Szinte biztos: megvan a Higgs-bozon

Magyar idő szerint szerda reggel 9 órakor a részecskefizikában történelmi jelentőségű bejelentéssel kezdődött az ICHEP 2012 fizikuskonferencia. Rolf-Dieter Heuer, a részecskefizikai kutatások európai intézete, a CERN vezetője köszöntötte az egybegyűlteket, majd átadta a szót Joe Incandelának, aki a CERN részecskegyorsítója, a Nagy Hadronütköztető (LHC) egyik legfontosabb kísérletében a CMS detektornál dolgozik, és annak eredményeit képviseli szóvivőként. A CMS fő feladata a Higgs-bozon nevű részecske keresése, amelynek létezését eddig nem tudták bizonyítani.

Incandela erősen szakmai előadásában bemutatta, hogy a Higgs-bozon több lehetséges bomlási csatornáját is vizsgálták, és az LHC lehetővé tette, hogy a korábbi részecskegyorsítókénál nagyobb energián kutassanak, szorosabbra húzva a hurkot a nehezen megfigyelhető bozon körül. Tavaly decemberben már a CERN bejelentette, hogy 115 és 127 gigaelektronvolt (GeV) között várja a Higgs-bozon tömegét, a mostani bemutatón Incadela levezette, hogy 125 GeV körül van a keresett részecske tömege. Aztán közölte, hogy a CMS kísérlet a Higgs-bozon megfigyelésében majdnem elérte az álomhatárt, a kombinált 5 szigmát – ezt hosszan tartó taps fogadta, amtől Incadela teljesen elérzékenyült.

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. Az amerikai Fermilab korábban 2,9-es szigmát tudott felmutatni, a CERN korábbi eredménye 3,2 szigma volt. A mostani bejelentés pontos szigmája 4,9, a megfigyelt részecske tömege 125,3 ± 0,6 GeV.

Incadela után ATLAS detektornál folyó kísérletek szóvivője, Fabiola Gianotti közölte az ATLAS eredményeit. Ő is mélyen belement a kísérletek laikusok számára nehezen érthető részleteibe, majd összegezte azokat. Eszerint az ATLAS megfigyelései összecsengnek a CMS kísérleti eredményeivel: a detektornál 126,5 GeV tömegű részecskét láttak kerek 5 szigmás bizonyossággal.

Az előadások végére a CERN sajtóközleményt is kiadott, amiben még nem mondják ki, hogy megtalálták a Higgs-bozont, csak azt, hogy egy új részecskét figyeltek meg, ami viselkedése alapján a régóta keresett bozonra hasonlít. A bejelentés végén azonban Rolf Dieter-Heuer egyszerűen annyit mondott: „Szerintem megtaláltuk.” Ezt követően percekig tartó, álló ovációval ünnepelték az eredmélnyhez hozzájáruló több ezer kutatót. Peter Higgset, akiről a részecskét elnevezték, külön is méltatták, a tudós azt mondta, hihetetlen, hogy még az ő életében összejött a felfedezés.

Előre kiszivárgott

Incadela már az előző napokban is feltűnt a neten. „Nagyon elfáradtam, így lehet, hogy nem tűnök annyira izgatottnak, mint amilyen valójában vagyok, de ez a felfedezés hatalmas jelentőségű” – mondta azon a videón, ami kedd este kiszivárgott a részecskefizikai kutatások európai intézete, a CERN honlapjáról.

A videón Incandela elmondta, minden adat arra utal, hogy egy új részecskét figyeltek meg. A megfigyelések minden korábbi, a Higgs-bozon felfedezésével szemben felállított kritériumnak megfelelnek: a 125 gigaelektronvolt (GeV) körüli tömegű részecske két fotonra bomlik le, ebből következik, hogy egész spinű részecskéről, vagyis bozonról van szó (a spin impulzusmomentum, az elemi részecskék egy jellemző tulajdonsága). A szakértő óvatosan fogalmazott, mert szerinte még további kísérletekre és megfigyelésekre van szükség ahhoz, hogy biztosat mondjanak a nagy jelentőségű részecskéről. „Végül ki fog derülni, hogy a tulajdonságai megfelelnek-e a standard modell által megjósolt Higgs-bozonénak, vagy némileg eltérnek attól – a lényeg, hogy a felfedezés egy újabb hatalmas lépés az univerzum legalapvetőbb építőkockáinak kutatásában” – mondta Incandena a Daily Telegraph leirata szerint.

A bejelentés legóvatosabb része ezután következett: „amikor azt mondom, hogy megfigyeltük a részecskét, akkor azt állítom, hogy egyelőre csak annyi adatunk van, ami alapján biztosan tudjuk, hogy van ott valami, ami valószínűleg nem is fog eltűnni.”

