Szorul a hurok a Higgs-bozon körül

• Stöckert Gábor

Tovább szűkítették a Higgs-bozon lehetséges tömegtartományát az európai részecskefizikai kutatóintézet, a CERN kutatói. A részecske már majdnem megvan, jövőre akár teljessé válhat a kvantumfizika standard modellje – ami viszont nem fog minden fizikai jelenséget megmagyarázni. A Higgs-bozon gyakorlati hasznát mi már nem élvezhetjük, vagy éppen e cikk olvasásakor is élvezzük – ez már nézőpont kérdése.

A CERN kedd délután egy szemináriumon jelentette be, később pedig sajtóközleményben is hírül adta, hogy tovább szűkítette a Higgs-bozon lehetséges tömegét. Az intézet fizikusai a legnagyobb részecskegyorsító, a Large Hadron Collider (LHC, Nagy Hadronütköztet) adatait elemezve jutottak erre eredményre, az LHC két kísérlete, az ATLAS és a CMS is hasonló tartományt adott meg a bozon tömegére.

Fabiola Gianotti Fotó: Leon Neal

Az ATLAS szóvivője, Fabiola Gianotti elmondta, hogy ők 116 és 130 gigaelektronvolt (GeV) közé teszik a Higgs-bozon lehetséges tömegét, és az utóbbi időben a 125 GeV körüli értékek voltak a leggyanúsabbak nekik. (Az elektronvolt energia-mértékegység, a részecskefizikában ebben adják meg a részecskék tömegét.) A CMS részéről Guido Tonelli közölte az eredményeket, ők 115 és 127 GeV közötti intervallumban várják a Higgs-bozon felbukkanását. Nem ez az első tömegtartomány-szűkítés idén, júliusban már bejelentették, hogy a Higgs-bozon tömege valószínűleg 114 és 140 GeV közé esik majd.

„Idén a tervezettnél ötször több adatot gyűjtöttünk kísérletenként, így sikerült jelentősen szűkíteni a Higgs-részecske lehetséges tömegét” – kommentálta a bejelentést kérdésünkre Horváth Dezső, a Debreceni Egyetem professzora, a KFKI RMKI főosztályvezetője, aki a CERN több kísérletében is részt vesz. „Ez a tartományszűkítés azzal kecsegtet, hogy jövőre tényleg megtaláljuk a részecskét a leszűkített régióban.” Ez az intervallum egyébként az, ahol a lehető legnehezebb ráakadni a bozonra, mert ebben a tartományban a részecske nagyon sokféle, egymással versengő reakcióval tud bomlani. A részecske egyébként is rövid életű, jelenlétére csak azon részecskék alapján tudnak következtetni, amelyekké elbomlik. Mind az ATLAS, mind a CMS több bomlási csatornát is vizsgált.

Horváth szerint szerencsés, ahogy a két, egymással versengő kísérlet szorosan együttműködik. „Versenytársak vagyunk, de arra nagyon vigyázunk, hogy ne hozzunk nyilvánosságra olyan adatot, amit a másik meg tudna cáfolni” – fogalmazott a fizikus. „Ha az egyik kísérlet felfedez valamit, a főigazgató kérésére a másik kísérlet azt ellenőrzi, így nem fordulhat elől, hogy egy közölt eredményt rövid időn belül mi magunk megcáfolunk, ami például az amerikai Fermilabben már előfordult.”

Kis részecskehatározó

Hogy mi az a Higgs-bozon, és miért jó nekünk, ha meglesz, nehéz konyhanyelven leírni. Az ember az elmúlt évszázadokban egyre kisebb darabokra aprított anyagokat, hogy megismerje az őt körülvevő környezetet. Így derült ki, hogy az élőlényeket sejtek alkotják, majd az, hogy a sejtek molekulákból, azok pedig atomokból állnak. Az már az újkori, illetve a legújabb kori tudomány felfedezése, hogy az atomot is tovább lehet bontani szubatomi részecskékre, sőt néhány szubatomi részecske maga is elemi részecskéből áll, amelyek – mai ismereteink szerint – már oszthatatlanok.

A szubatomi és az elemi részecskéket többféle szempont szerint csoportosítja a kvantumfizika. Hadronnak nevezi például azokat a szubatomi részecskéket, amelyek a kvark és a gluon nevű elemi részecskékből állnak. A proton és a neutron például hadron, mindkét szubatomi részecskét három-három kvark alkotja. Hogy a hadronok összeálljanak, azt az erős kölcsönhatásnak nevezett jelenség teszi lehetővé: a kölcsönhatás elsősorban kvarkok között hat, és a gluonok a közvetítőrészecskéi. Léteznek olyan elemi részecskék is, amelyek semmilyen módon nem vesznek részt az erős kölcsönhatásban – ilyen például az elektron, ami ettől még az atomok fontos alkotóeleme.

