A CERN-ről és az Európai Részecskefizikai Stratégiáról

Az FCC generációkon átívelő küldetés” – interjú Lévai Péter Józseffel, a HUN-REN Wigner Fizikai Kutatóintézet főigazgatójával

„Szeretnék 120 évig élni, hogy lássam, amikor a CERN-ben megkezdi működését a következő generációs részecskegyorsító, a protonokat ütköztető Future Circular Collider, az FCC” – mondja Lévai Péter József, a HUN-REN Wigner főigazgatója. A szubatomi világ kutatása még számtalan izgalmas felfedezést tartogat, de ha Magyarország ki akarja venni a részét ebből a kalandból, akkor gyorsan kell cselekednie. A következő két évben tett – vagy nem tett – vállalások évtizedekre meghatározhatják a hazai nagyenergiás fizikai és mérnöki tevékenységek sorsát, figyelmeztet.

A CERN nemrég ünnepelte alapításának 70. évfordulóját. Ha nagyon röviden, egy laikus számára kellene összefoglalni: mi a feladata ennek a világon egyedülálló, ugyanakkor rendkívül drágán üzemelő intézménynek? 
- Hadd kezdjem egy kicsit messzebbről. A napi életben számtalan olyan berendezést, eszközt használunk, amelynek a működésével nem vagyunk tisztában. Hány ember tudná megmondani, hogyan működik a mobiltelefonja vagy a televíziója?
Bizonyos értelemben ugyanígy vagyunk a minket körbevevő természettel is. Abban is benne élünk, azt is „használjuk” anélkül, hogy a mélyebb működését értenénk. Néhány természeti törvényre még emlékszünk tanulmányainkból, de hogy azok miért léteznek, milyen összefüggések vannak közöttük, azon már nem gondolkodunk. Ezzel foglalkozzanak a tudósok, köztük a nagyenergiás fizikát tanulmányozó kutatók! Létezik ugyanis egy ellentmondás: minél kisebb elemi részecskéket akarunk tanulmányozni, annál nagyobb energiaszintekre és annál bonyolultabb berendezésekre van szükségünk.
Akkor itt válaszolok az eredeti kérdésére. A CERN-ben a nagyenergiás fizika eszközeivel arra keresünk választ, hogy miért olyanok a természet törvényei, amilyenek. A Nagy Hadronütköztető (Large Hadron Collider, LHC) voltaképpen egy hatalmas méretű, óriási mennyiségű energiát fogyasztó mikroszkóp, amellyel a világ legalapvetőbb építőköveit és a köztük lévő kapcsolatokat, törvényeket vizsgáljuk. Tesszük egyrészt magának a tudásnak, a megismerésnek a szépségéért, másrészt pedig azért, mert a felfedezéseknek gyakorlati haszna is lehet.

CERN LHC sematikus ábrája

Mi volt a szépsége és a jelentősége a legutóbbi nagy áttörésnek, amikor 2012-ben bizonyították a Higgs-bozon létezését?
- A Higgs-bozon kimutatása azért volt mérföldkő, mert igazolt egy korábban felállított elméleti modellt. Ez egy igazán különleges részecske: úgynevezett skalárteret alkot, amely tömeget ad a többi elemi részecskének. Higgs-tér nélkül a többi részecske, és így a világunk is tömeg nélküli lenne. A másik érdekessége, hogy elméletileg anyag nélkül, önmagában is kitöltheti a teret. Ha egy gondolatkísérletben minden anyagot eltávolítanánk, a Higgs-tér akkor is ott maradna. A mai fizika egyik legnagyobb kérdése pontosan az, hogy miként viselkedik ez a tér önmagában, milyen a Higgs-részecskék önkölcsönhatása.

