2008-ban átadásra került a CERN legújabb és világviszonylatban is legnagyobb kísérleti eszköze, az LHC (1), egy hatalmas méretű szinkroton-típusú részecskegyorsító, melynek elkészültekor tervezett energiája 7TeV volt. De mire jó ez az euró milliókba kerülő szerkezet egyáltalán? Miért költünk ennyit ilyen hatalmas, látszólag mindenféle gyakorlati hasznot nélkülöző gépekre? A válasz elsőre nem fogja  "kiegyenlíteni" a hatalmas számlát: a kutatások fő célja jelenleg egyetlen részecske, a Higgs-bozon (vagy bozon-család) megtalálása. E cikk születésekor még nem egyértelmű, hogy a fizikusok sikerrel jártak-e, de nem is a diadal közlése a célom. Inkább megmutatom, mi is ez a titokzatos részecske, miért olyan fontos, hogy egyesek isten-részecskének becézik, és milyen alapvető következményei lesznek kísérleti igazolásának. Számos tudományterületet fogunk érinteni utazásunk során, mindenki meglelheti hát a szívéhez közelállót.

A látáshoz szem kell...

„Mind az egész Világegyetemnek pedig sok nyelve és sok beszéde vala. És lőn, mikor kelet felől elindultak vala, Waxahachie földjén egy síkságot találnak és ott letelepedének. És mondának egymásnak: Jertek, csináljunk óriási ütköztetőt, melynek ütközései elérnek az idők kezdetéig. És valának nékik szupravezető mágneseik az eltérítéshez, és protonjaik az ütközéshez. Az Úr pedig leszálla, hogy lássa az Ütköztetőt, melyet építenek vala az embernek fiai. És monda az Úr: Íme e nép munkájának ez a kezdete, és bizony semmi sem gátolja meg őket, hogy megpillantsák, a mit előlök eltitkolni akartam vala. Nosza szálljunk alá, és adjuk ott nékik az Isten-részecskét, hogy teljes pompájában megláthassák a Világegyetemet, amelyet nékik teremtettem vala.” (4)

Máris egy látszólag érdektelen és unalmas kitérővel kezdünk. Ígérem, hamarosan rátérünk a lényegre, de pár szót szólnék először az LHC-ról, hiszen ez lehet a történetet hitelesen elbeszélő első szemtanú. Sokszor felmerül a kétely még azokban az emberekben is, akik egyébként ismerik a részecskegyorsítókat, hogy hihetünk-e ezeknek a kísérleteknek? Hiszen a gyorsítók detektoraiban "látott" részecskék tulajdonképpen maguk is azoknak az elemi daraboknak a törmelékei (vagy az elemi darabok ütközései által keltett "spriccek"), amiket valójában tanulmányozni szeretnénk. Nehezen hisszük, amit nem látunk szabad szemmel, pedig itt valóban létező dolgokról van szó. A Nobel-díjas Leon Ledermannak szegezte egyszer egy lelkes amatőr egy konferencián a kérdést, miszerint honnan tudják, hogy valóban van-e elektron, ha még sosem láttak egyet sem szabad szemmel? Lederman megkérdezte az illetőtől, hogy elhiszi-e, hogy a pápa létezik, mire a kérdező igennel felelet, jóllehet személyesen sosem találkozott a pápával. Lederman rávilágított, hogy a pápa képe a televízió-közvetítéseken éppolyan illúzió lehet, mint amilyen az elektron lehetne - ha az volna, de nem az... sőt, történetesen a pápa is csak a TV képcsövében levő elektronok miatt jelenhet meg a nappaliban. A részecskegyorsítók detektoraiban észlelt részecskék valóban ott vannak, és nem csak azért, mert közvetetten érzékeljük őket, hanem mert az elméleteink - elsősorban a standard modell (melyről hamarosan még esik szó) - pontosan megmondják, hogy hogyan fognak megjelenni és miképp észlelhetjük őket. A konkrét folyamat egyébként - leegyszerűsítve - a következőképpen néz ki: az LHC (és más szinkroton gyorsítók) hatalmas, kör alakú gyűrűjében részecskék kicsiny csoportja a vákuumban köröz igen nagy sebességgel. Attól, hogy a részecskék engedve a centrifugális erőnek kirepüljenek a szerkezetből, mágnesek védik őket körben a gyorsító gyűrűjének fala mentén. Egyes mágnesek tehát a pályán tartják a részecskenyalábot, mások egyre jobban gyorsítják őket. Attól, hogy folyton előre lökdössük őket, helyzeti energiájuk megnő. Minél jobban fel tudjuk őket gyorsítani, a céltárggyal (vagy egy másik, szembe tartó nyalábbal) való ütközésük annál látványosabb lesz, annál mélyebben hasítja fel az anyag alapvető szerkezetét. Az ütközések természetesen semmit sem érnének, ha nem tudnánk mérni a következményeiket. Ezért fontos, hogy a gyűrű mentén elhelyezett detektoroknál történjenek a lényeges események. Az időzítés és a célzás fontos, és roppant precizitást igényel. Gondoljanak bele: a nyalábok a 27 km-es gyűrűben a fénysebesség 99,999%-nál is nagyobb sebességgel száguldanak. Ilyen tartományokban már a relativisztikus hatások is közbeszólnak (megváltozik a téridő szerkezete, a nyaláb számára drasztikusan lelassul az idő múlása és tömege is nagymértékben növekszik). Létrejön tehát az ütközés, a detektorok pedig különféle rétegekben elrendezett, az alagutat bizonyos helyeken körülölelő érzékelőikkel felfogják a "karambol" maradékait. A jeleket számítógépekbe táplálják, amik szorgosan jegyzetelnek, kiszűrik a már ismert reakciókból származó adatokat, és keresik a ismeretlen jelenségeket. Több terrabájtnyi adatot tárolnak minden ütközésről, a fizikusok dolga pedig végső soron kihámozni ebből az adathalmazból a megfelelő számokat. Nem történik ez másképp a Higgs-bozon esetében sem...