Lehetséges csoportosítási szempont az is, hogy az adott részecskének milyen a spinje, azaz belső impulzusmomentuma. Ennek a kvantumtulajdonságnak a leírása már haladó fizikai tankönyvekbe illik, itt még a pongyola fogalmazás sem segít – a laikusnak annyi is bőven elég, hogy a spin értéke lehet egész szám (0, 1, 2, ...), fél vagy félegész (1/2, 3/2, 5/2, ...). Az egész spinű részecskék a bozonok (Satyendra Nath Bose indiai matematikus után), a fél vagy félegész spinűeket fermionoknak (Enrico Fermi nevéből) nevezi a részecskefizika, és ez a két részecskecsoport egészen másként viselkedik. A bozon tehát gyűjtőnév, a részecskefizika ismer W- és Z-bozont is, és az LHC-ben nagy erőkkel keresett Higgs-bozon is egy egész spinű részecske.

Fizika a modellen túl

A Higgs-bozon azért fontosabb most mindennél jobban az elméleti fizikusoknak, mert ez a részecske hiányzik a standard modellből. A standard modell olyan elmélet, ami rendszerbe foglalja az elemi részecskéket, valamint egyesít hármat a természet négy alapvető kölcsönhatása közül. A három egyesítendő a fent említett erős kölcsönhatás, az elektromágneses kölcsönhatás, valamint a gyenge kölcsönhatás, aminek a béta-bomlás nevű atommag-átalakulás köszönhető. A negyedik kölcsönhatás, a gravitáció kilóg a standard modellből.

A standard modellben minden részecskének jól meghatározott szerepe van, és hogy a modell sok mindent jól megmagyaráz, az is jelzi, hogy több részecske létezését sikerült előre megjósolni még a felfedezése előtt. A Higgs-bozon az egyetlen renitens, ami még csak elméletben létezik – ha sikerülne igazolni a létét, azzal teljessé válna a standard modell. A bozont a hatvanas években több kutatócsoport is megjósolta, de leginkább a skót Peter Higgshez kötik, akiről a nevét is kapta. Higgs feltételezése szerint létezik egy mező, amely egyenletesen kitölti a vákuumot, és a részecskék ebben a mezőben mozogva, azzal kölcsönhatásban nyernek tömeget. Ennek a folyamatnak az elemi gerjesztése az a szerep, amit a modellben a Higgs-részecske betölt.

A teljes standard modell azonban nem jelentené az elméleti fizika végét, sőt. „Ha megtaláljuk a Higgs-bozont, először tanulmányozni fogjuk, hogy tényleg olyanok-e a tulajdonságai, mint amit a modell előre megjósolt. Aztán jön a modell tökéletesítése, kiegészítése, ugyanis mi folyamatosan harcolunk a standard modell ellen. Mert bár nagyon sok dolgot remekül leír, komoly elméleti problémái vannak” – mondja Horváth Dezső.

Ilyen probléma például az, hogy a modell nem magyarázza meg, mi a sötét anyag, és azt sem, hogy miért nincs antianyag a világűrben. Horváth szerint találni kell olyan jeleket, amelyek túlmutatnak a standard modellen, és vannak is ilyenek, ezek arra utalnak, hogy egy bizonyos energiaszinten megjelenhet valamilyen új fizika, ami korrekciókat adhat a standard modell egyes értékeire. „Ilyen jel lehet például a CERN idei, nagy port kavart bejelentése a fénynél gyorsabb neutrínókról, amiről egyre inkább úgy tűnik, hogy nem mérési hiba” – magyarázza Horváth. „De láttunk már proton és antiproton ütközésében is teljesen lehetetlen eredményt, ami előtt értetlenül álltunk.”

Jöhet még bozonadó

És hogy mire jó az, hogy a fizikusok drága berendezésekben keresnek elméletben létező részecskéket? Egy lehetséges válasz természetesen az alapvető ismereteink bővítése. Egy másik, hogy nem nagyon lehet előre látni még, hogy milyen gyakorlati alkalmazása lesz, de ezek a kutatások valamikor majd alkalmazásokhoz fognak vezetni. Ugyan most nem lesz olcsóbb a kenyér egy új részecske felfedezésétől, de lehet, hogy évszázadok múlva már lesz antianyag-hajtómű, az odáig vezető úton pedig egy fontos ismeret a standard modell tökéletesítése.

A fizikusok egyébként gyakran emlegetnek egy anekdotát Faradayről: amikor az angol pénzügyminiszter megkérdezte a fizikust, hogy mi értelme van elektromágneses kísérleteinek, a tudós így válaszolt: „Miniszter úr, ön ezt egyszer még meg fogja adóztatni.”

És ha ez a válasz sem elég, sorra lehet venni, hogy a részecskefizika révén milyen találmányok születtek az orvosi diagnosztikai eszközöktől a mikrohullámú sütőig, arról nem is beszélve, hogy a web is a CERN-ben született.