Célegyenesben a Higgs felfedezése

Új részecskét fedeztek fel a Nagy Hadronütköztetőben, már csak igazolni kell, hogy valóban a Higgs-bozonról van szó. A kísérletekben részt vevő magyar kutatók szerint év végére kiderül, hogy mi is az új részecske.

Szerda reggel, az ICHEP (International Conference on High Energy Physics) megnyitásaként a CERN közétette a Higgs-kutatás legújabb eredményeit. A CMS- és ATLAS-kísérletek mostanra összegyűjtött adatai alapján a kutatók bejelentették: új, eddig soha nem észlelt részecskét fedeztek fel a Nagy Hadronütköztetőben. A részecske jó eséllyel azonosítható a Higgs-részecskével, ez azonban további adatgyűjtést igényel.

Révbe ért a hajsza?

Az isteni részecske létezését közel fél évszázada jósolták meg a fizikusok - a Higgs léte megmagyarázza, miért van az elemi részecskéknek tömege. A részecskefizika úgynevezett Standard Modelljének utolsó, hiányzó darabját, a Higgs-bozont azonban mind a mai napig nem sikerült kísérletileg kimutatni.

Az LHC (Large Hadron Collider, Nagy Hadronütköztető) nagyenergiás részecskeütközéseiben három éve kutatják a fizikusok az isteni részecske nyomait. Az egymást jól kiegészítő, egyenként több tízezer kutatót - köztük magyarokat is - foglalkoztató ATLAS és CMS kísérleteket elsősorban ezzel a céllal indították el. Az LHC-detektorok adatai már tavaly Higgs-részecskék keletkezését sejtették, és ezt jelezték az amerikai Fermilab által működtetett Tevatron részecskegyorsító eredményei is, azonban a statisztika még nem mutatott biztosat. Az ATLAS és CMS kísérletek által szolgáltatott adatmennyiség mostanra elérte a biztos bejelentéshez szükséges szintet.

Részecskeütközés a Nagy Hadronütköztetőben

A bűvös öt szigma

A tünékeny Higgs-bozon nem érzékelhető közvetlenül. Az LHC másodpercenkénti hatszázmillió proton-proton ütközésében igen ritkán keletkezhet Higgs. Az isteni részecske ezután tovább bomolhat ismert részecskékre, ezek figyelhetők meg a detektorokban, amelyeket azonban ki kell válogatni az egyéb proton-proton reakciókban keletkező részecskék tengeréből. A legkönnyebben megfigyelhető bomlásokban a Higgs két fotonra vagy két leptonra bomlik. Az isteni részecske utáni hajsza majd 3 évében körülbelül 6000 Higgs-bozon keletkezhetett, s ez olyan többletet produkált a detektorokba csapadó mindenféle részecskék hátterében, amely már a Higgs létezésének biztos jeleként értékelhető.

A fizikusok mindaddig nem beszélnek felfedezésről, ameddig a statisztika el nem éri az úgynevezett 5 szigmás határt. Ez az érték azt jelenti, hogy mindössze 0.00006% annak a valószínűsége, hogy a detektorok jelei alapján felállított hipotézis - azaz, hogy új részecskét találtak - téves.  "Olyan ez, mint mikor állsz a buszmegállóban és várod buszt. A busz pedig nem jön: vársz húsz percet - azt gondolod, biztos késik; vársz még húsz percet - biztos baleset volt, és így tovább. A kérdés, hogy meddig kell ott várnod, amíg biztosan mondhatod, hogy a busz már nem áll meg ott, másfele jár"- érzékelteti a szigmák problémáit Lévai Péter, az MTA Wigner Fizikai Kutatóközponfőigazgatója. A CMS kísérletekben részt vevő magyar szakemberek szerdán a kutatóintézetből követték figyelemmel a bejelentéseket.

Peter Higgs angol fizikus a róla elnevezett részecskével kapcsolatos bejelentésen

Az eredmények szerint a CMS detektor jelszintje 4,9 szigma, az ATLAS-é pedig elérte az 5 szigmát - a felfedezés tehát biztosra vehető: az új részecske létezését a két független mérés gyakorlatilag 100 százalékos biztonsággal megerősítette, ráadásul ugyanazzal a 126 GeV-es tömegértékkel. "A Higgs-el azonosítható gerjesztés tehát tényleg ott van" - foglalja össze az eredményt Lévai Péter.

Biztos, hogy a Higgs?

Kérdés azonban, hogy valóban a Higgs-bozont találták-e meg. Vagyis, hogy az új részecske tényleg rendelkezik-e mindazokkal a tulajdonságokkal, amelyeket a Standard Modell jósol a Higgsnek; esetleg más modellek írják-e le helyesen a részecske tulajdonságait; vagy létezik-e netalán több fajta Higgs-részecske is. Ennek megválaszolásához további adatokat kell gyűjteni, hogyan keletkezik és bomlik az új részecske különböző részecskefizikai folyamatokban.

