Szenzációs bejelentést tettek még a múlt hét közepén a genfi központú CERN európai részecskefizikai kutatóközpont munkatársai: nagy valószínűséggel (erre majd még visszatérünk) megtalálták a részecskefizika úgynevezett standard modelljéből még hiányzó utolsó építőelemet, a Higgs-bozont (most ígérjük meg, hogy a továbbiakban mind az „isteni részecske”, mind a „Szent Grál” kifejezéseket kerülni fogjuk). Némileg meglepő a történetben, hogy a neves Nature folyóirat már a szerdai sajtótájékoztató előtt napokkal megszellőztette, hogy történni fog valami az ügyben – amit a CERN kutatói közül többen is sportszerűtlen gesztusként értékeltek. Ráadásul az amerikaiak is megpróbáltak beelőzni – a konkurens Fermilab kutatói két nappal korábban bejelentették, hogy ők is találtak valamit, amit nagy valószínűséggel a Higgs-bozonnal lehet azonosítani. Apróbb szépséghiba, hogy a CERN Nagy Hadronütköztetője (LHC), ahol a felfedezéshez vezető gigantikus protonkarambolokat (képünkön) előidézték, lényegesen magasabb energiaszinten működik, mint a Fermilab saját részecskegyorsítója, a Tevatron.
| ||
Ráadásul a CERN kutatói gondos mérlegelés után jóval nagyobb valószínűséget tulajdonítottak saját felfedezésüknek, mint az amerikaiak. A valószínűséget itt valamennyi kockázati faktor és bizonytalanság számbavétele után számolják ki, jele: szigma, s minél nagyobb az értéke, annál biztosabbak a kutatók a dolgukban. Csak összehasonlításképpen: a nagy valószínűséggel a Higgs-bozonként azonosított részecskét a CERN két, az LHC-hoz kapcsolódó, önálló kutatási programot bonyolító detektora is észlelte. Az egyik (CMS – kompakt müon szolenoid) 4,9-re, a másik (ATLAS) pedig pontosan 5-re hozta ki a mérés valószínűségét. Ehhez képest a Fermilab által kihozott 2,9-es érték – bár ez 96 százalékos valószínűségű – kevés, legalábbis a tudományos közösség konszenzusa szerint. (A CERN-nél tavaly is akadt már 3,2-es szigma-értékű Higgs-bozon-észlelés – de óvatosságból és józan megfontolásból óvakodtak nagydobra verni.) Mindez arra utal, hogy ha lesznek is viták az ügyben, az elsőbbség és a dicsőség alighanem az európai kutatóközösségé (benne számos magyar tudósé!).
Az év végéig további, gondosan kivitelezett protonütköztetések eredményét fogják megvizsgálni, így azután fél éven belül mindenképpen százszázalékos bizonyossággal kiderül: tényleg a keresett delikvenst találták-e meg. Mindenki azt ígéri: ezúttal nem fordulhat elő olyan malőr, mint tavaly, amikor a fénynél gyorsabb neutrínókról adtak hírt (ráadásul hatos szigma-értékkel!), s végül kiderült, hogy „pusztán” mérési hibáról volt szó – a felelős egy rosszul csatlakoztatott, a GPS-alapú szinkronizációt torzító kábel volt.
Róka hordja el a családjukat!
A részecskefizika úgynevezett standard modellje azért jött létre, hogy egységes rendszerbe foglalja mindazt, amit az elemi részecskékről és a közöttük fellépő kölcsönhatásokról (az elektromágneses, illetve a gyenge és az erős nukleáris) tudni vélünk. A standard modell szigorú ítélőszéke előtt még az atommagot alkotó protonok és neutronok sem számítanak elemi részecskének, mivel mindkettő kvarkokból épül fel. A részecskefizika alapvetően kétfajta elemi részecskét különböztet meg: az anyagi világ építőelemeinek számító fermionokat és a kölcsönhatásokat közvetítő bozonokat (avagy mértékbozonokat – angolul gauge boson). Azt csak mellékesen áruljuk el, hogy nem minden bozon elemi részecske, mert nem akarnánk teljesen összezavarni az olvasót. A lényeg, hogy a bozonok (elemiek és összetettek) közös jellemzője, hogy a spinjük (saját belső impulzusmomentumuk) pozitív egész szám – a sokszor emlegetett Higgs-bozoné meg egyenesen nulla. Nevüket Satyendra Nath Bose (1894–1974), a zseniális indiai fizikus, többek között az Einstein–Bose-paradoxon, -statisztika, -kondenzátum stb. névadója után kapták. A bozonok nem engedelmeskednek semmiféle kvantumfizikai tilalmi elvnek, így közülük akárhány is tartózkodhat ugyanabban a kvantumállapotban, sőt, egyenesen ez a passziójuk! A hipotézisek szerint ez magyarázhat olyan egymástól látszólag különböző jelenségeket, mint a feketetest-sugárzás spektruma, a lézer működése, a folyékony hélium viselkedése, a szuperfolyékonyság, a szupravezetés, vagy a már említett sajátságos fázisállapot, a Bose–Einstein-kondenzátum kialakulása.