Erre a kérdésre keresi majd a választ az LHC most készülő továbbfejlesztése, a HL-LHC? És mit jelent a nevében a High Luminosity?
- Magyarul ezt „Nagy Fényességű” vagy „Nagy Intenzitású LHC”-nek nevezhetjük. A cél nem az ütközési energia növelése, hanem a protonnyalábok sűrűségének megsokszorozása, aminek köszönhetően drasztikusan megnő az ütközések száma, és ezzel együtt a kísérleti adatok mennyisége. A Higgs-bozon létezésének bizonyításához 2012-ben néhány hónap alatt mintegy 300 részecskét gyűjtöttek össze. A HL-LHC segítségével ennek sokszorosát fogjuk előállítani. Ahol korábban fél év alatt 300 Higgs-bozont láttunk, ott az intenzívebb nyaláboknak köszönhetően hamarosan több tízezret vagy százezret tudunk majd rögzíteni. Ekkora adatmennyiségnél már kirajzolódnak azok a finom részletek, amelyekből megérthetjük a Higgs-anyag önkölcsönhatását.
A HL-LHC projekt az elmúlt évek globális megrázkódtatásai miatt csúszásban van. A jelenlegi helyzet úgy néz ki, hogy az LHC 2026 június közepén leállt, és így most elkezdődhet a hároméves újjáépítési fázis. 2029-ben indulnak el a tesztek, és a tervek szerint 2030-ban startolnak el a HL-LHC új kísérletei, az új adatgyűjtések. A HL-LHC szakasz a tervek szerint 2037-ig tart, addig folynak a megnövelt hatékonyságú proton-proton ütköztetések. 

Milyen mérnöki és technológiai bravúrokra van szükség ahhoz, hogy ezt a „nagy fényességet” elérjék?
- Sokan azt hiszik, a CERN csak az elméleti fizikusok terepe, pedig a helyszínen belőlük van a legkevesebb: a munka döntő részét kísérleti fizikusok, mérnökök és technikusok végzik Genfben. Ha úttörő kutatásokat akarunk folytatni, akkor a világszínvonal előtt járó berendezésekre van szükségünk, olyanokra, amelyek máshol még nem léteznek. A 27 kilométeres gyűrűben 1 milliméter átmérőjű protonnyaláb-csomagok (úgynevezett részecske-szerelvények) száguldanak körbe-körbe, közel fénysebességel. A HL-LHC-nél ezt a milliméteres nyalábot speciális kvadrupól-mágnesek segítségével összenyomjuk az emberi hajszál vastagságára, azaz nagyjából 15-20 mikrométerre. Ráadásul az egy-egy nyalábcsomagban lévő protonok számát a jelenlegi 160-180 milliárdról annak duplájára, 300 milliárdra növeljük. Így a kezdeti 1-10 ütközés helyett két szerelvény átfedésekor akár 100-120 ütközés is létrejöhet, ami másodpercenként több milliárd ütközést jelenthet. 

Ezt az óriási adatmennyiséget kell majd precízen feldolgozni, hogy szétválogassuk a szokványos eseményeket az izgalmas újdonságoktól. A következő három év fontos feladata lesz, hogy az elmúlt évtizedben kifejlesztett csúcstechnológiás elektronikát és új detektorelemeket beépítsük az ütközőgyűrű metszéspontjaiban elhelyezett detektorokba, valamint alkalmassá tegyük az adatgyűjtő és adattovábbító rendszert arra, hogy 2030-tól képesek legyünk kezelni a korábbinál nagyságrendekkel nagyobb méretű adatmennyiséget.