Korábban a Nature című tudományos magazinban is leközöltek egy, a szerdai sajtótájékoztató eredményeit összegző cikket, amiben szintén az állt, hogy a tavalyi, ATLAS detektorban talált eredményeknek megfelelően a CMS is azonosítani tudott egy részecskét, ami megfelel annak, ahogy a standard modell megjósolja a Higgs-bozont. (Ennek a CERN nyilván nem örült, Gianotti be is szólt a Nature-nek előadása végén.)  A mostani eredmények az amerikai Fermilabban kapott adatokkal is összhangban vannak. Az amerikai intézet hétfőn adott ki sajtóközleményt a saját eredményeiről.

A részecskefizika standard modellje egy olyan elmélet, ami a négy alapvető kölcsönhatás közül hármar – az elektromágnesességet, illetve a gyenge és az erős kölcsönhatást – egyesít. A modell szerint a világ két dologból épül fel: anyagi részecskékből, vagyis fermionokból, illetve közvetítő részecskékből, vagyis bozonokból. A standard modell 1970 környékén lett igazán népszerű, mert jól magyarázták az akkoriban felfedezett apró részecskékkel, a kvarkokkal kapcsolatos tapasztalatokat. A standard modell jóslata alapján a Higgs-bozon létezését régóta feltételezték.

De mi az a bozon, és ki az a Higgs?

A standard modell fontosságáról, a szubatomi részecskék típusairól és viselkedésükről már többször írtunk, azonban akkor még csak keresték a Higgs-bozont, illetve csak azt találták meg, hogy hol, mármint milyen energiatartományon kellene keresni azt. Most, hogy végre a tudósok szerint is megvan az először isteni, majd az elhúzódó keresés miatt egyre inkább istenverte részecskének is becézett bozon, talán sokan olyanok is érdeklődnek majd, akiknek kínai a részecskék belső impulzusmomentuma, viszont szívesen tudnának többet az univerzum keletkezéséről és működéséről.

Hogy a komolyság, amit a téma jelentősége megkövetel, megmaradjon, a Higgs-mechanizmus díjnyertesen leegyszerűsített magyarázatát fogjuk megismerni. Történt ugyanis, hogy egy William Waldegrave nevű angol férfi észrevette, milyen sokat is költ az állam valami olyasmire, amiről igazából fogalma sem volt, hogy pontosan mit is jelent. Több volt ez egyszerű kíváncsiságnál, Waldegrave történetesen a tudományokért felelős miniszter is volt egyben, így 1993-ban díjat ajánlott fel annak a tudósnak, aki a legtalálóbb és legközérthetőbb módon magyarázza el az adófizetőknek, mire is megy el sok lélegeztetőgép ára. A felhívás címe nagyjából össze is foglalta mindazt, amire az átlagember kíváncsi lehet: mi az a Higgs-bozon, és miért akarjuk megtalálni? A választ egy David J. Miller nevű fizikus adta meg, és az alig egyoldalas megoldás egy üveg pezsgőt ért.

Miller magyarázata szerint képzeljünk egy termet, tele nagyjából arányosan eloszló, egymással beszélgető konzervatív politikusokkal. Az eredeti példában most az jönne, hogy képzeljük el, mi történik, mikor Margaret Thatcher belép a terembe, de fordítsuk le ezt az egészet magyarra, és képzeljük el, hogy Orbán Viktor belép egy Fidesz-KDNP-s politikusokkal teli terembe azzal a céllal, hogy elérje a túloldalon lévő ajtót. Ahogy elhalad az emberek mellett, arra ösztönzi a közelében állókat, hogy köré gyűljenek. Aki mellett elmegy, az a miniszterelnök felé fordul, akit otthagyott, az visszatér az eredeti tevékenységéhez. A köré gyűlő csoport miatt Orbán a szokásosnál nagyobb tömeget képvisel. A példában szereplő politikusok a Higgs-mező szerepét töltötték be, vagyis egy olyan térét, ami meghatározza a benne haladó részecskék tömegét, és ami átmenetileg eltorzul a benne haladó részecske környékén. Ez a torzulás (vagyis a felgyűlő politikusok) adja meg a részecske tömegét. Ez a mező mindenhol ott van, és szükség is van rá, különben nincs semmi, ami egyben tartaná az univerzum anyagát. Kell azonban valami, ami közvetíti ezt a teret.

Ez a valami lesz a Higgs-bozon. Vegyünk most egy teremnyi átlagos politikust, és azt a helyzetet, amikor a terem egyik feléből terjedni kezd egy szaftos pletyka. Akik a kiindulási pont mellett állnak, megfordulnak, és továbbadják az információkat a közelükben állóknak, így kialakul egy emberekből álló hullám, ami aztán számtalan módon bejárhatja a szobát, elérheti a sarkokat, esetleg egy csoportba tömörülve, vonalban viheti végig az információt, a lényeg, hogy ez az összetartó erő is tömeget képvisel, és ezt az összetartó, közvetítő erőt nevezzük Higgs-bozonnak.

