Az erős kölcsönhatás vonzásában – Siklér Ferenc kísérleti részecskefizikust kérdeztük
Sok embert foglalkoztat az a kérdés, hogy miből áll a világ? A környezet működése iránt érdeklődők szeretnék ezt kicsi, apró összetevőkből egyre bonyolultabban felépíteni. A görögök válasza erre a négy őselem – föld, víz, levegő és tűz – megnevezése volt. A görögöknél sokkal tudományosabb választ adott erre a felvetésre az orosz kémikus, Dmitrij Mengyelejev a periódusos rendszerével. Ő a kémia szempontjából rendszerezte a világot. Tudunk-e az atomoknál mélyebbre menni? A 20. század igennel válaszolt erre, de már nemcsak az a kérdés, hogy miből áll a világ, hanem az is alapvető, hogy mi tartja össze!
A részecskefizika standard modellje négy kölcsönhatást ismer. A legismertebb az egymással szoros kapcsolatban levő elektromos-mágneses kölcsönhatás. A gyenge kölcsönhatás főleg az atomok bomlásánál játszik szerepet. Az erős kölcsönhatás ellenben abban segít, hogy az atommag összetevői egyben maradjanak. Egy negyedik kölcsönhatást is szoktak emlegetni, ez a gravitáció, ami elképzelhető, hogy nem is kölcsönhatás, hanem a tér szerkezetével van kapcsolatban.
A részecskefizika alapvető felfedezései között tartjuk számon az elektron, a proton, a neutron, a pozitron, a müon, a pion, az antiproton, az elektron-neutrínó, a müon-neutrínó felfedezése mellett a partonok és az üpszilon megismerését. Ezekhez csatlakozott a gluon, a W- és Z-bozon, a t-kvarkok, az antihidrogén, a tau-neutrínó és végül 2012-ben a Higgs-bozon felfedezése. Az első részecskék azonosítása egy-egy ember nevéhez köthető, az utolsók nagy laborok – Fermilab, CERN – munkatársainak közös eredménye.
Olykor több száz ember dolgozik egy-egy kísérletben, ám ebben az esetben sem a műszerek az elsődlegesek, jó kérdéseket feltevő kutatókra is szükség van.
A világ atomokból, az atomok atommagból és a körülötte keringő elektronokból áll. Az atommag protonokból és neutronokból épül fel, de nem ilyen egyszerű a helyzet, hiszen a protonok és a neutronok egyenként három kvarkot tartalmaznak. A neutronban két „d” és egy „u” kvark, míg a protonban két „u” és egy „d” kvark található. A protonok és a neutronok kvarkjait a gluon tartja össze. Siklér Ferenc a gluonra, az erős kölcsönhatást közvetítő részecskére koncentrál. A részecskefizikus szerint az elektromágnesség viszonylag egyszerű, mert a kölcsönhatást közvetítő részecskének, a fotonnak nincs töltése. Ugyanakkor az erős kölcsönhatást közvetítő gluon színes, színtöltése van.
„Az elektromos töltés a számegyenesen egy számmal jellemezhető, lehet pozitív vagy negatív előjelű is. Az erős kölcsönhatásban szerepet játszó színtöltés egy helyett három iránnyal, három tengellyel jellemezhető. Ezeket nevezzük közérthetően színeknek, például piros, zöld, kék” – magyarázza az akadémikus, aki szerint a gluonok különleges képessége, hogy meg tudják sokszorozni magukat, természetesen az energia- és lendületmegmaradást figyelembe véve.
Az erős kölcsönhatás azért is érdekes, mert bezárja a kvarkokat a proton és a neutron belsejébe.
Emiatt egy kvarkot nem lehet kiszakítani a protonból és a neutronból. Az erős kölcsönhatást protonok ütköztetésével tudják vizsgálni. Tíz-tizenöt évvel ezelőtt az első kérdések egyike az volt, hogy az ilyen ütközések során mennyi és milyen részecske keletkezik, illetve milyen tulajdonságokkal jellemezhetők ezek a részecskék. A kérdésekre választ adó kísérleti eszköz a Nagy Hadronütköztető (Large Hadron Collider, LHC) a CERN-ben.
