2012-ben nagy tudományos szenzációt jelentett, hogy az LHC gyorsító kutatói bejelentették egy új szubatomi részecske felfedezését, amelynek tulajdonságai megfeleltek a Higgs és munkatársai által elméleti úton feltételezett részecskének, amit aztán a szakma Higgs bozonnak nevezett el. A következő évben ezt ismerték el Nobel-díjjal, amit Peters W. Higgs, angol és Francois Englert, belga elméleti fizikusok megosztva kaptak meg az elmélet kidolgozásáért.
De mennyivel tudunk azóta többet erről a rejtélyes részecskéről és tulajdonságairól az elmúlt néhány év kutatómunkája után?.Ennek megértéséhez azonban szükség van arra, hogy értsük, mi előzte meg az elmélet kidolgozását, majd közel félévszázaddal később a nagy felfedezést?
Standard Modell: a részecske fizika eredményeinek összegzése
A szubatomi részecskék tulajdonságait, átalakulását és bomlását a Standard Modell összegzi. Az osztályozás egyik szempontja a spin, azaz a részecskék saját impulzusnyomatéka Sħ, ahol ħ = h/2π a redukált Planck állandó. Az egyik típusba tartoznak a félegész spinű (S = ½, 3/2) fermionok, a másikba az egészspinű (S = 0,1) bozonok. Aszerint is osztályozzuk a részecskéket, hogy melyek nem oszthatók tovább, ezek az S = ½ spinű kvarkok és leptonok, valamint az S = 1 spinű kölcsönhatás közvetítő bozonok (a foton az elektromágneses erőt, a W és Z bozon a gyenge kölcsönhatást, a gluonok az erős kölcsönhatást közvetítik). A másik típusba tartoznak az összetett szubatomi részecskék, ezeket nevezzük hadronoknak, amelyek ütköztetésére hozták létre a CERN-ben a nagyenergiájú gyorsítót. (LHC = Large Hadron Collider). A hadronoknak is két típusa van, a kvark-antikvark összetételű mezonok (ezek mindig bozonok), valamint a vagy három kvarkból, vagy három antikvarkból felépülő barionok (ezek mindig fermionok). A barionok közé tartozik az atommagokat felépítő két nukleon is: a proton és a neutron. Az LHC kísérletekben két proton nyalábot gyorsítanak fel a fénysebesség közelébe és ütköztetnek egymással.
A kvarkok különös tulajdonsága, hogy töltésük nem egészszámú többszöröse az elemi töltésnek. Ez alapján beszélünk két típusról (az angol szakirodalomban flavour). Az egyik az elemi töltés kétharmadával („fel” típus), a másik egyharmadával („le” típus) rendelkezik és mindkét típusnak három „generációja” van. A „fel” típus töltése 2/3e, ennek három generációja az up (u), a charm (c) és a top (t), a „le” típus töltése –1/3e, ide tartozik a down (d), strange (s) és a bottom (b) kvark. Mindegyiknek van anti részecske párja, ahol a töltés előjele megfordul. A két nukleon az első generációs kvarkokból épül fel, az uud konfiguráció építi fel a protont, az udd a töltés semleges neutront. A három generációt renormált tömegük különbözteti meg: a magasabb generációkhoz nagyobb tömeg tartozik. Azért beszélünk renormált tömegről, mert törttöltésű szabad kvark nem figyelhető meg, és így nincs közvetlen adat a tömegek nagyságáról. Ezt magyarázza a bezártsági elv, amely szerint a kvarkok közötti erős kölcsönhatás hozza létre a törttöltésű kvark konfigurációkat az egyébként egész- vagy nullatöltésű hadron struktúrákon belül.
Nem beszéltünk még a leptonokról, ide tartozik az elektron és pozitron típusú részecskék három generációja: elektron, műon és tauon, valamint a töltés semleges neutrínók családja, ahol szintén három generációt különböztetünk meg. A leptonoknak is van anti részecske párja, bár ez a neutrínók esetén nincs bizonyítva.