A fermionokat többfajta logika szerint is csoportosítja a taxonómiában mindig is jeleskedő tudomány. Egyrészt három családba osztja őket – rendre egyre nagyobb tömegű részecskéket sorolva az egyes csoportokba. Ráadásul, ezt mintegy keresztbemetszve, megkülönböztet egy adott családon belül rendre nehezebb kvarkokat és könnyebb leptonokat is. A mi látható világunkat jórészt u és d kvarkok (ezekből épül fel a proton és a neutron) és a legismertebb lepton, az elektron „lakják”.
A bozonok között megtaláljuk az egyes elemi kölcsönhatásoknak megfeleltethető erők hordozóit: az elektromágneses jelenségek kapcsán felbukkanó fotonokat, az atommagot az erős kölcsönhatás által összecementáló gluonokat, továbbá a korábban szintén a CERN-ben felfedezett W- és Z-bozonokat, amelyek az úgynevezett gyenge nukleáris kölcsönhatás hordozói.
A fizikusok számára problémát jelentett, hogy mitől nyerik tömegüket az egyes anyagi részecskék (ez ugyanis egyáltalán nem magától értetődő). Ennek feloldására született meg Peter Higgs brit fizikus elméjében, még 1964-ben, a Higgs-mező elmélete.
| ||
Ez egy olyan sajátos, az egész világegyetemet kitöltő, úgynevezett nem zéró vákuum várható értékkel bíró mező, melyhez összesen négy szabadságfok társítható, s közülük egy megfeleltethető a feltételezett Higgs-részecskének. Azt már csak a precizitás kedvéért mondjuk el, hogy a Higgs-mező úgynevezett skalártér, éppen ezért a Higgs-bozon spinje nulla. A standard modell hipotézise szerint az anyagi részecskék (például fermionok és leptonok, de a W- és Z-bozonok is) éppen eme Higgs-mezővel való kölcsönhatásuk révén nyerik el tömegüket – egy bonyolult, többek között szimmetriasértéssel járó folyamat eredményeképpen. Talán önökhöz is eljutott ama brit tudós analógiája, aki a konzervatív honleányokkal és státusférfiakkal sűrűn telerakott termen keresztülhaladó Mrs. Thatcherhez hasonlította az anyagi részecskék és a Higgs-mező kölcsönhatását – a Higgs-részecske létrejöttét pedig a teremben terjedő pletyka keltette spontán csoportok kialakulásával modellezte (az analógia nyilván hazai viszonyokra is transzponálható). Nos, ez a példa látszólag szemléletes, sok tekintetben szellemes, de sajnos egyben leegyszerűsítő is – a jelenség mélyebb analízise egyrészt összetettebb folyamatról tudósít, másrészt nem nélkülözheti a matematikát sem.
Mindenesetre a részecskefizika jó előre megjósolta, milyen folyamatok révén lehet detektálható Higgs-bozonokhoz jutni, illetve mi történik a bomlásuk során, ami szintén jelenlétükről tudósít. Mindehhez nagy tömegű részecskék nagy energiájú ütköztetésére van szükség – nem hiába építették a Nagy Hadronütköztetőt. Az efféle karambolok során előfordulhat, hogy két gluon (ugye, ezek is bozonok) egy-egy top-kvark és anti-top-kvark keletkezése közben bomlik és a kvark-antikvark reakció révén keletkezhet Higgs-bozon. A másik út, hogy két kvark bocsát ki W- vagy Z-bozonokat, melyek egymással reagálva szintén Higgs-bozont hoznának létre. Akárhogy is, de úgy tűnik, hogy a CERN kutatóinak sikerült a keresett részecskét létrehozniuk és detektálniuk. Hogy a megtalált partikula azonos a keresett Higgs-bozonnal, bizonyítja egyrészt a tömege, mely némi szórással, de a várt érték körül alakult: ez a CMS-nél 125,3, míg az ATLAS detektornál 126,5 gigaelektronvoltnak adódott – ezen a szinten már nem „kilóban, dekában” számolják a tömeget, hanem energia-egyenértékben –, másrészt az is, hogy a részecske egyik detektált bomlása során pontosan két nagy energiájú foton keletkezett, ami szintén arra utal, hogy egész spinű bozonról van szó.