A Genfben található CERN története 1954-ben kezdődött. Az európai országok az amerikai nemzeti laboratóriumok mintájára közös, alapkutatási célú kutatóközpontot hoztak létre. A CERN 1954-ben, 12 ország összefogásával jött létre, három évvel később már üzembe helyezték az első, protonokat gyorsító eszközt. A magyar fizika számára nagy jelentőségű lépés volt, amikor 1992. július 1-jétől Magyarország a CERN egyenjogú tagállama lett. A magyar részvétel súlya alapján a CERN egy százalékban hazai intézet. Ez jelenleg a világ legnagyobb részecskefizikai alapkutatásra szakosodott kutatóhelye.
Az LHC tervezése 1985-ben kezdődött, és 23 év alatt épült fel. 2008. szeptember 10-én futott végig az első protonnyaláb. A tízmilliárd euróból épített gyorsítónak és detektorainak egyik fő célja a Higgs-bozon megtalálása, vagy – rosszabb esetben – létezésének teljes kizárása volt. 2012-ben – fél évszázaddal a részecske létének feltételezése után – sikerült bizonyítani az „isteni részecskének” is nevezett bozon létezését. Az LHC önmagában mérnöki csoda, mint ahogy a beépített gyorsítókra is – amelyek több ezer mérnök és fizikus együttes munkájának az eredményei – csodaként tekintenek.
A föld alatt 80-90 méterre található, 27 kilométeres kör alakú gyorsító kisebb része Svájc, nagyobb része Franciaország alatt húzódik. Az alagútban kisebb a légnyomás, mint a felszínen azért, nehogy szennyező anyag, például felaktiválódott por kerüljön ki. Nagyjából három méter átmérőjű, kör alakú alagútról van szó, amelynek a közepén fut a sokszorosan beburkolt két nyalábcső. Ezekben robognak, közel fénysebességgel, egymással szemben azok a protonok és a nehézatommagok, amelyek a négy észlelőrendszer, azaz detektor középpontjában ütköznek. A nyalábcsőben lévő vákuum ritkább, mint a bolygóközi gáz a Naprendszerben. Egy proton nyolc-tíz órát kering benne anélkül, hogy bármilyen kóbor atommal ütközne.
Hogy néz ki egy ilyen ütközés? Megérkezik a két ellentétes irányban mozgó protoncsomag a detektor közepébe, ahol – ha szerencséjük van és jól irányították a két csomag mozgását – a protonok ütköznek, miközben történik valami. Ezzel a megoldással a mozgási energia tömeggé alakul, és új részecskék jönnek létre. Siklér Ferenc szerint elvileg más módon is detektálhatunk új részecskéket, például a kozmikus sugárzásból, de ezek roppant ritkán érkeznek, illetve nagyon nehezen érzékelhetők. Ezért sokkal jobb egy gyorsító meghatározott ütközési pontjára koncentrálni és azt körülvenni detektorokkal.
A CMS-kísérlet (Compact Muon Solenoid, vagyis Kompakt Müon Szolenoid) az LHC egyik detektora, a franciaországi Cessy település alatt található. A CERN-ben dolgozó mintegy 15 ezer szakemberből 4000 kötődik ehhez az eszközhöz. Közülük negyven magyar. A detektor a proton-proton (valamint az ólom-ólom) ütközések teljesen különböző kísérleti apparátust igénylő tanulmányozására alkalmas. Az eredetileg megfogalmazott kutatási célok között éppúgy szerepeltek kvantumszíndinamikai vizsgálatok, mint a részecskefizika standard modellje által megjósolt és 2012-ben felfedezett Higgs-bozonnak a kutatása.
Egy olyan detektornak, amely mindezek vizsgálatára alkalmas, rengeteg összetevőből kell állnia. Ez hatalmas méretet és súlyt jelent: a CMS-detektor hossza 22, átmérője 15 méter, tömege 14,5 ezer tonna – ez a párizsi Eiffel-torony tömegének a kétszerese. Maga az ütközési pont – amely egyben a berendezés szimmetriaközéppontja is – a detektor legbelsejében található.
A fizika kísérleti tudomány, egy elmélet igazságát úgy döntjük el, hogy kísérlettel ellenőrizzük azt.
