iPon Cikkek

A részecskekutatás állapotáról

Dátum | 2012. 05. 20.
Szerző | Jools
Csoport | EGYÉB

Május első felében Pittsburgh-ben került megrendezésre a 2012-es Fenomenológiai Szimpózium. A fenomenológia foglalkozik a részecskefizikában a kísérletek eredményeinek előrejelzésével és elemzésével. A konferencia elsődleges célja annak megtárgyalása volt, hogy mennyire valószínűsíthető, hogy az olyan kísérletek során, mint például a Nagy Hadronütköztető programja, „új fizikára” utaló nyomok bukkannak fel a közeljövőben, vagyis olyan dolgok, melyek nem magyarázhatók meg a standard modell segítségével, és amennyiben ez megtörténik, mi lehet a következő lépés.

A részecskefizika a hétköznapi anyagot felépítő aprócska egységek (kvarkok, elektronok stb.), valamint ezek nagy sebességű ütközések során keletkező egzotikus unokatestvéreinek viselkedését kutatja. A részecskegyorsítókban keresik a választ az atommag szerkezetének rejtélyeire, valamint arra, hogy milyen erők tartják össze az anyagot.

A protonok és neutronok építőkövei a kvarkok, ezek normál körülmények között nem létezhetnek szabadon, de kellően magas energiákkal „előcsalhatók”. A magas energiák segítségével új részecskék is kreálhatók, Albert Einstein óta tudjuk, hogy ha kellően nagy energiát ölünk egy-egy ütközésbe, annak egy része tömeg formájában valami újat hozhat létre.

Számos dolog merült fel az elmúlt évek kutatásai során, amelyek nem igazán illenek bele a részecskefizika standard modelljébe. Ezek egyike a sötét anyag problémaköre, amely elviekben az összes létező anyag 80 százalékát teszi ki a világegyetemben. Ez ‒ amennyire tudjuk ‒ semmiben sem hasonlít az általunk megszokott anyagokra. A standard modell másik hiányossága, hogy míg jó magyarázattal szolgál az erős, a gyenge és az elektromágneses kölcsönhatások működésére, nem vonja be a körbe a gravitációt. Mindez elképzelhetővé teszi, hogy rövidesen esetleg egy másik modellt kell találni a világ működésének leírására.


A szimpózium során nagy áttörésekről nem esett szó, viszont jó lehetőség adódott a részecskefizika területén uralkodó állapotok felmérésére, valamint a konferencia bepillantást nyújtott abba, hogy mire számíthatunk az elkövetkezendő években.

A tudományterület egyik központi problémája jelenleg a Higgs-bozon léte vagy nemléte. Ez a rejtélyes részecske adja az elméletek szerint a gyenge kölcsönhatás (a radioaktív béta-bomlás) közvetítőrészecskéinek, a W- és Z-bozonoknak a tömegét. A Higgs-bozon létezését először 1964-ben jósolták meg, a standard modell és más elméletek is feltételezik valódiságát, azonban mindeddig nem sikerült a nyomára akadni. A svájci Nagy Hadronütköztető, illetve a Fermilab detektorainak kísérletei már meglehetősen leszűkítették azt az energiatartományt, ahol a Higgs tartózkodhat, de egyértelmű bizonyítékot még nem talált senki. A svájciak protonokat ütköztetnek egymással a cél érdekében, míg a Fermilab Tevatronjában protonokkal és antiprotonokkal próbálkoztak.

A nagyenergiájú ütköztetések során felbukkanó részecskék sajnálatos módon nem felirattal együtt érkeznek, így a detektorok első pillantásra nem képesek megkülönböztetni ezeket. A részecskefizikai fenomenológusok veszik az érzékelők által mért halomnyi adatot, és megpróbálják ebből visszakövetkeztetni, hogy milyen részecske állhat egy-egy észlelés hátterében. A Higgs különösen kemény dió, mivel elméletileg elektromosan semleges (tehát nem hordoz elektromágneses tulajdonságokat), valamint nagyon rövid élettartamú, még a többi gyorsan bomló részecskéhez képest is.


