Mennyire vehetjük bizonyítottnak, hogy felfedeztük a Higgs-bozont?

Nagy tudományos szenzációt keltett 2012-ben, amikor a CERN-ben dolgozó kutatói kollektíva bejelentést tett az új szubatomi részecske felfedezéséről. Ez megfeleltethető volt a brit elméleti fizikus, Peter Higgs és munkatársai által elméleti úton feltételezett részecskének, amit a szakma Higgs-bozonnak nevezett el. A következő évben a felfedezést már Nobel-díjjal jutalmazták, amit Higgs megosztva kapott meg François Englert belga elméleti fizikussal, ugyanis az indoklás szerint ők játszották a legfontosabb szerepet az elmélet kidolgozásában.

De mennyivel tudunk többet erről a rejtélyes részecskéről, mennyivel látjuk világosabban ennek tulajdonságait az elmúlt néhány év kutatómunkájának köszönhetően? Ennek megértéséhez mindenekelőtt arra van szükség, hogy értsük, mi előzte meg az elmélet kidolgozását, és mi okozta, hogy közel fél évszázadot kellett várni a részecske felfedezésére.

Standard Modell: a részecskefizika eredményeinek összegzése

A szubatomi részecskék tulajdonságait, átalakulását és bomlását a a kvantummechanikával és a speciális relativitáselmélettel összhangban álló kvantumtérelmélet, a Standard Modell összegzi. Az osztályozás egyik szempontja a spin, azaz a részecskék saját impulzusnyomatéka: Sħ, ahol ħ = h/2π a redukált Planck-állandó. Az egyik típusba tartoznak a félegész spinű (S = ½, 3/2) fermionok, a másikba az egész spinű (S = 0,1) bozonok. Aszerint is osztályozzuk a részecskéket, hogy melyek a ténylegesen „elemiek”, azaz nem oszthatók tovább, ezek az S = ½ spinű kvarkok és leptonok, valamint az S = 1 spinű kölcsönhatás-közvetítő bozonok (a foton az elektromágneses erőt, a W és Z bozon a gyenge kölcsönhatást, a gluonok az erős kölcsönhatást közvetítik). 

A másik típusba tartoznak az összetett szubatomi részecskék: ezeket nevezzük hadronoknak, és ezek ütköztetésére hozták létre az Európai Nukleáris Kutatási Szervezetben, a CERN-ben a nagyenergiájú gyorsítót, a Large Hadron Collidert (LHC). A hadronoknak is két típusa van, a kvark-antikvark összetételű mezonok (ezek mindig bozonok), valamint a vagy három kvarkból, vagy három antikvarkból felépülő barionok (ezek mindig fermionok). A barionok közé tartozik az atommagokat felépítő két nukleon is: a proton és a neutron. Az LHC- kísérletekben két protonnyalábot gyorsítanak fel a fénysebesség közelébe, és ütköztetik őket egymással.

A kvarkok különös tulajdonsága, hogy töltésük nem egész számú többszöröse az elemi töltésnek. Ennek alapján beszélünk két típusról (az angol szakirodalomban flavour). Az egyik az elemi töltés kétharmadával („fel” típus), a másik egyharmadával („le” típus) rendelkezik, és mindkét típusnak három „generációja” van. A „fel” típus töltése 2/3e, ennek három generációja az up (u), a charm (c) és a top (t), a „le” típus töltése –1/3e, ide tartozik a down (d), a strange (s) és a bottom (b) kvark. Mindegyiknek van antirészecske párja, ahol a töltés előjele fordított. A két nukleon az első generációs kvarkokból épül fel: az uud konfiguráció építi fel a pozitív töltésű protont, az udd a töltés semleges neutront. 