Megmaradási és invariancia elvek
A standard modellben a részecsketulajdonságokat különböző megmaradási illetve invariancia elvek foglalják össze. Ide tartozik többek között a töltés, a spin, a paritás (ez egy tükrözési szimmetria) elve. A legfontosabb szimmetriatulajdonságok az úgynevezett mérték (gauge) invarianciából következnek. Ennek megértéséhez mindenekelőtt tisztázni kell két alapfogalom viszonyát: mit értük a mező (field) és tér (space) alatt. Ez azért is fontos, mert a hazai gyakorlatban gyakran beszélünk elektromos és mágneses térről, amivel elmossuk a két fogalom közötti különbséget. Tér (space) alatt geometriai viszonyokat (távolságokat, irányokat) értünk, míg a mező fogalmával a tér különböző pontjaiban ható erőket adjuk meg. Például az elektromos mező mutatja meg, hogy mekkora erő hat az egységnyi töltésre. A különböző kölcsönhatásokat más és más mezőelmélet írja le, amelyekben kulcsszerepet játszik, hogy milyen matematikai transzformációk (például forgások, tükrözések, térbeli eltolások) hagyják változatlanul az erőhatásokat. Ezt nevezzük invarianciának. Ennek megértése fontos, ha képet akarunk alkotni Higgs elméletéről.
Mezőelméletek és mérték bozonok
Mindegyik mezőelmélet alapelve, hogy a fizikai objektumokra ható erőt virtuális részecskék közvetítik, ezeket nevezik mérték bozonoknak. Például a tér két különböző pontján lévő proton és elektron között azért jön létre vonzóerő, mert mindkét részecske folytonosan fotonokat (ez a mérték bozon egyik típusa) bocsát ki és nyel el, amely lökések sorozatát hozza létre a két objektumon, és a lökések eredője lesz a vonzóhatás. Ezeket a fotonokat azért nevezi az elmélet virtuálisnak, mert közvetlenül nem figyelhetjük meg, csupán az erő fenntartása miatt van róla tudomásunk.
Négy alapvető kölcsönhatási típust különböztetünk meg, a gravitációt, az elektromágneses erőket, a részecskéket átalakító gyenge- és a kvarkokat összeforrasztó erős-kölcsönhatást. Az utóbbi hármat sikerült egységes mezőelméletbe foglalni, egyedül a gravitáció maradt ki ebből, noha közel száz éve keresi a fizika a közös, mindent átfogó elméletet. A kudarc oka véleményem szerint az lehet, hogy a gravitációhoz nincs szükség közvetítő részecskére, hiszen ezt az erőt maga a tér hozza létre görbült szerkezete által, ahogy azt Einstein általános relativitáselmélete leírja. Evvel, szemben a többi erő már ebben a geometriai térben fejti ki hatását, amely már szükségessé teszi, hogy a kölcsönhatási mezőt virtuális bozonok közvetítsék.
A tömeggel rendelkező gyenge kölcsönhatási bozonok
Higgs koncepcióját úgy érthetjük meg, ha előzőleg tisztázzuk az elektromágneses, a gyenge- és az erős-kölcsönhatás viszonyát. Amíg az elektromágneses erő mindig két töltéssel rendelkező részecske között hat, addig a gyenge kölcsönhatás alapvetően a különböző részecskék átalakításáért felelős. Ez a kölcsönhatás csak igen rövidtávon hat, amely még az atommagok sugaránál is kisebb, ez a tulajdonság a kölcsönhatást közvetítő bozonok nagy tömegének tulajdonítható. Szemben a gammasugarakkal, melyeknek zérus a nyugalmi tömege, a gyenge-kölcsönhatási bozonok a részecskefizika nehézsúlyú bajnokai: az elektromos töltéssel rendelkező W bozon tömege 80,385 GeV/c2, a semleges Z bozoné pedig 91,188 GeV/c2. A nagyságrendi viszonyokat az jellemzi, hogy a szóban forgó bozonok tömege közel százszor haladja meg a neutronét és a protonét. A két bozon élettartama viszont rendkívül rövid, bomlásuk felezési ideje nem éri el a 10-24 másodpercet sem.
Mi az a színtöltés?
A kvarkokat összetapasztó szintén rövid hatótávolságú erős kölcsönhatás a kvarkok egy további tulajdonságán, a színtöltésen alapul. A színtöltésnek – az elektromos töltés kétféle (pozitív és negatív) előjelével szemben – három értéke lehet. Ez a hármasság onnan látható, hogy léteznek három azonos kvarkból felépülő részecskék is (például uuu, vagy ddd), ami a Pauli elv szerint egyébként nem lenne lehetséges, mert két fermion nem lehet ugyanabban a kvantum állapotban. (A Pauli-féle kizárási elv két azonos részecskét engedne meg, mert a spin vetületi kvantumszáma két különböző értéket: +½ és –½ vehet fel.)
Mi tette szükségessé a Higgs elmélet kidolgozását?
