1. oldal

Ahogy az várható volt, az idei fizikai Nobel-díjat a Higgs-bozon, illetve a Higgs-mechanizmus elméletének kidolgozói, François Englert és Peter W. Higgs kapták. A belga Englert (azóta elhunyt kollégájával, Robert Brouttal közösen) és a brit Higgs 1964-ben egymástól függetlenül dolgozva fejtette ki azt a teóriát, amely előre jelezte a tavaly nyáron a CERN Nagy Hadronütköztetőjében ténylegesen felfedezett részecske létezését.

A díjazott mechanizmus a világ felépítését és működését leírni szándékozó részecskefizikai standard modell szerves részét képezi, hiszen megmagyarázza, honnan ered a szubatomi részecskék tömege. De miről is van szó? A standard modell értelmében minden általunk ismert objektum anyagi részecskékből (kvarkok, leptonok) épül fel, amelyek viselkedését pedig a részecskék közt fellépő kölcsönhatások irányítják. Ezen kölcsönhatások úgynevezett közvetítő részecskék (foton, W-bozon, Z-bozon, glüon) révén fejtik ki hatásukat.

A standard modell harmadik „sarokköve” az anyagi és a közvetítő részecskéken kívül egy nagyon különleges, és sokáig csak papíron létező részecske: a Higgs-bozon. A világegyetemet az elmélet értelmében teljes mértékben kitölti az úgynevezett Higgs-mező. Ennek létezése nélkül jelenlegi ismereteink szerint lehetetlen megmagyarázni, hogy az elektronok és a kvarkok miért rendelkeznek tömeggel, vagyis miért nem száguldoznak ugyanolyan megállíthatatlanul a világegyetemben, mint a tömegtelennek tartott fotonok. Ha az anyagi részecskéknek nem lenne tömegük, nem lennének képesek atomokká és molekulákká összeállni.

François Englert és Peter Higgs először tavaly júliusban, a Higgs-bozon felfedezésének bejelentésekor találkoztak

François Englert és Peter Higgs mindketten fiatal kutatók voltak, amikor 1964-ben felvázolták azt az elméletet, amely megmentette a standard modellt az összeomlástól. 48 esztendővel később, 2012. július 4-én pedig mindketten ott ültek a hallgatóság soraiban, amikor a CERN kutatói Genfben bejelentették egy, az elméletben megjósolt Higgs-bozonhoz viselkedésében és tulajdonságaiban kísértetiesen hasonlító új részecske felfedezését.

Az alapötlet, miszerint a világ működése leírható néhány egyszerű építő elem megismerése alapján, nagyon réginek számít. Démokritosz már az időszámításunk előtti ötödik században feltételezte, hogy minden általunk érzékelt objektumot további egységekre már nem osztható részecskék, úgynevezett atomok építenek fel. Napjainkban persze már tudjuk, hogy atomok nevükkel ellentétben korántsem oszthatatlanok: elektronokból, neutronokból és protonokból állnak, ez utóbbi kétféle szubatomi részecskét pedig további kisebb egységek, a kvarkok építik fel. A standard modell értelmében csak az elektronok és a kvarkok számítanak oszthatatlannak, bár napjainkban már ezzel kapcsolatban is akadnak kérdéses pontok.

A protonokat és a neutronokat, vagyis az atommagot kétféle kvark, az elemi töltés, vagyis a proton töltésének 2/3-ával rendelkező up kvark (u), illetve −1/3 elemi töltéssel bíró down kvark (d) építi fel. Ebből a kétféle kvarkból és egyetlen fajta leptonból, vagyis az elektronokból épül fel az univerzum anyaga. A huszadik század folyamán azonban számos más kvark és lepton létezésére derült fény, köszönhetően a kozmikus sugárzás egyre alaposabb vizsgálatának, illetve az újonnan épülő részecskegyorsítókban megkezdődő kísérleteknek.

Az anyagi részecskéken túl, mint már említettük, az alapvető kölcsönhatásoknak (gravitáció, elektromágnesség, erős és gyenge kölcsönhatás) is megvannak a maguk részecskéi, az úgynevezett közvetítő részecskék. A gravitációs és elektromágneses erők hatásait a saját szemünkkel is megtapasztalhatjuk, az erős kölcsönhatás a protonokat és a neutronokat tartja össze az atommagban, a gyenge kölcsönhatás pedig a leptonokra és kvarkokra hat, és a radioaktív bomlások közül a béta-bomlásért „felel”: lehetővé teszi a szabad neutron bomlását, valamint egyes atomokban a proton illetve neutron bomlását. A részecskefizika standard modellje az elektromágneses, a gyenge és az erős kölcsönhatást, valamint az alapvető elemi részecskéket foglalja egységes elméleti keretbe, mivel a gravitációt egyelőre nem sikerült ebben a keretrendszerben leírni.

