Indul a legnagyobb részecskegyorsító - 6. rész: A modern fizika Szent Gráljának nyomában

Az elmúlt évtizedekben végzett részecskefizikai kísérletek eredményeinek értelmezésére, egységes keretbe foglalására dolgozták ki a Standard Modellt. A modell jól leírja a ma ismert tényeket, és eddig a rá alapozott előrejelzések is beigazolódtak. Van azonban egy komoly hiányossága: még nem sikerült megtalálni az egyik alapvető összetevőjét, az úgynevezett Higgs-bozont. A CERN új nagy részecskegyorsítója, a nagy hadron ütköztető korábban sohasem vizsgált energiatartományt nyit meg a kutatók előtt. Az új kísérletek egyik fő célja ennek a régen keresett részecskének a megtalálása, megismerése.

Néhány héten belül megkezdődhetnek a kísérletek a világ legnagyobb és legújabb részecskegyorsítójában a Genf mellett lévő részecskefizikai kutatóközpontban, a CERN-ben. A nagy hadron ütköztetővel (Large Hadron Collider, LCH) végzett megfigyelésekből az Univerzum kialakulásának és az anyag szerkezetének soha nem látott titkaira derülhet fény. Cikksorozatunk bevezetőjében a kísérletekkel kapcsolatos biztonsági szempontokat tekintettük át, majd az első részben vizsgáltuk, miért van szükségünk egyáltalán részecskegyorsítókra, ezekre a gigantikus és drága szerkezetekre. A második részben a CERN eddigi részecskegyorsítóit és a korábban elért legfontosabb tudományos eredményeket ismertettük, a harmadik részben az LHC lenyűgöző technikai jellemzőit mutattuk be. A negyedik részben a kvark-gluon-plazmával, az Univerzum ősanyagával foglalkoztunk, amelyet a várakozások szerint "elkészítenek" majd végre a CERN-ben. Az ötödik részben arra kerestük a választ, hogy miért csak anyag van a Világegyetem eddig általunk megismert részében, hová lett az antianyag, illetve miért létezhet egyáltalán az anyag. A következőkben egy kulcsfontosságú részecskével ismerkedhetünk meg, amelyet eddig nem sikerült felfedezni.

A kvark-hipotézis

1970-ben a Stanfordi Egyetemen 20 gigaelektronvolt energiára gyorsított elektronokkal bombáztak protonokat. A vártnál több elektron szóródott nagy szögekben, ami arra utalt, hogy a protonokon belül kisebb alkotórészek vannak. Ez volt az első kísérleti bizonyíték arra, hogy a jól ismert elemi részecskék egyike, a proton is összetett szerkezet, részei vannak. A megdöbbentő új eredményeket szolgáltató kísérletekkel párhuzamosan, azokat meg is előzve, az elméleti fizika is hasonló eredményekre jutott. Az elméleti modellekből olyan elemi részecskecsalád képe rajzolódott ki, amelynek a tagjai, köztük a proton is, összetett részecskék.

Ekkor lépett a színre M. Gell-Mann amerikai fizikus kvark-hipotézisével. Számításai szerint három, általa kvarknak nevezett feltételezett részecskéből valamennyi olyan részecske felépíthető, amely az erős kölcsönhatásban vesz részt. Az erős kölcsönhatásban résztvevő részecskék, azaz a hadronok közé tartozik a proton, a neutron és még számos, akkoriban éppen csak megismert, nem stabil részecske. Gell-Mann kiszámította, milyen tulajdonságokkal kell rendelkezniük a kvarkoknak ahhoz, hogy jól használható építőkövek lehessenek. Munkája nagyon sikeres volt, az elemi részecskék valamennyi sztatikus tulajdonságát, tehát az elektromos töltésüket, különböző kvantumszámaikat pontosan adta vissza a kvark-hipotézis.

Hatalmas volt a siker, ismét közeledett a világkép a görögök régi álmához: egyszerűen, néhány elemből felépíthető a világ. A három kvark (és antirészecske párjaik, a három antikvark) színre lépésével több száz részecske már nem volt jogosult az elemi jelzőre, hiszen fény derült összetett voltukra.

Három kvarkot Mark mesternek!