A számítógépek és a mesterséges intelligencia exponenciális fejlődése nem  válthatná-e ki ezeket a méregdrága gigaberendezéseket puszta szimulációkkal? Hiszen már a hasonlóan bonyolult nukleáris robbantásokat is lehet szimulálni.
- Csak azt tudjuk szimulálni, aminek jól ismerjük a törvényeit. Az atomreakciók, az atomrobbanások pontosak ilyenek, mert azok esetében a korábbi kísérletek már bebizonyították egyes modellek érvényességét. Mi viszont pont azért építünk gyorsítókat, mert a tudósok által kifejlesztett és a polcokon sorakozó különböző matematikai modellek és szimulációk eltérő jóslatokat adnak a még ismeretlen jelenségekre. A természet ráadásul mindig bonyolultabb, mint amit elképzelünk. A mérési hibahatárokon belül jelenleg több elmélet is jól teljesít; nekünk döntési szintű, cáfolhatatlan tudásra van szükségünk, ezt pedig kizárólag valós kísérletekkel lehet kikényszeríteni. Ezt a választást a mesterséges intelligencia sem tudja elvégezni helyettünk. 

Mi az, amire a HL-LHC sem tud választ adni? Miért van szükség a tervezett új szupergyorsítóra, az FCC-re, és mit lehet most tudni róla?
- Az LHC fő feladata a Higgs-bozon „megtalálása” volt, és ezt a küldetést teljesítette is. A HL-LHC-ben a már említett skalárteret, a tisztán Higgs-bozonokból felépülő önkölcsönható tér tulajdonságait, viselkedését tanulmányozzuk. A várakozás szerint így még jobban megérthetjük  a fizikai világunkat nagy pontossággal leíró standard modellt. Viszont ez a modell még igen sok szabad paramétert tartalmaz, amelyeknek jó lenne megérteni az eredetét, s így még elemibb szinten megérteni fizikai világunkat. Ehhez viszont még nagyobb energiára lesz szükségünk. Az LHC 14 teraelektronvoltos (TeV) ütközési energiára képes, a tervezett FCC az új, 91 kilométeres alagútban 80-100 TeV-es energiakoncentrációt érne el.
Az FCC megépítéséről Budapesten 2026. májusban született meg az a stratégiai döntés, hogy két lépcsőben valósuljon meg. Először létrehozzuk a föld alatt a 91 kilométeres alagutat, és abban egy elektron-pozitron ütköztetőt (FCC-ee) építünk meg.  Az elektronok és pozitronok pontszerű részecskék, így az ütközéseik sokkal „tisztábbak”, kevesebb háttérzajjal járnak, mint a protonoké. Ráadásul a mai mágneses technológiát alkalmazó berendezésekkel is megvalósítható a töltött elektronok és pozitronok pályán tartása. Ettől még az építés hosszú folyamat lesz. Hogy csak egy példát említsek: az LHC mágnesei a 2000-es évek elején a világ háromévi teljes nióbiumtermelését nyelték el; most pedig 27 helyett 91 kilométeren kell elhelyezni a mágneseket. Ezért is szerepel a tervekben a 2045-ös céldátum. Addig a megfelelő detektortechnológiát és a szükséges számítógépes háttérkapacitást is ki lehet fejleszteni és létrehozhatjuk az új berendezéseket.
Az itt szerzett tapasztalatok és a HL-LHC eredményeinek összegzése után lépünk majd tovább a végső fázisra, a monumentális FCC-hh proton-proton (hadron-hadron) ütköztetőre, amely várhatóan 2082-re indulhat el. 

Ez azt jelenti, hogy önök egy olyan berendezést terveznek, amelyet a mai óvodások fognak kutatóként használni?
- Pontosan így van. Ez egy generációkon átívelő küldetés. Nekünk most, 2026-ban kell elkészítenünk a terveket és kijelölnünk a következő 50 év tudományos kutatásainak lépéseit a jövő nemzedékei számára. Ha nem tesszük meg most, amikor megvannak hozzá az erőforrásaink, a jövőben joggal kapnánk meg a kritikát, hogy miért hagytuk ki világunk mélyebb megismerésének lehetőségét. Igy már érthetőbb, hogy miért szeretnék 120 évig élni, miért szeretném meglátni az FCC-hh hadronütköztető elindulását.