A nagy energiáknak még egy gyakorlati haszna van: a világegyetem keletkezésekor elképzelhetetlen nyomás- és hőmérsékleti viszonyok uralkodtak, mert a jelenleg látható hatalmas anyag- és energiamennyiség egy igen parányi helyre volt összezsúfolódva. Ilyen viszonyokat csak akkor tudunk szimulálni, ha az ütközésekkor keletkező hő és nyomás létrehozása érdekében igen nagy energiával csapódnak a céltárgyba vagy egymásba a részecskék. Azért fontos előállítani ezeket a körülményeket, mert a korai univerzumban mind az anyag, mind az energia sokkal egyszerűbb, egységes formában volt jelen. Ebből az egyszerű állapotból úgynevezett szimmetriasérülésekkel alakult ki a mostani állapot a maga négyféle erőjével és a standard modell összes részecskéjével. A címben szereplő szimmetriasértésekről később részletesen lesz még szó.

Mi is az a Higgs-bozon?

Ha az elméleteink helyesek, ez a bozon (2) közvetít a Higgs-tér és a többi elemi részecske között, így nyernek azok nyugalmi tömeget. Ez roppant fontos megállapítás, mert következik belőle, hogy a részecskéknek eredetileg nem volt tömege. Sok más részecsketulajdonsággal szemben a nyugalmi tömeg összekuszálja az egyébként szimmetrikus standard modellt (3), amely a rend helyreállítása végett megjósolta a Higgs-bozon létezését. Ez nem csupán a fizikusok lelkének tett jót, valóban következett az elméletből ennek a részecskének a létezése. De erről hamarosan szólni fog egy külön rész. Itt csak annyit érdemes megjegyezni, hogy a tömeggel nagyon sok gondja volt és van a kutatóknak. Tulajdonképpen nem is értjük, mi az a tömeg és miért rendelkeznek vele egyes részecskék, mások meg miért nem...

Mitől olyan különleges a Higgs-bozon?

Mint az imént említettem, a Higgs-bozon (egy újabb módon) igazolni fogja egyrészt a standard modell helyességét, másrészt helyreállítja majd a benne felborult szimmetriát, valamint egy harmadik tudományterületen is áttörést hozhat: az inflációs kozmológiai modell (melyet szintén szoktak standard modellnek hívni) megmagyarázza az univerzum fejlődését az ősrobbanás után, mégpedig igen pontosan. Csakhogy: működéséhez szükséges a Higgs-tér feltételezése (a Higgs-bozon ennek a térnek a közvetítő részecskéje). Az inflációs modellel való kapcsolatról szintén bővebben lesz szó.

