Nyomon a CERN a részecskefizika Grálja után

Az utolsó nagy lépések következnek napjaink egyik legfontosabb tudományos problémájának megoldásához: rövidesen eldől, létezik-e a részecskefizika “Szent Grálja”, a régóta keresett Higgs-bozon, amely nélkülözhetetlen az anyagi világot leíró elmélethez. A kedden bejelentett eredmények szerint már csak egy szűk helyen lehet, és 2012-ben kiderül, valóban ott van-e.

A protonokra és elektronokra még mindenki emlékszik az iskolából (de legalább az elektronokra biztosan). Ezeken kívül még számos részecske alkotja az anyagot, amelyből az egész látható Világegyetem felépül. Ezeknek a részecskéknek és a köztük ható erőknek a leírására dolgozták ki a fizikusok a Standard Modell nevű átfogó elméletet, amely eddig igen sikeresnek bizonyult. A Standard Modell által megjósolt egyetlen részecske, amelyet kísérletileg még nem sikerült kimutatni, a Higgs-bozon (Higgs-részecske, Higgs). Ez azért probléma, mert a Higgs-részecskének kulcsszerepe van a Standard Modellben.

A Higgs-részecske megfigyelése nagy lépés lenne annak a folyamatnak a megértésében, amely az elemi részecskék tömegének a kialakulásáért felelős. A Standard Modell szerint ugyanis Higgs-bozonok nélkül az elemi részecskéknek nem lehetne tömegük. A Higgs-részecskék által keltett Higgs-mező kitölti az egész Univerzumot, és az elemi részecskék a Higgs-mezővel való kölcsönhatás során nyernek tömeget. A Nagy Hadronütköztetőben protonokat ütköztetnek össze, és ennek során a Higgs-mezőt hordozó Higgs-részecskék keletkezhetnek. A Higgs-részecske gyorsan más részecskékre bomlik, amelyeket már érzékelhetnek a detektorok (mindezt lásd az alábbi animáción is).

A Higgs-részecske utáni kutatás oroszlánrésze az európai részecskefizikai kutatóközpont (CERN) Nagy Hadronütköztetőjében (Large Hadron Collider, LHC) zajlik. A kitűnően működő részecskegyorsító adatai alapján egyre pontosabban lehet behatárolni a Higgs tömegét, azaz lehetséges előfordulási tartományát. Az idén nyáron megállapított tömegtartomány 114 és 141 GeV közé esett (a mértékegységről lásd a keretes írást).

“A tavalyinál 1000-szer több adat elemzésével a Higgs-részecske tömegére 95%-os megbízhatóság mellett a 114 GeV-es alsó korlátot állapították meg. A hidrogénatom tömege mintegy 0,9 GeV energiának felel meg. A megbízhatóság szintje itt azt jelenti, hogy a megismételt mérések hány százaléka adná ugyanazt az információt. Az LHC adatainak nyárig elemzett része kizárta a 141 és 476 GeV közötti intervallumot, tekintettel arra, hogy a Standard Modell elmélete a korábbi adatok alapján inkább könnyű, 100 GeV körüli Higgs-részecskére mutat, annak tömegére a 114 és 141 GeV közötti értéket valószínűsített” – mondja Horváth Dezső, az MTA KFKI RMKI és az ATOMKI fizikusa.

A CERN kedd délutáni, a nyár óta gyűjtött újabb hatalmas adatmennyiségre alapuló bejelentése ezt tovább szűkítette: eszerint a Higgs-bozon lehetséges tömege az ATLAS detektor mérései szerint 116 GeV és 130 GeV között, míg a CMS detektor mérései szerint 115 GeV és 127 GeV között van.

Korábban az ATLAS és a CMS is gyűjtött olyan adatokat, amelyek alapján a Higgs 125 GeV környékén létezhet. Az új tömegtartomány ismeretében ez különösen izgalmas a fizikusok szerint, akik azonban óvatosak, és még nem beszélnek felfedezésről. Ehhez a tudományos közmegegyezés szerint további bizonyító erejű adatok szükségesek.

