„Isteni részecske”: ha létezik, tömege is van

„A következő év végéig megkapjuk a választ, hogy létezik-e a Higgs-bozon, vagy sem" - jelentette be Rolf Heuer, a CERN főigazgatója az Európai Fizikai Társaság Grenoble-ban folyó Europhysics konferenciáján tartott hétfői sajtótájékoztatóján. A 10 milliárd dolláros (1878 milliárd forintos) költséggel létrehozott részecskegyorsítón pontosan meghatározták az az energiaszintet, ahol az új részecske létezhet. "A Higgs-bozon nem egy közönséges részecske, hanem a fizika standard modelljének sarkalatos eleme, amely megmagyarázza az ősrobbanás elméletét, s azt, hogy miképp tettek szert tömegre a korai univerzumban más részecskék" - fogalmazott Rolf Heuer.

Sergio Bertolucci, a CERN kutatási igazgatója szerint is egyre közelebb kerülnek ahhoz, hogy igazolják vagy kizárják a Higgs-bozon létét. Mindkét eset nagy jelentőséggel bír. Az első változatban elkezdhetik a Higgs-bozon részletes vizsgálatát, a második variáns viszont rámutatna a fizika standard modelljének a hiányosságaira. Az amerikai Fermilab gyorsítója, a Tevatron két detektorán folyó kísérletek során már kizárták a Higgs-bozon tömegének több lehetséges tartományát. Mint a grenoble-i konferencián elmondták, kizárható, hogy az "isteni" részecske tömege 157-174 GeV (gigaelektronvolt, 1 GeV = 1 milliárd elektronvolt), valamint a 162-170 GeV tartományban lenne.

A CERN előző, LEP (nagy elektron-pozitron ütköztető) gyorsítóján végzett kísérletek ugyanakkor azt is kizárták, hogy a Higgs-bozon 115 GeV-nél könnyebb legyen. Az LHC az utóbbi hónapokban igen eredményes volt, a négy hatalmas detektorán naponta több adatot gyűjtöttek, mint amennyit az egész 2010-es év során. Bár a nagy hadronütköztetőn még nem született annyi adat, mint a Tevatronon, az LHC-n az ütköztetéseket lényegesen nagyobb energián végzik, szemben a Fermilab ütközéseivel. A nagyobb energia esetében nagyobb a valószínűsége a Higgs-bozon előállításának, ahogy a bizonyos tömegtartományok kizárásának is. Az LHC ATLAS-detektorán most kizárták a 155-190 GV és a 295-450 GeV tartományokat, a CMS-kísérletek során pedig a 149-206 GeV és a 300-440 GeV tartományokat. "Amennyiben a Higgs-bozon létezik, a 130-150 GeV tartományban kell keresnünk" - nyilatkozta Dave Charlton, az ATLAS-kísérletek helyettes szóvivője The Physics World-nek. Mint a CERN honlapján olvasható, ezek csupán az első eredmények, amelyeket számtalan további követ.

Régi álom

A fizikusok régi álma, hogy Newton nyomán egységes magyarázatot adjanak az univerzum működésére, és a természet törvényeit egyetlen átfogó rendszerbe foglalják. A XIX. század végére, a XX. század elejére azonban egyre távolabb kerültek ettől. Newton egységes világrendjét, a mechanika törvényein alapuló világmindenség-magyarázatot felváltotta egy relativizált világ. „Minden viszonylagos” - terjedt el Einstein nyomán, kiderült ugyanis, hogy a nagyon nagy sebességű testek mozgását nem írják le a hagyományos newtoni törvények, és a nagyon forró tárgyakra – például távoli csillagokra és más égitestekre –, illetve nagyon kicsi részecskékre sem igazán jók a klasszikus mechanika megállapításai. A kvantummechanika még a relativitáselméletnél is jobban relativizálta a dolgokat: kiderült, hogy egy parányi részecskéről (mint például egy elektron) nem lehet egy adott pillanatban egyszerre megmondani, hogy mekkora a sebessége, és hogy pontosan hol van. (De az egyiket a kettő közül nagy pontossággal meg lehet azért állapítani.)

Vagyis a kvantummechanika – amely Werner Heisenberg nevéhez fűződik talán a leginkább – még az einsteini relativitáselméletnél is továbbment, amikor a klasszikus fizikával szakítottak. Ugyanakkor további problémát okozott, hogy a parányi részecskékre vonatkozó kvantummechanikát és a gyors testekre vonatkozó relativitáselméletet sem sikerült igazán jól összeegyeztetni – ezzel foglalkozik a Stephen Hawking, a médiasztárrá vált, súlyos betegséggel küszködő fizikus.

