Nem fekete lyukkal leszünk öngyilkosok

"Hallottam én már ennél rosszabbról is – mondta Ford. – Olvastam egy bolygóról, odaát a hetedik dimenzióban, amit biliárdgolyóként használtak egy intergalaktikus kocsmai partin. Egyenest belelőtték egy fekete lyukba. Tízmilliárdan pusztultak el egy csapásra."
– Douglas Adams: Vendéglő a világ végén (Nagy Sándor fordítása)

El tudnám ezt viselni, gondolom, ahogy az MTA KFKI RMKI felé sétálok a csillebérci zöldövezetben. Jó levegő, madárcsicsergés, fák... és persze kvarkok és leptonok mindenhol, bennük pedig a válasz az élet, a világmindenség meg mindenre: arra, hogy voltaképpen mi is történt úgy 13,7 milliárd évvel ezelőtt, amikor a Nagy Bumm bekövetkezett. De ne szaladjunk ennyire előre. Vagy vissza.

Kis Bumm a részecskegyorsítóban

Mivel a részecskefizika elvont gondolkodást igénylő fogalmai a laikus számára kissé nehezen felfoghatók, az ötödik dimenzióra irányuló kutatás egyik vezetője, dr. Barnaföldi Gergely Gábor Ádámtól-Évától kezdi. A magyar nagyenergiás magfizikai kutatások alapítói a tavaly elhunyt Zimányi József, valamint a jelenleg is aktívan dolgozó, Lovas István és Németh Judit voltak, az ő bábáskodásukkal született meg többek között az MTA KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézetében a Nehézionfizikai Főosztály. Mára a tudomány további ágai bontakoztak ki: vannak, akik a részecskefizika csillagászati vonatkozásaival foglalkoznak, mások nagyenergiájú részecskék ütközésével, és akadnak tudósok, akiknek a hétköznapi nukleáris anyagok gerjesztett állapotai a szakterületük.

Barnaföldi, valamint közvetlen kollégái, dr. Lévai Péter és dr. Lukács Béla leginkább az első két csoportba sorolhatók. "Ha az ember egyre jobban darabolja az anyagot, akkor olyan építőkövekhez jut, amik valamikor az univerzum korai állapotaiban kerültek elő. Ezeket vizsgálva megérthetjük, hogy honnan jöttünk és hogyan kerülhettünk idáig" – fogalmazza meg a tudós konyhanyelven, hogy mi a részecskefizikusok fő motivációja. A vizsgálat egyik módja a nagyenergiás magfizikai kísérletek, amelyekben elektronjaiktól megszabadított, de viszonylag stabil, pozitív töltésű atommagokat (általában aranyat, ólmot vagy uránt) ütköztetnek össze igen nagy, a fénysebességhez közeli sebességgel. Az így keletkező energiasűrűség hatalmas – olyan, amilyen az univerzum korai állapotában is előfordulhatott. A kutatók az általuk csak Kis Bummnak nevezett ütközések utáni állapotokat elemzik, és olyan jelenségeket keresnek, amelyek a világegyetemet létrehozó folyamatokkal analógok lehetnek.

A másik vizsgálati módszer természetesen magának az univerzumnak a megfigyelése: a Nagy Bumm után még mindig táguló, kihűlt világegyetem furcsaságai, mindenekelőtt a szupernóvamaradványok. Ezek a képződmények a nagy tömegű csillagok halálakor jönnek létre, és hogy mivé fejlődnek, az a csillag tömegétől függ. Az asztrofizika és a részecskefizika egyik homályos területe ez: nem tudni, pontosan milyen részecskék alkotják a szupernóvamaradványokat, annyi viszont bizonyos, hogy nagyon kis helyre nagyon nagy tömeg zuhan össze, tehát igen sűrű és nagy energiájú objektumokról van szó. Kis méretük meg is nehezíti az észlelésüket: optikai eszközökkel nem megfigyelhetők, csak gravitációjuk és nagy energiájú sugárzásuk alapján lehet következtetni a létezésükre.

Lehet egy dimenzióval több?

