Az elektronról sem tudták, mire lesz jó

Kapu, ellenőrzőpont, beugró – nagyjából ezekkel a szavakkal jellemzik a programban résztvevő fizikusok azt, hogy a svájci-francia határon épített Nagy Hadronütköztető (LHC) nevű részecskegyorsító két detektorában egymástól függetlenül egy olyan részecskét figyeltek meg, aminek felfedezése az egész komplexum legfontosabb feladataként volt megadva. „Korántsem jelenti ez azt, hogy vége lenne a kísérleteknek, sőt most indul meg csak a munka igazán” – fogalmaz Horváth Dezső, a Debreceni Egyetem professzora, az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont tudományos főtanácsadója, aki a CERN több kísérletében is részt vesz.

Most ugyanis csak annyi bizonyos, hogy az adott energiaszinten mindkét detektor érzékelt valamit, ami akár a Higgs-bozon is lehet. „Egyelőre ebből indulunk ki, mert a rendszert úgy építették, hogy a Higgs-bozont találja meg, ráadásul a most közzétett eredmények is arra engednek következtetni, hogy egy Higgs-bozonról van szó – ahhoz, hogy pontosabbat mondjunk, még sokkal több adat kell” – mondja Horváth.

Könnyen előfordulhat ugyanis, hogy nem a, hanem egy Higgs-bozont találtak meg a kutatók, egyes feltételezések szerint ugyanis az sem lehetetlen, hogy ötféle Higgs-bozon létezik. Ebből egy rendelkezik a részecskefizika standard modell nevű elmélete által jósolt részecske tulajdonságaival, másik négy pedig eltér ettől. Ez az elképzelés egyébként pont annak a szuperszimmetria nevű elgondolásnak a része, amit az LHC-kísérletekben résztvevő magyar szakemberek többsége kutat pillanatnyilag. Annak ellenére ugyanis, hogy a CMS kísérletben sok magyar résztvevőt is találni, a hazai szakemberek elsősorban nem a Higgs-mechanizmusra koncentrálnak.

Mit nekem te Higgs-bozon

„Mi magyarok már egyszer kutattuk a Higgs-bozont, a LEP nevű részecskegyorsító idején” – mondja Lévai Péter, az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont főigazgatója. „Az ott folyó kísérletek arra a feltételezésre alapultak, hogy a keresett bozon tömege 110 gigaelektronvolt (GeV) alatt van. Nem volt igazunk, de nem tévedtünk sokat.” A lényeg azonban, hogy az LHC-ben már új célja volt a magyar részvételnek: a szuperszimmetria kutatása.

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. Ez egy igen népszerű elméleti kutatási terület (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 teraelektronvoltos csúcsteljesítménye elég lesz-e – a válasz keresése nagyjából 2030-ig ad munkát a magyar csapatnak. A mostani felfedezés igazából csak ahhoz kellett, hogy lássuk, a gép működik, az elméletek pedig nagyjából jó irányba mutatnak. Év végéig kiderül, hogy most mit találtak, pontosítják, hogy melyik rendszer Higgs-bozonját találták meg, 2015-től pedig az elsődleges cél a szuperszimmetrikus részecskék kutatása lesz.

Háromezerszer hetvenszer milliószor millió

Hogy a nagyságrendekkel tisztában legyünk: 2012 végéig nagyjából 20 inverz fentobarn, vagyis húszszor hetvenszer milliószor millió proton-proton ütközés megy végre az LHC-ben, az ebből keletkező adathalmaz nagyjából elég lesz arra, hogy a Higgs-kérdést megnyugtatóan rendezzük. Lévai szerint november környékén várható egy hivatalos bejelentés a CERN-től, ami nagyjából megegyezik majd a szerdai nyilatkozattal, csak nem fél majd kimondani az angol discovery, vagyis felfedezés szót sem.

Ezután nagyjából két évnyi szünet következik, ami alatt a szakemberek felkészítik az LHC-t a következő 15 évre, ami alatt további 3000 inverz femtobarnnyi proton-proton ütközésnek kell végbemennie. Ehhez a most alkalmazott módszerekkel nagyjából 300 évre lenne szükségünk, de a 2013-2015 között beiktatott szünet és karbantartás a tervek szerint képessé teszi majd a rendszert a megnövekedett adatmennyiség kezelésére.