Piszén pisze
A Higgs-bozon, amint előkerülése tényleg és végérvényesen igazolódik, mondjuk, az elkövetkező hónapokban, bizonyságot fog szolgáltatni arról, hogy a részecskefizika standard modellje legalábbis egy lépés előnyben van konkurenseivel szemben. Mert ne tagadjuk: akadnak olyan teóriák, melyek kiváltanák a standard modellt, ráadásul ezeket sem unatkozó manikűrösök vagy fizikából többszörösen bukott csontkovácsok, hanem többnyire képzett szakmabeliek, kiváló részecskefizikusok találták ki, s a Higgs-mezőtől mentes részecskefizikai modellek – mondjuk, matematikai leírásukat tekintve – nem egyszerűbbek a most ismerni véltnél. Az efféle modelleknek más módon kell magyarázniuk a részecskék tömegének keletkezését, vagy éppen a tömeghez jutás során alapvető jelentőségű elektrogyenge szimmetriasértést. Akad, aki a Higgs-mezőt cserélné fel egyfajta összetett mezővel, amelyet top-kvarkok és antikvarkok alkotnak. Létezik az úgynevezett technicolor-elmélet, mely a kvantum-színdinamika alapján magyarázná a már említett elektrogyenge szimmetriasértést, a legmerészebb elméletek pedig extradimenzióval számolnak – egészen pontosan az úgynevezett mértékmezők ötödik dimenziójának szánják a korábban a Higgs-mező számára adresszált feladatokat.
Érdekes, hogy miközben a CERN keretében, az LHC segítségével folyó kutatások részben, mint láttuk, éppen a Higgs-féle teória és vele a részecskefizika standard modelljének megerősítését célozzák, más kutatási irányok nem zárják ki a modellen való túllépést, vagy legalábbis a reformját.
Például magyar kutatók aktív részvételével kutatják a szuperszimmetria (SUSY) jelenségét – az ezzel kapcsolatos hipotézis szerint minden ismert részecskének létezik egy nagyobb tömegű, szuperszimmetrikus párja, amelyek már ismert párjuktól csupán egyetlen kvatumfizikai jellemzőjükben, a spinjükben különböznek. A szuperszimmetria elméletének amúgy van további következménye is: lehet, hogy nem is egy, hanem rögtön többféle Higgs-bozon létezik – így az is elképzelhető, hogy most csak egyet találtak meg közülük. Az egzotikusabb CERN-béli kutatási tervek közé tartozik a világegyetem kezdeti periódusát jellemző kvark-gluon plazma létrehozása ólomatommagok ütköztetése révén. Még ennél is merészebb (és vitatottabb) ama elképzelés, mely a már említett, a húrelmélet által is proponált extra dimenziók létezésére szerezne bizonyítékot. De a mini fekete lyukak (katasztrófaszcenáriókban előforduló) spontán létrejötte (esetleg tudatos létrehozása!) vagy az antianyag-kutatás (hogy két további, látszólag sci-fi témát említsünk) még a laikusok fantáziáját is megmozgathatja. (Dan Brown, a népszerű író Angyalok és démonok című könyvében már arról vizionált, hogy az LHC-ben „termelt” antianyagot vetik be a Vatikán ellen.)
Külön öröm számunkra, hogy bármi legyen is a jövőbeli kutatások fő csapásiránya, abban jelentős szerepet fog játszani a CERN 2013. január elsejétől induló TIER 0-s típusú budapesti (csillebérci) számítógépközpontja is, mely a kutatóközpontból érkező gigantikus mennyiségű adatot dolgozza fel és továbbítja majd az egyes alközpontok felé. Jellemző, hogy már az induló 100 gigabites sávszélesség is nagyobb, mint amennyi jelenleg a magyar internetforgalom lebonyolításához szükséges.