Siklér Ferenc akadémiai székfoglaló előadásában azt hangsúlyozta, hogy a legfontosabb a kísérleti adatok korrekt elemzése, a modellekkel való összehasonlítása. A modellek csiszolásával jobban magyarázhatók a folyamatok. A professzor az ütközések során keletkező részecskék nyomkövetésével foglalkozott. Megfelelő módszerrel nemcsak a gyors, egyenesen haladó részecskék, hanem a lassan, ívelt pályán mozgók útja is megállapítható. Az akadémikus szerint sokat kell dolgozni azért, hogy bonyolult geometria esetén a nyomkövetés jól működjön. Persze, ha vannak megfelelő eszközeink, akkor könnyebb a fizika titkainak feltárása.
„Ha az ember elég ügyes, talán tud kvarkmentes részecskét kelteni, azaz egy gluonlabdát hagynak hátra az egymáson szóródott protonok. Az a cél, hogy az ütközések során ilyen gluonlabdákat keltsünk, s valahogy megmérjük a tulajdonságait. A kihívás óriási. Egyes modellek szerint léteznek kvarkmentes hadronok, de a tömegükre jóslat sincs. Remény, hogy ezt a tömeget sikerül behatárolni” – említ egy kihívást Siklér Ferenc.
A CERN kutatóinak a Higgs-bozon felfedezéséről szóló 2012-es bejelentése világszerte a hírügynökségek címoldalaira került, hiszen megerősítette a világ működését leíró standard modell utolsó hiányzó elemi részecskéjének létezését. (Fél évszázaddal azután, hogy a részecske létét megjósolta Peter Higgs brit elméleti fizikus.) A standard modell szerint a Higgs-bozon az anyag építőköveihez, a kvarkokhoz és a leptonokhoz kapcsolódhat, a részecske tömegével arányos csatolási erősséggel. (Világunk látható anyagát javarészt protonokba és neutronokba zárt könnyű kvarkok és a körülöttük keringő elektronok alkotják.) A csatolási erősség annak a mérőszáma, hogy két részecske mennyire erős kölcsönhatásban áll egymással.
A CERN munkatársai 2018-ban az isteni részecskeként emlegetett Higgs-bozon vizsgálatában újabb jelentős eredményt értek el: először bizonyították a bozon szétbomlását úgynevezett b-kvarkokra. Az eredmény a részecskefizika standard modelljének újabb megerősítését jelenti. „A világot, pontosabban annak általunk eddig megismert részét, anyagi és közvetítő részecskék alkotják. Az anyagi részecskéket elektronszerű részecskék (leptonok) és a hozzájuk rendelt ultrakönnyű neutrínók, illetve a kvarkok alkotják. Kvarkokból épül fel a proton és a neutron, belőlük pedig az atomok magja. Az anyagi részecskék közötti alapvető kölcsönhatások közül az elektromágnességet a foton, az erős kölcsönhatást a gluon, a gyenge kölcsönhatást a W- és Z-bozonok közvetítik. Egyelőre nem világos, hogy a tömegvonzás is részecskék cseréjével írható-e le, mindenesetre az a téridő geometriájával kapcsolatos. A Higgs-mező – valamint annak egy megnyilvánulása, a Higgs-bozon – teszi teljessé a képet. Nemcsak tömeget ad a részecskéknek, hanem hozzájárult az elektromágneses és gyenge kölcsönhatások önálló megjelenéséhez is, ahogy a világunk hűlt az Ősrobbanás után” – adott átfogó képet a részecskefizikáról az akadémikus.
Arra a kérdésre, hogy lehet-e bármilyen gyakorlati jelentősége a Higgs-bozon b-kvarkokra való szétesésének, Siklér Ferenc hat évvel ezelőtt egy hasonlattal felelt. Az elektromágneses mezőt a tudósok a 19. század közepén ismerték meg, majd a 20. században egymás után jelentek meg olyan alapvető eszközök, mint a rádió, a televízió, az elektromos motor, a mikrohullámú sütő vagy a mobiltelefon. Most még nagyon nehéz előre megjósolni a felfedezés jelentőségét.
