Részecskéket és nem-részecskéket várnak a világ legnagyobb energiájú részecskegyorsítójától

Minden korábbitól alapjaiban eltérő merész feltevésekkel élt az anyag felépítését illetően Howard Georgi, a Harvard Egyetem kutatója a Physical Review Letters c. szakfolyóiratban közölt tanulmányában. A Világegyetem szerinte tele lehet egy olyan dologgal, amely nem részecskékből áll. A rendkívüliséget szóhasználata is mutatja, a feltételezett valamire nem a szokásos anyag szót használja, hanem a sokkal általánosabb dolog kifejezést. E valami alkotóelemeinek az "unparticle", azaz nem-részecske nevet adta.

Georgi számításai szerint a feltételezett nem-részecskéket a szokásos anyag szinte nem is érzékeli, azok szemünk és műszereink számára érzékelhetetlenek és kimutathatatlanok. Nagyobb energiákon viszont már megfigyelhetők, így például a CERN épülő nagy hadron-ütköztetőjében (LHC) is, ahol érzékelhetővé válhat a kutató által "dolognak" (stuff) nevezett valaminek az anyagra (matter) gyakorolt hatása. A hatás mindenképpen kicsi lesz, hiszen nagyobb hatást már eddig is érzékelhettünk volna. Georgi szerint az anyag és a dolog közti kapcsolat az energia növelésével egyre erősebbé válik. A szokásos részecskék úgy lépnek kölcsönhatásba Georgi nem-részecskéivel, mintha a hagyományos anyag nem egészszámú, tömeg nélküli részecskékkel lépne kapcsolatba. (Ilyen tömeg nélküli nem egészszámú részecske lehet például öt és fél foton.) Azonban William Unruh kanadai fizikus attól tart, hogy ezek a nem-részecskék az esetek többségében úgy viselkednek majd, mint a részecskék - tehát nem lehet elkülöníteni őket.

Korábban már bemutattunk egy másik merész elgondolást, és remélik, hogy ennek a realitását is az LHC részecskegyorsítóban lehet majd ellenőrizni. "Csináljunk fekete lyukakat" - javasolta a témakör két világhírű szakértője, Bernard J. Carr (Queen Mary College, Londoni Egyetem) és Steven B. Giddings (Kaliforniai Egyetem, Santa Barbara). Természetesen nem nagy, csillagokat elnyelő fekete lyukakra gondoltak, hanem parányiakra, amelyek a nagy hadron-ütköztetőben születhetnek. Ám csak akkor keletkeznek a gyorsítóban fekete lyukak, ha a térnek nem három, hanem több dimenziója van. Ennek lehetőségére viszont egyelőre nincs bizonyíték, azonban ha az LHC detektorai fekete lyuk megjelenését észlelik, akkor joggal gondolhatjuk, hogy sokdimenziós a tér. A szerzők alapos elemzése végül azzal a megnyugtató következtetéssel zárul, hogy nem kell tartanunk a megjelenő parányi fekete lyukaktól, hiszen azok nem kezdik el magukba olvasztani környezetük anyagát, hanem azonnal elpárolognak, és rengeteg részecskét szétsugározva megszűnnek létezni. Megfigyelésük, születésük és haláluk egy új fizika kezdetét jelenti.

Nagy ütköztető - nagy remények

A genfi CERN Részecskefizikai Kutatóközpontban jövőre már a fizikusok rendelkezésére áll a világ legnagyobb energiájú részecskegyorsítója, a nagy hadron-ütköztető (Large Hadron Collider - LHC). A hatalmas, bonyolult gyorsító- és a részecskedetektorok építése széleskörű nemzetközi összefogással, nagy erők bevetésével még javában folyik, de a kutatóközpont folyóirata, a CERN Courier legfrissebb számában közölt írások címei már a befejezés közeledtét mutatják (Leeresztették az utolsó dipól mágnest, A CMS detektornál az utolsó kristályok megérkezését ünneplik, A belső nyomkövető rendszer megérkezett az ALICE detektor szívébe, Megérkezett a VELO utolsó modulja az LHCb kísérlethez stb.).

