Indul a legnagyobb részecskegyorsító - 7. rész: A Standard Modellen túl: észbontó sokdimenziós elmél

Sorozatunk legutóbbi írásában bemutattuk a részecskefizika eddigi kísérleti eredményeit jól leíró Standard Modellt. A modellnek már több kiterjesztését elkészítették, és részsikerek születtek az alapvető kölcsönhatások egységes elméletének kidolgozásában is. Sokak szerint azonban a Standard Modell nem lesz elég a természet leírásához, még akkor sem, ha megtalálják a kulcsfontosságú Higgs-bozont. A Standard Modellt meghaladó újabb elméletek eddig nem ismert részecskék sokaságának létezésével számolnak. Ezek a részecskék azonban túlságosan nagy tömegűek ahhoz, hogy az eddigi részecskegyorsítókban felbukkanhattak volna. A CERN új gyorsítója, a nagy hadron ütköztető (LHC) viszont minden korábbinál nagyobb energiák tartományát nyitja meg előttünk, ahol az új elméletek egyes következtetései ellenőrizhetővé válnak, és nem kizárt, hogy igazolást nyer majd valamelyik merész elgondolás. Ha nem, akkor tovább kell keresnünk a természetet jól leíró fizikát.

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 hatodik részben a kulcsfontosságú, de egyelőre csak feltételezett Higgs-részecskével ismerkedtünk meg. Az alábbiakban a Standard Modellt meghaladó, újabb elméleteket vizsgáljuk.

A természet alapvető erői és ezek egyesítése

A fizikusok szeretnék egységében megérteni és leírni a természeti törvényeket. Newton a 17. században a földi és az égi mechanikát egyesítette, a 19. század végén J. C. Maxwell alkotta meg az elektromosság és a mágnesség egységes elméletét. Einstein eredménye a gravitáció elmélete, de a gravitáció és az elektromágnesség egységes elméletét nem sikerült megtalálnia. Később, az elemi részecskéket és a köztük ható erőket leíró Standard Modell (SM) keretében megszületett az elektromágneses és a radioaktív átalakulásokat kormányzó ún. gyenge kölcsönhatás egységes elmélete. A Standard Modell hasonló módon képes az atommagokban a protonok és neutronok között és a protonokat alkotó kvarkok között ható erős kölcsönhatás leírására is. A fizikusok már lehetőséget látnak az elektromágneses, a gyenge és az erős kölcsönhatás egységes leírására, ez lenne a "nagy egyesítés" (GUT - Grand Unification Theory). Arra gyanakszanak, hogy a kölcsönhatások közti különbségek a Világegyetem történetének kezdetén, röviddel az Ősrobbanás után lezajlott átalakulások során alakultak ki, ezt megelőzően csak egyetlen, egységes erő létezett. Az őstörténetet viszont nem érthetjük meg a gravitáció alaposabb ismerete nélkül. A négy, tehát a gravitációit is tartalmazó alapvető kölcsönhatás egységes elmélete lenne a TOF - Theory of Everything, "mindennek az elmélete". A legújabb elméletek közül több is a négy kölcsönhatás egyesítését célozza.

Új elméletek, új erők, új részecskék

Az elméleti fizikusok több megoldást javasoltak az úgynevezett hierarchia-problémára, a kölcsönhatások jelentősen eltérő erősségének magyarázatára. A szuperszimmetria-elméletben új szimmetriát vezetnének be: a szuperszimmetrikus világban minden részecskének új párja jelenne meg. A "technicolor" modellben a kvarkokat összetartó "színes" erőkhöz hasonló új kölcsönhatásokkal számolnak. A húrelméletben parányi húrok, hurkok, membránok az alapegységek, amelyek az ismert az alacsony energiákon részecskeként viselkednek. (A "színes" erők színei természetesen nem színesek, a húrok sem valódi húrok, ezek csak az eszmecserét megkönnyítő elnevezések.) Valamennyi elméleti megoldás a ma ismertekhez képest további új erőket feltételez, ezek 10¹⁶ (tízezer billió) GeV táján egyesülnének a többi erővel. Az új elméleti lehetőségek mindegyike egy sor új, nagyjából 1000 GeV tömegű részecske létezésével számol. Ha ezek tényleg léteznek, akkor a CERN új gyorsítójában megtalálhatjuk őket (minél nagyobb a részcskegyorsítóban az ütközések energiája, annál nagyobb tömegű részecskék keletkezhetnek.)

