Megérkeztünk a sötét Univerzum kapujához

A Higgs-részecske felfedezése önmagában is fantasztikus teljesítmény, de még izgalmasabb, hogy ezzel egy új fizika, egy eddig ismeretlen világ bejáratához érkeztünk, amelyet a sötét anyag és a sötét energia ural.

A web nem az ősrobbanásban keletkezett - mondta Rolf-Dieter Heuer, a CERN főigazgatója azoknak a 25 év alatti diákoknak, akik a Magyar Tudományos Akadémia zsúfolásig megtelt nagytermének hallgatóságában foglaltak helyet szerdán. A szurkálódás arra utalt, hogy ők már nem látták a világot a web nélkül. A webet ráadásul a CERN-ben, az európai részecskefizikai kutatóintézet falain belül fejlesztették ki, ahol egyébként az Univerzum születését is kutatják.

Forrás: MTI/Kovács Attila
Rolf-Dieter Heuer, a CERN főigazgatója Magyarország CERN-tagságának 20. évfordulóján tartott előadást szerdán Budapesten

A CERN-ben elért eddigi eredmények alapján éppen gyökeres változáson megy át az Univerzummal kapcsolatos tudásunk - ez volt az előadás vezérfonala. A Higgs-részecske felfedezése, illetve további tanulmányozása ugyanis információkat nyújthat a rejtélyes sötét anyagról, és először utalhat a még rejtélyesebb sötét energiára.

Csak a világ öt százalékáról tudunk

Csillagászati megfigyelésekből tudjuk, hogy az Univerzum összetevőinek csak körülbelül 0,3%-át látjuk bolygók, csillagok, galaxisok formájában - ez az a fénylő anyag, amelyet távcsöveink észlelhetnek. Gravitációs hatása azonban elárulta a sötét anyagot, emiatt például a galaxisok nem úgy forognak, ahogyan azt pusztán a fénylő anyag tömege alapján várnánk. Kozmológiai megfigyelésekből azt is tudjuk, hogy a sötét anyagnak csak töredéke (az Univerzum 5%-a) áll általunk ismert anyagfajtákból (elsősorban hidrogén- és héliumgázból), nagyobb része az anyag eddig ismeretlen formája. Távoli szupernóvák vizsgálata alapján az is kiderült, hogy az Univerzum gyorsulva tágul, amelynek oka a gravitációval ellentétes hatású taszítóerő lehet - ezt nevezték el sötét energiának.

Forrás: NASA
Az Univerzum tágulása körülbelül 7 milliárd évvel ezelőtt gyorsuló fázisba váltott, aminek oka a sötét energia lehet

Ahogyan a csillagászat, úgy jelenleg a részecskefizika is csak a világnak ezt az 5%-át tudja magyarázni - mondta Hauer az előadás utáni sajtóbeszélgetésen. Erre szolgál az úgynevezett Standard Modell (SM), az elemi részecskéket és a köztük ható erőket leíró elmélet. Az SM egy szép, kerek, matematikailag alátámasztott modell, amelynek minden elemét sikerült kísérletesen is igazolni. Az elmúlt években ezeket a kísérleteket újra elvégezték a CERN-ben, és a munka megkoronázásként felfedezték (ha hivatalosan még nem is mondják ki) a rendszer utolsó hiányzó láncszemét, a Higgs-bozont.

Sötét tartományok következnek

Milyen ostobaság lett volna azt gondolni, hogy a Higgs-részecske felfedezésével minden a helyére kerül, mindent megtudunk a világról, és unalmassá válik a fizika. Éppen ellenkezőleg: lehetséges, hogy a most felfedezett Higgs-bozon nem "maga a Higgs-bozon", hanem csak egy a több Higgs-bozon közül. Ez azért lenne nagyon izgalmas, mert ez lenne az első jel az úgynevezett szuperszimmetrikus részecskék létezésére. Ezek egyfajta "árnyékvilágot" alkotnak az elmélet szerint, amellyel mi nem lépünk kölcsönhatásba, viszont ez alkothatja az Univerzum kb. 23%-át adó, ismeretlen természetű sötét anyagot, vagy annak egy részét. A Higgs-részecske további vizsgálata így nem csupán a felfedezés megerősítése miatt tartogat izgalmakat (részletesen lásd korábbi cikkünkben).