A részecskefizikusok számára a gravitáció bizonyul a kritikus pontnak, amikor a sok apró építőkövet (kvarkokat, leptonokat, gluonokat) megpróbálják valamilyen egyesített modellben összerendezni. Newton tömegvonzást leíró egyenleteiről például tudjuk, hogy csak az általunk tapasztalt hétköznapi életben állják meg a helyüket, de fénysebességhez közeli sebességek vagy óriási energiasűrűségek esetében már nem. Itt Einstein elképzelései sem minden esetben helytállóak. Amikor azonban új fizikai modellekről beszélünk sosem a modellek teljes lecseréléséről, inkább bővítéséről, pontosításáról van szó. Például Einstein egyenletei általánosabbak, és tartalmazzák a newtoniakat is. Az egyre nagyobb energiájú folyamatok viszont nem férnek bele egyik mostani modellünkbe sem.

"És itt jön a kérdés, hogy hogyan lehet általánosítani a modellemet? Ami oda vezet, hogy szimmetriákat keres az ember, de ha ez nem vezet eredményre, a további rendező elvek után kutatva megteheti, hogy növeli a dimenziók számát" – mondja Barnaföldi. Ez a módszer nem új, az elméleti fizikusok már a múlt század elején is játszadoztak négynél több (a három ismert dimenziónk plusz az idő) dimenzióval. Komoly agymunka van például az így született Kaluza-Klein elméletben, de névadói végül nem jártak sikerrel. Ők egyébként az elektromágneses kölcsönhatást próbálták egyenletekben egyesíteni a gravitációval.

"Akkor még jóval alacsonyabb energiaszinteket vizsgáltak" – magyarázza a kutató. "Azóta tudjuk, hogy a világ milyen részecskékből épül fel, hogy a gluonok közvetítésével úgynevezett erős kölcsönhatás létesülhet a kvarkok között, és hogy a különböző részecskecsaládok közti átmeneteket és folyamatokat milyen más, gyenge kölcsönhatásokkal lehet leírni. Ezt az erős, a gyenge és az elektromágneses kölcsönhatást már sikerült egy egyenletben összehozni, de a gravitáció továbbra is kilóg." Az elméleti problémát tehát újabb és újabb dimenziók bevezetésével próbálják megoldani a fizikusok, Barnaföldi és kollégái olyan modellben gondolkodtak, amely egy ötödik (tehát egy negyedik térbeli) dimenziót feltételez. Magával a fizikai értelemben vett negyedik dimenzióval, az idővel először nem foglalkoztak, egy adott pillanatban vizsgálták a modelljüket.

Aprócska extra

Ha azonban négy térbeli dimenzióban gondolkodik az ember, oda fog kilyukadni, hogy a most megismert fizikai törvényszerűségek nem működnek. Gyakran citált példa, hogy ha négydimenziós lenne a tér, nem tudnánk bekötni a cipőnket, mivel négy dimenzióban a hagyományos értelemben vett csomó mint olyan, nem létezik. "Van még nagyon sok makroszkopikus jelenség, ami szintén nem létezhetne. És itt jön a csel: azt mondom, hogy kiterjeszthetem az elméletemet egy extra dimenzióval, de úgy, hogy az a dimenzió nem lehet makroszkopikus" – magyarázza a tudós.

"Feltételezhetem, hogy az extra dimenzió csak nagyon speciális körülmények, például valamilyen nagy energiasűrűség mellett fejti ki a hatását, és akkor sem makroszkopikusan, hanem csak az elemi részecskék szintjén" – fogalmaz Barnaföldi. "Ez azt jelenti, hogy az alacsonyabb energiatartományokon minden úgy működik, mint ahogy eddig ismertük, de magasabb energiaszinteken eljön az a pillanat, amikor megnyílik egy új dimenzió, egy extra szabadsági fok. És ha ezt az új dimenziót figyelembe véve le tudom írni a világot fizikai egyenletekkel, akkor be lehet bizonyítani, hogy az extra dimenzió tényleg létezik."