Ismerkedés az energiaegységekkel

A részecskegyorsítókkal való "barátkozáshoz" elengedhetetlen a magfizikában és részecskefizikában használatos energiaegységek megismerése. 1 elektronvolt (eV) az a mozgási energia, amelyre egy elektron 1 Volt feszültségkülönbséget befutva szert tesz. Többszörösei: ezerszerese a kiloelektronvolt (keV); milliószorosa, vagyis a keV ezerszerese a megaelektronvolt (MeV); a MeV ezerszerese a gigalelektronvolt (GeV). Újabban már a TeV egységre is szükség van a gyorsítók leírásánál, ez a teraelektronvolt, az eV billiószorosa, a GeV ezerszerese. (1 TeV=10³ GeV=10⁶ MeV=10⁹ keV=10¹² eV)

SUSY

A modern részecskefizika egyik átfogó elmélete a szuperszimmetria elmélet, elterjedt angol rövidítésével SUSY (supersymmetry). Állításainak kísérleti ellenőrzésére mindeddig nem volt lehetőség, mert az ellenőrzendő folyamatok olyan energiatartományokban zajlanak, amelyek jóval meghaladták a legnagyobb korábbi részecskegyorsítók lehetőségeit. Néhány éve még arról is vitatkoztak, vajon szabad-e egyáltalán elméletnek nevezni egy ellenőrizhetetlen konstrukciót.

Az Alice-detektor

A szuperszimmetria az anyagot alkotó részecskecsaládok, a kvarkok és a leptonok, valamint a kölcsönhatásaikat közvetítő részecskék egységes elméletét ígéri. A részecskék világát kormányzó kölcsönhatások, az elektromágneses, a gyenge és az erős kölcsönhatás a SUSY szerint egyetlen kölcsönhatásnak a különböző megjelenési formái, nagyon nagy energiákon, tízezer billió GeV táján ezek a kölcsönhatások egymásba, egyetlen kölcsönhatássá olvadnak össze.

Az egységes, átfogó elmélet működéséhez nem elégséges a mai részecskék ismerete, pedig jó néhány elemi részecskét ismerünk már. A SUSY egyszerűen megduplázza a ma ismert részecskéket, minden részecske mellé társul egy szuperszimmetrikus partner. A részecskék és szuperszimmetrikus párjuk egyetlen kvantumfizikai jellemzőjükben, a spinben különböznek. A szuperszimmetrikus részecskék egy része a szokásos neve elé egy s betűt kapott, az elektron párja a selektron, a kvarké a skvark. Mások, mint a Higgs-részecske ino végződést kaptak (Higgsinó), így született meg a foton partnere, a fotino, a gluon mellé a gluino és így tovább. Ha igaz a szuperszimmetria, akkor mindeddig csak a részecskék felét ismertük meg, a másik fél még felfedezésre vár.

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.

A SUSY-ra joggal használják a fantasztikus és megdöbbentő jelzőket. Annyiban azonban nem előzmény nélküli, hogy hasonlóan merész elképzelések már születtek a modern fizika történetében. Az 1930-as években P. A. M. Dirac csak úgy tudta a kvantummechanikát és a relativitáselméletet összeegyeztetni, hogy olyan egyenletet írt fel, amelyben minden részecskének létezett egy párja. Ezek a testvérpárok csak töltésükben különböznek egymástól, az összes többi jellemzőjük megegyezik. Hamarosan ki is mutatták a Dirac által feltételezett részecskék, az antirészecskék létezését. Ma éppoly közönségesek és megszokottak, mint amilyen egzotikus furcsaságok voltak egykor.

Az spartner részecskék azonban - ha valóban léteznek - jobban elrejtőztek a természetben, mint az antirészecskék. Nyilvánvaló, hogy ha a tömegük és a töltésük azonos lenne jól ismert párjukéval, akkor már régen megtalálták volna őket. De mindeddig egyet sem észleltek, ezért a szuperszimmetria nem érvényesül a maga teljességében, sérül a szimmetria: valami miatt az srészecskék nagyon eltérnek a részecskéktől. Az elmélet szerint nagyon nagy energiákon, a mai részecskegyorsítók energiáját jóval meghaladó energiákon természetes jelenség ez a szimmetriasértés. A szuperszimmetrikus párok tömege nagyon eltérhet egymástól, és valamilyen módon a párok ismeretlen felének kapcsolatban kell állnia az ismert részecskékkel. Ez a kölcsönhatás nem ismert, talán a gravitáció közvetíti, vagy a fotonhoz és a gyenge kölcsönhatást közvetítő bozonokhoz hasonlóan egy részecske "repked" oda-vissza és közvetíti a kölcsönhatást.

A szuperszimmetria elmélete nem adja meg pontosan az skvarkok, sleptonok tömegét. Így nem kell elvetni az elméletet pusztán azért, mert még nem találtak srészecskéket. Tetszőlegesen nagy viszont nem lehet a tömegük, amelynek nagysága durván megbecsülhető. A korábbi részecskegyorsítók éppen ennek a tömegtartománynak a határán voltak, de az LHC-nál most minden eddiginél nagyobb energiájú tartomány nyílik meg. Az elmélet szerint az srészecskék, talán a legkönnyebeket kivéve, nem stabilak, más srészecskékre vagy az ismert kvarkokra, leptonokra bomlanak. Ha viszont valóban az ismert részecskékre bomlanak, akkor nagyon nehéz az ilyen folyamatokat a szokásos, a Standard Modell által leírt folyamatoktól megkülönböztetni.