A három generációt renormált tömegük különbözteti meg egymástól; a magasabb generációkhoz nagyobb tömeg tartozik. Azért beszélünk renormált tömegről, mert tört töltésű szabad kvark nem figyelhető meg, és így nincs közvetlen adat a tömegek nagyságáról. A megfigyelhetőség hiányát magyarázza a bezártság elv, amely szerint a kvarkok közötti erős kölcsönhatásra van szükség a tört töltésű kvark konfigurációk létrejöttéhez az egyébként mindig egész vagy nulla töltéssel rendelkező hadronstruktúrákon belül.

Nem beszéltünk még a leptonokról, ide tartozik az elektron és pozitron típusú részecskék három generációja: az elektron, a műon és a tauon, valamint a töltéssemleges neutrínók családja, ahol szintén három generációt különböztetünk meg. A leptonoknak is van antirészecske párja, bár ez a neutrínók esetén nincs bizonyítva.

Megmaradási és invarianciaelvek

A Standard Modellben a részecsketulajdonságokat különböző megmaradási illetve invariancia-elvek foglalják össze. Ide tartozik többek között a töltés, a spin és a paritás (ez egy tükrözési szimmetria) elve. A legfontosabb szimmetriatulajdonságok az úgynevezett mérték- (gauge) invarianciából következnek. Ennek megértéséhez mindenekelőtt tisztázni kell két alapfogalom viszonyát: mit értük a mező (field) és tér (space) alatt. Ez azért is fontos, mert a hazai gyakorlatban gyakran beszélünk elektromos és mágneses térről, amivel elmossuk a két fogalom közötti különbséget. Tér (space) alatt geometriai viszonyokat (távolságokat, irányokat) értünk, míg a mező (field) fogalmával a tér különböző pontjaiban ható erőket adjuk meg. Például az elektromos mező mutatja meg, hogy mekkora erő hat az egységnyi töltésre. A különböző kölcsönhatásokat más és más mezőelmélet írja le, amelyekben kulcsszerepet játszik, hogy milyen matematikai transzformációk (például forgások, tükrözések, térbeli eltolások) hagyják változatlanul az erőhatásokat. Ezt nevezzük invarianciának. Ennek megértése fontos, ha képet akarunk alkotni Higgs elméletéről.

Mezőelméletek és mértékbozonok

Mindegyik mezőelmélet alapelve, hogy a fizikai objektumokra ható erőt virtuális részecskék közvetítik, ezeket nevezik mértékbozonoknak. Például az egymástól bizonyos távolságban levő proton és elektron között azért jön létre vonzóerő, mert mindkét részecske folytonosan fotonokat (ez a mértékbozon egyik típusa) bocsát ki és nyel el, ami lökések sorozatát hozza létre a két részecskén, és a lökések eredője vonzóhatásként jelentkezik. Ezeket a fotonokat azért nevezi az elmélet virtuálisnak, mert közvetlenül nem figyelhetjük meg őket, csupán az erő fenntartása miatt van róla tudomásunk.

Négy alapvető kölcsönhatási típust különböztetünk meg: a gravitációt, az elektromágneses erőket, a részecskéket átalakító gyenge és a kvarkokat összeforrasztó erős kölcsönhatást. Az utóbbi hármat sikerült egységes mezőelméletbe foglalni, egyedül a gravitáció maradt ki a sorból, noha közel száz éve keresi a fizika a közös, mindent átfogó elméletet. A kudarc oka véleményem szerint az lehet, hogy a gravitációhoz nincs szükség közvetítő részecskére, hiszen ezt az erőt maga a tér hozza létre a tömegek által deformált görbült geometria által, ahogy azt Einstein általános relativitáselmélete megfogalmazza. Ezzel szemben a többi erő már ennek a geometriai térnek elkülönült pontjai között hat, amelyet valamilyen módon közvetíteni kell, és ezt a feladatot oldják meg a mezőelméletben a virtuális kölcsönhatási bozonok.

