Indul a legnagyobb részecskegyorsító - 9. rész: Fantasztikus elméletek

A nagy hadronütköztető (LHC) minden eddiginél nagyobb energiájú protonnyalábjainak ütközéseiben nagyon sokféle részecske születik majd. Sorozatunk korábbi írásaiban a reálisan várható folyamatoktól haladtunk az egyre fantasztikusabb elképzelések felé. Ezúttal valóban fantasztikus dolgokat mutatunk be: az időutazást egy féreglyukban, a világegyenletet és az anyag új fajtáját, a nem-részecskét. Közös jellemzőjük, hogy a merész fantázia szülöttei, de eddig semmiféle tény nem igazolta őket. Az LHC-nál megnyílt új energiatartományban ez is változhat.

Mint arról szeptember 10-én beszámoltunk, "bekapcsolták" a nagy hadronütköztetőt, a világ legnagyobb részecskegyorsítóját a Genf melletti nemzetközi kutatóközpontban, a CERN-ben. Szeptember 19-én héliumszivárgást jeleztek a műszerek a gyorsító alagútjában. A vizsgálatok azóta feltárták a szivárgáshoz vezető folyamatokat, és megkezdték a hibaelhárítást, de csak 2009-ben indulhat újra az LHC. Egy ennyire összetett, részben vadonatúj csúcstechnológiai megoldásokat alkalmazó hatalmas rendszer beüzemelésénél törvényszerűen számolni kell kisebb-nagyobb problémákkal, hibákkal. A mostani hiba kijavítása a szupravezetés miatt időigényes. A fizikusok azonban közben is tudnak tovább dolgozni a detektorrendszerek kipróbálásán, beszabályozásán, a számítástechnika beüzemelésén.

Az LHC-vel végzett megfigyelésekből az Univerzum kialakulásának és az anyag szerkezetének soha nem látott titkaira derülhet fény. Rovatunk cikksorozatot indított a témában, amelynek 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 - az LHC ezek megválaszolásához is közelebb vihet bennünket. A hatodik részben egy kulcsfontosságú részecskével, a Higgs-bozonnal ismerkedhettek meg - amelynek megtalálása az LHC legfontosabb feladata -, majd a Standard Modellen túli részecskefizikai elméletekről olvashattak, amelyek első kísérleti alátámasztása is most először várható. A nyolcadik részben néhány biztonsági szempontot vizsgáltunk meg, miközben sorra vettük az LHC lehetséges "fura teremtményeit". Most még fantasztikusabb elképzelések következnek.

Féreglyukba esett részecskék

Igor Volovics és Irina Arefjeva (Szteklov Matematikai Intézet, Moszkva) arra számít, hogy féreglyukakban tűnhetnek el részecskék az LHC-nál. Már régóta feltételezik, és a tudományos-fantasztikus filmekben meg is valósítják a féregjáratokban, a távoli téridő-tartományokat összekötő alagutakban való utazást. Az 1980-as években több elméleti fizikus számításai alapján még olyan nagy féregjáratokra gondoltak, hogy akár ember vagy űrhajó is mozoghatna bennük. A Földön belépnénk egy ilyen járatba, és egy távoli ponton, mondjuk egy másik galaxisban szállnánk ki. Azóta már az elméleti fizikusok többsége sem számít erre a lehetőségre, maximum parányi elemi részecskék féreglyukbeli kalandjait tudják elképzelni.

Az orosz kutatók azzal számolnak, hogy a gyorsítóban egymás közelébe kerülő két nagyenergiájú proton annyira eltorzítja a téridőt, hogy abban egy "lyuk" keletkezik. Megbízható számításokhoz a gravitáció kvantumelméletére lenne szükség, ez azonban még nem született meg. Így abban sem alakult ki egyetértés, hogy mekkora energiánál kell a kvantumjelenségek fellépésére számítani a tömegvonzásban. Az általánosan elfogadott nézet szerint tízezerbillió teraelektronvolt alatt nem lépnek fel kvantumjelenségek, de olyan tanulmány is megjelent, amelyben mindössze 1 TeV-re teszik ezt a határt - utóbbi pedig már az LHC energiatartományába esik (ez a széles tartomány is jól mutatja, hogy mennyire bizonytalanok vagyunk az ismeretlen energiatartományban várható jelenségeket illetően).