A mechanizmust elméletét több csoport is kidolgozta az 1960-as évek közepén, gyakorlatilag egyidejűleg, a Higgs-bozon viszont általános vélekedés szerint joggal viseli Peter Higgs fizikus nevét (óriási taps fogadta, amikor a szerdai bejelentés előtt megjelent a teremben). Érdekesség, hogy az Isten- vagy isteni részecske elnevezés nem Higgstől származik, olyannyira nem, hogy a tudós nincs oda az ötletért, hogy így nevezzék a bozont. A becenév leginkább Leon Lederman amerikai részecskefizikushoz köthető, aki eredetileg istenverte részecskének akarta nevezni egy tudományos munkájában, azonban a kiadó ehhez nem járult hozzá.

Mi lesz az LHC-vel?

A keresés természetesen nem volt egyszerű. Eleve ki kellett dolgozni azokat az eszközöket, amivel elérhetők azok a körülmények, amelyek során a szubatomi részecskék, mint például a Higgs-bozon is elemi formában jelennek meg, és léteznek egy rövid ideig. A Nagy Hadronütköztető (LHC) például egy ilyen eszköz, ahol legfeljebb hét teraelektronvolt (TeV) energiájú protonnyalábokat ütköztetnek, és az ekkor keletkezett részecskék bomlását figyelve próbálnak következtetni arra, hogy mi is született a hihetetlen energiájú összecsapásokból. Az LHC borzasztóan összetett szerkezet, a csaknem fénysebességgel száguldó protonokat körpályán tartó mágneseket például -271 Celsius-fokon kell üzemeltetni, emiatt bármilyen javítás minimum tízhetes munka. Öt hét kell a szerkezet felmelegítésére, és öt a lehűtésre – volt is már komoly leállás a 2008 szeptembere óta üzemelő egységben.

Bár az LHC leginkább a Higgs-bozon létezésének igazolására volt alkalmas, ez nem jelenti, hogy a munkának vége, a 27 kilométeres alagútrendszert pedig múzeummá alakítják. Az atomok és protonok ütköztetése még számtalan egyéb dologra is jó, ólomatommagok ütközésénél például kvark-gluon plazma is létrejöhet, ami a világegyetem ősanyaga, az ősleves, amiben nagyon rövid ideig még szabad állapotban voltak a kvarkok és glüonok. Szintén érdekes terület a sötét anyag és a sötét energia vizsgálata, illetve a szuperszimmetria is, ami – ha bizonyságot nyer – röviden annyit jelent, hogy duplájára nő a ma ismert részecsketípusok száma.

Az LHC munkamegosztása is megváltozik majd a közeljövőben. Eddig egy évben tíz hónapig protonokat ütköztettek a szakemberek, ezek eredményeit a CMS és az ATLAS detektorokkal mérték, egy hónapon át az ólomatommagoké volt a főszerep (itt kapott szerepet az ALICE nevű detektor), karácsony környékén pedig szünet volt elsősorban azért, mert az LHC hatalmas energiaigényét kiszolgáló atomerőművel így egyezett meg a CERN. Szintén előrébb léphet a fontossági sorrendben az LHC negyedik, LHCb nevű detektora, aminek elsődleges feladata az antianyag kutatása.

Azt is tudni kell, hogy a gyorsító még messze nem érte el teljesítőképességének határait, hiszen a jelenlegi kísérletek nyalábonként 4, összesen tehát 8 TeV környékén folynak, a maximum pedig nyalábonként hét, vagyis összesen 14 TeV, és a nagyobb energiájú ütközések még számtalan érdekes eredményt szülhetnek. A korábbi teljesítményrekorder az idén bezárt amerikai Tevatron volt, az ottani 1,96 TeV eltörpül az LHC lehetőségei mellett.

Van tehát mit kutatni bőven, ami annak fényében sem baj, hogy épp a közelmúltban jelentette be a CERN, hogy Magyarországra telepíti az LHC-kísérletek során kinyert adatok elsődleges elosztásáért felelős adatközpontot, illetve júniusban adták át a KFKI új laborját, ami a részecskegyorsító CMS nevű detektor adataihoz ad közvetlen hozzáférést. Magyarország is a CERN tagja, az LHC minden fontosabb kísérletében dolgoznak magyarok – nyugodtan mondhatjuk tehát, hogy a Higgs-bozon felfedezéséhez mi is hozzájárultunk.