A magyar kutatók teóriája tehát az, hogy léteznek olyan részecskék, amiket nem lehet a 3+1 dimenziós téridőben mérni, hanem több dimenzióban léteznek, és mi ezeknek a részecskéknek csak valamilyen árnyékát, vetületét látjuk. Az elmélet igazolásának egyik módja az univerzum nagy energiasűrűségű objektumainak, például a már említett szupernóvamaradványoknak a megfigyelése. Barnaföldiéket leginkább a Hattyú csillagképben található Cygnus X-3 izgatta, ez a csillagrendszer ugyanis 37 ezer fényévnyi távolságból bombázza a Földet rejtélyes részecskéivel.

Az ördög a részecskékben

A Tejútrendszer peremén levő Cygnus X-3 erős röntgensugárzást bocsát ki, ami a nagy tömegű objektumok sajátja. Bináris csillagrendszerről van szó: két csillag kering egymás körül, egymáshoz igen közel. Az egyik egy néhány kilométer átmérőjű, de nagyon sűrű szupernóvamaradvány, a másik egy néhány naptömegű, de több millió kilométer átmérőjű vörös óriás, ami éppen felfúvódik. "A kisebb csillagot természetesen nem látjuk csillagászati eszközökkel, csak sugárzásából és a gravitációs hatásából következtetünk a létezésére" – mondja dr. Lukács Béla, a kutatás másik vezetője. "Ezek ketten ugyanis folyamatosan rángatják egymást. Őrületes dolgok folyhatnak ott, mert a Cygnus X-3 jelentős részét adja az egész Tejútrendszer Földön észlelt kozmikus sugárzásának."

Kettőscsillag, amiből az egyik szupernóvamaradvány, jellemzően neutroncsillag – ez még nem különleges dolog a csillagászatban. Úgy tűnik azonban, hogy a Cygnus X-3 kisebbik objektuma nem egyszerű neutroncsillag, mert olyan erős, több tartományban is mérhető rádió-, röntgen-, és egyéb sugárzások érkeznek onnan, amiket nagyon pontosan lehet észlelni a Földön is. A kutatók szerint a vörös óriás és a kis kompakt objektum közelsége is szükséges a jelenséghez: ha az óriás nagyon felfújódik, átlóg a szupernóvamaradvány gravitációs mezőjébe, és az egyik csillag elkezd anyagot átszívni a másikról. "Az anyag nagyon nagy sebességgel becsapódik, és ekkor mindenféle részecske kiszóródik, így keletkeznek ezek a nagy energiájú sugárzások" – magyarázza Lukács.

Amikor a Cygnus X-3-ról érkező sugárzás egy nagy energiájú részecskéje találkozik a földi légkörrel, ott rengeteg másodlagos részecskét kelt, ezek a szekunder részecskék jórészt müonok (az elektronnál kétszázszor nehezebb részecske). A müonzápor 30 kilométer magasban kezdődik fölöttünk és pontosan észlelhető az e célt szolgáló ballonokkal és földi detektormezőkkel. Azt viszont nem tudjuk, hogy mi kelti ezeket a müonokat, vagyis hogy mi az a nagy energiájú szülőrészecske, ami túléli a 37 ezer fényéves utazást. Tippek ugyan vannak, de egyelőre csak annyi biztos, hogy mi nem lehet a rejtélyes részecske. A fizikusok nagy részecskehatározójában szereplő részecskék közül például ki lehet zárni a töltéssel rendelkező részecskéket, ezeket ugyanis a galaxis erős mágneses tere eltérítené az útjáról. Energiasűrűség-, életidő-kalkulációk és egyéb módszerek alapján további jelöltek esnek ki, míg végül számba kell venni az egzotikus lehetőségeket is, a ritka, vagy a még csak feltételezett, de stabilnak és semlegesnek gondolt részecskéket. Lukácsék így jutottak el a H0-dibarionhoz.

Modellcsillagok

A barionok három kvarkból felépülő részecskék (ilyen például a proton és a neutron), ebből következik, hogy a dibariont hat kvark alkotja. A H0-dibarion a fizikusok feltételezése szerint nagy energiájú, stabil és semleges, tehát minden szempontból megfelelne, csak éppen még senki nem látott ilyet. Ezen a ponton már nem lehet tovább halogatni, hogy beszéljünk a kvarkok hat alapvető fajtájáról, amelyeket angol neveik alapján u, d, c, s, t és b kezdőbetűvel jelölnek. A neutron és a proton például d-kvarkokból és u-kvarkokból épül fel, de bonyolódik a helyzet, ha a dibarionokra térünk.

