Így lett meg a Higgs-bozon-szerű bozon

Senkinek nem kell kétségbeesnie, ha annak ellenére sem érti teljesen ezt a Higgs-izét, hogy az elmúlt hetekben többször is nekifutottunk az elmagyarázásának – a héten lezajlott előadás iránti érdeklődésből, illetve az ott elhangzó kérdésekből ítélve a fizikustársadalom tagjai között is akadnak olyanok, akik számára szintén nem teljesen kerek, miről is van szó. Annyit azonban mindannyian tudunk, hogy egy sok milliárd euróból épült gép megtalálta azt, amit néhány tudós már 40-50 éve megjósolt, és ez a valami ráadásul olyan fontos elmélet alapköve, mint a részecskefizika standard modellje, vagyis az a szabályrendszer, ami sikerrel írja le, hogy is működik a körülöttünk létező világ.

Egy nagyon nagy fényképezőgép

A CERN, azaz az Európai Nukleáris Kutató Szervezet egy olyan, pillanatnyilag 21 tagországból összálló kutatócsoport, aminek mostanában az az elsődleges dolga, hogy a hatalmas, Nagy Hadronütköztető (LHC) nevű részecskegyorsítóban végzett kísérletek segítségével bizonyítsa a standard modell téziseit, kutassa az univerzum keletkezésekor szabadon létező elemi részecskéket, illetve ha jut rá ideje, megfigyelje a szuperszimmetriára, és egyéb speciális, egyelőre csak elméletben létező jelenségre utaló jeleket. A kutatás emberi erőforrása nem csekély, a munkálatokban 440 diák mellett 10 500 kutató és 2800 alkalmazott vesz részt. „Az utóbbiak között fontos különbség van: az alkalmazottak a CERN dolgozói, a kutatók pedig olyan szakemberek, akiket odaengednek a gépekhez” – fogalmaz Horváth.

A Svájc és Franciaország határán megépített LHC-ben végzett munka alapja, hogy majdnem fénysebességgel száguldó protonokat ütköztetnek egymáshoz (néha ólomionokat is, illetve a közeljövőben azt is kipróbálják, mi van akkor, ha protonok ütköznek ólomionokkal), és rettenetesen összetett szerkezetekkel figyelik, hogy mi történik az ütközések után. A karambolokat négy hatalmas detektor figyeli: az ATLAS, az LHCb, a CMS és az ALICE – a két utóbbiban vesz részt nagyobb számú magyar tudós, és a CMS volt az, aminek a kutatócsoportja a július negyedikei bejelentés aktív résztvevője is volt.

„A CMS tulajdonképpen nem más, mint egy 14 ezer tonnás digitális fényképezőgép” – egyszerűsíti le Horváth, mikor a legfurcsább elektronikai márkajelzéseket is kenterbe verő Kompakt Müon Szolenoidról kezd el beszélni. A hatalmas detektor, ami kétszer annyi vasból épül fel, mint az Eiffel-torony, sok érzékelőrétegből áll össze, ezek mindegyike valami mást rögzít, van például egy olyan  nyomkövető rendszer, ami kirajzolja a mágneses térben görbülő részecskék nyomait. A legérdekesebb részlet talán ezzel a réteggel kapcsolatban az, hogy a lelkét adó ólomwolframát egykristályok, vagyis azok az átlátszó, üvegszerű lapok, amik felfogják a szétszáguldó elektronokat, csak azért készültek el időre, mert az LHC az első indítása után nem sokkal rögtön le is robbant.

Ez az egyéves kényszerpihenő adott elég időt az orosz beszállítónak, aki a korábban vállaltnál háromszor lassabban tudta csak növeszteni a speciális kristályokat. Az ügyben a CERN akkori igazgatója még Vlagyimir Putyinnal is tárgyalt, de hogy ennek végül volt-e szerepe a sikeres szállításban, azt nem tudni.

P.H. Bizottság

Az LHC digitális gépének teljesítménye sem semmi: másodpercenként húszmillió felvételt képes készíteni, azonban ennek csak egy kis részét, egészen pontosan másodpercenként 400 darabot rögzítenek. Hogy mi dönti el, melyik négyszáz, az az LHC működésének legváratlanabb fordulata.