Miért nem találtuk eddig a Higgs-bozont?

Ennek a részecskének a kutatásakor - csakúgy, mint sok más, szabadon nem megfigyelhető részecskének a megfigyelésekor - más, stabil részecskéket kell ütköztetnünk. Minél nagyobb az ütközés energiája, az anyag annál jobban "felszakad", annál érdekesebb és nehezebb részecskéket láthatunk törmelékként megjelenni. E=mc2 értelmében az energia tömeget jelent, vagyis a Higgs-bozont eddig azért nem találtuk, mert gyorsítóink energiája nem volt elég nagy ahhoz, hogy előállítsa. Ha egy részecskét nagyobb sebességre tudunk gyorsítani, helyzeti energiája is növekszik, ezért kellenek a gigantikus gyorsítók.

Miért van most szükségünk rá?

Fentebb már jeleztem több fontos kérdést is, amik számítanak a Higgs-bozon kísérleti bizonyítására, lássuk ezeket most részletesen. A továbbiakban kénytelen vagyok kicsit elszakadni a témától, és szélesebb látószöggel bemutatni pár megoldatlan kérdést.

Higgs-bozon: elrontott szimmetriák

A standard modell (SM) egy átfogó kvantumtérelmélet, mely összhangban van a kvantummechanikával és a speciális relativitáselmélettel. Tartalmazza az erős, a gyenge és az elektromágneses kölcsönhatás leírását, valamint magában foglalja az elemi részecskéket. Gyakorlatilag minden eddigi kísérlet tökéletesen igazolta, jóslatai több ízben megelőzték a kísérleti fizikusok felfedezéseit. Az egyetlen hiányzó darabkája a gravitáció (vagyis az általános relativitás) magába foglalása.

A standard modell fontos tulajdonsága, hogy három generációban egyesíti az elemi részecskéket. Az anyagi részecskék a fermionok (kvarkok és leptonok), a közvetítő részecskék pedig a gluonok. Előbbiek feles spinűek, utóbbiak egész spinnel bírnak. A harmadik nagy csoport lenne a Higgs-bozon (vagy bozonok), melynek igen fontos szerepet szánnak az elméletben.

Az eredetileg szimmetrikus világ

A standard modellben vázolt részecskecsaládok többféle szempontból is szép szimmetriát mutatnak egészen addig, míg meg nem próbáljuk levezetni az elméletből, hogy miért akkora a tömegük, amekkora, illetve hogy egyáltalán honnan van tömegük. Matematikai nyelven ez azt jelenti, hogy az elmélet mértékinvariáns, de a Higgs-bozon nélkül nem nyújtja a világ megfelelő leírását (márpedig ez lenne a lényege). Emellett az elmélet csak a Higgs beépítésével lehet renormálható, vagyis csak így tűnnek el belőle a végtelennek adód (így nyílván hibás) eredmények.

Kezdetben egyetlen erő és egyetlen anyag...

A standard modell másik jóslata az erők és az agyag egyesítése volt. Ez a gyakorlatban annyit jelent, hogy a korai univerzumban a szélsőséges körülmények között az anyagnak csak egyetlen formája volt jelen, valamint a ma tapasztalható négy kölcsönhatás is egyetlen erőben egyesült. Az elektromágneses, az erős és a gyenge kölcsönhatást már sikeresen egyesítette a SM, a gravitáció azonban nem zabolázható meg kvantumos fogalmakkal, így kívül esik az elmélet hatókörén (ugyanígy probléma, hogy a gravitáció közvetítő részecskéje, a graviton sem került még bele a modellbe).