Ráadásul a standard modell a Higgs-bozon lebomlására vonatkozóan többféle lehetőséget vet fel: elképzelhető, hogy két fotonra bomlik, két W-bozonra vagy két Z-bozonra. Minden lehetőséget végig kell tehát zongorázni a részecske keresésekor. Dieter Zeppenfeld, a Karlsruhei Műszaki Intézet munkatársának elmondása szerint a három lehetőség közül a legjobb a két Z-bozonra bomlás lenne, mivel ezt a fajta jelenséget nehéz bármivel is összekeverni. Ha ez utóbbi a helyes feltételezés, akkor már valóban nem sok helyen rejtőzhet a részecske, mivel a két Z-bozonos bomlások végigzongorázásakor már szinte minden lehetséges tömegtartományt kizártak a svájciak.

Mindhárom detektor észlelt viszont egy aprócska szignált, amely két fotonos vagy két W-bozonos bomlásra utal. A jel a 125 GeV-os energiaszint környékén mutatkozott, ami három egymástól független mérés esetében felettébb gyanússá teszi ezt a tartományt. A kutatók egyelőre óvatosan optimisták, akár azt is elképzelhetőnek tartják, hogy egy olyan hibáról van szó, amely mindhárom berendezés rendszerére jellemző. Erre persze kicsi az esély, de nem most szándékoznak hibákat elkövetni.

2012 folyamán a Nagy Hadronütköztető detektorai még nagyobb energiákon történő ütköztetések révén folytatják tovább a kutatást, és az év végéig tisztázódni fog a 125 GeV-on észlelt jel mibenléte. A Fermilab és vele az Egyesült Államok sajnálatos módon kiszállt a Higgs-vadászat további részéből, mivel 2011 őszén anyagi okok miatt kénytelenek voltak leállítani a Tevatron működtetését. Viszont még mindig rengeteg adat vár elemzésre a korábbi kísérletekből, így nem szabad teljesen leírni őket.

Közel tehát a kérdésre a válasz, és ha esetleg az derül ki a kísérletekből, hogy a Higgs-bozon nem létezik, akkor új elméletre lesz szükség a W- és Z-bozonok viselkedésének leírására.
 

Míg a kutatók többsége bizakodva várja a CERN újabb eredményeit, a szuperszimmetria elméletének szakértői kevésbé boldogok. A Higgs-bozonnak ugyanis fontos szerep van osztva ebben a standard modellből kiinduló elméletben is. A szuperszimmetria elmélete, avagy SUSY szerint minden ismert részecskének létezik egy szuperpartnere. Ezek nyilvánvalóan kis tömegűek, mivel eddig még nem fedeztük fel őket. A szuperszimmetrikus modellek a standard modell sok problémáját képesek megoldani. A terület művelőinek boldogtalanságát az okozza, hogy a SUSY legegyszerűbb változatában 125 GeV-nál sokkal nehezebbnek feltételezik a Higgs-bozont, így rajtuk igazából nem segít, ha meglesz a részecske, de aztán tömege miatt nem passzol a modellbe.

A szuperszimmetria elmélete egyébként is egyre több sebből vérzik, mivel a részecskeütköztetős kísérletek növekvő száma ellenére mindeddig egyetlen szuperpartner jelenlétét sem sikerült kimutatni. Csáki Csaba, jelenleg a Cornell fizika professzora szavaival élve: „SUSY egy gyönyörű nő, aki azonban mindeddig egyszer sem válaszolt a leveleimre. Idővel óhatatlanul felmerül a kérdés, hogy vajon létezik-e egyáltalán.”

A SUSY-t még nem kell temetni, akkor sem, ha valóban 125 GeV-nak bizonyul a Higgs-bozon tömege. De ez esetben módosításokra és kiegészítésekre lesz szükség, és minden ilyen lépéssel tovább veszít az elmélet eredeti eleganciájából. Éppen ezért a terület művelői igyekeznek valami olyan megoldást találni, amellyel versenyben is maradhat a modell, meg „kerek” is maradhat. (Szerintük elképzelhető például, hogy többfajta Higgs-bozon van.) A Nagy Hadronütköztető 2012-es eredményei olyan szempontból is nagyon fontosak, hogy talán végre a szuperpartnerek háza táján is előrelépést hoznak.


A szuperszimmetria elmélete rengeteg, számunkra egyelőre ismeretlen részecske létezését feltételezi, így magyarázattal szolgálhat a sötét anyag viselkedésére is. Ez utóbbi létezésére elsősorban csillagászati megfigyelések utalnak, láthatjuk gravitációs hatását a galaxisok csillagaira, valamint a korai univerzum sűrűségingadozásainak hátterében is a sötét anyag jelenléte állhat. Elméletileg tudjuk tehát az anyag helyét, de semmit sem tudunk felépítéséről, ez pedig már a részecskefizika asztala.

