1. oldal

Amennyire tudjuk, életünk négy dimenzióban zajlik, ebből három alkotja a teret, egy pedig az időt. A kísérleti részecskegyorsítók egyik célja annak kiderítése, hogy létezhetnek-e az ismerteken kívül más dimenziók is a világegyetemben. Az extra dimenziók létezése ugyanis az univerzum számos rejtélyes tulajdonságára adhatna választ.

A részecskék viselkedését négy alapvető erő irányítja mai tudásunk szerint: az elektromágnesség, a gravitáció (vagy tömegvonzás), valamint az erős és a gyenge kölcsönhatások. A négy közül a gravitáció a leggyengébb, viszont ez az egyetlen olyan erő, amely mindenre hat, aminek van tömege, hatótávolsága pedig végtelen, így nagy távolságokban (pl. csillagászati méretekben) ennek hatása a döntő. Kisebb távolságok esetén hatását viszont könnyedén legyőzik a nála erősebb kölcsönhatások. Gondoljunk csak egy egyszerű hűtőmágnesre: a mágnes egyrészt sajátos tulajdonságainak köszönhetően vonzódik az ajtóhoz, másrészt hat rá a Föld gravitációs ereje is. Ha elég közel tartjuk a fémfelülethez, akkor rögtön az ajtóhoz tapad, mintha nem is foglalkozna az alatta elterülő bolygó hatásával.

Az elektromágnesség elektromosan töltött részecskék között hat, magába foglalja az elektromosság és a mágnesség összetett hatásait. Meglehetősen nagy erejű és hatótávolságú kölcsönhatás. A gyenge kölcsönhatás felelős az olyan atomi skálán fellépő jelenségekért, mint amilyen a béta-bomlás. Az erős kölcsönhatás a protonokat és a neutronokat tartja össze az atommagban, ennek létezése nélkül például a hélium két protonja szétrepülne az elektromos taszítás miatt.

A fizika egyik célja, hogy minden kölcsönhatás leírható legyen egyetlen közös elmélettel, vagyis minden kölcsönhatást visszavezethetni egyetlen alapkölcsönhatásra. Fontos lépés volt a nagy egyesített elmélet felé például annak felismerése, hogy az áram töltött részecskék mozgása. Ezzel egyesült az elektrosztatika és az elektrodinamika. Az elektromosságot és a mágnesességet a Maxwell-elmélet egyesítette, a gyenge, az erős és az elektromágneses kölcsönhatást pedig a részecskefizika standard modellje, a részecskék kvantummechanikai elmélete. A következő lépés a gravitáció beolvasztása lenne a többi közé, ez azonban eddig nem járt sikerrel.

A negyedik kölcsönhatással rengeteg problémájuk van az elméleti fizikusoknak. Régóta foglalkoztatja a kutatókat például az, hogy a gravitáció miért sokkal gyengébb a többi kölcsönhatásnál. Az egyik feltételezés szerint ennek oka az lehet, hogy a tömegvonzásnak csak egy töredékét tapasztaljuk meg, mivel a gravitációs erők egy, esetleg több másik dimenzióra is hatnak, ezeket azonban nem vagyunk képesek érzékelni.

Ezeket az extra dimenziókat nem feltétlenül úgy kell elképzelni, ahogy a science fiction irodalomban és a filmekben megjelenítődnek, vagyis nem valószínű, hogy alternatív világokat tartalmaznak. A jelenlegi feltételezések szerint azért nem tudunk ezen dimenziók létezéséről, mert egyszerűen túl aprók ahhoz, hogy észleljük jelenlétüket. Ennek jobb megértéséhez képzeljük el, hogy egy kifeszített kötélen sétálunk. Ekkor csak előre vagy hátra tudunk haladni, ha nem akarunk leesni, így ebben a szituációban gyakorlatilag olyan a helyzetünk, mintha a térnek csak egy dimenziójában léteznénk. Ha azonban magunk helyett egy hangyát helyeznénk ugyanarra a kötélre, neki már más lehetőségei is lennének: képes lenne előre, hátra és a kötél felületén körbe is mozogni. Vagyis pusztán a méretbeli különbségnek köszönhetően ugyanaz a kötél, amelyet mi egy térbeli dimenziónak érzékeltünk, a hangya számára már két dimenziót jelent.

2. oldal

Az extra dimenziók létezését több elmélet is számításba veszi: a húrelmélet például legalább 11 dimenzió jelenlétét feltételezi. Ez utóbbi elmélet a részecskéket kiterjedt objektumokként, húrokként és membránokként kezeli. A húrelmélet különféle változatainak célja szintén a gravitációs kölcsönhatást leíró általános relativitáselmélet és a kvantummechanika egyesítése. Egyik változatában, az M-elméletben a húrokon és membránokon kívül magasabb dimenziós objektumokat létezését is feltételezik. Jelenleg nincs semmilyen kísérleti tény, amely a húrelméletet igazolná. Világos azonban, hogy míg az extra dimenziók jelenlétének igazolása megerősítheti, addig ezek létezésének cáfolása semmissé teheti a húrelmélet érvényességét.

