Újraírhatja a fizikakönyveket egy szenzációs felfedezés

A CERN tudósainak eddig a Higgs-bozon azonosítása volt a legjelentősebb sikere. A mostani felfedezés talán még ezt is felülírja majd

A svájci Nagy Hadronütköztető (LHC) két független tudóscsoportja is szokatlan és nem várt jeleket detektált nagy energiájú protonok ütközése során, ami egy új elemi részecske létezésére utalhat. A legnagyobb meglepetésre a Higgs-bozonnál mintegy hatszor nehezebb részecske létezésére utalnak a mérési eredmények. Ha a további kísérletek megerősítik az első méréseket, akkor ez az új részecske talán teljesen átformálhatja a fizika Standard Modelljét, és átírhatja mindazt, amit eddig a részecskék világáról gondoltunk.

Rekordkísérletek a Nagy Hadronütköztetőben

Majdnem kétéves leállást követően a Nagy Hadronütköztető (röviden csak LHC) tavaly júniusban lépett ismét működésbe. A kísérletek során töltött részecskéket, egészen pontosan protonokat (pozitív töltésű hidrogén atommagok, amelyek minden atommag építő elemei) gyorsítanak elképesztő energiára, majd ütköztetnek egymással, és a hatalmas energiájú ütközésben keletkező újabb részecskék nyomait kutatják.

Az LHC dipól 3D-metszete Forrás: CERN/LHC

Ez azonban nem egyszerű feladat, mivel sokszor rendkívül rövid életű és ezáltal tulajdonképpen detektálhatatlan részecskéket kellene kimutatni.

A detektorok legtöbbször az eredeti részecske elbomlásából származó további részecskéket észlelik.

A magfizikusok ezekből igyekeznek visszakövetkeztetni az eredetileg keletkezett részecske tulajdonságaira, például az energiájára.

Felújítás és átszerelés a CERN-nél. 2015 tavaszán indult újra a Nagy Hadronütköztető Forrás: CERN

A tavalyi kísérletek során új rekordok születtek az ütközési energiákban, mivel elérték a 13 TeV-ot (egy elektronvolt energia megfeleltethető 1,602×10^-19 Joule-nak, vagyis a 13 TeV megfelel ~2,08×10^-6 J energiának, amely részecskefizikai léptékben hatalmasnak számít).

A CERN tudósainak eddig a Higgs-bozon azonosítása volt a legjelentősebb sikere. A mostani felfedezés talán még ezt is felülírja majd Forrás: AFP/CERN

Ez az ütközési energia közel kétszerese az LHC első bekapcsolása utáni ütközési energiáknak, és szintén közel kétszer haladja meg azt az energiát, amelyen felfedezték a Higgs-bozon létezését.

Peter Higgs, brit Nobel-díjas fizikus, a róla elnevezett és a tömegért felelős elemi részecske felfedezője Forrás: AFP/Graham Stuart

A tudósok számára tovább bővült a kutatási lehetőségek tárháza a még nagyobb energiájú részecskék világa felé,

ekkora ütközési energiával ugyanis eddig ismeretlen új részecskék válnak felfedezhetővé.

Az első eredmények szinte azonnal jelentős meglepetésekkel szolgáltak.

Szokatlan jelek két független detektorban is

Két független detektor és kutatócsoport (CMS és ATLAS) is hasonló, nagy energiájú részecske létezésére utaló nyomokat talált a mérési eredmények között. (Ugyanez a két kutatócsoport vett részt a világhírűvé lett Higgs-bozon felfedezésében.)

Mindkét tudóscsapat tavaly decemberben jelentette a szokatlan mérési eredményeket,

azt követően, hogy elegendő adat birtokába jutottak, hogy kiküszöböljék a statisztikai bizonytalanságokat.