Higgs-terek: az infláció kiváltói

A Higgs-terek azok a mindenütt jelen levő erőterek, melyekből a részecskék a tömegüket "szerzik". Ez egy skaláris tér, vagyis irányfüggetlen. Ez a gyakorlatban azt jelenti, hogy a részecskék tömege nem változik attól függően, hogy merre haladnak a térben. A Higgs-bozon ezt úgy valósítja meg, hogy a spinje 0. (A spin egy speciális részecsketulajdonság, talán a forgáshoz lehetne hasonlítani, melyet mindig a részecske haladási irányához viszonyítunk. A Higgs-bozonnak szükségszerűen 0 spinnel kell rendelkeznie, máskülönben az anyag súlya függene annak haladási irányától). Emellett a Higgs-tér lehet az inflációs felfúvódás motorja is. Lássuk, mi is ez az inflációs felfúvódás.

A XX. században nyilvánvalóvá vált, hogy az univerzum tágul. Nem a benne levő dolgok távolodnak egymástól, hanem a dolgok között levő tér maga tágul. Ennek a tágulásnak egyik alapvető jellemzője, hogy nincs középpontja (ha egy két dimenziós analógiát veszünk, gondoljunk egy lufi felületére, melyre pöttyöket festünk; minden pötty távolodik mindegyik másiktól, ahogy a lufi felülete nő, még sincs a tágulásnak középpontja). Minél távolabb van egy objektum, annál gyorsabban távolodik (amit onnan tudunk, hogy fényének nagyobb a vöröseltolódása). Visszafelé lejátszva a folyamatot arra a következtetésre jutottak, hogy egy bizonyos időpontban valamikor a múltban minden ma látott dolog egyetlen pontból indult útjára (itt nem csak az anyagra meg az energiára gondolok: maga tér és az idő, helyesebben a téridő is egyetlen pontból született). Ez azonban több problémát is felvetett.

Először is, az imént említett standard modell felé vezető állomások (például egy korábbi elmélet, a GUT - Grand Unified Theory) megjósolták monopólusok létezését. A monopólusok olyan mágnesek, amik vagy csak pozitívak, vagy csak negatívak. De manapság egyetlen ilyet sem látunk: bármelyik mágnesünk tartalmazza az északi és a déli pólust, és ha félbe vágjuk őket, két kisebb mágnest kapunk két-két északi és déli pólussal. Hol vannak hát a nagy számban jósolt monopólusok?

Másodszor, ha az univerzum egyetlen pontból indult útjára az ősrobbanásban, akkor ma hogy lehet ennyire sima? Sima alatt azt értem, hogy a tér viszonylag "egyenletes", nem görbült, vagyis két pont között az egyenes a legrövidebb út, és nem valamilyen görbült pálya (ami görbült térben akár rövidebb is lehetne, mint az egyenes!). A tér simaságát az Omega érték adja meg, ami ma 0,1. Ez igen közel esik a teljesen sima térhez, vagyis az Omega=1 állapothoz. Ha nem találunk erre valami egyszerűbb magyarázatot, az azt jelentené, hogy az ősrobbanás pillanatában Omegát 1-el kellett egyenlővé tenni százbilliomodnyi pontossággal (hogy ma 0,1 legyen az értéke), ami első hallásra képtelen pontosságnak tűnik...

Harmadszor, itt a horizontprobléma. Ha felnézünk az égre, mindenfelé ugyanolyannak látjuk az univerzumot. Hogy lehetséges ez, ha a fénysebesség az abszolút határsebesség? Hogy lehet az univerzum két átellenes oldalán a kozmikus háttérsugárzás (az ősrobbanás maradékhője) hőmérséklete ugyanakkora, ha mindkét irányból 13 milliárd éve utazik hozzánk, így a köztük levő távolság 26 milliárd fényév, de a világegyetem csak 13,7 milliárd éves? Ahhoz, hogy egyenlők (egyformák) legyenek a különböző tartományok, valaha hőátadásnak kellett történnie közöttük, vagyis egymás mellett kellett lenniük! Mi a megoldás?

