Amerika is kér a Higgs-bozon dicsőségéből

A világ legdrágább és legnagyobb tudományos laborjaként ismert LHC részecskegyorsítót többek között azzal az ígérettel építették fel Svájcban, hogy a kísérleteivel kimutatható lesz a Higgs-bozon, és ezzel a részecskefizika több, elméletben működő modellje is gyakorlati megvalósítást nyer. Az európai központ július negyedikére, éppen a legnagyobb amerikai ünnepre időzített egy nagy bejelentést, amiről sejteni lehet, hogy a Higgs-bozonnal kapcsolatos. A chicagói Fermilab azonban kedden két nappal egy sajtóközleménnyel beelőzött.

Az amerikai kutatók tíz évnyi kísérlet adatait elemezték. A ma már nem működő Tevatron részecskegyorsítóban két különálló kutatócsoport végzett méréseket két detektorral, összesen 500 billió részecskeütközés adatait dolgozták fel. A Higgs-bozon utáni vadászatban a részecske tömegének minél pontosabb meghatározása a cél, ennek alapján lehet később újra megtalálni kísérletekben a részecskét. A Tevatron eredményei alapján a tömeg  115 és 135 GeV, között van, vagyis nagyjából a proton tömegének 130-szorosa.

Megvan, de mégsincs

A kutatók szerint szerint csupán az 1:550 esély arra, hogy az eredmény mérési vagy statisztikai hiba legyen. Ez ugyan laikus szemmel elhanyagolható, azonban ez a körülbelül 99,63 százalékos bizonyosság még nem biztos hogy elég lesz a tudományos elfogadottsághoz, a nemzetközi előírások ugyanis két független kísérletet kérnek, és ennél még kisebb hibahatárt engednek csak meg. Ez valószínűleg csak szerdán, az LHC eredményeinek publikálásakor lesz meg, így a modern fizikában mérföldkövet jelentő felfedezésnek talán sosem lesz a közvélemény által általánosan elfogadott, kizárólagos gazdája.

Minden részecskefizikai kísérletnek van egy szórása, kísérleti bizonytalansága, amit szigmával jelölnek. A végső szigma szám több összetevőből jön össze, amelyek között sok becsült értéket is találunk. „Meg kell becsülnünk például azt, hogy a jelünk mögött mekkora a háttér, ennek becslése pedig nagyon bonyolult dolog, mert figyelembe kell venni az összes lehetséges folyamatot, amit a standard modell jósol” – magyarázta kérdésünkre Horváth Dezső, a Debreceni Egyetem professzora, az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont fizikusa, aki a CERN több kísérletében is részt vesz. „Ez elég nagy munka, aminek a végén statisztikailag összegzünk, és így áll elő a végső szigma.”

Minél nagyobb a szigma értéke, annál valószínűbb, hogy a mért érték helyes. Ha a szigma értéke 1, az például azt jelenti, a 68,27 százalékos valószínűséggel helyes, 2 szigma pedig már 95,45 százalékot jelent. A Fermilab most 2,9 szigmát jelentett be, ez elég nagy valószínűségnek tűnik, de a részecskefizikusok közti megegyezés szerint azonban ez nem elég. „Konzervatívak vagyunk, mert tartunk attól, hogy nem biztos, hogy jól becsüljük a szigmát. Volt erre már több eset is, például kalibrációs hibákból adódóan, és ezeket az előre nem látható hibákkal is számolnunk kell” – mondta Horváth. „Éppen ezért az a megállapodás, hogy akkor figyeltünk meg egy jelenséget, ha azt 5-nél nagyobb szigmával figyeltük meg.”

Öt szigma elvben azt jelenti, hogy a mérés bizonyossága 99,99994267 százalék, de hogy néha ez is kevés, azt éppen a tavalyi részecskefizikai szenzáció, a fénynél gyorsabb neutrínók megfigyelése igazolta – ott ugyanis 6 körül volt a szigma értéke, de később kiderült, hogy az eredményekhez egy mérési hiba is hozzájárult. Biztosan felfedezettnek tehát akkor mondható egy jelenség, ha két független kísérletben is 5-nél több szigmával figyelték meg. A Tevatron 2,9 szigmás értéke azért sem drámai újdonság, mert az LHC tavalyi adatai alapján a CERN már 3,2 szigmával, sokkal keskenyebb tartományban figyelte meg Higgs-bozont, és ezt publikálták is. Sőt, az egyik csatornában 3,8 volt a szigma értéke – a Higgs-bozon ugyanis többféleképpen tud bomlani, ezért minden bomlási csatornájában figyelni kell.

De miért fontos ez?

A Higgs-bozon arra a jelenségre ad többek között magyarázatot, hogy hová tűnik el a tömeg, amikor az anyagot egyre kisebb, szubatomi részecskékre bontjuk. Peter Higgs skót fizikus, a részecske névadója azt az elméletet állította fel, hogy létezik egy mező, ami az összes többi részecske tömegét adja, ennek a forrása pedig a Higgs-bozon. Egy sor más kvantumfizikai elmélet mellett a részecskefizika standard modelljébe, vagyis a négy alapvető fizikai kölcsönhatásból hármat (az elektromágneses, az erős és a gyenge kölcsönhatást) egyesítő modellbe is tökéletesen illene, és a gyakorlatban igazolná a teóriát a felfedezés.

Az amerikaiak részecskegyorsítója sokkal kisebb energiatartományokban működött, mint az LHC, de a sok éves előny, és az, hogy az európai központtal ellentétben nem kellett hosszú hónapos karbantartások és ellenőrzések miatt megszakítani a munkát, kiegyenlítette a versenyt a két nagy kutatóközpont között. 2010-ben egyébként a Fermilab egyik tudósának blogbejegyzése alapján már felröppent a pletyka, hogy az amerikaiak megtalálták a Higgs-bozont, de ez aztán alaptalannak bizonyult. Annak ellenére, hogy már 2009-ben, amikor az LHC még éppen csak elindult, arról írtak a Fermilab vezetői, hogy nagyon közel vannak a nagy felfedezéshez.

Ha a Fermilab és az LHC kutatóinak osztozni kellene a dicsőségen (és a szinte biztosra vehető Nobel-díjon), az óriási presztízsveszteség lenne a CERN számára, ami azzal indokolta a közel tízmilliárd eurós beruházást az LHC megépítésére, hogy ezzel újra Európa lesz a tudományos világ közepe. Persze az LHC nem kizárólag a Higgs-bozont kereste, egy sor másik kísérletsorozatban is közel állnak az áttöréshez a kutatók. A legizgalmasabb ilyen az ősanyag, vagyis a kvark-gluon plazma előállítása és megfigyelése. Az elméletek szerint az ősrobbanás után ebben az állapotban létezett rövöd ideig az univerzum összes anyaga, majd ebből álltak össze a ma ismert részecskék.