A tömeggel rendelkező gyenge kölcsönhatási bozonok

Higgs koncepcióját úgy érthetjük meg, ha előzőleg tisztázzuk az elektromágneses, a gyenge és az erős kölcsönhatás viszonyát. Amíg az elektromágneses erő mindig két töltéssel rendelkező részecske között hat, addig a gyenge kölcsönhatás alapvetően a különböző részecskék átalakításáért felelős. Ez a kölcsönhatás csak igen rövid távon hat, ami még az atommagok sugaránál is kisebb, és a rövid hatótávolság a kölcsönhatást közvetítő bozonok nagy tömegére vezethető vissza. Szemben a gammasugarakkal, amelyeknek zérus a nyugalmi tömegük, a gyenge kölcsönhatási bozonok a részecskefizika nehézsúlyú bajnokai: az elektromos töltéssel rendelkező W bozon tömege 80,385 GeV/c², a semleges Z bozoné pedig 91,188 GeV/c². A nagyságrendi viszonyokat jellemzi, hogy a szóban forgó bozonok tömege mintegy nyolcvanszor, illetve kilencvenszer haladja meg a neutronét és a protonét. A két bozon élettartama viszont rendkívül rövid, bomlásuk felezési ideje nem éri el a 10^-24 másodpercet sem.

Mi az a színtöltés?

A kvarkokat összetapasztó, szintén rövid hatótávolságú erős kölcsönhatás a kvarkok egy további tulajdonságán, a színtöltésen alapul. A színtöltésnek – az elektromos töltés kétféle (pozitív és negatív) előjelével szemben – három értéke lehet. Ez a hármasság onnan látható, hogy léteznek három azonos kvarkból felépülő részecskék is (például uuu, vagy ddd), ami a Pauli-elv szerint egyébként nem lenne lehetséges, mert két fermion nem lehet ugyanabban a kvantumállapotban. (Amikor a fermionok egyetlen héjat alkotnak, a Pauli-féle kizárási elv csak két azonos részecskét enged meg, amit a spin vetületi kvantumszámának két különböző értéke: +½ és –½, tesz lehetővé.)

Mi tette szükségessé a Higgs-elmélet kidolgozását?

A felsorolt ismeretek birtokában már hozzákezdhetünk Higgs elméletének ismertetéséhez. A mezőelméletek alapfogalma a már említett mértékinvariancia, amely összegzi a szimmetriatulajdonságokat. Ez az elv jól alkalmazható az elektromágneses és erős kölcsönhatások esetén, de gondot okoz a gyenge kölcsönhatásnál, mert az elmélet zérus nyugalmi tömegű bozonokat követel meg. Az 1960-as évek közepén vetették fel elméleti fizikusok, Higgs és munkatársai, azt a lehetőséget, hogy létezhet egy újabb kölcsönhatási mező, amely megtöri a szimmetriát, és ezáltal megengedi, hogy a gyenge kölcsönhatási bozonok tömeggel rendelkezzenek. Kezdetben a fizikus társadalom nem sok figyelmet szentelt ennek az elméleti feltevésnek, és évtizedeknek kellett eltenni, hogy komolyan vegyék. A feltámadt érdeklődés oka, hogy minden más olyan elmélet csődöt mondott, amellyel értelmezni próbálták a W és Z bozonok tömegének eredetét. Tovább növelte a Higgs-koncepció elfogadottságát, hogy olyan mechanizmust is feltételezett, amely a fermionok tömegére is magyarázatot tudott adni.

Mi a szimmetriatörés?