A felsorolt ismeretek birtokában már hozzákezdhetünk Higgs elméletének ismertetéséhez. A mezőelméletek alapfogalma a már említett mérték invariancia, amely összegzi a szimmetria tulajdonságokat. Ez az elv jól alkalmazható az elektromágneses és erős-kölcsönhatások esetén, de gondot okoz a gyenge-kölcsönhatásnál, mert az elmélet zérus nyugalmi tömegű bozonokat követel meg. Az1960-as évek közepén vetették fel elméleti fizikusok, Higgs és munkatársai, azt a lehetőséget, hogy létezhet egy újabb kölcsönhatási mező, amely megtöri a szimmetriát, és ezáltal megengedi, hogy a gyenge kölcsönhatási bozonok tömeggel rendelkezzenek. Kezdetben a fizikus társadalom nem sok figyelmet szentelt ennek az elméleti feltevésnek, és évtizedeknek kellett eltenni, hogy komolyan vegyék. A feltámadt érdeklődés oka, hogy minden más elmélet csődöt mondott, amellyel értelmezni próbálták a W és Z bozonok tömegének eredetét. Tovább növelte a Higgs koncepció elfogadottságát, hogy olyan mechanizmust is feltételezett, amely a fermionok tömegére is magyarázatot tudott adni.
Mi a szimmetriatörés?
De mit is értünk szimmetriatörés alatt? Képzeljük el, hogy a tér minden pontján – még a vákuumban is – létezik egy potenciál, amely leír egy különös erőt. Ez a potenciál a magas szimmetriájú helyen maximummal rendelkezik, de onnan kibillenve alacsonyabb energiára tesz szert. Ezt a mexikói kalappal szokták összehasonlítani, amelynek középen van a csúcsa, és ha oda tennénk egy golyót, az onnan valamelyik irányban legurulhatna a kalap peremére, ahol egy minimum található. Amíg fent van a golyó, addig magas a szimmetria, hiszen minden irány egyenlő, de a legurulás – amely mozgási energiát hoz létre – egyúttal kijelöl egy konkrét irányt, azaz a szimmetria lecsökken. De miért nem vesszük észre ezt az erőt? Azért mert mindenütt pontosan azonos! Ugyanakkor az energiakülönbség lehetőséget ad arra, hogy ebből az energiából „kölcsön lehessen venni”. Például evvel tudjuk magyarázni a neutronok bétabomlását. Ebben a bomlási folyamatban a neutron úgy alakul át protonná egy-egy elektront és (anti)neutrínót kibocsátva, hogy első lépésben képződik egy W- bozon, amelynek tömege a neutron tömegének nyolcvanszorosa. Tehát – hacsak egy rendkívül rövid időre is – de látszólag felborul az energia-megmaradás törvénye, de azért csak látszólag, mert rejtetten meg van ennek fedezete a Higgs mezőben. A W bozon azonban gyorsan elbomlik elektronra és neutrínóra, visszaadva ezáltal a „kölcsönvett” energiát.
Hogyan bizonyítható a Higgs elmélet?
Az elmélet igazán szép, de mi garantálja, hogy a természet tényleg úgy viselkedik, ahogy azt leírjuk az elméletben? Ennek igazolásához szükség van kísérleti bizonyítékra is! Ez az igény tette szükségessé nagy energiájú ütközési kísérletek megvalósítását. Azért kell a nagy energia, ami alatt a 100 GeV fölötti tartományt értjük, mert a W és Z bozonok tömegét csak egy ennél nagyobb tömegű részecske hozhatja létre. Ilyen kísérletre adott lehetőséget az LHC gyorsító megépítése.