"Three quarks for Muster Mark!" - Három kvarkot Mark mesternek! Az idézet James Joyce Finnegan ébredése c. szürrealista regényéből való, innen származik a modern részecskefizika egyik alapszava, a kvark. Joyce írásában szakértő irodalmárok szerint a quark (kvark) kifejezés a hark! (hé!) és a quart (negyedgallonos sör) szavak összevonásából keletkezett. A fizikába Murray Gell-Mann vezette be, így nevezte el az akkor még csak feltételezett részecskéit. Gell-Mann azért választotta ezt a szót, mert a tengeri sirály hangjára emlékeztette, a névválasztásban az is erősítette, hogy három kvarkot (három sört) kérnek a regényben, s az ő eredeti modelljében is három kvark szerepelt. Gyermekkorában sok időt töltött New Yorkban az Atlanti-óceán partján, ott hallgatta a sirályokat.

Szabad, magában létező kvarkot a rengeteg erőfeszítés ellenére sem sikerült megfigyelni. Mire megszülettek a kvarkok bezártságát magyarázó elméletek, más számítások már arra utaltak, hogy nagyobb energiákon a kvarkok mégis kiszabadulhatnak börtönükből. Laboratóriumi körülmények között ez az állapot természetesen csak átmeneti lehet, mert nem tudjuk fenntartani a kvarkok tartós szabadságához szükséges viszonyokat. Ezért a kvarkok átmeneti kiszabadulásuk után újra visszazáródnak, visszafagynak a hadronok belsejébe. (A kvark-gluon-plazma létrehozásával cikksorozatunk egyik korábbi részében foglalkoztunk.)

Újabb kvarkok

A három kvark hipotézis nagyon jól bevált 1974 novemberének közepéig. Ekkor fedezték fel a J vagy pszí részecskét két laboratóriumban egyidejűleg, egymástól függetlenül. Két évvel később mindkét csoport vezetője megkapta a fizikai Nobel-díjat, ami szokatlanul rövid idő (a Nobel-bizottság hosszabb időt szokott hagyni arra, hogy az eredmények hitelessége és fontossága bebizonyosodjon). A gyorsaság ezúttal a felfedezés nagy horderejét mutatja. A J/pszí részecske azért okozott forradalmat a részecskefizikában, mert a tulajdonságai, például rendkívüli stabilitása nem voltak értelmezhetők a három kvark hipotézissel. Mi a megoldás? Feltételezték, hogy létezik egy negyedik kvark, amelynek tulajdonságait a J/pszí részecske tulajdonságaiból következtették ki. A korábbi három kvark többféle néven szerepelt, végül a fel, le és a ritka (különös) elnevezések terjedtek el (angol eredetiben up, down és strange). A negyedik kvark a bájos nevet kapta, a rá jellemző kvantummennység neve báj (charm). A J/pszí részecske egy mezon, amely egy bájos kvarkból és egy bájos antikvarkból áll.

Már látszik az alagút vége - a nagy hadron ütköztetővel megtalálhatják a Higgs-bozont

Az ötödik kvark létezésére utaló első kísérleti eredményt 1977 júniusában, a Budapesten rendezett részecskefizikai konferencián jelentették be. Az amerikai L. Lederman és munkatársai üpszilon-részecskének keresztelték el az egyre bővülő részecske család legújabb tagját. Az üpszilon-részecske a számítások szerint az új, ötödik fajta kvark-antikvark párból épül fel. Az ötödik kvark több nevet kapott már, szépség, felső vagy csúcs, illetve alsó vagy fenék. Végül az alsó vagy fenék (bottom) elnevezés terjedt el, így a hatodik kvark kapta a felső vagy tető (top) nevet.

A hatodik kvark felfedezésére várni kellett néhány évet. Először 1994 áprilisában feltételesen, majd 1995 februárjában már biztos meggyőződéssel jelentették be a chicagói Fermi Nemzeti Laboratóriumban, hogy felfedezték a top kvarkot. A top kvark rendkívül nehéznek, nagy tömegűnek bizonyult, ez a magyarázata annak, miért nem találták meg korábban. A korábbi kísérletekben a részecskegyorsítók, így az ütköző részecskék energiája nem volt elegendő ahhoz, hogy ilyen nehéz részecske létrejöhessen. A top kvark tömege kb. a volfrám-atommag tömegével egyenlő, ez is jól mutatja a kvarkok különbözőségét. A kvarkok táblázatában most már nem maradt üres rovat. Kérdés, jól ismerjük-e a táblázatot, hátha vannak olyan sorok vagy oszlopok, amelyeknek a létezésére sem gondoltunk eddig.