2021 májusában arról érkezett hír, hogy a CERN-ben négy újabb részecskét fedeztek fel. Így 2009 óta összesen 59-féle részecskét találtak. Az akadémikus szerint a 2021-es felfedezés olyan összetett részecskékre vonatkozott, amelyek négy vagy öt kvarkot tartalmaznak. Miért érdekes ez? A részecskefizika standard modellje szerint csak a három kvarkot vagy egy kvark-antikvark párt tartalmazó összetett részecskék (hadronok) fordulnak elő, ezek viszonylag stabilak. Az előzőre példa a proton és a neutron, az utóbbira pedig a legkönnyebb ilyen részecske, a pion. Az, hogy miért csak ilyen részecskékkel találkozunk (a kozmikus sugárzásban és gyorsítókban), már régóta foglalkoztatja a fizikusokat. Vannak ilyen irányba mutató modellszámítások, amelyek nagyon kis gyakorisággal megengednek a modelltől eltérő (háromnál több kvarkot tartalmazó) összetett részecskéket is. Tényleg igaz, hogy egyre több összetett részecskét és ezek gerjesztéseit tartjuk nyilván. A Berkeley Laboratórium által karbantartott listát (https://pdglive.lbl.gov/, The Review of Particle Physics) érdemes böngészni.
Az LHC nem csak protont és nehéz ionokat gyorsít, létezik antiprotonprogramja is. (Ebben az antivilágban az antielektron pozitív, az antiproton ellenben negatív töltésű.) Az első antihidrogént is a CERN-ben állították elő. 2022 januárjában jelentették a fizikusok, hogy az antianyag lefelé esik, ami bár nyilvánvalónak hangzik, a tudósok azonban eddig még nem tudták megerősíteni, hogy pontosan ugyanúgy reagál-e a gravitációra, mint a hagyományos anyag.
Alapvető kérdés, hogy világunk miért csak anyagból áll, hová lett az antianyag (mai tudásunk szerint antianyagból is lehetne bolygókat, sőt még élőlényeket is felépíteni).
A világegyetem anyagának csupán öt százalékát ismerjük (galaxisok, bennük csillagok és bolygók, fekete lyukak); további mintegy 25 százalék tisztázatlan összetételű, úgynevezett sötét anyag, amelynek egyelőre csak a gravitációs hatásait látjuk. A világegyetem valamiért gyorsulva tágul, ezért feltételezések szerint a maradék 70 százaléknyi sötét energia lehet felelős, és ez szintén intenzív kutatások tárgya.
A tudomány iránt érdeklődőket élénken foglalkoztató kérdés, hogy az elmúlt évtizedekben közelebb jutottunk-e a sötét energia titkainak megfejtéséhez? Siklér Ferenc szerint a jelenleg működő kísérletek főként a sötét anyagi részecskék keresését célozzák. Olyan folyamatokat keresünk, amelyek a standard modellben jól számolhatók és jól is mérhetők, de lehetőséget nyújtanak új, egzotikus folyamatok megfigyelésére is. Az elméleti jóslat és a kísérleti eredmény közötti jelentős eltérések (más keltési gyakoriság, más szögeloszlás, váratlan ütközési események, egy új tömegcsúcs) sötét anyagi részecskékre utalhatnak. Az LHC további – mintegy 20 éves – mérési programja keretében pontosan ilyen izgalmas jelekre vadásznak.
Az akadémikus szerint a standard modell pozíciója mindenképpen erősödött az elmúlt években. Az LHC-nál működő nagy programok (ATLAS, CMS, LHCb, ALICE) ontják az egyre pontosabb méréseket, új adatokat. Azt látjuk, hogy a standard modell jóslatai egyre nagyobb megerősítést nyernek, különösen a Higgs-szektor esetében. Ugyanakkor vannak olyan apró eltérések, amelyek nem férnek be a modellünkbe. A Higgs-bozon tulajdonságait például nem ismerjük pontosan. Arra sincs válasz, hogyan illeszthető be a tömegvonzás (gravitáció) a standard modell kvantumos világába, az elektromágneses, a gyenge és erős kölcsönhatás mellé. Bebizonyosodott, hogy a neutrínók mégsem nulla tömegűek, ez továbbra is fejtörést okoz az elméleti fizikusok számára.
„Egyre pontosabb méréseink (neutrínó-oszcillációk, direkt tömegmérés) segítségével hamarosan választani tudunk az előre kidolgozott, módosított modellek között” – jósol Siklér Ferenc.•
Címlapkép forrása: Depositphotos/Kseniya-Omega