De mit is értünk szimmetriatörés alatt? Képzeljük el, hogy a tér minden pontján – még a vákuumban is – létezik egy potenciál, amely leír egy különös erőt. Ez a potenciál a magas szimmetriájú helyen maximummal rendelkezik, de onnan kibillenve alacsonyabb energiára tesz szert. Ezt a mexikói kalappal szokták összehasonlítani, amely középen kiemelkedik, és ha ott rátennénk egy golyót, az onnan valamelyik irányban legurulhatna a kalap peremére, ahol a karima van. Amíg fent van a golyó, addig magas a szimmetria, hiszen minden irány egyenlő, de a legurulás – amely mozgási energiát hoz létre – egyúttal kijelöl egy konkrét irányt, azaz a szimmetria lecsökken. De miért nem vesszük észre ezt az erőt? Azért, mert a tér minden pontján azonos hatást hoz létre! Ugyanakkor a szimmetriatörésből fakadó energiakülönbség lehetőséget ad rá, hogy ebből az energiából „kölcsön lehessen venni”. Például ezzel tudjuk magyarázni a neutronok bétabomlását. Ebben a bomlási folyamatban a neutron úgy alakul át protonná egy-egy elektront és (anti)neutrínót kibocsátva, hogy első lépésben képződik egy W^- bozon, amelynek tömege a neutron tömegének nyolcvanszorosa. Tehát – hacsak egy rendkívül rövid időre is – de látszólag felborul az energiamegmaradás törvénye, de azért csak látszólag, mert rejtetten megvan ennek a fedezete a Higgs-mezőben. A W bozon azonban gyorsan elbomlik elektronra és neutrínóra, visszaadva ezáltal a „kölcsönvett” energiát.

Hogyan bizonyítható a Higgs-elmélet?

Az elmélet igazán szép, de mi garantálja, hogy a természet tényleg úgy viselkedik, ahogyan azt leírjuk egy elméletben? Ennek igazolásához szükség van kísérleti bizonyítékra is. Ez az igény tette szükségessé nagy energiájú ütközési kísérletek megvalósítását. Azért kell a nagy energia, ami alatt a 100 GeV fölötti tartományt értjük, mert a W és Z bozonok tömegét csak az ennél nagyobb tömegű részecske hozhatja létre. Ilyen kísérletre adott lehetőséget az LHC gyorsító megépítése.

A Higgs-bozon kimutatása több okból is rendkívül nehéz feladat. Ennek egyik oka a részecske várható élettartama (az elmélet szerint nem hosszabb, mint 10^-22 másodperc). Emellett a részecske képződési aránya is nagyon kicsi: egyetlen Higgs-bozon létrejöttéhez 10 milliárd proton-proton ütközést kell létrehozni. És ez még nem minden, mert a rövid élettartam miatt csak a bozon bomlástermékeinek megfigyelésére van esély. A kimutatáshoz ezért a bomlási csatornák részletes analízisére van szükség. Két ilyen csatornát érdemes keresni, az egyikben két gamma sugár kilépésére kell számítani az annihilációs folyamatban, a másikban pedig két műon-antiműon párra. Ezek detektálására két detektort fejlesztettek ki, az elsőt nevezték el CMS, az utóbbit ATLAS detektornak. Két független és egymással nem kommunikáló tudóscsoport végezte el a bomlási csatornák analízisét. A kimutatás nehézségét az adja, hogy a keresett Higgs-mechanizmus mellett egyéb bomlási folyamatok is járulékot adhatnak a nagy energiájú ütközési kísérletekben. Ezért a vizsgálatokban, amikor végigpásztázták a 100 GeV feletti tartományokat, a többletre kellett koncentrálni: azt kellett megállapítani, hogy milyen energián jön létre nagyobb csatornaintenzitás ahhoz képest, amit a már ismert bomlási folyamatok idézhetnek elő. A többlet megtalálásához támaszkodni lehetett arra az adatállományra, amit a részecskefizikusok több évtizedes munkával raktak össze. Óriási számú bomlási képet kellett így kiértékelni, hogy megtalálják azt a különbséget, ami már nem volt értelmezhető a Standard Modellben korábban feltárt folyamatok által. Megbízható eredmény elérése érdekében ezért százbillió bomlási csatorna analízisét kellett elvégezni. A két független kutatócsoport végül azonos eredményre jutott: a 125 GeV tartományban rendkívül nagy biztonsággal kijelenthető volt, hogy létezik egy eddig ismeretlen részecske, amelyet a keresett Higgs-bozonnak lehetett tulajdonítani.

Mennyire biztos, hogy a felfedezett részecske tényleg a Higgs-bozon?

