Talán Nobel-díjat ér, talán csak mérési hiba a magyar fizikusok szenzációs felfedezése, az X17 részecske

November végén atombombaként robbant a hír, miszerint debreceni fizikusok egy csapásra a Nobel-díj várományosaivá váltak. Az Atommagkutató Intézet (Atomki) Krasznahorkay Attila vezette kutatócsoportja másodjára mutatott ki egy eddig ismeretlen részecskét. Legalábbis így értelmezik kísérleteik eredményeit, és az általuk feltételezett új részecske mögött az eddig ismert négy után az ötödik természetalkotó erőt sejtik. 

Krasznahorkay Attila az Atomkiben munka közbenForrás: Krasznahorkay Attila

Bár a debreceni kutatócsoport már októberben nyilvánosságra hozta kísérleteinek eredményeit az ArXiv online tanulmánytárban, a világsajtót csak azután járta be a hír, hogy a CNN és annak nyomán számos hazai és nemzetközi sajtóorgánum tudományos szenzációként ismertette az eredmény lényegét. A mozifilmek világát idéző hangzatos címekben a Nobel-díj mellett váltakozva szerepeltek a tudományos forradalom, a sötét anyag és az ötödik erő hívószavak. 

Mit is csináltak Debrecenben?

Idén októberben részletezett kísérletei során Krasznahorkay és kutatócsoportja először gerjesztette a hélium atommagját (pontosabban a hélium természetben leggyakoribb, stabil 4-es izotópjának az atommagját), majd megfigyelték, hogyan tér vissza az alapállapotba. Ehhez egy speciális, saját maguk által épített tömegspektrométert használtak, amivel olyan elektron-pozitron párokat fogtak be, amelyek kibocsátásával az atommag megszabadult a többletenergiájától. Így vettek észre azt az energiacsomagot, amelynek tulajdonosát egy új energiahordozó részecskének, az X17 bozonnak vélik.

Aki új részecskékre vadászik, arra számít, hogy az atommag bomlását a fizika ma ismert standard törvényszerűségeivel le nem írható jelenségek kísérik. Mint Krasznahorkay a Qubitnek elmondta, szerinte épp ez történt az ő esetükben is. Az energiacsomag, amit elcsíptek, a 17 megaelektronvoltos (MeV) tartományba tartozik, viszont a standard modell szerint ebben az energiatartományban nincsenek az energia közvetítésére szolgáló részecskék, mert ezek, vagyis az úgynevezett kölcsönhatási bozonok a mai ismeretek szerint a gigaelektronvoltos tartományba esnek. Az X17 tömege viszont, ha igaz, mindössze 34-szerese az elektron tömegének. 

A debreceni kutatócsoport magabiztosságát nem kis mértékben gerjeszti a tény, hogy nem először figyelték meg a szóban forgó, 17 MeV-es részecskét. Krasznahorkay és társai 2016-ban már bemutattak egy hasonló kísérletet, ami tulajdonképpen csak abban különbözött a mostanitól, hogy akkor nem a hélium, hanem a berillium (8-as izotópjának) atommagját használták a kimutatásához.

A fizikusok nem bíznak egymásban

Minden szenzációgyanús részlete ellenére Krasznahorkayék 2016 januárjában a kifejezetten mértékadó Physical Review Lettersben megjelent berillium-kísérlete akkor csaknem a süllyesztőben végezte. Tanulmányuk publikálása után négy hónappal azonban Jonathan Feng kaliforniai elméleti részecskefizikus professzor olyan elmélettel állt elő, ami magyarázatot adott a debreceni csapat kísérleti eredményeire. Feng és kutatócsoportja az Atomki tudósai által mért, a standard fizikai modell szerint anomáliának számító energiát a legnevesebb tudományos lapokban azonosította először a sötét fotonnal, majd egy ötödik természetformáló erővel. Az új, héliumos kísérlet után ugyancsak Feng volt az, aki a CNN figyelmét Debrecenre irányította.

Krasznahorkay Attila (jobbra) és munkatársai kapcsolatot találhattak a sötét anyaghozForrás: Krasznahorkay Attila

Az Atomkiben mért eredmények értelmezésében nemcsak a fizikusok, hanem a tudománykedvelő laikusok is két táborra szakadtak. Az egyik tábor, különösen az idei héliumos kísérlet után, máris Krasznahorkay zsebében látja a Nobel-díjat, mások viszont, különösen a 2016-os első eredmények után, kételkedtek abban, hogy az Atomkiban világszenzációra bukkantak volna. Feng kutatócsoportjának egyik tagja, Iftah Galon, az amerikai Rutgers Egyetem elméleti részecskefizikusa a Qubitnak kifejtette, hogy még ha az X17 létezésére kell is további bizonyítékokat gyűjteni, a debreceni kísérleteket illene nagyon komolyan venni. Galon hangsúlyozta: a debreceni eredményeket az támasztaná alá a legegyértelműbben, ha a feltételezett új részecskét nem magfizikai eljárásokkal is ki lehetne mutatni. 

Ugyanezt írta a Qubitnek Rudolf Sykora is, aki a Prágai Műszaki Egyetem Kísérleti és Alkalmazott Fizikai Intézetében igyekszik kutatócsoportjával a debreceni eredményeket megerősíteni. Kutatócsoportja még csak a megfelelő detektor megépítésén fáradozik ugyan, de azon vannak, hogy az Atomkiban dolgozó magyar kutatók kísérletsorozatát ne csak megismételjék, hanem a bizonyító eljáráson is módosítsanak. 

Másoknak is meg kellene találni

Noha a debreceniek idei, héliumos eredménye némiképp kifoghatja a szelet a kétkedők vitorlájából, sokan továbbra sem hiszik, hogy az Atomkiben mért energiák új részecskére utalnának. Egy neve elhallgatását kérő, