Száz dollárba fogadtak a Higgs-bozonok ellen

A 2012-es év egyik legnagyobb tudományos-technikai teljesítménye - a Marsra-szállás mellett - a Higgs-részecske felfedezése volt. A CERN által legutóbb közzétett adatok alapján azonban létezhet egy másik Higgs-bozon is. Bár a fizikusok ezt nagyon szeretnék, nem igazán bíznak benne, sőt ellene fogadtak.

A júliusban gyakorlatilag felfedezett Higgs-bozonnal kapcsolatban az a legizgalmasabb kérdés, hogy ez maga a várva várt Higgs-bozon, vagy csak egy a Higgs-bozonok közül. Egynél többfajta Higgs-részecske létezése azért lenne nagyon izgalmas, mert ez lenne az első jel az úgynevezett szuperszimmetrikus részecskék létezésére (részletesen lásd a cikk második felében). A szuperszimmetria elmélete szerint ugyanis több Higgs-bozon is létezik. Egy ilyen felfedezés szélesre tárná a kapukat egy új fizika felé.

A válaszhoz egyre közelebb kerülünk, mert a júliusi bejelentés óta is óriási ütemben termelte az adatokat a Nagy Hadronütköztető (LHC) a CERN-ben: körülbelül négyszer annyi adat gyűlt össze, mind amennyi alapján a bejelentést tették. Nyár óta az elemzett adatok mennyiségét megduplázták.

Forrás: CERN
Kitűnően működött a világ legnagyobb részecskegyorsítója, a Nagy Hadronütköztető az elmúlt három évben

Az új elemzésekkel az egyik nagy detektorrendszer, a CMS-kísérlet megerősítette a júliusi eredményeket. Két független módszerrel is egymást átfedő (azaz nagyon hasonló) adatokat adott a Higgs-részecske tömegére (126 GeV, azaz gigaelektronvolt). A két független módszer két különböző bomlási folyamatot jelent: az egyikben a Higgs-bozon két fotonra, a másikban pedig végső soron 4 leptonra bomlik.

Ebbe a képbe kavart be most az, hogy közzétették az ATLAS-detektor új elemzéseit is. Ez esetben a fent említett két módszer kissé eltérő eredményt hozott, azaz nem fednek át teljesen az adatok. Jelenleg két csúcs látható az ATLAS adataiban: a korábbihoz képest megjelent egy újabb csúcs, 123,5 GeV környékén (a másikat itt 126,6 GeV-nél mérték, lásd az alábbi ábrán).

Forrás: CERN

A nagy kérdés tehát az, hogy ez valóban két különböző Higgs-bozon, vagy csak véletlenszerű ingadozás az adatokban? "Mi fizikusok nagyon szeretnénk, ha ez valóban két Higgs-bozon lenne, de sajnos nem nagyon bízunk benne" - mondta az [origo]-nak Horváth Dezső, a Debreceni Egyetem professzora, az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont tudományos tanácsadója. Az eddig megjelent szakértői vélemények is hasonlóak, sőt Tommaso Dorigo, a CMS egyik kitűnő fizikusa 100 dollárba fogad (maximum öt emberrel) abba, hogy a további elemzés során eltűnik a második csúcs az adatokból (Dorigo egyébként részletesebben is indokolja ezt a blogján). A legtöbben elméleti úton is kizártnak tartják, hogy két ennyire hasonló tömegű Higgs-bozon létezzen.

Forrás: AFP/Fabrice Coffrini
Peter Higgs, aki megjósolta a Higgs-bozon létezését, és akiből "már életében részecske lett" - csak az a kérdés, egy vagy több van belőle

A további adatok elemzésének közlése 2013 márciusában várható, ezután várhatóan hivatalosan is kimondják a "discovery" (felfedezés) szót a Higgs-bozonról vagy -bozonokról. További adatgyűjtés egyelőre nem lesz, mert átmenetileg leállították az elmúlt három évben mintaszerűen működő LHC-t, amely egy hosszú karbantartás és kapacitásnövelés után 2015-ben indul majd újra (2013 elején még két hónapig proton-ólom ütközéseket terveznek). A nagy újraindulás után, a gyorsító csúcsrajáratásával szerezhetnek először olyan adatokat a fizikusok, amelyekben lesz már esély az első szuperszimmetrikus részecskék megpillantására - amennyiben valóban léteznek.

Csak a világ öt százalékáról tudunk

A 2012-es év egyik legnagyobb tudományos-technikai teljesítménye - a Marsra-szállás mellett - a Higgs-részecske felfedezése volt. Ez már 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.

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. 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 szintén a CERN-ben születhet meg, a szuperszimmetrikus részecskék felfedezésével.