A toronymagas esélyes kapta a fizikai Nobel-díjat

A 2013-as fizikai Nobel-díjat Francois Englert és Peter Higgs kapták megosztva, a Higgs-mechanizmus és a Higgs-bozon elméletéért. A Higgs-bozon és a minket körülvevő, mindenütt ott lévő Higgs-tér elméleti és kísérleti vizsgálata a következő évek egyik vezető fizikai kutatási területe lesz. Innen várunk fontos információkat a rejtélyes sötét anyagról és sötét energiáról is.

Soha annyira nem lehettünk biztosak abban, milyen eredményekért kapják a fizikai Nobel-díjat, mint az idei évben. Korunk legismertebb és egyik legnagyobb fizikusa, Stephen Hawking már a tavalyi Nobel előtt is azt mondta: a Higgs-bozon felfedezése annyira fontos eredmény, hogy névadója, Peter Higgs megérdemelné a Nobel-díjat (Hawking egyébként nem hitt a Higgs-bozon létezésében, amit száz dollárja bánt tavaly nyáron egy fogadás elvesztése miatt).

Pár napja a neves tudományos-ismeretterjesztő folyóirat, a Scientific American is megelőlegezte a díjat: első pillantásra meglepő blogbejegyzésében arról számolt be, hogy a Higgs-bozon kapta a 2013-as fizikai Nobel-díjat. A poszt kémikus szerzője, Ashutosh (Ash) Jogalekar azt írja, hogy a tekintélyes Nobel-bizottság a díj 113 éves történetében először felrúgta a szabályokat: az eredetileg tervezett október 8-i bejelentés helyett már szeptember 30-án bejelentették a Nobel-díjast, ráadásul a kitüntetett nem is élő személy, hanem egy részecske.

A valóságban természetesen nem a bozon, hanem létezésének megjóslója, a most 84 éves, Edinburgh-ban élő brit fizikus, Peter Higgs kapta a díjat, egy másik fizikussal, a 80 éves Francois Englerttel megosztva. A Higgs-részecskét tényleg Higgsről nevezték el, de rajta kívül még öten voltak az 1960-as években, akik megjósolták a Higgs-mechanizmust. Ám Peter Higgs volt az egyetlen, aki egy új részecske létezését is előre jelezte – ezért őt a legtöbben a díjazottak közé várták.

Ki kaphatott megosztott díjat a többi öt tudós közül? Mivel posztumusz Nobel-díjat nem adnak, valójában már csak további négy kutatóról van szó, mert a belga Robert Brout 2011-ben elhunyt. Pedig az előzetes elemzések alapján ő is esélyes lett volna a díjra, mert valamivel előbb publikálta elméletét, mint Higgs. Brout szerzőtársa, a 80 éves Francois Englert viszont még él, így ő lett a másik díjazott. Az ő tanulmányukat többször hivatkozták más kutatók, mint a Higgsnél is kicsit később publikáló három másik fizikusét (az amerikai Carl Hagen és Gerald Guralnik, illetve a brit Tom Kibble). Három embernél többen nem kaphatnak megosztott Nobel-díjat.

A Nobel-bizottság már a hivatalos bejelentésben megemlíti a CERN Nagy Hadronütköztetőjét, ahol az ATLAS és CMS kísérletek felfedezték a régóta keresett Higgs-részecskét.

Peter Higgs brit fizikus Forrás: AFP/Graham Stuart

Istentelen részecske

Higgs 1964-ben publikálta híres cikkét a Higgs-bozonról. Évtizedekkel később, egy konferencián mesélte el: évekig csak azért hívták előadni, hogy kinevessék az elméletét, hiszen bevezetett egy olyan részecskét, amely nem illett bele sem az elméleti, sem a kísérleti eredményekbe.

A Higgs-bozon keresése idővel mégis a fizika egyik legfontosabb területe lett. "Igazából csak 1972-ben kezdődött az életem mint bozon" - mondta egyszer Higgs egy előadásában. Végül 2012 júliusában jelentették be a CERN kutatói, hogy „nagy valószínűséggel” felfedezték a Standard Modellből, azaz az anyagi világról való legjobb elméletünkből még hiányzó elemi részecskét.