A hélium atommagjának felépítése, a piros színnel jelölt szubatomi részecskék protonok Forrás: Wikimedia Commons

Mindkét detektor váratlan többletet tapasztalt adott energiájú fotonpárokból (a foton a fény részecskéje, ami nagy energiájú formátumban más részecskék elbomlásából származhat). A fotonpárok együttes energiája elérte a 750 GeV értéket. Ami különösen izgalmas, hogy a 13 TeV energiájú proton-proton ütközésben keletkezett fotonok

rövid életű, majd elbomlott, eddig ismeretlen részecske maradványai lehetnek.

A foton modern elméletét Albert Einstein fejlesztette ki olyan jelenségek megmagyarázására, amelyek nem illettek a fény klasszikus hullámtermészetébe Forrás: Wikimedia Commons

Ez az elképesztő tömegű (energiájú) részecske közel hatszor kell, hogy nehezebb legyen a 2012-ben felfedezett Higgs-bozonnál, amely a részecskék tömegének közvetítéséért felelős. Vagyis úgy tűnik, hogy sikerült találni egy, még a Higgs-bozonnál is extrémebb részecskét, amelyet azonban a részecskefizika Standard Modellje (egyelőre) nem jósolt meg, és a tudósok sem számítottak rá!

Egy új részecskefizikai korszak kapujában állunk?

A felfedezés jelentősége valóban hatalmas, azonban hivatalosan még nem erősítették meg a sokat ígérő felfedezést, ehhez ugyanis további mérési eredmények szükségesek. Eddig mindössze néhányszor tíz eseményt rögzítettek többletként ahhoz képest, amennyit az elméleti várakozások megjósoltak.

Illusztráció egy atomról Forrás: Pixabay

Vagyis ha valóban nem csupán statisztikai ingadozásról van szó, akkor ez egy nagyon extrém körülmények között (hatalmas ütközési energiákon) végbemenő igen ritka reakció, amelynek részecskenyoma kell hogy legyen.

A jelenség tanulmányozásához pedig még rengeteg ütközési kísérletet kell végrehajtani,

hogy elegendő számú mérési eredmény álljon rendelkezésre az egyértelmű meghatározáshoz.

Az LHCb kísérletben használt berendezés egyik hatalmas mágnese Forrás: CERN/LHC/Peter Ginter

Egészen pontosan az ATLAS közel 40, míg a CMS detektor csupán 10 eseményt rögzített a közel 400 trillió proton-proton ütközése során! Ez a detektálási érték annak a határán mozog, ami „véletlenül” is megtörténhet, vagy éppen fizikai tartalom áll mögötte, ezért további intenzív kísérletek szükségesek az első sejtések megerősítésére.

A tudósok hosszú ideig dolgoztak a részecskefizika Standard Modelljének tökéletesítésén

és kísérleti kidolgozásán, hogy igazolni tudják feltevéseit.

Az LHC irányítóközpontjának egyik monitora az újraindításkor Forrás: CERN/LHC

Ebben a képben az egyik fontos hiányzó láncszem éppen a Higgs-bozon volt, amelyet nemrégen fedeztek fel. Azonban egy olyan elemi részecske, amely közel hatszor nehezebb nála, és az elméletből nem következne a létezése, igen komoly kérdéseket vethet fel, és egy egészen új fejezetet nyithat a részecskefizikában. Az LHC 2016-os kutatásának egyik legfontosabb feladata éppen ennek a fontos kérdésnek a tisztázása lesz.

A Nagy Hadronütköztető felépítését szemléltető infografika Forrás: MTI

A megoldásához a tudósok közel tízszer több mérési eredményt remélnek, így majd véglegesen el lehet dönteni, hogy egy újabb részecskét sikerült-e felfedezni, vagy sem? Ha a végső válasz is az igen lesz, akkor további fajsúlyos kérdések merülnek majd fel, hogy miként lehet ezt a részecskét beilleszteni a létező elméletekbe?

(A szerző asztrofizikus, az MTA kutatója)