Mindhárom problémát hamar magyarázza az infláció jelensége. Az univerzum valóban az ősrobbanásban forrt ki, valóban 13,7 milliárd éve tágul, de élete korai szakaszában átesett egy hirtelen és igen intenzív felfúvódáson (egy proton méretéről kb. 10 a mínusz 33-dikon másodperc alatt golflabda-méretűre tágult). Ez a jelenség egyrészt szétszórta a nagyszámú monopólusokat (ezért nem látunk egyet sem), másrészt kisimította a teret (és szükségtelenné tette Omega előzetes, félelmetesen pontos hangolását), harmadrészt pedig így világossá vált, hogy a most egymástól igen távol levő térrészek egykor igen közel voltak egymáshoz, anélkül, hogy megsértenénk a fénysebesség határsebességének voltát. Ezt a fizikusok és a kozmológusok már az 1980-as évek óta tudják (5). Sokan beleszerettek az infláció egyszerű és kézenfekvő megoldásába, de a csillagászok között akadtak kételkedők. Ma általánosan elfogadott tény, hogy a fenti három problémára megoldást nyújt az infláció, de hogy miért épp 10 az 50-diken-szeresére fújódott fel az univerzum, azt nem tudni, mint ahogy azt sem, hogy mi állította meg végül a felfúvódást.

A kiváltó okra ma a Higgs-teret tartják a legvalószínűbb jelöltnek. Az inflációhoz ugyanis szükség volt egy skaláris (irányfüggetlen) térre, ami mellesleg rendelkezik a Higgs-tér minden jósolt tulajdonságával. A kozmológusok szerint az univerzum keletkezése után közvetlenül, mikor még nem létezett az anyag, a hamis vákuum állapota állt fenn, vagyis a tér üresnek látszott, de valójában ott volt mindenütt a nagyenergiájú Higgs-tér. Ez az infláció hajtómotorjaként működött, majd később, ahogy megjelent az anyag, a Higgs-tér energiáját az anyagnak tömeggel való felruházásába fektette. Ezzel el is érkeztünk egy újabb fontos állomáshoz: a Higgs-bozon (és általa a Higgs-tér) megtalálása egy csapásra újabb komoly alapot adna az inflációs modellnek.

Mindenre megoldás lenne a Higgs-csodaszer? Vagy igen, vagy csak egy WC, amin lehúzzuk az elméleteink hiányosságait... Kíváncsian várjuk hát az LHC eredményeit.

(1) Large Hadron Collider - nagy hadronütköztető

(2) Bozonoknak nevezzük az erőket közvetítő részecskéket. Az elektromágnesesség hordozórészecskéje a foton, a gyenge kölcsönhatásé a W+, W- és Z0, az erős kölcsönhatásé pedig a gluonok. Ezek mind elméletileg és kísérletileg bizonyított részecskék.

(3) Ez a modell magában foglalja az elemi részecskék, az erős- és gyenge-kölcsönhatás valamint az elektromágneses kölcsönhatás kvantumos leírását, és a maga nemében az egyik legsikeresebb elmélet. Több, megalkotásakor még ismeretlen részecske (például a top-kvark) létezését előre megjósolta, pontosságát számtalan kísérletben igazolták már. Ha valóban helyes, akkor jóslata szerint a Higgs-bozonnak is léteznie kell.

(4) Leon Lederman: Az isteni a-tom című könyvéből vett idézet. A benne szereplő gyorsító a soha meg nem épült Szupravezető SzuperCsűrlő, de ugyanúgy gondolhatott volna a CERN LHC-jára is.

(5) Az elmélet megalkotója Alan Guth volt.

Képek:

1. a Higgs-bozon egyik várható feltűnési mintája a detektor 3 dimenziós ábrázolásában

2. a standard modell részecskéi (a Higgs-et kivéve az összes kísérletileg igazolva)

3. az erők egyesítése

4. az inflációs modell ábrázolása: az ősrobbanás után hirtelen "kitáguló" világegyetem az inflációt követően is gyorsulva tágul

A standard modellről bővebben: Leon Lederman: Az isteni a-tom

A természet erőinek egyesítéséről bővebben: Paul Davies: A megbundázott világegyetem

Az univerzum korának méréséről bővebben: John Gribbin: Az idő születése

Az inflációs modellről bővebben: Michio Kaku: Párhuzamos világok

Az inflációs modell és a Higgs-terek kapcsolatáról bővebben: Leon Lederman: Az isteni a-tom

(A cikk írása közben történt: végleg leállították a Tevatron központi gyűrűjét. A Tevatron volt az LHC beindításáig a világ legnagyobb proton-antiproton ütköztetője, 1983 óta számos fontos felfedezést tett, itt találták meg például a top kvarkot, a tau-neutrínót és ötféle bariont is.)