"Valószínűleg az év végére sikerül kideríteni, hogy valóban a Higgs-bozont fedeztük-e fel, addig még kétszer ennyi adatot fogunk összegyűjteni" - mondta Horváth Dezső Széchenyi-díjas fizikus, MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont Részecske- és Magfizikai Intézetének (RMI) tudományos osztályvezetője az MTI-nek.

Magyarország a CMS (kompakt müon szolenoid) hivatalos résztvevője. A projektben az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont Részecske- és Magfizikai Intézetének, az MTA debreceni Atommagkutató Intézetének, a Debreceni Egyetem kísérleti fizikai tanszékének és az ELTE atomfizikai tanszékének kutatói vesznek részt. A CMS-csoportban mindkét egyetemről vannak diákok is.

"Mi is, mint a többi részt vevő intézmény, felelősek vagyunk bizonyos detektorelemek működtetéséért és ezen kívül elemezzük az adatokat is" - jegyezte meg Horváth Dezső, hozzátéve, hogy az ATLAS-kísérletben is vannak magyarok, de hivatalos magyar csoport nem működik.

A CMS detektor

"A CERN-ben videokonferencia segítségével tartották szerdán a melbourne-i részecskefizikai világkonferencia, az ICHEP (International Conference on High Energy Physics) bevezető előadását oly módon, hogy a két nagy kísérlet, a CMS és az ATLAS ismertette, mire jutottak a Higgs-bozon keresésében a tavalyi és az idei eredmények elemzése során" - mondta Horváth.
 
Mint kifejtette, a Higgs-mechanizmus úgy egészíti ki a Standard Modellt, hogy megteremti a tömegeket. Nélküle az elemi részecskéknek nincs tömegük, az elmélet matematikai struktúrája ezt egyszerűen nem teszi lehetővé. A Higgs-mechanizmus, biztosítva a tömegek keletkezésének lehetőségét, megteremti azt a nagyon furcsa részecskét is, amelyet Peter Higgs angol fizikus jósolt meg.

"A Higgs-bozonnak gyakorlatilag nincsenek tulajdonságai, minden tulajdonsága zérus a tömegén kívül, ezért skalár részecskének hívjuk. Sokáig senki sem volt hajlandó elhinni, hogy ilyen részecske létezhet, de ahogy pontosodtak a kísérletek és a számítások, egyre inkább úgy tűnt, hogy ez a részecske megkerülhetetlen, valahol ott kell lennie. A Nagy Hadronütköztető CMS- és ATLAS-kísérletében - amelyek fő célja a Higgs-bozon megkeresése - sikerült kimutatni egy olyan részecskét, amely tényleg olyan, mint a Higgs-bozon. Az más kérdés, hogy tényleg az-e. Még be kell bizonyítanunk, hogy pontosan az, amit az elmélet megjósol, de mindenesetre egyetlen tulajdonsága sem mond neki ellent, és tényleg, ilyen részecskét idáig még nem láttunk" - magyarázta a Széchenyi-díjas fizikus.

Tájékoztatása szerint az ütköztetések során évente néhány millió gigabájtnyi adat keletkezett, amelyek elemzését párhuzamosan száznál több - egymással versengő - kutatócsoport végezte.

"A hasonló témán dolgozó kutatócsoportok általában ugyanarra az eredményre jutnak, de az győz, amelyik a legkisebb bizonytalansággal hozza ki az értéket. Akkor mertük kijelenteni, hogy látjuk, amikor kiderült, hogy a tavalyi és idei adatokban és valamennyi lehetséges bomlási csatornában ugyanannál a feltételezett tömegnél észleltük az új részecskét. A két kísérlet két különböző energián, több bomlási csatornában folyik; utóbbi azt jelenti, hogy milyen más részecskére bomlik az adott részecske. Mindkettő pontosan ugyanott, ugyanolyan eseményeket észlelt. Ezért kellett egyszerre megtartani a két előadást, ennek alapján tényleg elmondhatjuk, hogy látjuk a részecskét, amely valóban olyan, mint a Higgs-bozon" - összegezte Horváth Dezső.

Jön az új fizika

Akár illeszkedik az új részecske a Standard Modellbe, akár nem, a történet még messze van a végétől. A standard modell ugyanis csak az általunk látható anyagot és kölcsönhatásait írja le. Az Univerzum 96%-át azonban olyan anyag alkotja, amely csak gravitációs hatása alapján észlelhető, s kívül esik a Standard Modell hatáskörén. Az LHC további feladata ennek az új fizikának a feltárása lesz. "Csak most kezdődik a sztori. Az önbizalmunk mindezen eredmények után helyre van téve, most neki lehet vágni a következő 15 évnek" - mondta végül Lévai.