Máté, Mirella
10 °C
13 °C

Megtaláljuk az isteni részecskét

2008.09.10. 13:17
Most, hogy beüzemelték az LHC-t, az elméleti fizikusok évekig visszafojtott lélegzettel várják majd, mit találnak a részecskegyorsító kísérleteiben. Az Isten részecskéjeként is emlegetett Higgs-bozon szinte biztosan meglesz, azon túl minden szakember csak nagy fenntartásokkal mer jósolni. A tudomány mai állásából azért bizonyos valószínűségek leszűrhetők. Esélylatolgatás következik az extra dimenzióktól a sötét anyagig.

Az LHC indítása előtt szinte minden élő Nobel-díjas és Nobel-esélyes fizikustól megkérdezték, hogy mit vár a legnagyobb részecskegyorsítótól. Többnyire bizonytalan vagy egyenesen ellentmondó válaszok születtek, kevesen merészkedtek odáig, mint Sean Carroll, a California Institute of Technology kutatója, aki a jelenlegi tudományos elméleteket alapul véve a Cosmic Variance nevű, kvantumfizikával foglalkozó blogon konkrét százalékértékekkel jósolta meg, mire számíthatunk.

Hasonló játékra invitáljuk olvasóinkat: bár nem vagyunk tudósok, Carroll és néhány nevesebb kollégája gondolatait segítségül híva megsaccoljuk, milyen eséllyel talál és fogad el bizonyítékokat egyes kvantumelméleti jelenségekre a tudomány mondjuk az elkövetkező öt éven belül. Az Index Kvantumfizikai Fogadóirodájának jegyzett sanszai: nagyon valószínű (90-99 %), valószínű (60-89 %), lehetséges (40-59 %), nem valószínű (10-39 %), esélytelen (1-9%) és szinte kizárt (1% alatt). Ígérjük, öt év múlva megnézzük, mennyire jöttek be tippjeink.

Higgs-bozon: Nagyon valószínű.

E semleges töltésű elemi részecske létezését a részecskefizika standard modellje, vagyis az elektromágneses, az erős és a gyenge kölcsönhatást leíró és egyesítő modell már megjósolta.

Peter Higgs, a Higgs-bozon névadója
és megjósolója az LHC-ben

Illetve, egész pontosan névadója, a skót Peter Higgs jósolta meg még 1964-ben. Higgs azt kívánta megmagyarázni, hová tűnik el a tömeg, amikor az anyag egyre kisebb atomon belüli részecskékké törik szét. Feltételezése szerint az ősrobbanás pillanatában súlytalan volt az anyag, majd hirtelen tömeget nyert egy mezőnek köszönhetően. Ez volna a Higgs-mező, amit az Isten részecskéjének is nevezett Higgs-bozon közvetít, és ez ad tömeget a többi részecskének (bár a fizikusok többsége ki nem állhatja az "Isten részecskéje" elnevezést). A Higgs-bozon létezését (vagy valami hasonló mechanizmus létezését) szinte az összes elmélet igazolja, energiában kifejezett tömegét valahova 114 és 250 GeV közé teszik. Ha ezen a skálán nehezebb a Higgs-bozon, hamarabb megmutatja magát az LHC kísérleteiben, talán már 2009-ben is. Peter Higgs maga úgy nyilatkozott, hogy több mint 90 százalék az esélye annak, hogy a Higgs-bozont megtalálják, és mivel e részecske volt az LHC építésének egyik fő motivációja, szinte elvárt, hogy ráakadjanak.

Szuperszimmetrikus részecskék: Valószínű.

A szuperszimmetria (angol rövidítéssel SUSY) a modern fizika egyik legizgalmasabb elmélete, eszerint az ismert részecskéknek létezik egy-egy nagyobb tömegű szuperszimmetrikus párja (szuperpartnere), amelyek ismert párjuktól egyetlen kvantumfizikai jellemzőjükben, a spinjükben különböznek (a spin a részecske saját impulzusmomentuma, vagyis perdülete – azonban nem makrofizikai értelemben vett perdületre kell gondolni, inkább egy kibővített hullámfügvényre, ahol ezt a bővítést egy extra kvantumszámmal fejezik ki). Az anyagi részecskék szuperpartnereit a párjuk neve elé írt "s-" előtaggal, a kölcsönhatást közvetítő részecskék esetén az utánuk írt "-ino" utótaggal jelöljük. A teória szerint tehát a kvarkok mellett léteznek skvarkok, az elektronok mellett selektronok, a fotonok mellett fotinók, és így tovább, és ezek nagyobb tömegűek az ismert részecskéknél (hiszen még nem fedeztük fel őket). Ez egyben azt is jelenti, hogy az elmélet szerint a létező részecskéknek legfeljebb a felét ismerjük.