"Hogy egy viszonylag stabil dibariont létre tudjunk hozni, szükség van s-kvarkokra is" – mondja Barnaföldi. "És itt jön a képbe az u-d-s szerkezetű lambda barion. Korábban már felfedezték – és ez Nobel-díjat érő eredmény volt –, hogy az u-d-d szerkezetű neutronból gerjeszthető stabil lambda barion. Két lambdából pedig elméletben összeállhat egy uds-uds H0-dibarion."

Ha felételezzük, hogy H0-dibarionok keltik az említett müonzáporokat, újabb rejtélyhez jutunk. Az s-kvark ugyanis nevéhez méltóan – s, mint strange, azaz furcsa – ritkán előforduló részecske, és ha a Cygnus X-3 nagyvonalúan uds-uds szerkezetű dibarionokat küld a Föld felé, az azt jelenti, hogy a csillagkettős kisebb tagja is valamilyen furcsa képződmény, semmiképpen sem a szupernóvamaradványok között leggyakoribb neutroncsillag. A fizika itt már minden szempontból rászolgál az "elméleti" jelzőre, hiszen feltételezett összetételű égitestek szerkezetét próbálják megállapítani a kutatók. Barnaföldiék több lehetséges és a szakirodalomban régóta ismert modellt is elemeztek, többek között egy olyan csillagot, amiben egy vékony neutronréteg alatt az u-, d- és s-kvarkok a nagy energiasűrűség miatt szabadon találhatók. A csillagászok és asztrofizikusok ezt a szerkezetet kvarkcsillagként ismerik, de a magyar kutatók a kvark-neutron hibridet és hiperoncsillagot (olyan neutroncsillag, aminek a belsejében lambda részecskék és a neutron egyéb gerjesztett állapotai találhatók) is vizsgáltak.

"A modellek közül persze legfeljebb egy jó" – mondja a fizikus. "Ezeket a csillagmodelleket már akár idődimenzióban is vizsgálhatjuk, valamint megnézhetjük, hogy mennyire stabilak. Ez úgy néz ki, hogy kicsit megpiszkáljuk a modellt – például sugárirányba meghúzzuk a felszínét – és megnézzük, hogy visszakerül-e a feltételezett nyugalmi állapotába vagy összeomlik, esetleg szétrobban." Az eddigi számítások alapján úgy tűnik, hogy a neutron-hiperoncsillag a legstabilabb, és így a leginkább elképzelhető objektum, vagyis egy olyan neutroncsillag, amiben egy kisebb, gerjesztett uds-barionokokból álló mag található.

Hizlal az ötödik dimenzió

Adott tehát egy nagy energiájú, furcsa jelenség, egy modelltesztekkel megalapozott feltételezés, és a cikk elején említett hatásegyesítés ellentmondásai, amiket elméletben egy nem makroszkopikus plusz dimenzió bevezetésével lehet feloldani. Mindez találkozik Barnaföldiék elgondolásában, ami legalább egy ilyen, úgynevezett Kaluza-Klein típusú extra dimenziót feltételez. Ezt megfigyelni nem lehet, de létezhet olyan nagy energiájú folyamat, amikor ez a dimenzió megnyílik. "Ha ebben a pici extra dimenzióban mozog valami, az gyorsabban mozog, mint a csak háromdimenziós térben mozgó részecskék, és a relativisztikus tömegnövekedés miatt az ismert három dimenziónkban nagyobbnak fogjuk látni a tömegét" – magyarázza a fizikus. "És itt jön be egy újabb feltételezés: mi van, ha a lambda részecske egyszerűen csak egy neutron, ami extra irányba is mozog?"