2. oldal

Hosszú ideig kérdéses volt, hogyan fejtik ki hatásukat mindezek a kölcsönhatások: honnan „tudja” egy fémdarab, hogy tőle nem messze van egy mágnes, és hogyan „érzi” a Hold a Föld gravitációját? A fizikusok feltevése szerint mindez különféle láthatatlan mezőknek köszönhető: az univerzumot gravitációs mező, elektromágneses mező, kvarkmező, illetve további másfajta mezők töltik ki. A standard modellt ezért kvantumtérelméletnek is nevezik, hiszen kvantummezők révén igyekszik leírni a világ működését.

A kvantumfizikában mindent a kvantummezők különféle rezgéseinek együtteseként írnak le. Ezek a rezgések aprócska csomagokban haladnak végig a mezőn, amelyeket mi részecskékként érzékelünk. Alapvetően kétféle mező létezik: az egyikben anyagi részecskékként kezeljük a rezgéseket, a másikban pedig közvetítő részecskékként.

A Higgs-mező nem olyan, mint a már emlegetett mezők. Ez utóbbiak erőssége változó lehet, és a legalacsonyabb energiaállapotukban nulla értéket vesznek fel. A Higgs-mezőre azonban ez nem igaz: ha minden más mezőt sikerülne valamilyen módon eliminálni, a Higgs-mező akkor is létezne, hiszen nélküle gyakorlatilag semmi más nem létezhetne. A részecskék ugyanis a Higgs-mezővel érintkezésbe lépve tesznek szert tömegre. Azon részecskék, amelyek nem kerülnek kölcsönhatásba ezzel, például a fotonok, tömegtelenek maradnak, azok amelyek csak gyenge kölcsönhatásba kerülnek, könnyűek, amelyek erősebbe, nehezek lesznek.

Szimmetriasértés Higgs-módra

A Higgs-mező létezésének legfontosabb következménye, hogy megbontja a világegyetem belső szimmetriáját. Szimmetriával sok helyen találkozhatunk a természetben, az arcok, a virágok és a hópelyhek például különleges geometriai szimmetriát mutatnak. Szimmetrikus dolgokkal azonban a fizikában is bőven találkozni, és ezek a legkülönbözőbb szinteken valósulnak meg. A szimmetria magyarázza például azt is, hogy egy laboratóriumi kísérlet végkimenete szempontjából lényegtelen, hogy azt Stockholmban vagy Párizsban végzik el (persze amennyiben minden más körülmény egyezik), és az sem befolyásolja a végeredményt, hogy melyik napszakban hajtották végre a kísérletet. Einstein speciális relativitáselmélete a tér és az idő szimmetriáival foglalkozik, és számos későbbi elmélet, köztük a részecskefizikai standard modell alapjául szolgál. A standard modell egyenletei is szimmetrikusak: ahogy egy egyszínű labda minden oldalról nézve egyforma képet mutat, ezen egyenletek is változatlanok maradnak, függetlenül attól, hogy az őket definiáló perspektíva változik-e.

Ez a fajta szimmetrikus világ azonban csak bizonyos speciális feltételek mellett állhat fenn. A már említett labdának például tökéletesen gömbölyűnek kell lennie, hiszen a legkisebb kidudorodás is megtöri a szimmetriát. Az egyenletek esetében másfajta kritériumoknak kell teljesülniük. A standard modell szimmetriája pedig kizárólag akkor állhatna fenn, ha a részecskéknek nem lenne tömegük. Mivel ez a létező világban nem tűnik igaznak, a részecskék tömegének valahonnan származnia kell, mégpedig valami olyan forrásból, amely eredetileg nem volt bele foglalva a standard modellbe. Ez a forrás a Higgs-mező, amelynek köszönhetően a szimmetria meg is marad, meg nem is, akár a népmesében.

A jelenlegi feltevések szerint a világegyetem szimmetrikusnak született. Az ősrobbanás idején minden részecske tömegtelen volt, és minden mai kölcsönhatás egyetlen, korai erőhatásként létezett. Ez az eredeti rend azonban napjainkban már nem áll fenn, a szimmetria eltűnt a szemünk elől. Valami történt a világegyetem létezésének első pillanataiban, aminek köszönhetően a Higgs-mező örökre kibillent eredeti egyensúlyi állapotából.

A Higgs-mező is szimmetrikusan kezdhette létezését. Olyan volt, mint egy gömbölyű tál fenekére tett labda: ha ki is billent egyensúlyi állapotából, azaz a tál legmélyebb pontjáról, idővel mindig visszatért oda. A tál közepén azonban valamilyen hatásra egy kidudorodás keletkezett, így az a világegyetem jelenlegi állapotában már inkább egy mexikói kalapra hasonlít. Ennek a kalapnak a geometriai középpontja még mindig egy egyensúlyi állapotot jelöl ugyan, de ez a helyzet immár instabil. A kalap továbbra is szimmetrikus, de a vájatban megpihenő labda távol került a középponttól, így a szimmetria rejtőzik. A Higgs-mező hasonló módon törte meg az univerzum eredeti szimmetriáját, egy olyan energetikailag stabil szintet találva, amely nem a szimmetrikus nulla pozícióban foglal helyet.