SUSY - a részecskék felét még nem ismerjük?

Igen népszerű elméleti kutatási terület a SUSY (a húrelmélet is támogatja), és rengeteg elméleti ellentmondást feloldana, ha sikerülne igazolni, hogy tényleg léteznek szuperszimmetrikus részecskék. A teória állításainak ellenőrzése eddig azért nem volt lehetséges, mert az ellenőrizendő folyamatok olyan nagy energiaszinten zajlanak, aminek előállítására képtelenek voltunk. Kérdés, hogy az LHC 14 TeV-os csúcsteljesítménye elég lesz-e. A válasz a legtöbb kutató szerint inkább igen, mint nem, például David Gross, a 2004-es fizikai Nobel-díj egyik díjazottja is ezt vallja. Egyes szuperszimmetria-elméletek szerint a legkisebb szuperpartnerek már egy-két TeV-on megmutatják magukat, és ha ez így van, az LHC-ben már akár az idei ütközésekben is százával kell jelentkezniük. Bizonyítani azonban nehéz lesz a létezésüket, ugyanis a könnyű szuperpartnerek nem sok nyomot hagynak maguk után, csak némi hiányzó energiát. Ilyet pedig produkálhatnak a detektorok rétegei közt levő igen apró rések is, vagy akár egy bedöglött elektronika.

Nagy extra dimenziók: Esélytelen.

Régi gondolat, hogy a 3+1 dimenziós érzékelt világunkban léteznek további térdimenziók is – ezt Theodor Kaluza és Oskar Klein már az 1920-as években felvetették. A nagy extra dimenziók gondolata azonban egész új: e dimenziók létezését három tudós, Nima Arkani-Hamed, Savas Dimopoulos és Gia Dvali vetették fel 1998-ban. Modelljükben nagy (értsd: akár egy milliméter széles) dimenziókról írnak, amelyek azonban számunkra láthatatlanok. Az extra dimenziókat a gravitáció hozza létre, a gravitációt pedig egy feltételezett részecske, a graviton közvetíti. Ha ez igaz, az LHC-ben a kutatók láthatnak majd extra dimenziókban eltűnő gravitonokat. De igen valószínű, hogy ez nem fog bekövetkezni, Arkani-Hamedék elméletében nagyon sok a bizonytalanság, sok kollégájuk szerint teóriájuk kifejezetten erőltetett.

Görbült extra dimenziók: Nem valószínű.

1999-ben Lisa Randall és Raman Sundrum csavartak egyet az extra dimenziók elméletén. Ezt akár szó szerint is lehet érteni, a tudósok ugyanis modelljükben nem kevesebbet állítottak, mint hogy a parányi extra dimenziók (bár ők először még csak egyetlen extra dimenzióról beszéltek) nem olyan geometria szerint viselkednek, mint a három ismert térdimenzió, hanem görbülnek.

Szimuláció hatdimenziós térről

Ez egybevág a húrelmélet több megállapításával, és néhány természeti jelenséget is meg lehet vele magyarázni (például a Cygnus X-3 csillagkettős felől érkező titokzatos sugárzást, amit magyarok is kutatnak). Ezzel együtt nem valószínű, hogy látjuk majd jelét görbült extra dimenziónak az LHC-ben, bár jóval esélyesebb a felbukkanása, mint a nagy extra dimenzióé. Egyébként George F Smoot, aki 2006-ban kapott fizikai Nobel-díjat, nagyon optimistán nyilatkozott ebben a kérdésben.

Apró fekete lyukak: Szinte kizárt.

Az elképzelés laikus számára is könnyen felfogható: ha nagy energiával egymásnak ütköztetünk két részecskét, olyan energiakoncentráció jöhet létre, ami már fekete lyuk kialakulásához vezet. Ehhez azonban még az LHC energiája is kevés, igen valószínűtlen, hogy miniatűr fekete lyukak szülessenek az ütközésekben. Ha mégis megtörténik ez, egy pillanat alatt elpárolognak majd és semmi kellemetlenséget nem okoznak.

