések igen nagy hatást gyakoroltak rám. Az éppen akkori gondolatokat érdemes volt „kibeszélni” abban a pillanatban.

A program másik nagy részét a látogatások, gyakorlati, manuális munkák tették ki. Számomra az egyik legnagyobb élmény a CMS-ben tett látogatás volt. Itt voltunk elérhető közelségben a gyorsítóhoz. A nagyenergiájú gyorsítók egyik legmodernebb típusa a szinkrotron, amelyben rendkívüli precizitással szinkronizált mágneses tér (részecskéket körpályára kényszeríti) és elektromos tér (a részecskéket gyorsítja) kombinációjával hoznak létre nagyenergiájú részecskéket. Technikailag úgy képzelhető el, hogy adva van egy gyűrű, amelynek a kerülete mentén mágneses dipólokat helyezünk el. A dipólok tere merőleges a gyűrű síkjára és a térerősség 0 és B_max között szabályozható. A gyűrű nem egészen tökéletes kör, néhány helyen lineáris szakaszokat iktatnak be, ezekben lineáris gyorsítót helyeznek el. Minél nagyobb energiára (sebességre) tesz szert a részecske a lineáris szakaszokon, annál nagyobb mágneses térre van szükség ahhoz, hogy pályája a gyűrűben maradjon. Dr. Béni Noémi, Dr. Szillási Zoltán, és Dr. Horváth Dezső mindent kinyitott nekünk. Lenyűgöző volt ez a csúcstechnológiákat, tudományos titkokat rejtő világ. Fejleszteni kellett volna ahhoz a fantáziámat, hogy előre el tudjam képzelni, hogy 100 m-re a föld alatt, a 27 km-es kerületű körön szupravezető mágnesek által kijelölt pályán keringenek, gyorsulnak a protonok, hogy azután a fénysebesség 99,999%-val ütközzenek egymással, mikronos pontossággal! Érzékelhettük a nagyon erős mágneses teret, mert Oláh Éva gém kapcsokat is hozott nekünk a demonstráláshoz. A detektornál attól maradt tátva az ember szája, hogy az óriási méretű darabok precíz összehangolása micsoda munkát, együttműködést követelt. Az általunk látott CMS-detektorszelet metszetének külső átmérője 12 m, abba belekerülő 1 m szélességű mágnes belső átmérője 6 m, hosszmérete mintegy 13 m. A teljes detektor 16 m átmérőjű, 22 m hosszú, és 12 000 t tömegű. A detektor földalatti csarnokában a félvezető és átmeneti detektorok, a kaloriméterek és müon spektrométerek óriási, szendvicsszerűen egymásra rakodó rétegei lenyűgözően hatnak az emberre Az élmény főleg esztétikai. A méret, és ebben a méretben megjelenő rend, tartalom, és teljes biztonság, ami megfogja az embert.

Az Antianyag Gyárban az antiproton lassító meglátogatása során az ASACUSA mérőhelyét nézhettük meg.  Dr. Horváth Dezső az ASACUSA projekt egyik vezető fizikusa, avatottan, tele érdekességekkel beszélt arról, miket vizsgálnak az antianyag segítségével. Ezen a részlegen dolgozik a legtöbb magyar kutató, és úgy érzékeltem van jövőjük a CERN-ben a magyar fizikusoknak, elismerik a munkájukat, számítanak rájuk, tudnak eredményesen dolgozni kollégáikkal.

Ha sok fizikatanár együtt van, nemcsak szívesen beszélget a fizikáról, tanításról, hanem ha lehetőség van, szívesen végez kísérletet, illetve mér. Egyik délután előkészített eszközökből magunk építettünk ködkamrát, mellyel kozmikus sugarak útját figyelhettük meg.