Annak eldöntésére, hogy a sok-sok esemény közül melyik lesz az, ami végül bekerül a kutathatókat tartalmazó kalapba, egy bizottság hivatott. Erre a bürokratikusnak tűnő megoldásra nagy szükség van, ugyanis az LHC nem egy bizonyos dolgot kutat, számtalan különböző csoport várja az ütközések eredményeit, és természetes, hogy még az ugyanazon a detektoron dolgozó csapatoknak sem feltétlenül ugyanazokra az eseményekre, eredményekre lesz szükségük. Kritériumokat kell tehát meghatározni, nagyjából ezer darabot, és nagy a vita a tudósok között, hogy milyen szempontokat kell előtérbe tolni, és melyik területeket kell háttérbe szorítani.

A feltételek technikai megnevezése, a trigger a fegyverek ravaszának angol nevéből származó kifejezés; a lényege, hogy ha egy feltétel teljesül, az adott felvétel bekerül a négyszázas válogatottba. Az ezer trigger 2012-ben elsősorban a Higgs-bozon keresésének kedvezett, 32 százalékban ugyanis ennek megfelelő kritérium lett meghatározva, 29 százalék jutott a standard modell fizikáját kutatóknak, 23 százalékban a SUSY, vagyis a szuperszimmetria vizsgálóinak szava számított, a maradékot pedig az olyan egzotikus dolgokra lőtték el, mint az ütközésekkor keletkező kis méretű fekete lyukak.

Nincs azonban vége a bizottságosdinak és a vitáknak akkor sem, ha előáll a kritériumok alapján kialakult adathalmaz. Ahhoz ugyanis senki nem nyúl, amíg az adott detektort működtető, illetve az azon dolgozó emberekből összeálló együttműködés teljes egyetértésben meg nem szavazza az analízis módszereit. Egy-egy ilyen analízisleírás nagyjából száz oldalra rúg, a szakértők munkacsoportonként zárt internetes fórumokon vitatkoznak a különböző jelöltekről. A nyertes válogatási szempontrendszert először egy szimulációban tesztelik, ha ez rendben lemegy, a második lépésben már az éles adatok korábban kizárt részein is végigfut a vizsgálat. Erre azért van szükség, mert ahhoz, hogy a vizsgálat ne legyen torz, először ki kell zárni azt a részt, ami majd a jelet, vagyis a keresett adatokat adja, ehhez pedig meg kell határozni a háttérnek nevezett adathalmazt (ebből tűnik majd elő a jel). A július negyedikén bejelentett találatot már egy nagyon leszűkített sávban várták a kutatók, ezt a 114 és 127 GeV közé eső részt (a feltételezések szerint ugyanis ide kellett esnie a Higgs-bozon tömegének, ami végül 125,6 GeV lett) június 22-én, este 10 órakor érhették el a szakemberek.

Érdekesség, hogy az eredményeket közlő cikk nagy vonalakban már a szimuláció alapján elkészül, de csak akkor lesz hivatalos, ha a gyakorlati eredmények is igazolják az abban foglaltakat, és ha a kollaboráció vezetősége engedélyezi – ez általában a publikációs bizottság javaslata alapján történik. A publikációk szerzőit nehéz meghatározni, általában több ezer ember szerepel a névjegyzékben, így fordulhat elő, hogy névsor sokszor hosszabb, mint az eredményeket összefoglaló oldalak: hat oldal szövegre 13 oldalnyi szerző jut.

„Kívülállóként talán nehéz ezt megérteni, de tudni kell, hogy a mostani eredményeken 25 éve dolgozunk” – mutat rá Horváth, aki szerint bár tényleg vicces kicsit az arány, igazságtalannak tartaná, ha valaki csak azért nem kerülne rá név szerint egy munkára, mert azon az elemzésen éppen nem dolgozott. Viszont ez egyben az önálló munka arányának felismerhetőségét is megnehezíti. „Nagy gond lenne, ha egy, a kísérletekben jeleskedő embernek kellene odaítélni a Nobel-díjat, hiszen még az egyes detektorok vezetői is rendszeresen cserélődnek” – mondja a szakember, aki szerint nagy meglepetés lenne, ha nem Peter Higgs, a róla elnevezett részecske első leírója kapná a témakörben kiosztott Nobelt.