CERN

Viszont megjelent a múlt század ötvenes éveiben, többek között Feynman kutatásai nyomán a kvantum-elektrodinamika, amely a mozgásban lévő elemi részecskékkel foglalkozott. Ez az elmélet fejlődött tovább 1960-ra, amikor az elektrogyenge kölcsönhatást kezdték vizsgálni a természettudósok.

A GWS-modell

Ennek a kölcsönhatásnak a legismertebb, és világszerte leginkább elfogadott modellje az úgynevezett Glashow–Weinberg–Salam-modell. (Három Nobel-díjas fizikusról, Sheldon Glashow-ról, Steven Weinbergről és Abdus Salamról van szó egyébként.) Ez a GWS-modell a természet alapjelenségei közül az elektromágnesességre és az úgynevezett gyenge kölcsönhatásra vonatkozókat tömöríti egyetlen magyarázó elméletbe.

Az elektromágneses jelenségek alaptörvényei is már egy egyesítésből jöttek létre: az elektromos áram és a mágnesesség összefoglaló elméleteit Maxwell fogalmazta meg híres egyenleteiben. A gyenge kölcsönhatás viszont a radioaktív bomlások jelentős részét képes megmagyarázni, és ennek a jelenségcsoportnak az elektromágnesességgel való összeegyeztetése nagy lépés az általános természeti modell megalkotása felé – legalábbis az elméleti fizikusok szerint.

A standard modell része a GWS

Az eddigi eredményeket talán a legjobban átfogó elmélet az 1983-ban létrehozott standard modell. Ez két nagy részből áll, és e nagy részek egyike az elektrogyenge kölcsönhatást leíró GWS.

Az elektrogyenge kölcsönhatást a nyugalmi tömeg nélküli foton, valamint három nagy tömegű társa, három bozon: a W+, W- és Z0 közvetíti. A két W-bozon a gyenge kölcsönhatásban vesz részt, a harmadik pedig az isteni részecske, az úgynevezett Higgs-bozon, amelyet eddig nem sikerült felfedezni, pedig az elmélet szerint ez a töltés nélküli (és éppen ezért nehezen kimutatható) részecske felelős a többi részecske nyugalmi tömegéért.

A foton és Einstein munkássága

A foton felfedezése egyébként még a fényelektromos jelenséghez köthető, ennek tisztázása még Albert Einstein egyik legfontosabb eredménye volt (ezért kapott Nobel-díjat, nem a relativitáselméletért). Minthogy a foton nyugalmi tömege zéró, ez a parányi részecske a fényt (és más elektromágneses hullámokat is) végtelen nagy távolságokba tudja eljuttatni. A három nagy tömegű bozon viszont gyorsan elbomlik, közülük kettő a gyenge kölcsönhatást ezért csak kis térben tudja közvetíteni.

A harmadik pedig a rejtélyes Higgs-bozon. A Higgs-bozon létezése, az, hogy tömege is van, egy úgynevezett szimmetriatörésnek köszönhető az elméletek szerint. A „töréselmélet”, a Higgs-mechanizmus felfedezése Peter Higgs nevéhez fűződik az 1960-as évek végén, és Steven Weinberg dolgozta ki részletesen. Ez a teória jósolta meg a Higgs-bozon létesítését.

A gyenge kölcsönhatás és a bozonok

A Wikipedia szerint a gyenge kölcsönhatást leíró egyik elméletnek, az elektromágneses kölcsönhatásnak és a Higgs-mechanizmusnak a kombinációját nevezik Glashow–Weinberg–Salam-modellnek. A Higgs-mechanizmus a gyenge kölcsönhatást leíró teória egyik módosítása.

A Higgs-bozon vagy Higgs-részecske a Wikipedia szerint egy olyan feltételezett részecske, amelyet a részecskefizika standard modellje jósolt meg. Ez a részecske a közvetítője a Higgs-térnek és ez felelős a többi részecske tömegéért. Az elméletben lévő Higgs-mező érdekes módon a klasszikusan (tehát nem a kvantummechanika alapján) is felírható a speciális relativitáselméletben. Ez a részecske befolyásolja az elméletben szereplő többi részecske (W- és Z-bozonok) nyugalmi tömegét.

Van tömege

A Higgs-bozon maga is rendelkezik tömeggel a Wikipedia szerint. Eddig 95 százalékos biztonsággal állították egyes szakértők, hogy a Higgs, ha létezik, akkor nem kisebb 117 GeV-nál. (A GeV egy részecskék tömegét jellemző mértékegység.) Részecskegyorsítókban végzett korábbi kísérletek már sejtették, hogy a Higgs-bozon bomlástermékeire utaló jelek esetleg előfordulhattak már az eddigi mérések között is. De ezek a sejtések persze még nem elegendők ahhoz, hogy tudományosan is bizonyítottnak tekintsük a Higgs-bozon létezését.