Fogy az isteni részecske helye a gyorsítóháborúban

A "isteni részecskének" is nevezett Higgs-bozont már évtizedek óta keresik a fizikusok. Az egyik alapvető kérdés az, hogy mekkora a Higgs-részecske tömege. A napokban a chicagói Fermi Nemzeti Laboratórium kutatói azt valószínűsítették, hogy az eddig gondoltnál kisebb, ezért valószínű, hogy csak a CERN nagy hadronütköztetőjével fogják megtalálni, de ott sem gyorsan.

A Tevatron CDF-detektora, amely protonok és antiprotonok üzközéseinek nyomaiban keresi a Higgs-részcskét

A Standard Modell (SM) jól leírja a részecskefizika kísérleti tényeit, de nem ad magyarázatot arra, hogy miért van egyáltalán tömege a részecskéknek, és ha van - márpedig van -, akkor miért pont akkora. A probléma megoldására Peter Higgs angol fizikus dolgozott ki néhány évtizede egy elméletet, ennek főszereplője a Higgs-bozon. (Lehet, hogy nem is egyféle van belőle, de ez lényegen most nem változtat.) Higgs elmélete logikus, megoldja a problémákat, de az elmélet alapját képező közvetítő részecskét mindeddig nem sikerült megtalálni. A keresett részecskét ezért gyakran a fizikusok Szent Gráljának nevezik.

Gyorsítóháború

Az idők során egyre nagyobb részecskegyorsítók épültek a világban, és minden új gyorsítónál abban reménykedtek, hogy most már tényleg rábukkannak a Higgs-bozon nyomára. Legutóbb 2000-ben, a genfi CERN nagy elektron-pozitron ütköztetőjének (LEP) leállítását szerették volna elhalasztatni a fizikusok, mert több kísérletben is felfedezni vélték a Higgs-részecskét. A bizonyítékok azonban nem voltak meggyőzőek, a gyorsítót lebontották, hogy alagútjában megépíthessék az újabb óriásgyorsítót, a nagy hadronütköztetőt (LHC). Az LHC megépítésének egyik fő célja és indoka éppen a Higgs-bozon keresése volt.

A Fermilab gyorsítórendszerének felszíni vetülete (pirossal). A főgyűrűben közel fénysebességre gyorsulnak a protonok és az antiprotonok, másodpercenként körülbelül 10 millió ütközéssel. Az LHC őszi indulásáig ez a világ legnagyobb teljesítményű részecskegyorsítója (forrás: Fermilab)

Az LHC-nál ősszel kezdődnek meg a fizikai kísérletek, addig a chicagói Fermi Nemzeti Laboratórium (Fermilab) Tevatron gyorsítója a csúcstartó. Érthető módon jelentős presztízsharc is folyik a két kutatóközpont között. A Higgs-bozon felfedezői bizton számíthatnak Nobel-díjra, az ő nevük kerül be a fizikatörténetbe, a másodiknak a kísérletek megismétlésével "csak" az első mérés igazolása, az adatok pontosítása marad.

Fogy a Higgs helye

A LEP-nél végzett mérések határozták meg a Higgs-bozon lehetséges legkisebb tömegét, ez 114 gigaelektronvoltnak (GeV) adódott. (A proton tömege körülbelül 1 GeV). A felső határt csak közvetett módon tudták megbecsülni, a top kvark és az elektrogyenge kölcsönhatást közvetítő W-bozon tömegéből. A becsült felső határ 185 GeV-nek adódott.

A friss chicagói eredmények lényege, hogy 160 és 170 GeV között nem találták a Higgs-bozon nyomát. Két eset lehetséges: a tömeg nagyobb 185 GeV-nél, ez esetben a chicagóiaknak nincs reményük, ilyen nehéz részecskét csak az LHC-ban lehet majd létrehozni. A másik lehetőség a kisebb tömeg, a chicagóiak érthető módon most erre gondolnak. Kisebb tömegnél, kisebb energiájú folyamatoknál azonban jelentősen nehezebbé válnak a kísérleti vizsgálatok, lényegesen több zavaró, a Higgs-keresése szempontjából érdektelen folyamat megy végbe. Ha a Tevatron 2011-ig folyamatosan működne, amire az amerikai éves költségvetések mellett nincs biztosíték, akkor is csak 30% esélyt látnak arra, hogy egy kisebb tömegű Higgs-bozon egyértelmű nyomára bukkanjanak.