Stabil fekete lyuk, amely elpusztítja a Földet: Esélye gyakorlatilag nulla.

Az elképzelés laikus számára könnyen ijesztő lehet: bármilyen kicsi fekete lyuk keletkezik az LHC-ben, a fekete lyuk extrém gravitációt jelent, az anyag beszippantását és a Föld elpusztítását, csúnya véget jobb sorsra érdemes fajunknak. Léteznek olyan tudósok (jellemzően nem elméleti fizikusok), akik táplálják ezt a hisztit, de minden az ellen szól, hogy az LHC elhozza a világvégét. Erős cáfolat ugyanis, hogy az LHC csúcsteljesítményénél olykor nagyobb energiaadagokat kapunk a kozmoszból, mégsem semmisült még meg a Föld, de az sem elhanyagolandó, hogy mint azt Stephen Hawking levezette, a fekete lyukak energiát vesztenek, párolognak (tehát egy az LHC-ben létrehozott miniatűr és instabil fekete lyuk egyszerűen elpukkanna). Viszont ez a komolyan nem vehető pánik remek poénokra ad lehetőséget, lásd például ezt a weboldalt.

A húrelmélet cáfolata: Szinte kizárt.

A húrelmélet, vagyis az a kvantumfizikai elmélet, amely a részecskéket nem pontként, hanem kiterjedt objektumokként kezeli, a tudomány jelenlegi állása szerint nem mond ellent semmilyen várható eseménynek, ami az LHC-ben történik majd.

A sötét anyag egy részének 3D térképe (kép: NASA/ESA)

Sötét anyag: Nem valószínű.

A sötét anyag olyan matéria, amit nem tudunk megfigyelni, semmilyen elektromágneses sugárzást nem bocsájt ki és nem is nyel el, csak a gravitációjából következtethetünk a jelenlétére. Létezését harminc éve kezdték el gyanítani, mára odáig jutottak a fizikusok, hogy az univerzumnak csak 4 százalékát alkotja a hagyományosan is megfigyelhető anyag, 26 százalékát pedig a sötét anyag. Az LHC-ben nagy erőkkel keresik majd azt a részecskét, amely ezt az anyagot alkotja, de éppen azért, mert ilyen nehezen lép kölcsönhatásba, nem lesz könnyű megtalálni és biztosan azonosítani.

Sötét energia: Szinte kizárt.

A feltételezések szerint az univerzum legnagyobb részét, nagyjából 70 százalékát alkotó energiaforma. Nem kimutatható, viszont közvetett bizonyítékok vannak a létezésére magyaroktól is. A sötét energia misztikus taszítóerő, ami a világegyetem tágulásáért (és a tágulás gyorsulásáért) felelős, de az LHC-ben folyó kísérletekhez semmi köze, szinte kizárt, hogy a fizikusok bármi újat tanulnak róla a részecskegyorsítóban.

Antianyag: Nagyon valószínű.

Minden részecskének van azonos tömegű, de ellenkező elektromos, gyenge és erős töltéssel rendelkező párja, vagyis antirészecskéje. Ez a fogalom nem új a kvantumfizikában, az elektron antirészecskéjét, a pozitront már 1932-ben felfedezte Carl David Anderson. Az antianyag, vagyis a kizárólag antirészecskékből felépülő anyag pedig a sci-fi regényekben szereplő fotonhajtóművekből is ismerős lehet. Amikor ugyanis az anyag és megfelelő antianyaga találkoznak, mindkettő megsemmisül és energia szabadul fel fotonok formájában – elvileg ezt lehetne felhasználni űrhajók meghajtására. A gyakorlat még nem itt tart, de sikerült már antianyagot előállítani: 1995-ben a CERN-ben antihidrogént gyártottak. Ha akkor sikerült, az LHC-ben is sikerülhet, akár nehezebb atomokkal is.

Antianyaggal működő űrhajó fantáziarajza (kép: NASA)

Kvark-gluon plazma: Valószínű.