Mi a tétje ezeknek a kutatásoknak? Megdőlhet a fizika jelenlegi alapköve, a standard modell?
- Megdőlni nem fog, hiszen a standard modell rendkívül jól működik. Csak azt nem értjük, hogy miért pontosan azok a paraméterei, amiket kimértünk. Newton mechanikai törvényei sem dőltek meg, amikor Einstein túllépett rajtuk; ehhez hasonlóan mi is csak a mélyebb szintet keressük. A standard modell egyik gyengéje, hogy teljesen hiányzik belőle például a gravitáció leírása. A végső célok között szerepel az is, hogy a gravitációs kölcsönhatást egyesítsük a másik három alapvető erővel, vagyis az elektromágneses, a gyenge és az erős kölcsönhatással.

Az világos, hogy ebben megmutatkozik a megismerés, a felfedezés öröme – de mi lesz a korábban említett másik céllal, a gyakorlati hasznosítással? Alsó hangon is 15-16 milliárd euróra becsülik a költségeket, így a finanszírozást adó államok joggal remélhetik, hogy ennek valamilyen gyakorlati haszna is lesz.
- Hadd idézzem fel azt az anekdotát, ami szerint, amikor William Gladstone brit pénzügyminiszter megkérdezte az elektromosság és a mágnesesség területén alapkutatásokat végző Michael Faraday angol fizikustól, hogy mi értelme és gyakorlati haszna van az eredményeinek, akkor azt válaszolta: „Nem tudom, de az biztos, hogy egy napon meg fogja adóztatni” („Why, sir, there is every possibility that you will soon be able to tax it!”). A CERN-ben feltárt fizikai alaptörvények, valamint a berendezések fejlesztése során felhalmozódott tudás nyomán olyan felhasználási lehetőségek és eszközök születhetnek, amelyek széles körben is kifejtik jótékony hatásukat. Az orvosi képalkotás például nagyon sokat köszönhet a CERN-ben folyó kutatásoknak.
Vagy ott van például a kvantumfizika, aminél kevés elvontabb dolog van a világon, nélküle mégse lennének tranzisztorok, számítógépek vagy éppen a most létrejövő kvantumszenzorok. Ugyanígy, ha megértjük a standard modell mögötti mélyebb fizikai szintet, az a mindennapi technológiáinkat is drasztikusan átalakíthatja. Ha sikerül feltárni a gravitáció és az elektromágnesesség összefüggéseit, az a mai science-fiction kategóriájú technológiák, mondjuk az antigravitációs hajtóművek előtt is megnyithatja az utat. 

Magyarország hivatalosan 1992-ben csatlakozott a CERN-hez. Hogyan vette ki a részét a hazai kutatói közösség a világ legnagyobb kísérleteiből?
- Bár intézményesen 1992-ben léptünk be, kiváló magyar tudósok már az 1960-as évektől dolgoztak a CERN-ben. A hivatalos belépés azért volt fontos, mert a CERN egy piramis csúcsa, amelynek az alapját a nemzeti laboratóriumok adják. A kutatók az év nagy részében itthon fejlesztenek, és csak a mérésekre vagy a saját berendezéseik beépítésére utaznak ki Svájcba. A CERN állandó munkatársi létszáma nagyjából 2300, de a felhasználók, vagyis a kísérletekbe bekapcsolódó kutatók száma meghaladja a 15 ezret. A belépéssel a magyar kutatók teljes jogú felhasználókká („USER”-ké) válhattak.
A magyar szakemberek különösen meghatározó módon vettek részt az LHC detektorainak, így a CMS és az ALICE fejlesztésében. A CMS kísérlet lézeres pozicionáló rendszerét például a debreceni HUN-REN Atommagkutató Intézet munkatársai fejlesztették ki és felügyelik a mai napig. A CMS detektor kétszer olyan nehéz, mint az Eiffel-torony, és az óriási mágneses terek szó szerint elcsavarják a berendezés vasszerkezetét; a debreceni kollégák komplex, lézeres eszközrendszere rendkívül precízen megmondja, hogyan mozdult el a szerkezet, így pontosan rekonstruálható a részecskék eredeti pályája – ami nélkülözhetetlen a korrekt fizikai végeredmény megszerzéséhez. 
A HUN-REN Wigner FK csapata pedig az ALICE kísérlet adatgyűjtéséért felelős. Már 1996-ban olyan gigabites adatátviteli elektronikát fejlesztettünk, amely akkor világelső volt, és húsz évig, egészen a mostani leállásig hibátlanul működött. A HL-LHC-hez elkészített, megnövelt kapacitású adatgyűjtő rendszer beépítésére most fog sor kerülni. Emellett jelenleg Wigner FK-ban zajlik a CMS új generációs, szilíciumlapkás detektorához tartozó adatkiolvasó rendszer aprólékos minőségellenőrzése és bevizsgálása. Visszatérve az előző kérdéshez: ezeket a technológiákat, ezt a tudást fel lehet használni az egészségügyi fejlesztésekben, például egy megépülő hadronterápiás központban.