„A spontán szimmetriasértés leírásában vettek részt többen is, de azért a japán Nambu Joicsiro 2008-ban már elnyerte a Svéd Királyi Akadémia jutalmát” – mondja. Nambu egyébként sokak szerint az egyetlen olyan díjazott, aki olyasvalamiért kapott Nobelt, ami végül nem igazolódott – ez nem jelenti, hogy tévedett, egyszerűen csak a természet nem az általa elvárt módon működött, az viszont kétségtelen, hogy a japán tudós munkássága a fizikát nagyban előremozdította, ez a munka lett ugyanis később a standard modell alapja. Annyira, hogy a végül Higgs-mechanizmusként ismertté vált jelenséget többen is leírták nagyjából egyszerre, így az igazán igazságos az lenne, ha mostantól Anderson–Englert–Brout–Higgs–Guralnik–Hagen–Kibble-mechanizmusként hivatkozna rá mindenki.

Megfontolt szavak

A nagy egyetértés azonban nemcsak a kutatás hogyanját és mikéntjét érinti, az eredmények közlése is csak akkor lehetséges, ha előtte az együttműködés minden résztvevője megegyezésre jutott. A CMS-en dolgozó 41 ország 179 intézményének 3275 fizikusa vétójoggal rendelkezik, és ez a július 4-i bejelentés előtt is furcsa, már-már mókás jeleneteknek adott alapot. A bejelentés előtti este ugyanis volt egy olyan próbabejelentés is, ahol a szóvivő minden mondatát szétcincálták a videokonferenciában résztvevő tudósok. „Az már korábban eldőlt, hogy a discovery, vagyis a felfedezés szót a szóvivő nem ejtheti ki a száján, ehelyett az observationt, vagyis a megfigyelést engedélyeztük” – avat be a részletekbe Horváth, de mint mondja, a négyórás webes konferencián résztvevő 350 fizikus a teljes szöveget, illetve a bemutató minden egyes diáját újragyúrta.

„A fizikus egy agresszív fajta, ha egymás közt vagyunk, nagyon komoly viták keletkeznek” – mondja nevetve Horváth, de rögtön hozzáteszi: ez nem baj, sőt a fizikusokat erre nevelik. „Az alap, hogy megkérdőjelezzünk minden eredményt.” A most közölt eredmények például ezért is meglehetősen biztosak: a két, a Higgs-bozonra egymástól függetlenül vadászó csapat, a CMS és az ATLAS detektorok legénysége ugyanis most nem a másik csoport eredményeit ellenőrizte, hanem szinte ugyanakkor és önállóan jutottak ugyanarra az eredményre. Ez azonban nem jelenti, hogy a jövő egyértelmű lenne.

„Egyelőre csak az biztos, hogy bozont találtunk, amely lehet a Higgs, de hogy ez valóban a Higgs, vagy valami más, illetve hogy mi minden következik a most kapott adatokból, az a jövő vizsgálatainak tárgya” – mondja Horváth, aki szerint azt már tudják, hogy az új részecske spinje (a spin az elemi részecskék egy jellemző tulajdonsága) 0 vagy 2 – annak eldöntésére, hogy melyik is, vannak már módszerek, bár az alkalmazásukhoz még sok adatot kell gyűjteni. Ha nulla, akkor nagy valószínűséggel a Higgs-bozon van meg. A vizsgálatok során azonban kiderülhet, hogy a szuperszimmetriára találtak bizonyítékot, sőt ha esetleg egy kettes spinű részecske került a fizikusok hálójába, akkor akár a teljes rendszer újragondolása is napirendre kerülhet – erre azonban nagyon kevés az esély. Horváth szerint ha valami nudli alakú, és az íze is nudli, akkor az a legegyszerűbb, ha nudlinak is hívjuk, és nem keressük a bonyodalmakat.