A folyamatok energiamérlegéből is lehet következtetni srészecske megjelenésére. Az ilyen mérés azonban rendkívül nehéz, mivel előbb minden más lehetőséget ki kell zárni, és az energiamérleg hiányából csak ezután lehet a legkönnyebb, semleges srészecske felbukkanására következtetni.

Ezek a részecskék a kozmológusokat is érdeklik, tökéletes hordozói lehetnek ugyanis a Világegyetem sötét anyagának. Az Univerzum anyagának csak néhány százaléka világít, bocsát ki elektromágneses hullámokat. Ezt észleljük, a többi nagy része az ismeretlen sötét anyag, amelynek az srészecskék mellett sok más hordozója is elképzelhető.

A húrelmélet és membránvilág: észbontó elméletek sok dimenzióban

Már nem három, hanem négy, tehát valamennyi alapvető kölcsönhatás egységes elméletének megalkotását célozza a húrelmélet, amelyben a részecskéket pontok helyett parányi, húrszerű tárgyként kezelik a számításokban. A húrelmélet ellenőrzése nagyon nehéz, mert a húrok csak elképzelhetetlenül nagy energiákon "léteznek". Viszont a húrelmélet is megjósolja a szuperszimmetriát, ezért a húrelmélet hívei is várják az srészecskék laboratóriumi észlelését.

Húrelméletekből egyébként már ötféle van. A húrelméletek kis energiákon reprodukálják az ismert részecskéket, és 10 téridő-dimenzióban jól leírják együttesen a gravitációt és a többi erőt. Természetesen nem 10 dimenzióban élünk, a 10-ből 6 dimenzió 10¹⁶ GeV/részecske energia alatt egyszerűen nem figyelhető meg.

Egy újabb elméleti iskola membránokkal számol, ez a bránok világa. A részecskéket membránnak vagy sokkal általánosabban p-dimenziós tárgyaknak képzelik el, ezek a membránok kapták a brán (angolban brane) nevet. A 11 dimenziós téridőben a membrán buborék vagy lap alakot vehet fel. Létezhet egy olyan bránvilág, amelyben a Világegyetem egy háromdimenziós brán egy sokdimenziós univerzumban. A bránok világának szakértői egyre fantasztikusabb elképzelésekkel állnak elő, egy ilyen szerint például az Ősrobbanás egyszerűen két háromdimenziós brán ütközése volt. Lisa Randall a bránok világában arra keresett magyarázatot, hogy miért olyan gyenge a gravitáció a többi kölcsönhatáshoz képest. Randall 4 dimenziós bránnak írja le világunkat, de ez a brán egy 5 dimenziós térben található. A 3 tér és az 1 idődimenziót érzékeljük, de az 5. dimenziót nem, arra nem vagyunk érzékenyek. Randall feltételezi, hogy egy bránon élünk, de lehet, hogy a gravitáció nem ezen a bránon koncentrálódik, hanem egy másikon. Mi kissé távol vagyunk ettől a másik brántól, ezért érezzük gyengének a gravitációt.

Mindenki izgatottan várja a szeptember 10-i indulást (lásd a keretes írásban)

A szuperhúrok, a bránok, az extra dimenziók elméleti kutatók által leírt világa nem vethető egyelőre össze a valóságos világgal, az elméletek következtetéseit nem lehet kísérletekkel ellenőrizni. A 10¹⁶ Gev energiatartomány távlatilag is elérhetetlennek tűnik, ekkora energia eléréséhez néhány fényév átmérőjű részecskegyorsítóra lenne szükség. Az ebben az energiatartományban zajló folyamatok viszont hatással lehetnek a kisebb energiák tartományában zajló történésekre. Arról lehetne felismerni őket, hogy ezek a folyamatok kívül esnek a Standard Modell által megszabott kereteken, lehetőségeken: olyan történések ezek, amelyeket az SM tilt. Nagy kérdés, hogy megfigyelnek-e majd ilyeneket az LHC-ben.

A kölcsönhatások egységes elméletének megalkotása nagyon messzire vezetne, mert választ adhatna a kozmológia alapkérdéseire is. A táguló Világegyetem valóban a múlt egy meghatározott időpillanatában kezdődött? A mi Ősrobbanásunk csak egyetlen epizód egy sokkal nagyobb világegyetemben, amelyben örökösen kisebb és nagyobb ősrobbanások történnek? Ha így van, akkor a mi állandóink és törvényeink robbanásról robbanásra változnak? Ha ezekre választ kapunk, akkor sem lesz vége a fizikának.

Következik: Veszélyesek-e az új kísérletek?

Aktuális információk: sikeresek az eddigi tesztek, az első teljes kör szeptember 10-én

Augusztus 9-én léphetett be első ízben protonnyaláb a nagy hadron ütköztető (LHC) 27 kilométer kerületű egyik 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. Augusztus 22-én a másik gyűrűbe való belépés is megtörtént (a két gyűrűben ellentétes irányban mozognak majd a protonok, és a detektorok területén ütköztetik őjket). A részecskecsomag mindkét esetben 3 kilométeres utat tett meg.

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

Jobbra: 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