A világegyetem ősanyaga, amiben még szabad állapotban voltak a kvarkok és a gluonok, de csak a pillanat töredékéig. Ezt az állapotot próbálják újra előállítani az LHC nehézion-kísérleteiben, amelyekben nem protonokat, hanem elektronjaiktól megfosztott ólómatommagokat ütköztetnek majd. Az így keletkező hőmérséklet és sűrűség igen rövid ideig kvark-gluon plazma állapotba kényszeríti az anyagot. A Brookhaveni Nemzeti Laboratórium gyorsítójában, az RHIC-ben már nagyon közel jutottak ahhoz, hogy aranyionokat ütköztetve megpillantsák az áhított őslevest, és mivel az LHC nehézion-kísérleteiben harmincszor nagyobb energiakoncentrációt hoznak majd létre, nincs sok okunk kételkedni a sikerben.

Új mértékbozonok: Esélytelen.

Az elemi részecskéket a fentebb említett spinjük szerint bozonokra és fermionokra osztjuk (a bozonok spinje nulla vagy egész szám, a fermionoké fél vagy félegész). A bozonok között kiemelt figyelmet élveznek a mértékbozonok, amelyek valamilyen kölcsönhatást közvetítenek: a foton az elektromágneses kölcsönhatást, a W- és Z-bozon a gyenge kölcsönhatást, a gluon az erős kölcsönhatást. Egyes elméletek szerint azonban léteznek még nehezebb mértékbozonok, konkrétan a W-prime bozon és a Z-prime bozon. Az LHC-ben ezek is felbukkanhatnak, bár ennek az esélye igen kicsi.

Új kvarkok vagy leptonok: Esélytelen.

A kvarkok olyan elemi fermionok, amelyek részt vesznek az erős, a gyenge és az elektromágneses kölcsönhatásban, a leptonok ezzel szemben olyan elemi részecskék, amelyek nem vesznek részt az erős kölcsönhatásban. A kvarkokat és a leptonokat a standard modell három családba sorolja, ezek teljesek, nem hiányzik belőlük "családtag". Azonban nem zárható ki teljesen, hogy létezik egy negyedik család, aminek a részecskéi felbukkannak majd az LHC-ben.

Preonok: Esélytelen.

A korábbi részecskefizikai kísérletek tanulsága, hogy minél nagyobb energiával ütköztették a részecskéket, azok annál kisebb alkotóelemekre estek szét. A preonok ilyen hipotetikus alkotóelemek, amelyek a kvarkok és a leptonok építőkövei volnának. Létezésüket komolyan veszik a kutatók, de senki nem várja igazán, hogy az LHC-ben fognak felbukkanni – valószínűleg jóval nagyobb energiaszinten jönnek majd csak elő.

Nem-részecskék: Szinte kizárt.

A nem-részecske (angolul unparticle) a kvantumfizika egyik legújabb őrült gondolata. Kiötlője, Howard Georgi 2007 tavaszán publikálta merész elképzelését, miszerint a világegyetem nemcsak anyagot alkotó részecskékből áll, hanem úgynevezett "dologból" (stuff) is, amit a nem-részecskék alkotnak. Georgi szerint az anyag és a dolog közti kölcsönhatás nagy energiakoncentráción megfigyelhető lehet az LHC-ben, de nagyon kevesen osztják az optimizmusát.

A Higgs-bozon szimulációja – nem zárható ki, hogy nem találják meg

Valami, amit senki nem jósolt meg: Lehetséges.

A természet sokszor megfricskázta már a modellekben gondolkodó tudósokat, és egyáltalán nem kizárt, hogy ezúttal is okoz majd meglepetéseket. Számtalan példa mutatta már, hogy az elméleti fizika a gyakorlatban nem mindig működik, ezért az LHC-vel kapcsolatban sem nehéz szokatlan kísérleti eredményeket és fejüket vakaró kutatókat vizionálni.

Egyáltalán semmi: Esélytelen.

Nem zárhatjuk ki teljesen, hogy semmi újat nem tanulunk az LHC-től, a fizikusok nem találják meg a Higgs-bozont, nem hoznak létre kvark-gluon plazmát, és így tovább. Ezt sokan tragédiaként élnék meg, érthető módon: ez ugyanis nem azt jelentené, hogy az LHC rosszul működött, hanem azt, hogy biztosnak hitt modellek voltak alapjaikban hibásak, és újra kellene gondolni nagyon sok kvantumfizikai képletet. De ennek igazából senki nem ad esélyt. Mint Rolf-Dieter Heuer, a CERN jövendő főigazgatója mondta, amikor májusban Magyarországon járt: ha a Higgs-bozont nem is, valamit biztosan találunk.