A fenti ábrán az látható, hogy az ATLAS detektor adatai alapján a Higgs keresése során mért értékek (pontozott vonal, observed) az elmélet alapján várt értékek (szaggatott vonal, expected) felett vannak, 125 GeV környékén. Ha létezik a Higgs, akkor talán itt lehet valahol, de az is lehet, hogy ez még csak véletlenszerű fluktuáció az adatokban. Reménykeltő viszont, hogy a másik detektor, a CMS ehhez hasonlót mért, teljesen független módon

“Az LHC 2011-ben messze a várakozások fölött teljesített, az eredetileg remélt adatmennyiség csaknem hatszorosát produkálta. Azok előzetes elemzése, amelyet még finomítani kell, most a tömeghatárt jelentősen összeszorította. Ami igazán biztatónak tűnik, az az enyhe eseménytöbblet, ami megakadályozta, hogy végleg kizárják a Higgs-részecske létezését: mindkét kísérlet látott a mérési bizonytalanságot kissé meghaladó, de a felfedezési szi
ntet el nem érő többletet 124 GeV-es tömeg körül. Habár ez lehet véletlen háttérfluktuáció, ez az eredmény azzal biztat, hogy a 2012-ben gyűjtendő adatok majd végleg megerősítik vagy kizárják a Standard Modell eme kulcsfigurája, a Higgs-részecske létezését” – mondja Horváth Dezső.

A Higgs-bozonnak több lehetséges bomlási folyamata van, ezekre vadásznak az LHC adataiban. Az ábrán egy jellemző Higgs-jelölt esemény látható, amely két, a CMS elektromágneses kalorimétere által meghatározott nagy energiájú fotont (hosszú vörös oszlopok a képen) tartalmaz. A képen látható sárga vonalak az ütközés által keltett egyéb részecskék pályái (forrás: CERN/CMS)

A CERN-ben tartózkodó Lévai Péter, az MTA KFKI RMKI fizikusa így kommentálta az eredményeket: “A mai sajtótájékoztató azt mutatja, hogy már közel a siker, és a részecskefizikus kollégák rövidesen levadásszák az oly régóta keresett Higgs-bozont. Az idei évben összegyűjtött adatmennyiség segítségével sikerült ebbe a nagyon kis ablakba szorítani a Higgs tömegét – igaz, itt jóval nehezebb kimutatni, mint azt korábban gondolták. Mivel a tervek szerint jövőre négyszer annyi adatot sikerül majd begyűjteni, mint az idén, a várakozások szerint jóval több Higgs-jelölt akad majd fenn az adatelemzők rostáján. Ez talán már elég lesz ahhoz, hogy jövő karácsonykor az ATLAS-ban és a CMS-ben dolgozó kollégák odatehetik a fa alá ezt a régóta keresett, nagyon fontos részecskét. Őszintén kívánom, hogy sikerüljön.”

A CMS-detektornál dolgozó Szillási Zoltán fizikus így írt a CERN-ből: “Természetesen nem szabad elfelejteni, hogy a látott eseménytöbblet lehet statisztikus fluktuáció eredménye is. Ugyanakkor figyelemremeltó, hogy mindkét kísérletnél hasonló helyen van a többlet ‘közepe’. Mindenesetre még nincs felfedezés, mindenképpen kellenek a jövő évi adatok is. Ami az itteni hangulatot illeti, mindenki nagy csendben figyelte a délutáni előadásokat. Itt mindanyian visszafogottan fogadtuk az eredményeket, mert lehet még bármi is.”

Ha tehát a Higgs-részecske valóban létezik, akkor a jövő évben összegyűlő további adatok alapján nagy valószínűséggel megtalálják a fenti tömegtartományban. Amennyiben azonban az LHC által szolgáltatott adatokban nem sikerülne megtalálni a Standard Modell által megjósolt Higgs-bozont, az igen nagy jelentőséggel bírna, valamint komoly lendületet adhatna a Standard Modellen túlmutató, Higgs-szerű részecskéket tartalmazó fizikai elméleteknek.

“A fizikus számára a kizárás még érdekesebb lehet, mint a felfedezés. Ha felfedezzük, akkor elkezdjük pontosan tanulmányozni a tulajdonságait, hogy tényleg olyan-e, mint amilyet az elmélet megad. Ha viszont nem létezik, a mikrofizikánk jelenleg elfogadott elmélete összedől, és valami egészen újat kell építenünk. Ebben viszont nem hiszünk, hiszen eddig minden adatot nagyon pontosan ki lehetett számítani az elmélet alapján, nem találtunk annak jelentősen ellentmondó kísérleti eredményt” – mondja Horváth Dezső.

“Akkor sem dől össze a világ, ha mégsem lesz meg a Higgs-bozon, hiszen akkor egy nagyon izgalmas időszak következik, és újra kell gondolni a részecskék eddig felépített elméletét” – írta Szillási Zoltán.