Fermionok és bozonok

Mai tudásunk szerint a részecskék két alapvető csoportba oszthatók. A feles spinűek a fermionok, ezekből épül fel az anyag. Az egész spinű részecskék, a bozonok családjába a kölcsönhatásokat közvetítő részecskék tartoznak (foton, W- és Z-bozon, gluon). A fermionok három jól elkülönülő családba rendeződnek. Mindegyikbe tartozik két nehéz részecske, ezek kvarkok, és két könnyű részecske, ezek a leptonok. A leptonok közül az egyik töltött részecske (elektron, müon, tau), a másik pedig a hozzátartozó neutrínó. Tehát az anyag minden változata, valamennyi részecske, valamennyi részecskeátalakulás 6 kvark és 6 lepton (és antirészecske párjuk) felhasználásával valósul meg. Ennek a 6-6 részecskének a létezését meggyőző kísérletek bizonyítják. Tapasztalati, kísérleti oldalról jelenleg nincs ok újabb részecskecsaládok, köztük újabb kvarkféleségek feltételezésére. Azt egyelőre nem tudjuk, hogy miért pont 3 fermioncsalád létezik, és ezek miért olyan hasonlóak egymáshoz.

A spin

A spin (angolul forgás, pörgés) a részecskék saját impulzusnyomatéka (perdülete). A részecskék spinje - neve ellenére - nem felel meg a makroszkopikus világban ismert saját tengely körüli forgásnak. A spin értéke kvantumszám, amely egész vagy fél értéket vehet fel (0, 1/2, 1, 3/2, 2,...). A részecskéket spinkvantumszámuk szerint két csoportra osztják: a feles (1/2, 3/2, ...) spinűek a fermionok, az egész spinűek (0, 1, 2...) a bozonok.

Írásunkban végig 6 kvarkról (és antikvark párjukról) értekezünk, de a valóság ennél gazdagabb. Alapvető jellemzőiket (tömeg, töltés) tekintve valóban hatan vannak, de mindegyik kvarknak van három változata, ezek "színükben" különböznek egymástól. Mindegyik kvarkból van vörös, zöld és kék, ezeknek természetesen semmi köze a megszokott színekhez, az elnevezések egyszerűen egy, az erős kölcsönhatásban megnyilvánuló tulajdonság megkülönböztetésére használatosak. Az erős kölcsönhatás elméletét ezért hívják kvantumszíndinamikának.

A Standard Modell sikeresen jelezte előre a kvarkok és leptonok kölcsönhatásait. A jelenlegi modell azonban nem képes megmagyarázni, hogy miért három generációja van a kvarkoknak és a leptonoknak. A modellből nem lehet kiszámítani a kvarkok és a leptonok tömegét, sem a kölcsönhatások erősségét.

Peter Higgs angol fizikus a CERN-ben - feladta a leckét

A részecskefizika Standard Modellje ún. kvantumtérelmélet. Alapösszetevői a terek, ezeknek apró fodrozódásai energiát és impulzust hordoznak egyik helyről a másikra. A kvantummechanika szerint ezek a fodrozódások csomagokban jelentkeznek, ezeket észleljük elemi részecskeként a laboratóriumokban. Az elektromágneses tér kvantuma a foton. A SM-ben minden részecskecsaládhoz külön tér tartozik. A leptontérhez tartozik az elektron, a müon, a tau-részecske és a neutrínók. A különböző típusú kvarkokhoz más terek tartoznak. A részecskék közti erőhatás valójában részecskék cseréje, az elektromágneses kölcsönhatást a fotonok, a gyenge kölcsönhatást a W- és Z-részecskék, az erős kölcsönhatást 8 féle gluon közvetíti.

Honnan jön a tömeg?

A részecskék tömege széles tartományt fog át, a legnehezebb kvark tömege például 350 000-szerese az elektronénak. A SM azonban nem tud magyarázatot adni arra, hogy egyáltalán miért van tömege a részecskéknek, s ha van, akkor miért pont akkora. A tömeg létrehozására egy újabb teret vezettek be a fizikusok. Ez egy ún. skalártér - a skalár szó arra utal, hogy a tér nem irányérzékeny. A skalárterek átjárják a teljes teret, a skalárterek és a többi tér kölcsönhatása ad tömeget az SM részecskéinek. Még nem sikerült megtalálni ezeknek a skalárterenek a kvantumát, a Higgs-részecskét, amely ezt a kölcsönhatást közetítené. (Létezésük lehetőségét Peter Higgs angol fizikus vetette fel először.)