Az FCC tervezése most indul. Mit kellene tennie Magyarországnak – akár kormányzati, akár intézményi szinten –, hogy ne maradjunk le a jövő nagy tudományos hullámáról?
- A döntés az FCC-ee megépítéséről idén májusban megszületett, a munkacsoportok pedig már várják a tagországok felajánlásait, hogy milyen területeken, milyen fejlesztésekben tudnának együttműködni. Nyilván az alagútfúrást nem nekünk kell vállalni, de a detektoroknál az informatikai fejlesztésekben, a GPU alapú számítástechnika alkalmazásában és a mesterséges intelligenciával támogatott gyorsítóvezérlésben, adatgyűjtésben rendelkezünk azokkal a tudáselemekkel, amelyekre támaszkodva az élvonalba tartozhatunk. Ezeken a területeken ráadásul nem csak fizikusok, hanem matematikusok, mérnökök, informatikusok részvételére is lehetőség van.
A probléma a kritikus tömeg és a finanszírozás. Az nem elég, ha három-négy tapasztalt kutató összeül és „gondolkodik” a feladatokon – a kutatóközpontban jelenleg csak néhány szakértő megtartására van belső forrás. Eddig az OTKA/NKKP projektekből tudtunk fejleszteni, de ez a csatorna eddig sem nyújtott elegendő támogatást. Sőt, idén ez a csatorna bezárulni látszik a CERN-es pályázatok számára. Szükségünk lenne egy államilag támogatott központi programra, amellyel 20-25 fiatal fizikust, informatikust és mérnököt tudnánk hosszú távon alkalmazni dedikáltan a HL-LHC és az FCC projektekre. Itt viszont beleütközünk a piaci valóságba: a magánszektorban egy jó IT-szakember könnyedén megkeres havi 2 millió forintot. Ha a kutatóintézet csak egy buszvezetői bér szintjét, 800 ezer forintot tud felajánlani, akkor a tehetséges fiatalok joggal mennek máshová. 
Ha nem akarunk végleg lemaradni, akkor az élvonalbeli európai ipari-tudományos együttműködéshez szükséges hazai finanszírozást alapjaiban kell újra gondolni, de erre korábban nem láttam biztató jeleket. Az biztos, hogy egy-két éven belül olyan kötelezettségvállalásokat kell tennünk, amelyek a következő húsz évre meghatározzák a magyar fizika és mérnöki tudomány láthatóságát, élvonalba tartozó eredményeit. 
És ha ezt nem tesszük meg, végleg lemaradunk ezekről a lehetőségekről.
- Így van. Ha mi nem teszünk felajánlásokat, majd mások bevállalják a projekteket, és onnantól kezdve csak integethetünk az elrobogó „high-tech” vonatnak. 

Négy fő detektor működik az LHC-ben, és ezek folyamatos fejlesztésében magyar kutatók is oroszlánrészt vállaltak. Mindegyiknek megvan a maga specifikus feladata:

Az interjút Schopp Attila készítette