Két estébe telt, amíg kisebb csoportokban műon detektort ragasztottunk, forrasztottunk. Ebben nagy segítségünkre volt Pázmándi Péter egyetemista. A sok éve tanító fizika tanárok szinte gyermeki örömmel „bütyköltünk”, élveztük, amikor tényleg működött a detektor.

Oláh Éva segítségével olyan kockákat készítettünk, amivel nagyon jól lehet demonstrálni az elemi részecskéket, a megmaradási tételeket. Ezt a tanítás során biztosan hasznosíthatjuk, és élvezettel fognak tanulni vele diákjaink.

Rengeteg szó esett arról, hogy mennyi Nobel-díjas fizikus jár-kel a CERN-ben – ezért nekem leírhatatlan élmény volt, amikor egyik nap ebéd után csak úgy véletlenül találkoztunk Jack Steinberger (Nobel-díj 1988), Nobel díjas fizikussal. A 96 éves tudós egyszerű öltözékben, szerényen, de nagyon készségesen állt meg egy fotó erejéig.

A sok tartalmas, érdekes szakmai elfoglaltság mellett jutott idő kulturális programra is. Genf városával játékos módon ismerkedtünk meg. A "kincsvadászatra" csapatokat hoztunk létre, s az útmutató segítségével bejártuk az egész belvárost. Láttuk Rousseau és Sissy szobrát, megcsodáltuk az ENSZ székházat, parkokat, színházat. A Reformátorok Falán (Kálvin és három társa) örömmel fedeztük fel Bocskai István szobrát. Utunk során végig a híres szökőkút látványa kísért bennünket. A cél pedig egy étteremben volt, ahol hamisítatlan „svájci fondü” vacsora mellett, egy hangulatos estét töltött el, vezetőkkel együtt az egész CERN-es csapat.

A feszített, késő estébe nyúló, fárasztó, de nagyon izgalmas, tartalmas, élvezetes tanulmányút utolsó napján volt lehetőségünk szabad programra. Néhányan ezt arra használtuk, hogy kihasználva a Mont Blanc közelségét, felmentünk a Saleve hegy kilátójához. Az 1100 m magasságból csodálatos kilátás nyílt Genfre.

A hatalmas mennyiségű és intenzív tálalással kapott élmény és ismeret úgy vált befogadhatóvá számomra, hogy aktív tevékenységgel töltött gyakorlati lehetőséget is biztosítottak számunkra a szervezők. Meghatározó élmény volt, hogy egymástól is tanultunk. Kevés volt a „holt” idő az egy hét alatt, de szerintem ez így volt jó, hiszen azért vállalkoztam erre az útra, mert mindent látni szerettem volna, minden lehetőséget ki akartam használni, amit a CERN kínálhat. Számomra ez sikerült, nagyon jó tanár csapat körében telt a képzés, és elvárásaim mindegyike teljesült, sőt még több is! Köszönet a fantasztikus egy hétért a szervezőknek, előadóknak, mindenkinek, akinek ebben része volt! Figyelemre méltó az is, hogy a tervezett programot mennyire pontosan sikerült betartani. A képzés honlapja, a rá felkerülő és onnan letölthető anyagok, on-line videók is példaszerűek

A CERN-ben eltöltött egy hét nemcsak azért volt számomra hasznos, mert olyan tudás birtokába kerültem, amit szívesen adok tovább tanítványaimnak, hanem azért is, mert motivációt, kedvet kaptam további otthoni tanuláshoz. Nekem, gimnáziumi fizika tanárnak igazán nagy élmény volt az iskola hétköznapi fizika tanításából egy hétre kilépni, még a nyári szünetből is rááldozni arra, hogy bepillantást nyerhessek abba, hogyan dolgoznak az "igazi, nagy" fizikusok. Biztos, hogy a fizika iránti lelkesedésemet magammal viszem a tantermekbe, remélem tanítványaim örömére!

Zalaegerszeg, 2016. 10. 27.

Kovácsné Kiss Piroska

Szaktanácsadó, fizika tanár