3. oldal

Az idei év fizikai Nobel-díjasai valószínűleg nem nagyon gondolták, hogy megérik elméletük beigazolódását. Ehhez óriási erőfeszítésekre volt szükség mind a fizikus szakma, mind pedig a kutatásokat támogató külső erők részéről. Hosszú ideig úgy tűnt, hogy a Higgs-bozon utáni vadászat két laboratórium, az amerikai Fermilab és a svájci CERN között fog eldőlni. Amikor azonban a Tevatron részecskegyorsító működtetését 2011-ben anyagi okokból végleg beszüntették, világossá vált, hogy ha valahol ráakadnak a kutatók a Higgs-tér létezését igazoló részecskére, az a svájci Nagy Hadronütköztetőben fog megtörténni.

A CERN, azaz az Európai Nukleáris Kutatási Szervezet 1954-ben jött létre, és elsődleges célja az európai kutatások újraindítása volt, illetve a kontinens országai közti kapcsolatok helyreállítása a második világháború után. Jelenleg 20 ország tagja hivatalosan a szervezetnek, de világszerte több mint száz nemzet tudósai vesznek részt az itt folyó kutatásokban. A CERN legnagyobb vállalkozása a Nagy Hadronütköztető létrehozása volt, amely a legnagyobb és legbonyolultabb ember által épített szerkezet. A részecskegyorsítóban folyó ütközéseket két gigantikus detektor (ATLAS, CMS) követi figyelemmel, amelyek másodpercenként 40 millió részecskeütközésről képesek adatokat rögzíteni.

A részecskeütköztető protonnyalábjaiban haladó részecskék csaknem fénysebességre gyorsulnak, majd a szembe irányított nyaláb protonjaival ütköznek. A protonok energiája a Higgs-bozon felfedezésének idején 4 TeV volt, amikor 2015-ben a karbantartási és fejlesztési szünet után újraindul a gyorsító, ezek az energiák megduplázódnak. Egy TeV nem tűnik túl soknak, nagyjából egy repülő szúnyog energiájának felel meg, azonban amikor mindezt egyetlen aprócska proton hordozza, amelyből ráadásul billiónyi nyüzsög egyetlen nyalábban, máris óriási energiákról beszélünk.

A részecskeütköztetési kísérletek során nagyon leegyszerűsítve ugyanaz történik, mintha két karórát addig ütögetnénk egymásnak, amíg darabjaikra nem hullanak. Ez kétségkívül egyedi, de nem feltétlenül a legcélszerűbb mód lenne az órák alkatrészeinek megismerésére, a szubatomi részecskék világában azonban jelenleg ez tűnik a leginkább kézenfekvő megoldásnak. A dolognak persze megvannak a maga nehézségei, hiszen miniatűr „karóráink” alkatrészei az ütközés energiájából keletkeznek, és csak rendkívül rövid ideig léteznek.

A protonok ilyen szempontból tehát olyanok, mint egy-egy aprócska részecskegyűjtemény: kvarkokat, antikvarkokat és glüonokat tartalmaznak. Ezek többsége mindenféle interakció nélkül elhalad egymás mellett a protonnyalábok ütközésekor. Ütköztetési ciklusonként mindössze 20 frontális ütközés történik, és egymilliárd ilyen ütközésből átlagosan csak egy olyan van, amely során valami vizsgálatra érdemes történik. Például a Higgs-bozon nyomára lehet akadni.

A kísérletek persze messze nem értek véget, a CERN kutatói a következő években újabb jelentős felfedezésekben reménykednek. A Higgs-bozon létezésének igazolása kétségkívül óriási fegyverténynek számít, a standard modell ugyanakkor korántsem tekinthető a kozmikus kirakós befejező darabjának, hiszen számos dolgot nem képes leírni. A neutrínókat például tömegtelen részecskékként kezeli, holott a legújabb kutatások alapján valójában van tömegük. A másik jelentős probléma, hogy csak a látható anyaggal foglalkozik, amely azonban a feltevések szerint csak a világegyetem anyagának ötödét teszi ki.

A többiről, az úgynevezett sötét anyagról pedig még mindig nagyon keveset tudunk. Látjuk gravitációs hatásait, ha a galaxisokra nézünk, ugyanakkor mindeddig nem sikerül az anyaggal való interakcióban „nyakon csípni”. Talán ebben is segítséget jelenthet a Higgs-bozon, talán a Higgs-mező további tanulmányozása révén eljuthatunk a sötét anyaghoz is.