Ha keletkeznek is féreglyukak, az elméletek alapján ezek nem maradnak nyitva, hanem maguktól becsukódnak. A bejáratot viszont nyitva kell tartani ahhoz, hogy egy részecske útnak indulhasson a féregjáratban. Az orosz kutatók szerint ebben a Világegyetem gyorsuló tágulását kiváltó sötét energia segíthet. Ám itt is eljutunk egy egyelőre megválaszolhatatlan alapkérdéshez: tudni kellene, hogy a sötét energia sűrűsége hogyan változik az Univerzum tágulásával (ráadásul a sötét energia természete is ismeretlen).

Az orosz kutatók lehetségesnek tartják, hogy a féreglyukba esett részecske utazásra indul az extra dimenziókban, majd egyszer csak megjelenik valahol. Az extra dimenziókat nem tudjuk megfigyelni, a részecske eltűnésére a hiányából következtethetünk. Ha egy-egy ütközés után összeadják a sokféle, szerteszét repült részecske energiáját, akkor az energiamérlegnek stimmelni kell. Ha hiány van, akkor eltűnt egy részecske a féreglyukban, feltételezi Szteklov. (Sokkal reálisabb persze azzal számolni, hogy a mérőrendszerünk hibázott, vagy a hiányzó energiát az úgynevezett szuperszimmetrikus részecskék vitték el.)

Léteznek a fentieknél is fantasztikusabb ötletek. Theodore Tomaras (Krétai Egyetem) számításai szerint a féreglyukba esett részecske oda-vissza rohangál az időben, megvalósítva az időutazást.

Világegyenlet

"A mindenség kivételesen egyszerű elmélete" (An Exceptionally Simple Theory of Everything) címmel került fel 2007. november elején az internetre A. Garett Lisi (jobbra) tanulmánya. A Világmindenség egységes elméletének megalkotása régi törekvés, de Einstein, Heisenberg és sok más neves fizikus is eredménytelenül fáradozott rajta. A négy alapvető kölcsönhatás közül háromnak (elektromágneses, gyenge és erős) van már egységes elmélete, ez a Standard Modell (SM). Ez sem teljes még, vannak nyitott kérdések és kísérleti igazolásra váró feltételezések. A negyedik kölcsönhatás a gravitáció, amelynek a másik háromhoz való csatolását eddig nem sikerült megoldani. Mint arról a sorozat egy korábbi részében már olvashattak, a Standard Modell és az általános relativitáselmélet egyesítésére dolgozták ki a húrelmélet különböző változatait. Ezekben a részecskéket húrok rezgésállapotaiként jelenítik meg, és sok, például tizenegy térdimenzió létezésével számolnak.

A húrelmélet bonyolult világképével szemben a Lisi által felvetett megoldás szép és elegáns, amelynek alapja egy friss felfedezés. 2007 márciusában tette közzé egy amerikai matematikusok által vezetett nemzetközi kutatócsoport, hogy sokévi munkával, szuperszámítógépekkel végzett számításokkal sikerült leírniuk az ún. E8 rendszert. Az E8 az egyik legnagyobb és legbonyolultabb matematikai struktúra, az ún. Lie-csoportok közé tartozó szimmetriacsoport. (A 19. században Sophus Lie norvég matematikus írt le először ilyen csoportokat.) Minden szimmetria egy Lie-csoporttal írható le. Az E8 nyolcdimenziós, 248 ponttal írható le.

Az áttörést nagy lelkesedéssel üdvözölte a tudományos közösség, arra számítottak, hogy az E8 segít majd számos algebrai, geometriai, számelméleti, fizikai és kémiai probléma megoldásában. Érdekes, hogy már a legelső, az E8-ról hírt adó tudósításokban felmerült a mindenség elmélete. "Ez a Világegyetem egyik legszimmetrikusabb matematikai szerkezete. Ez lehet az alapja a Mindenség Elméletének, amellyel a fizikusok a Világegyetemet akarják leírni." - írta Kenneth Chang tudományos szakíró 2007. március 20-án a The New York Times tudományos rovatában. Az E8 programot vezető Jeffrey A. Adams matematikaprofesszor szerint "az E8 határozhatja meg az Univerzum mély belső szerkezetét."

Ezekben a felvetésekben még a húrelmélettel kapcsolták össze az E8-at, a húrelmélet egyes részei ugyanis építenek más Lie-szimmetriacsoportokra. A nagy egyesítést célzó törekvések döntő többségének a húrelmélet vagy annak valamelyik továbbfejlesztett változata az alapja. A külön utakon járó Lisit ez nem érdekelte. Önállóságát megőrizve dolgozott különös egyenletein, így írta le például a gravitációs és az elektrogyenge kölcsönhatást egyesítő gravi-elektrogyenge egyenleteit. A leíráshoz egy egyszerűbb Lie-csoportot használt fel, és két új, közvetítő részecskét vezetett be. Lisi semmit sem használt fel a húrelméletből.