Francois Englert (balra) és Peter Higgs 2012 júliusában találkoztak először, amikor a CERN-ben gyakorlatilag bejelentették a Higgs-bozon felfedezését Forrás: CERN

A Higgs-bozon megtalálása kulcsfontosságú volt, mert az elmélet szerint az ezt létrehozó Higgs-tér ad tömeget a többi részecskének (részletesebben lásd később). Ezért nevezték a "fizika Szent Gráljának", és mivel sokáig hiába keresték, "istentelen részecskének" is. Ebből született aztán az "isteni részecske" név, amely az elmúlt években nagyon elterjedt. Higgs egyébként tiltakozik ez ellen a megnevezés ellen, mondván, ő ateista.

Az újabb, idén tavasszal közölt eredmények aztán megerősítették, hogy valóban Higgs-bozont fedeztek fel a CERN-ben. "Soha nem gondoltam, hogy ez még az én életemben megtörténik, és kérni fogom a családomat, hogy hűtsék be pezsgőt" - mondta a fizikus, miután a történelmi eredményeket ismertették.

Az 1960-as évek elején, amikor Higgs - és más fizikusok - kidolgozták elméletüket, még nem voltak személyi számítógépek. Higgsnek még zsebszámológépe sem volt, csupán egy töltőtoll és némi papír, na meg a zseniális elméje állt a rendelkezésére.

Fiatal kora óta érdekelte a fizika és a kémia, különösen az anyag természete. Igencsak gyakorlati okokból lett elméleti fizikus: kétbalkezes volt a kísérletezéshez. „Úgy vélem, tizennyolc éves koromban jöttem rá, hogy abszolút alkalmatlan vagyok a labormunkára” - mondta később. Szerencsére a gyakorlati munkát elvégezték mások helyette a CERN-ben: két nagy kísérlet, az ATLAS és a CMS több ezer kutatója, mérnöke és informatikusa járult hozzá annak bizonyításához, hogy Higgs elmélete valóban helytálló volt fél évszázaddal ezelőtt.

Most jön a Higgs-bozon kora

Az 1929-ben született Peter Higgs 2013 júliusában 700 fizikus előtt tartotta meg nyitóelőadását a Higgs-mechanizmusról az Európai Fizikai Társaság kétévente megrendezett Nagyenergiás Fizikai Konferenciáján. Az előadás ugyanabban a városban, Stockholmban volt, ahol a mai Nobel-díjat is bejelentették.

„Az 1964-ben publikált elméleti eredményeket ismertető 84 éves tudós szellemileg teljesen frissen, fiatalos lendülettel vezette végig a hallgatóságot egykori gondolatmenetén. Az írásvetítőről kivetített, kézzel írt fóliákat az elmúlt 50 évben valószínűleg már sokszor láthatták. Ezek a fóliák tanúi lehettek, hogy az idő előrehaladtával miként kerül Peter Higgs egykor kétkedéssel fogadott elméleti jóslata egyre közelebb a kísérleti bizonyítottsághoz” – mondja Lévai Péter, az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont főigazgatója.

Peter Higgs 2013. júliusi előadása Stockholmban Fotó: Lévai Péter

A fizikus szerint a Higgs-bozon és a minket körülvevő, mindenütt ott lévő skalár Higgs-tér elméleti és kísérleti vizsgálata a következő évek egyik vezető fizikai kutatási területe lesz. Innen várunk fontos információkat a csillagászok mérései alapján megsejtett sötét anyag és sötét energia mibenlétéről is.

„A CERN Nagy Hadronütköztetőjének tudományos programját 2030-ig meghatározták, úgyhogy a következő 15 évben sok száz vagy akár több ezer petabájtnyi adatból kell kiásnunk azokat az információkat, amelyek lehetővé teszik Peter Higgs életművének még teljesebb megértését. Erre részben már az idén átadott Wigner Adatközpontban kerül majd sor Csillebércen, az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpontban. A Higgs-részecske felfedezéséről szóló első 50 év ezzel a Nobel-díjjal lezárult, hogy megkezdődhessen a Higgs-bozon létezését, annak a 'gyakorlatban való alkalmazását' kiaknázó második 50 év” – mondja Lévai.

A Higgs-mező

Az elemi részecskék viselkedését a már említett, Standard Modell nevű részecskefizikai elmélet írja le a legpontosabban. A modell összhangban áll az általános relativitáselmélettel és napjaink kvantummechanikai elméletével, egységes leírást ad az elektromágneses, gyenge és erős kölcsönhatásnak.