A Higgs bozon kimutatása több okból is rendkívül nehéz feladat. Ennek egyik oka a részecske várható élettartama (az elmélet szerint nem hosszabb, mint 10-22 másodperc). Emellett a részecske képződési aránya is nagyon kicsi: egyetlen Higgs bozon létrejöttéhez 10 milliárd proton-proton ütközést kell létrehozni. És ez még nem minden, mert a rövid élettartam miatt csak a bozon bomlástermékeinek megfigyelésére van esély. A kimutatáshoz ezért a bomlási csatornák részletes analízisére van szükség. Két ilyen csatornát érdemes keresni, az egyikben két gamma sugár kilépésére kell számítani az annihilációs folyamatban, a másikban pedig két műon-antiműon párra. Ezek detektálására két detektort fejlesztettek ki, az elsőt nevezték el CMS, az utóbbit ATLAS detektornak. Két független és egymással nem kommunikáló tudóscsoport végezte el a bomlási csatornák analízisét. Ennek nehézségét az adja, hogy a keresett Higgs mechanizmus mellett egyéb bomlási folyamatok is járulékot adnak a nagyenergiájú ütközési kísérletekben. Ezért a vizsgálatokban, amikor végigpásztázták a 100 GeV feletti tartományokat, a többletre kellett koncentrálni: azt kellett megállapítani, hogy milyen energián jön létre nagyobb csatornaintenzitás, ahhoz képest, amit a már ismert bomlási folyamatok idézhetnek elő. A többlet megtalálásához támaszkodni lehetett arra az adatállományra, amit a részecske fizikusok a több évtizedes munkával raktak össze.. Óriási számú bomlási képet kellett így kiértékelni, hogy megtalálják azt a különbséget, ami már nem volt értelmezhető a Standard Modellben korábban feltárt folyamatok által. Megbízható eredményre ezért százbillió bomlási csatorna analízisét kellett elvégezni. A két független kutatócsoport végül azonos eredményre jutott: a 125 GeV tartományban rendkívül nagy biztonsággal kijelenthető volt, hogy létezik egy eddig ismeretlen részecske, amit a keresett Higgs bozonnak lehetett tulajdonítani.
Mennyire biztos, hogy a felfedezett részecske tényleg a Higgs bozon?
De mi a biztosíték arra, hogy a megfigyelt új részecske tényleg a Higgs bozon és nem valami más? Nem lehet például egy új, eddig nem detektált mezon? Emlékezzünk rá a mezonok egy kvarkból és egy antikvarkból épülnek fel. Bár sok mezont sikerült azonosítani, de olyan szubatomi részecskét még nem sikerült detektálni, amelyben top kvark vett volna részt. A top kvark sokban eltér a többi kvarktól nagy renormált tömege miatt, ez még az LHC kísérletben kimutatott részecske tömegét is lényegesen meghaladja: 172,44 GeV/c2. Élettartama rendkívül rövid, (5·10-25 s), ezért azelőtt elbomlik, hogy az erős kölcsönhatás révén hadront hozhatna létre. Az eddig megfigyelt hadronok viszont, melyekben nincs top kvark, a 10 GeV/c2 tömegnél kisebbek, így nagy valószínűséggel kizárható, hogy az új részecske a hadronok családjába tartozna.
Az azonosításhoz arra is szükség van, hogy összevessük a 125 GeV energián megfigyelt részecske tulajdonságait a Higgs bozonéval, amelynek nincs se elektromos, se színtöltése és nulla a spin is. Itt emeljük ki ez utóbbi tulajdonságot, mert ez egyedülálló a Standard Modellben, ugyanis a spin az egyetlen olyan tulajdonság, amivel kivétel nélkül minden más elemi részecske rendelkezik. A spin hiánya a Higgs mező sajátságából fakad, ugyanis minden más kölcsönhatási bozon a részecskékre ható erőt közvetíti, viszont a Higgs bozonnak az a funkciója, hogy létrehozza a többi részecske tömegét a szimmetriatörés által.
A tulajdonságok meghatározásánál is az okozza a nehézséget, hogy csak a bomlási termékeket tudjuk megfigyelni és ezért közvetettek az információk. Ami nagy valószínűséggel megállapítható, hogy a spin tényleg nulla, viszont már bizonytalanabb, hogy mit mondhatunk az elektromos és szintöltésről. A fizikában pedig kötelező az óvatosság, ezért a szakma – eltérően a zsurnalisztáktól – inkább annyit mondhat, hogy jelenlegi tudásunk szerint a megfigyelt új részecske valószínűleg a Higgs bozon, de nem állítja, hogy az elmélet minden kétséget kizárólag bizonyított lenne. Az egyértelmű bizonyításhoz szükség lenne újabb még nagyobb energiával történő kísérletekre, ahol esély lenne megfigyelni két Higgs bozontól származó reakciókat is. Fontos lenne tovább tanulmányozni a top kvark és a Higgs mező kapcsolatát is. Ennek oka, hogy a többi elemi részecskétől eltérően a Higgs bozon egyedül nem adhat tömeget a nála nehezebb top kvarknak. Más felöl az elmélet fontos pontja, hogy a Higgs bozon létrejöttében a top kvark alapvető szerepet játszik. Ez az egyik fő érv, amivel indokolják, hogy szükség lenne létrehozni egy még nagyobb energiájú gyorsítót. Ennek tervezése már folyamatban van és már nevet is adtak neki: FCC, azaz Future Circular Collider.
A blog további írásai elérhetők: Paradigmaváltás a fizikában
