Forrás: Depositphotos/Kseniya-Omega

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.

Nemcsak az a kérdés, hogy miből áll a világ, hanem az is alapvető, hogy mi tartja össze.

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 Nagy Hadronütköztető (LHC) egy kör alakú, föld alatti alagútban helyezkedik el, amelynek kerülete közel 27 kilométer. (Forrás: cern.ch)

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.

A Kompakt Müon Szolenoid (CMS) az LHC egyik detektora, a franciaországi Cessy település alatt található. (Forrás: Depositphotos/Belish)

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 protonok kvarkokból (anyagrészecskék) és gluonokból (erőrészecskék) állnak. A gluongolyó tisztán gluonokból áll. A cél az ütközések során ilyen gluonlabdák keltése és a tulajdonságainak mérése.

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.

A részecskefizika standard modellje

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