A Higgs-mechanizmus

A Higgs-mechanizmus, a Higgs-térrel való kölcsönhatás ad tömeget a kvarkoknak, leptonoknak és a kölcsönhatásokat közvetítő bozonoknak. Ha nem létezne ez a mechanizmus, akkor minden részecske állandóan fénysebességgel száguldana, nem jöttek volna létre a csillagok, az égitestek, természetesen élet sem lenne. A Higgs-mechanizmus közvetlenül az Ősrobbanás után jelenhetett meg. Képletesen olyan a hatása, mintha a testek súrlódnának a téridőben, vagy ahogy a víz akadályozza járásunkat egy tóban. Az elektromágneses és a gyenge kölcsönhatás egységes elmélete megalkotásához a Higgs-mechanizmust is bevonták. Így derült ki, hogy az elektrogyenge kölcsönhatás közvetítő részecskéi, a W- és Z-bozonok nagy tömegűek, a protonénál 81-szer, illetve 92-szer nagyobb a tömegük. A CERN-ben végzett kísérletek pontosan igazolták a számításokat. A Higgs-mechanizmus magyarázatot adott arra is, miért 0 a tömege a fotonnak, az elektromágneses kölcsönhatás közvetítőjének, így vált érthetővé, hogy nagyobb tömegű közvetítő részecskéi miatt gyengébb a gyenge kölcsönhatás az elektromágnesesnél. A Higgs-mechanizmus igazolásához már "csak" a közvetítő részecskéit kellene megtalálni.

Az elméletben jól bevált skalárterek létezése tehát még bizonyításra szorul. Az is vitatott, hányféle lehet belőlük. A Standard Modell úgynevezett kiterjesztett változatai például ötféle Higgs-bozonnal számolnak, ezek közül kettő töltött.

A Standard Modell a Higgs-bozon valamennyi tulajdonságát pontosan megjósolja a tömege kivételével, számítások 80 és 144 GeV közé teszik.

Reálisan arra lehet számítani, hogy a CERN-ben hamarosan munkába álló óriásgyorsítónál, az LHC-nál sikerül majd létrehozni és kimutatni a Higgs-részecskéket. Korábban is keresték több laboratóriumban, de mindig csak arra jutottak, hogy a Higgs-nehezebb, mint az adott gyorsítóban elérhető energia. Az LHC előtt a CERN-ben a LEP elektron-pozitron ütköztető mellett több kísérletben is keresték a Higgs-bozont. 2000-ben még a gyorsító leállításának elhalasztása is felmerült, mert az egyik kísérletben észlelni vélték a keresett részecskét. Alaposabb elemzés után ezt elvetették, és 114 GeV-ben adták meg azt a határt, aminél biztosan nehezebb a Higgs-bozon.

Szimulált adatok alapján készült modell a Higgs-bozon egy lehetséges elbomlásáról

A Standard Modell helyességét kísérleti megfigyelések hosszú sora igazolta. A Higgs-bozon kivételével valamennyi alkotórészét megfigyeltük. A Higgs-bozon azonban nem egy a sok részecske közül, hanem kulcsfigura. Fontosságára és eddigi sikertelen keresésére utal, hogy gyakran a modern fizika Szent Gráljaként említik. Léte és tulajdonságai bizonyítanák a Standard Modell érvényét. Vannak azonban arra utaló jelek is, hogy a Standard Modell mögött egy egységes, mélyebb elmélet húzódik meg. Ezzel a sorozat következő írásában foglalkozunk.

Következik: A Standard Modellt meghaladó elméletek

Aktuális információk: sikeres volt az első teszt, az első teljes kör szeptember 10-én

Augusztus 9-én léphetett be első ízben protonnyaláb a nagy hadron ütköztető (LHC) 27 kilométer kerületű gyűrűjébe. Az előgyorsító rendszer pontos működését már korábban beszabályozták, ellenőrizték. A hatalmas gyorsító üzembe helyezése fokozatosan, lépésről-lépésre történik. Augusztus 9-én az LHC "ajtaját kinyitva" csak a gyűrű egyik szegmensébe való belépést tesztelték. A részecskecsomag 3 kilométeres utat tett meg.

A próba szerint rendben volt az előgyorsító és az LHC egyik gyűrűje közti kapcsolat. A nyaláb az első teljes kört, szeptember 10-én teheti meg. Ezután jöhet a gyorsítása az LHC-n belül is, aminek során fokozatosan érik majd el az első hetekre tervezett, maximum 5 teraelektronvoltos energiát (ezt később növelik 7-re).

A felvételen a sárga folt mutatja az LHC-ba érkezett részecskenyalábot. A nyaláb útjába egy részecskedetektort helyeztek, ez mutatta ki az itt még kb. 5 milliméter átmérőjű protonnyaláb beérkezését.