A legtöbb feltételezés szerint a sötét anyagot úgynevezett gyengén kölcsönható nagy tömegű részecskék (WIMP) alkotják. Ahogy a név is mutatja az alkotóelemekre a neutrínókhoz hasonlatos módon a gyenge kölcsönhatás hat, az erős nem, viszont sokkal nehezebbek, éppen ezért lassabbak a neutrínóknál. Tömegük a GeV-os tartományban van az elméletek szerint, így elképzelhető, hogy valójában az ismert részecskék könnyebb szuperpartnereinek valamelyikéről van szó.

A sötét anyag kutatására két mód kínálkozik, egyrészt kísérletet lehet tenni ennek létrehozására a részecskeütköztetőkben, vagy pedig közvetlenül kellene detektálni a WIMP-ek áthaladását a Földön. Ha sikerül létrehozni sötét anyagot mesterségesen, akkor még hátravan annak észlelése, ami ismét trükkös lehet: csak a kísérlet energiamérlegén keresztül lehetne detektálni az anyag jelenlétét, mivel az energia egy része látszólag „hiányozna”, hiszen a detektorok által észlelhetetlen részecskék hordoznák azt. Mindezidáig ezzel a módszerrel nem sikerült sötét anyagot kimutatni.

Aditya Yechan Gunja és Kathryn Zurek beszámolója szerint az is lehetséges, hogy a WIMP-ek tömege kisebb, mint feltételezték, és valamiféle új, gyengénél gyengébb kölcsönhatás hat rájuk. Zurek megfogalmazása szerint a sötétanyag-kutatások többségével az a probléma, hogy ahogy a részeg a lámpa által megvilágított fénykörben keresgéli elveszett kulcsait, úgy a kutatók is hajlamosak túlzottan az olyan energiatartományokra koncentrálni, amelyek átfésüléséhez megvannak az eszközeik. Közben pedig lehetséges, hogy egészen másfelé kellene koncentrálni a keresést.


Jelenleg a Xenon Dark Matter Project és a CDMS elnevezésű program próbálkozik a világűrből érkező, 100 GeV-nál nehezebb WIMP-ek észlelésével. Egyelőre nem jártak sikerrel, de ha valóban erre téved egy sötétanyag-részecske és a feltételezett tömegtartományba esik, akkor elviekben ezen kísérletek révén egyértelműen észlelhető lesz.

Felmerül a kérdés, hogy ha a következő években valóban befutnak az ígért eredmények, és ezek nem illeszthetők bele standard modellbe, onnan hova léphetünk tovább. A SUSY nagyon bíztatónak tűnt ilyen szempontból, de jelenleg a standard modellnél is ingatagabb lábakon áll, így más elméletekre lehet szükség.

A szimpózium egyik ülésén szó esett az úgynevezett technicolor-elmélet létjogosultságáról, amennyiben mégsem sikerül a Higgs-bozon nyomára akadni. Eszerint egy ötödik alapvető erő létezik a fizikában, a gravitáción, az elektromágnesességen, az erős és a gyenge kölcsönhatásokon kívül. Ez az erős kölcsönhatáshoz hasonlítható a leginkább, csak éppen magasabb energiákon működik, és képes tömeggel felruházni részecskéket, fölöslegessé téve ezzel a Higgs-bozont. Az elmélet legegyszerűbb változatát azonban, a SUSY alapesetéhez hasonlóan cáfolták a Nagy Hadronütköztető eredményei, így ezen is jelentősen bonyolítani kellene ahhoz, hogy megállja a helyét.

A következő évi szimpózium valószínűsíthetően nagyon más lesz, mint a mostani. Addigra meglesznek az eredmények arra vonatkozóan, hogy a Higgs-bozont észlelték-e a 125 GeV-os tartományban vagy sem, ami sok kérdést eldönt majd, és valószínűleg még több újat vet fel. Az adatok biztatóak: a Nagy Hadronütköztető az év első négy hónapjában annyi ütközést produkált, mint amennyit tavaly július végéig sikerült összehozni, így lesz mit elemezniük a kutatóknak, és remélhetőleg válaszokra is bukkannak közben. 

Új hozzászólás írásához előbb jelentkezz be!