Ebben a tervben kap nagy szerepet a márciusban bejelentett, és 2013. januárjában induló, nagyjából ötven-százezer magot alkalmazó budapesti TIER 0-s számítógépközpont is, amit nagyon leegyszerűsítve úgy kell elképzelni, hogy a kapott nyers adatokból „előhívja” majd az ütközésekkor az LHC-ben készített pillanatképeket, majd ezt visszaadja az LHC-nak, hogy az továbbossza a kész fényképeket már kedvük szerint vizsgáló, a világ számos pontján dolgozó tudóscsoportoknak.

Egymást támogató versengés

A bejelentést megelőző két-három nap krónikája jól mutatja, mekkora a verseny a nagyenergiájú részecskefizikában. A jóval kisebb teljesítményű, de kutatási célját tekintve hasonló profilú, amerikai Tevatron éppen két nappal a CERN bejelentése előtt tette közzé a saját (jóval kisebb szigmával, vagyis nagyobb bizonytalansággal) megfigyelt eredményeit, a Nature című, tekintélyes tudományos folyóirat pedig tőle szokatlan módon megszellőztette a szerdai CERN-bejelentés lényegét. „Ekkora a verseny” – mondja Lévai, „hogy már egy Nature szintű lapnak is ilyen eszközökhöz kell nyúlnia”.

Annak, aki igazán odafigyelt, feltűnhetett egy érdekes apróság is az LHC két detektora, a CMS és az ATLAS beszámolójában: a két csapat egy tized szigma eltéréssel vállalta az eredményeket. Minden részecskefizikai kísérletnek van egy szórása, kísérleti bizonytalansága, amit szigmával jelölnek. A végső kombinált szigma szám több összetevőből jön össze, és minél nagyobb, annál biztosabb a mért eredmény (bővebben a szigmáról lásd korábbi cikkünket). A részecskefizikában a megegyezés szerint akkor figyeltek meg egy jelenséget, ha a szigma értéke 5 vagy több.

„A mostani egytizedes különbség abból adódik, hogy a CMS csapata őszintébb volt, és a bejelentés előtti, interneten keresztül lefolytatott vitában úgy egyeztünk meg, hogy a végső szigma nem öt, csak 4,9” – mondja Horváth. Az ATLAS ezzel szemben csalt egy kicsit: azokat a csatornákat, ahol nem a megfelelő eredmény született, egyszerűen nem vette figyelembe, a CMS viszont a „homályos fényképeket” is beválogatta az albumba – persze ettől még az adatok pontossága, illetve az eredmény korszakalkotó mivolta szemernyit sem változik.

A kenyér nem lesz olcsóbb, csak a mágneses magrezonancia

A korszakalkotó szó nem túlzás: egyes vélemények szerint a szerdai bejelentés a részecskefizika holdraszállása, egyfajta mérföldkő, aminek kiemelt helye lesz a történelemkönyvekben – még akkor is, ha az eredmények hétköznapi jelentőségét nehéz meghatározni. „Konkrétan annak, hogy most találtak egy részecskét, ami akár egy Higgs-bozon is lehet, az átlagember szempontjából nincs komoly szerepe” – fogalmaz Lévai. „Azonban az a technológia, aminek segítségével megtalálták, már mérhető módon befolyásolja az életünket.”

A szakember szerint a nagy adathalmazok rendszerezésében és értékelésében is komoly változásokat hozhat az a tapasztalat, amit az LHC-ben keletkező, másodpercenként akár 20 terabájtnyi adat kezelése jelent, de gyorsítóban alkalmazott nagyon erős szupravezető mágnesek sorozatgyártása az orvostechnológiai eszközök árának esésében is érzékelhető.

Nem túlzás azt mondani, hogy az LHC olyan, mint az űrkutatás vagy épp a Forma–1: a hihetetlen pénzekért kifejlesztett megoldások erről a területről ugyanúgy átszivárognak a hétköznapi életbe, mint más tudományterületek, illetve a technikai sportok eredményei. Az elektronok első megfigyelésekor sem tudtuk, mi lesz a dolog következménye, de a mai világ meglehetősen nehezen képzelhető el Thomson 1897-es felfedezése nélkül. És persze ott a World Wide Web is, amire a CERN bármikor mutogathat: az internet ma használt felületét is nekik köszönhetjük.