A probléma az, hogy lambdát még soha nem tudtak megfigyelni direkt módon, mert 100 pikomásodperc alatt elbomlik, csak a végtermékeiből lehet a létezésére következtetni, és az is csak elmélet, hogy uds-szerkezetű. Viszont a létezését – ahogy a többi részecske esetében is – kész tényként kezeli a tudomány, mint ahogy azt is, hogy a lambda hasonlít egy meghízott neutronhoz. A magyar kutatók felírták a megfelelő energiaegyenleteket a 4+1 dimenzióban (ez volt a munka javarésze), és megnézték, mi történik, ha a tömegkülönbséget úgy kalkulálják, hogy az éppen a neutron és a lambda közti tömegkülönbség legyen. Az eredmény egy 10¹³ nagyságrendű részecske lett, ami valamivel kisebb, mint egy proton, tehát részecskefizikai szempontból mérhető mennyiség. "Ha ez valóban így van, megfelelő kísérlettel ezt lehet vizsgálni, és éppen erre készülünk idén a Large Hadron Colliderben" – lelkendezik Barnaföldi. A projekt költségeihez az OTKA és az NKTH is hozzájárult, csillagászati oldalról pedig az ELTE TTK Csillagászati Tanszéke, Érdi Bálint és Forgácsné Dajka Emese kutatók a fő támogatók.

A magyarok 2000 óta dolgoznak ezen a kutatáson, és alig leplezett izgatottságuk elárulja, hogy munkájuk most kezd beérni. Pedig mint megtudom, ez a laikus számára nehezen felfogható modell nagyon egyszerű, ennél jóval összetettebbek a további extra dimenziókkal operáló modellek, a húrelmélet 10-, 26-, és 306-dimenziós teóriái. Viszont ezek a modellek 10³³ nagyságrendű részecskéket jósolnak, amiknek a létét jelenleg nem lehet kísérletileg bizonyítani, még az LHC-ben sem. De lehet, hogy teljesen mindegy, hogy milyen részecskéket akarnak vizsgálni, mert a világ legnagyobb részecskegyorsítója pár hónap múlva megsemmisíti a Földet.

Kiszippantjuk-e a Földet magunk alól?

Legalábbis van egy ilyen népszerű félelem, miszerint a gigászi méretekkel rendelkező – 8,6 kilométer átmérőjű – LHC már olyan energiasűrűség létrehozására lesz képes, hogy a kutatók akaratlanul is mesterséges fekete lyukat teremtenek, ami magába szippant majd Budapesttől Sydney-ig mindent. A pánik kezelésének nem tett jót, hogy áprilisban egy teszt során komoly üzemzavar volt az intézményben.

"A CERN-ben már egész iparág foglalkozik azzal, hogy miért nem keletkezhetnek a gyorsítóban fekete lyukak, vagy ha igen, miért fognak eltűnni" – mondja Barnaföldi. "Még azt is kiszámolták, hogy ha valóban keletkezne ott ilyen objektum, körülbelül 7 perc alatt szippantaná be Európát. Ettől azonban nem kell félni. Tényleg akkora energiasűrűségek előállítására vagyunk képesek, hogy ezek a félelmek megalapozottnak tűnhetnek, de amíg lényegesen alatta vagyunk egy kritikus nagy tömegnek, sokkal több energiára lenne szükségünk egy stabil fekete lyuk előállításához. Sok mindent tudunk csinálni, amivel öngyilkosok lehetünk, de fekete lyukat nem."

"Már csak arra kell válaszolnunk, miért jó ez Önöknek, hogy mi itt ülünk a jó levegőn és gondolkodunk olyan dimenziókon, amiket nem láthatunk" – veszi át a szót nevetve Lukács. Mi tagadás, kitalálja a gondolatomat, csak visszafogom magam, mert amikor utoljára megkérdeztem egy elméleti fizikustól, hogy mi a gyakorlati haszna annak, amit csinál, csúnyán meg lettem semmisítve. Az RMKI-nál jobban veszik a lapot, bár természetesen a részecskefizikai kísérletek során keletkezett járulékos találmányokat – mikrohullámú sütő, különböző számítógépes és adatmegjelenítési eljárások, sőt maga az internet – felsorolják a mundér védelmében. "Persze tudjuk, hogy a laikus azt kérdezheti magában, mi értelme van ennek" – mosolyog Barnaföldi. "És erre nincs igazán jó válaszunk. De a kérdések maguk olyan izgalmasak, hogy nem tudunk nem foglalkozni velük."