A Higgs-részecske keresése, 2009. márciusi állapot. A CERN-ben végzett LEP-kísérletek 95% megbízhatósággal kizárták a 114 GeV-nél könnyebb Higgs-részecske létezését (bal oldali zöld szakasz). A Tevatronnál végzett friss mérések szerint nagyon valószínűtlen a 160-170 GeV-es tömeg (narancs). Közvetett mérések, bizonyítékok alapján nagy valószínűséggel kizárható, hogy a Higgs tömege 185 GeV-nél nagyobb legyen (jobb oldali zöld). A Fermi laboratórium kutatói most a 114-160 GeV-es tartományban remélik a Higgs-részecskét megtalálni (forrás: Fermilab)

Az LHC javítása, üzemeltetésre előkészítése közben menetrendszerűen folytatódik, többek között abban a reményben, hogy nekik jut majd a részecske felfedezésének dicsősége.

Esetleg nem is létezik

Az sem zárható ki azonban, hogy a Higgs-mechanizmus nem igaz, és valahol másutt, másban kell megoldást keresni a részecskék tömegére. A várható eseményeket illetően a legnagyobb fizikusok véleménye is megoszlik. Három fizikai Nobel-díjas véleményét idézzük.

Gerardus ´Hooft 1999-ben kapta meg a díjat az elektrogyenge kölcsönhatás kvantumszerkezetének leírásáért. Ő mindenekelőtt a Higgs-részecske felfedezését várja. Abban reménykedik, hogy a (sokféle?) Higgs-részecske mellett egy sor olyan részecskét is észlelnek, amelyekre ma senki sem számít.

Carlo Rubbia (1984, W és Z bozonok felfedezője a CERN-ben) úgy véli, hogy a Természet okosabb a fizikusoknál, és meglepetések várnak ránk.

Martinus Veltman szerint (1999, elektrogyenge kölcsönhatás kvantumszerkezete) unalmas lesz, ha csak a Higgs-részecske kerül elő, ő váratlan felfedezésekben bízik. Reméli, hogy nem igazolódik be a Standard Modell, mert akkor új fizika kezdődhet.

Peter Higgs angol fizikus a CERN-ben - feladta a leckét

A Higgs-mechanizmus

A Higgs-mechanizmus, a Higgs-térrel való kölcsönhatás ad tömeget a kvarkoknak, leptonoknak és a kölcsönhatásokat közvetítő bozonoknak. Ha nem létezne ez a mechanizmus, akkor minden részecske állandóan fénysebességgel száguldana, nem jöttek volna létre a csillagok, az égitestek, természetesen élet sem lenne. A Higgs-mechanizmus közvetlenül az Ősrobbanás után jelenhetett meg. Képletesen olyan a hatása, mintha a testek súrlódnának a téridőben, vagy ahogy a víz akadályozza járásunkat egy tóban. Az elektromágneses és a gyenge kölcsönhatás egységes elmélete megalkotásához a Higgs-mechanizmust is bevonták. Így derült ki, hogy az elektrogyenge kölcsönhatás közvetítő részecskéi, a W- és Z-bozonok nagy tömegűek, a protonénál 81-szer, illetve 92-szer nagyobb a tömegük. A CERN-ben végzett kísérletek pontosan igazolták a számításokat. A Higgs-mechanizmus magyarázatot adott arra is, miért 0 a tömege a fotonnak, az elektromágneses kölcsönhatás közvetítőjének, így vált érthetővé, hogy nagyobb tömegű közvetítő részecskéi miatt gyengébb a gyenge kölcsönhatás az elektromágnesesnél. A Higgs-mechanizmus igazolásához már "csak" a közvetítő részecskéit kellene megtalálni.

Szimulált adatok alapján készült modell a Higgs-bozon egy lehetséges elbomlásáról