Forrás: NASA
Távcsöveinkkel csak a fénylő anyagot (a csillagokat és galaxisokat észleljük), de ennél sokkal több a sötét anyag

Még izgalmasabb, hogy a Higgs-részecske felfedezése kapcsán először mondhatunk valamit az Univerzum csaknem háromnegyedét alkotó, egyelőre teljesen ismeretlen sötét energiáról. A Higgs-részecske (pontosabban az őt létrehozó Higgs-tér) hozza létre a többi részecske tömegét, de ez a hatás nem irányfüggő (azaz az ereje nem függ az irányától). A részecskék azáltal nyernek tömeget, hogy a Higgs-térben úsznak. Hétköznapi hasonlattal olyan ez, mintha egy úszómedencében úsznának: bármerre indulnak el, körülbelül ugyanolyan ellenállást kell legyőzniük. Nem ez lenne a helyzet egy folyóban, ahol nem mindegy, hogy a sodrással szemben vagy azzal egy irányban úsznának.

Mivel ilyen irányfüggetlen részecskét eddig nem ismertek a fizikusok, először merült fel annak lehetősége, hogy egyáltalán elgondolkodjanak a szintén irányfüggetlen, azaz minden irányban egyformán ható sötét energia és a részecskefizika esetleges kapcsolatán. Ezzel beléphetünk a sötét energia világába.

Kell egy nagyobb elmélet

Mindezek miatt igen valószínű, hogy a Standard Modell csak egy részleges elmélet, amely jól leírja ugyan az általunk eddig tapasztalt világot, de nem működik majd a sötét világban. Oda már egy átfogóbb, nagyobb energiájú modell kell. Ez ahhoz hasonló, hogy a newtoni fizika jól működik a Naprendszerben, lehet vele űrszondák pályáit tervezni, de nem működik nagy energiákon és sebességeken, oda már Einstein relativitáselmélete szükséges.

Az új fizika első nagy eredménye Heuer reményei szerint szintén a CERN-ben születik meg, a szuperszimmetrikus részecskék felfedezésével.

Csak Higgs jósolta meg a részecskét

Ha megfigyelünk részecskefolyamatokat, például különböző részecskék bomlását, akkor szabályosságot látunk. Ez a szabályosság a matematika nyelvén megfogalmazható oly módon, hogy a Standard Modell matematikai modellje bizonyos fajta szimmetriát mutat. Ha például egy gömböt tetszőleges szöggel elforgatunk, akkor utána is ugyanolyannak látjuk. Ezt az elforgatást meg lehet fogalmazni a matematika nyelvén, és ha ugyanezt elvégezzük részecskefolyamatokra, akkor utána ezeket is ugyanolyannak látjuk, vagyis ezek is szimmetriát mutatnak. Ha azonban a részecskéknek tömeget adunk a modellben, akkor ez a szimmetria megsérül. Mivel tudjuk, hogy a részecskéknek tömegük van, a szimmetria meg kell hogy sérüljön - magyarázza dr. Trócsányi Zoltán, a Debreceni Egyetem fizikusa.

A Higgs-mechanizmus tulajdonképpen ezt a dilemmát oldja fel. A Higgs-mechanizmus jóslata, hogy léteznie kell Higgs-részecskének. Bár még nem jelenthető ki teljesen biztosan, hogy amit a CERN-ben találtak, az Higgs-részecske-e, az biztos, hogy olyan tulajdonságokat mutat, amelyek segítenek megérteni, hogyan kell feloldani a fenti dilemmát. Várhatóan az év végéig összegyűlő adatok feldolgozása után, valamikor a jövő évben hangozhat el a "felfedezés" szó.

Ezután a 83 éves Peter Higgs fizikai Nobel-díjat kaphat (tehát valószínűleg a legkorábban jövőre). Bár hat kutató is publikált annak idején hasonló tanulmányokat (spontán szimmetriasértés a Standard Modellben), de a hat közül Higgs volt az egyetlen, aki megjósolta, hogy szimmetriasértés esetén egy részecskének is léteznie kell - ez lett a Higgs-bozon vagy Higgs-részecske.