De mi a biztosíték arra, hogy a megfigyelt új részecske tényleg a Higgs-bozon, és nem valami más? Nem lehet például egy új, eddig nem detektált mezon vagy barion? Emlékezzünk rá: a mezonok egy kvarkból és egy antikvarkból épülnek fel. Bár sok mezont sikerült azonosítani, olyan szubatomi részecskét még nem sikerült detektálni, amelyben top kvark vett volna részt. Ugyanez elmondható a három kvarkból felépülő barionokra is. A top kvark sokban eltér a többi kvarktól nagy renormált tömege miatt, ami még az LHC-kísérletben kimutatott új részecske tömegét is lényegesen meghaladja: 172,44 GeV/c². Élettartama rendkívül rövid (5·10^-25 s), ezért azelőtt elbomlik, hogy az erős kölcsönhatás révén hadront hozhatna létre. Az eddig megfigyelt hadronok viszont, amelyekben nincs top kvark, a 10 GeV/c² tömegnél kisebbek, így nagy valószínűséggel kizárható, hogy az új részecske a hadronok családjába tartozna.

Az azonosításhoz arra is szükség van, hogy összevessük a 125 GeV energián megfigyelt részecske tulajdonságait a Higgs-bozonéval, amelynek nincs se elektromos, se színtöltése, és nulla a spin is. Itt emeljük ki ez utóbbi tulajdonságot, mert ez egyedülálló a Standard Modellben: a spin ugyanis az egyetlen olyan tulajdonság, amivel kivétel nélkül minden más elemi részecske rendelkezik. A spin hiánya a Higgs-mező sajátságából fakad, ugyanis minden más kölcsönhatási bozon a részecskékre ható erőt közvetíti a szimmetria megtartása mellett; a Higgs-bozonnak viszont az a funkciója, hogy a szimmetriatörés által létrehozza a többi részecske tömegét.

A felfedezett részecske tulajdonságainak meghatározásánál az okozza a nehézséget, hogy csak a bomlási termékeket tudjuk megfigyelni, és ezért közvetettek az információk. Az nagy valószínűséggel megállapítható, hogy a spin tényleg nulla, az viszont már bizonytalanabb, hogy mit mondhatunk az elektromos és színtöltésről.

Két fontos érv mindazonáltal van, ami amellett szól, hogy tényleg a Higgs-bozont sikerült megtalálni: egyrészt tényleg létezik egy részecske a várt energiatartományban, másrészt erre az új részecskére nincs elfogadható egyéb magyarázatunk. A tudományban viszont kötelező az óvatosság, ezért a szakma – eltérően a zsurnalisztáktól – inkább annyit mondhat, hogy jelenlegi tudásunk szerint a megfigyelt új részecske nagy valószínűséggel a Higgs-bozon, de nem állítja, hogy az elmélet minden kétséget kizárólag bizonyított lenne. Az egyértelmű bizonyításhoz szükség lenne újabb, még nagyobb energiával történő kísérletekre, ahol esély lenne megfigyelni két Higgs-bozontól származó reakciókat is. Fontos lenne tovább tanulmányozni a top kvark és a Higgs-mező kapcsolatát is. Ennek oka, hogy a többi elemi részecskétől eltérően a Higgs-bozon egyedül nem adhat tömeget a nála nehezebb top kvarknak. Másfelől a Higgs-bozon képződési mechanizmusában a top kvark alapvető szerepet játszik. Ez az egyik fő érv, amellyel indokolják, hogy szükség lenne létrehozni az LHC-nél lényegesen nagyobb energiájú gyorsítót. Ennek tervezése folyamatban van, és már nevet is adtak neki: FCC, azaz Future Circular Collider. Végső döntés a megvalósításról még nem született.

A szerző fizikus, a BME és az ELTE címzetes egyetemi tanára. A Qubiten a Kalandozások a fizikában címen futó sorozatának korábbi írásai itt olvashatók, tudósportréit pedig itt találod.