Lisi az E8 publikálásakor döbbent rá arra, hogy az ő egyenletei és az E8-t leíró egyenletek egy része azonos. Elkezdte az E8 szerkezetébe beírni az ismert részecskéket, kölcsönhatásokat. A nyolcdimenziós struktúrát számítógépes szimulációval különböző módokon megforgatva kétdimenziós metszetek sorát állította elő, ezek nagyon jól visszaadták az ismert részecskecsaládokat, az ismert kölcsönhatásokat. Például visszakapta a kvark-gluon kapcsolatokat és az általa korábban felírt gravi-elektrogyenge erőt.

Lisit nem foglalkoztatja, hogy miért pont E8 szerkezetű a Világegyetem. "Úgy vélem, hogy a Világegyetem tiszta geometria, alapvetően egy gyönyörű forma, amely körbekanyarog, táncol a téridőben". Elmélete egy mindent vagy semmit elmélet. Vagy beigazolódik egészében, vagy teljesen el kell vetni. Lisi is elismeri, hogy elmélete nagyon merész. Lisi az E8 struktúrájában üresen maradt húsz helyre feltételezett részecskéket írt be. Most azon dolgozik, hogy kiszámítsa ezeknek a részecskéknek a mérhető tulajdonságait, például a tömegét. A CERN-ben a nagy hadronütköztetővel ezeket a részecskéket is kereshetik majd a fizikusok.

Nobel-díjak korábbi szimmetriacsoportokért

Lisi eljárása természetesen nem előzmény nélküli a modern fizikában: szimmetriacsoportba rendezés, illetve kölcsönhatások egyesítése korábban is elvezett már új részecskék feltételezéséhez. Ha a kísérletek igazolták az elméleti jóslatokat, akkor Nobel-díjjal ismerték el az eredményt. Az 1950-es években M. Gell-Mann az ún. SU(3) szimmetriacsoporttal írta le az akkor ismert erősen kölcsönható részecskéket, a csoportosításból azonban hiányzott egy részecske. A Gell-Mann által megjósolt ún. omega-hiperont hamarosan felfedezték, Gell-Mann 1969-ben fizikai Nobel-díjat kapott.

Az 1970-es években az elektromágneses és a gyenge kölcsönhatás egységes elméletén dolgozó fizikusoknak új közvetítő részecskékre volt szüksége, az elméletileg levezetett W és Z bozonokat rövidesen fel is fedezték a kísérleti fizikusok a CERN-ben, és fényesen beigazolódott az elektrogyenge elmélet. (Az elmélet megalkotásáért S. Weinberg, A. Salam és S. L. Glashow 1979-ben, a közvetítő bozonok kimutatásáért C. Rubbia és S. van der Meer 1984-ben kapott fizikai Nobel-díjat.)

Nem-részecske (unparticle)

Minden korábbitól alapjaiban eltérő merész feltevésekkel élt az anyag felépítését illetően Howard Georgi, a Harvard Egyetem kutatója a Physical Review Letters c. rangos szakfolyóiratban közölt tanulmányában. A Világegyetem szerinte tele lehet egy olyan dologgal, amely "nem-részecskékből" áll. A rendkívüliséget szóhasználata is mutatja, a feltételezett "valamire" nem a szokásos anyag (matter) szót használja, hanem a dolog, anyag jelentésű stuff szót. A dolog alkotóelemeinek pedig az "unparticle" nem-részecske nevet adta.

Georgi számításai szerint a feltételezett nem-részecskéket a szokásos anyag szinte nem is érzékeli, így szemünk és műszereink számára érzékelhetetlenek és kimutathatatlanok maradnak. Nagyobb energiákon viszont az elméletek szerint már megfigyelhetővé válhat ez a különös dolog, így a nagy hadronütköztetőben érzékelhető válhat a dolognak (stuff) az anyagra (matter) gyakorolt hatása. Ez a hatás mindenképpen kicsi lesz, hiszen nagyobbot már eddig is érzékelhettünk volna.

Georgi szerint az anyag és a dolog közti kapcsolat az energia növelésével egyre erősebbé válik. A szokásos részecskék úgy hatnak kölcsön Georgi nem-részecskéivel, mintha a hagyományos anyag nem egészszámú, tömeg nélküli részecskékkel lépne kapcsolatba. (Ilyen tömeg nélküli, nem egészszámú részecske lehet például öt és fél foton.) William Unruh kanadai fizikus viszont attól tart, hogy ezek a nem-részecskék az esetek többségében úgy fognak viselkedni, mint a részecskék, tehát nem lehet elkülöníteni őket.