A körülbelül 30 éves modell előrejelzései eddig mind bejöttek, közöttük sok új részecske, például bozonok, gluonok, egyes kvarkok esetében a modell a felfedezés előtt helyesen jellemezte ezeket a részecskéket.

A modell eddig csak egy olyan részecskét jelzett előre, amelyet még nem találtak meg - ez a Higgs-bozon. Bár csak egyetlen részecske, mégis központi szerepet játszik az elméletben, ezzel vezetik ugyanis le az elemi részecskék tömegét a szakemberek.

Az ismert elemi részecskék tömege abból származik, hogy kölcsönhatnak egy olyan mezővel, amely az egész Világegyetemet kitölti - ez maga a Higgs-mező. A folyamat részben ahhoz hasonlítható, mint amikor egy test a világűrben vagy vizes közegben mozog. Az első esetben nincs ellenállás, amelyet leküzdhet, a második esetben azonban van. A Higgs-mező ilyen tulajdonsága (egy úgynevezett szimmetriasértéssel összefüggésben) adna tömeget a többi részecskének - noha ez a kép nem több, mint egy erősen egyszerűsített hasonlat.

Sötét világok küszöbén

Lehetséges, hogy a most felfedezett Higgs-bozon nem "maga a Higgs-bozon", hanem csak az egyik, több Higgs-bozon közül. Ez azért lenne nagyon izgalmas, mert ez lenne az első jel az úgynevezett szuperszimmetrikus részecskék létezésére. Ezek egyfajta "árnyékvilágot" alkotnak az elmélet szerint, amellyel mi nem lépünk kölcsönhatásba, viszont ez alkothatja az Univerzum kb. 23%-át adó, ismeretlen természetű sötét anyagot vagy annak egy részét.

Még izgalmasabb, hogy a Higgs-részecske felfedezése kapcsán először mondhatunk valamit az Univerzum csaknem háromnegyedét alkotó, egyelőre teljesen ismeretlen sötét energiáról. Mint említettük, a Higgs-részecske (pontosabban az ezt létrehozó Higgs-tér) hozza létre a többi részecske tömegét, de ez a hatás nem irányfüggő (azaz az ereje nem függ az irányától). A részecskék azáltal nyernek tömeget, hogy a Higgs-térben úsznak. Egy másik hétköznapi hasonlattal olyan ez, mintha egy úszómedencében úsznának: bármerre indulnak el, körülbelül ugyanolyan ellenállást kell legyőzniük. Nem ez lenne a helyzet egy folyóban, ahol nem mindegy, hogy a sodrással szemben, vagy azzal egy irányban úsznának.

Mivel ilyen irányfüggetlen részecskét eddig nem ismertek a fizikusok, először merült fel annak lehetősége, hogy egyáltalán elgondolkodjanak a szintén irányfüggetlen, azaz minden irányban egyformán ható sötét energia és a részecskefizika esetleges kapcsolatán. Ezzel beléphetünk a sötét energia világába.

Csak Higgs jósolta meg a részecskét

Ha megfigyelünk részecskefolyamatokat, például különböző részecskék bomlását, akkor szabályosságot látunk. Ez a szabályosság a matematika nyelvén megfogalmazható oly módon, hogy a Standard Modell matematikai modellje bizonyos fajta szimmetriát mutat. Ha például egy gömböt tetszőleges szöggel elforgatunk, akkor utána is ugyanolyannak látjuk. Ezt az elforgatást meg lehet fogalmazni a matematika nyelvén, és ha ugyanezt elvégezzük részecskefolyamatokra, akkor utána ezeket is ugyanolyannak látjuk, vagyis ezek is szimmetriát mutatnak. Ha azonban a részecskéknek tömeget adunk a modellben, akkor ez a szimmetria megsérül. Mivel tudjuk, hogy a részecskéknek tömegük van, a szimmetria meg kell, hogy sérüljön - magyarázza dr. Trócsányi Zoltán, a Debreceni Egyetem fizikusa.

A Higgs-mechanizmus tulajdonképpen ezt a dilemmát oldja fel. Bár hat kutató is publikált annak idején hasonló tanulmányokat (spontán szimmetriasértés a Standard Modellben), a hat közül Higgs volt az egyetlen, aki megjósolta, hogy szimmetriasértés esetén egy részecskének is léteznie kell - ez lett a Higgs-bozon vagy Higgs-részecske.