Mindezek tudatában még nagyobb jelentőségű az az eredmény, amelyet a Nagy Hadronütköztető CMS-detektorának kutatói nemrég tettek közzé, miszerint amennyiben léteznek extra dimenziók, ezek olyan helyen rejtőznek, ahol a CERN által bevetett eszközökkel nem lehet megtalálni őket. A húrelmélet híveinek további csapást jelenhet, hogy a Fermilab is mostanában hozta nyilvánosságra a DZero-kísérlet adatainak elemzését, amely szintén nem utal arra, hogy az ismerteken kívüli más dimenziók is léteznének. A DZero a működését tavaly szeptemberben beszüntető Tevatron részecskegyorsító egyik fő vállalkozása volt, elsődleges célja pedig a részecskefizikai standard modell tesztelése. Az intézmény ugyan bezárta kapuit, de még mindig rengeteg adat vár elemzésre az elmúlt évek méréseiből.

A kutatók mindkét detektor esetében ugyanazzal a módszerrel dolgoztak: a részecskék hullámtermészetét kiaknázva kutattak a rejtett dimenziók után. Egy üres térben mozgó részecske ábrázolható egy átlagos helyzete körül nem eltűnő hullámcsomaggal. Ez egy különböző rezgésszámú hullámokból összetevődött hullámvonulat, amely egy adott időpontban csak egy bizonyos térrészben van jelen, és ez a hullámvonulat a térben mozog. Ha a test hullámcsomagjának kiterjedése a test méreténél nagyobb, akkor a hullámtermészet jelei felismerhetővé válnak. Ilyenkor a részecske pontos helyéről nem beszélhetünk, mert a hullámcsomagon belül bárhol ott lehet.

Ha a részecskét egy hullámcsomagjának hosszánál kisebb dobozba tesszük, akkor a doboz faláról visszaverődő hullámok interferálni fognak egymással. Ez azt jelenti, hogy a részecskét csak a doboz kitüntetett pontjain, és az ezen térpontok által meghatározott energiaállapotokban találhatjuk meg, mégpedig azokon a pontokon, ahol a hullámok felerősítik egymást.

Ha vannak extra dimenziók, akkor a hullámcsomagnak ezekre is ki kellene terjednie. A rejtőzködő dimenziókat önmagukba forduló kis objektumokként szokták elképzelni. Ha egy dimenzió kellően kicsi, vagyis rövidebb, mint a belékerülő részecske hullámcsomagjának hossza, akkor ugyanúgy, mint a doboz esetében interferencia lép fel. Az ilyen dimenziókban csak bizonyos kitüntetett pontokban létezhet tehát a részecske, ami egyúttal specifikus energiaállapotokat is jelent. Ez utóbbiból viszont az következik, hogy az adott méretű dimenzióban csak meghatározott tömegű részecskék létezhetnek, mivel tömeg és energia arányos egymással a speciális relativitáselmélet értelmében. Ilyen a diszkrét tömegű részecskék felbukkanása után kutat tehát a DZero és a CMS.

Sajnálatos módon az általunk ismert és mindenütt jelenlevő három térbeli dimenzió meglehetősen kiterjedtnek mondható, így semmiben sem hasonlít az előbb leírt dobozokra. Ebből következően mindenféle tömegű részecskék előfordulhatnak az általuk meghatározott térben, ahogy ezt meg is teszik. Vagyis egy óriási „háttérzajban” kellene észlelni az aprócska rejtett dimenziók specifikus tömegű részecskéit.

Az említett kísérleti összeállításokban ilyen részecskék kimutatása nem sikerült. Az eredmények alapján nincsenek rejtett dimenziók a 260 GeV (DZero) körüli, illetve a 2,3‒3,8 TeV (CMS) közötti mérettartományban. A Nagy Hadronütköztetőben pár napja a korábbinál egy teraelektronvolttal magasabb, tehát 8 TeV-os energiaszinten zajlanak a protonütközések, 2013 végére pedig el akarják érni a 14 TeV-os szintet. Az energiák növelésétől nagy felfedezéseket várnak a kutatók, remélhetőleg izgalmas évek következnek tehát a részecskefizikában. Ami a húrelméletet illeti, temetni talán még korai lenne, de egy biztos: kettővel ismét növekedett azon kísérleti eredmények száma, amelyek igazolhatták volna a sokat vitatott teória elemeit, de mégsem tették.