Az új részecskegyorsítóhoz tervezett mérésekkel két alapvető kérdésre szeretnének választ kapni a kutatók. Olyan részecskéket keresnek, amelyek létezése átfogó elméletekből következik, de eddig nem találtak rájuk. A kézenfekvő magyarázat szerint a keresett részecskék tömege olyan nagy, hogy eddigi berendezéseinkkel nem lehetett előállítani őket. A másik lehetőség, hogy nem is léteznek, vagy nem olyanok, mint eddig feltételezték.

Ma a "standard modell" névre keresztelt elmélet a modern részecskefizika átfogó elmélete, amely a kísérleti észlelésekkel összhangban írja le az anyagot felépítő elemi részecskék világát, és a tapasztalattal megegyező értékeket ad a részecskék tulajdonságaira, valamint a részecskék közt zajló folyamatok és a részecske-átalakulások jellemzőire. Az anyag ma ismert összetevőinek leírásához a modell hármat használ fel a négy alapvető kölcsönhatásból (gyenge, erős és elektromágneses kölcsönhatás), a gravitációval nem számol. Egyetlen, de alapvető hiányossága van: nem ad számot a részecskék tömegéről. Miért van egyáltalán tömege a részecskéknek, miért pont akkora a tömegük, amekkora? Peter Higgs angol fizikus már évtizedekkel ezelőtt kidolgozta az elmélet hiányzó részét, az általa feltételezett mechanizmus döntő bizonyítéka viszont mindmáig hiányzik: ez lenne a Higgs-részecske. Évtizedek óta keresik már siker, vagy akár csak egyértelmű eredmény nélkül, ezért is szokták a Higgs-részecskét a részecskefizika Szent Gráljának nevezni. Az LHC megépítésének éppen a Higgs-részecskék keresése volt a döntő indítéka.

Szuperszimmetria-elmélet

A modern fizika egyik átfogó elmélete a szuperszimmetria-elmélet, elterjedt angol rövidítésével SUSY (supersymmetry). A SUSY nagyon sokat ígér, például a fizikai kölcsönhatások egységes elméletét és az Ősrobbanás után formálódó világ első történéseinek a leírását. A SUSY nemcsak ígéretes, hanem megközelíthetetlen is. Az elmélet állításainak kísérleti ellenőrzésére mindeddig nem volt lehetőség, hiszen az ellenőrizendő folyamatok olyan energiatartományokban zajlanak, amelyek jóval meghaladják az eddigi legnagyobb részecskegyorsítók lehetőségeit.

Az egységes, átfogó elmélet működéséhez nem elégségesek a mai részecskék, pedig igazán jó néhány elemi részecskét ismerünk már. Így a SUSY egyszerűen megduplázza a ma ismert részecskéket, minden részecske mellé társítva egy szuperszimmetrikus partnert. A részecskék és szuperszimmetrikus párjuk egyetlen kvantumfizikai jellemzőjükben, a spinben különböznek. A szuperszimmetrikus részecskék egy része a szokásos neve elé egy s betűt kapott, így lett az elektron párja a selektron, a kvarké pedig skvark. Mások, mint a Higgs-részecske, -ino végződést kaptak, így született a foton partnere, a fotino, a gluon mellé a gluino és így tovább. Ha igaz a szuperszimmetria, akkor mindeddig csak a részecskék felét ismertük meg, a másik fél még felfedezésre vár. Nyilvánvaló, hogy ha a tömegük és a töltésük azonos lenne jól ismert párjukéval, akkor már régen megtalálták volna őket. De mindeddig egyet sem észleltek, ezért a szuperszimmetria nem érvényesül a teljességében, valami miatt ugyanis a "srészecskék" nagyon eltérnek a részecskéktől. A szuperszimmetria elmélete nem adja meg pontosan a skvarkok és sleptonok tömegét. Így nem kell elvetni az elméletet pusztán azért, mert még nem találtak srészecskéket. A remények szerint a nagy hadron-ütköztető segítségével a szuper-szimmetria elméletét is sikerül bizonyítani.

Jéki László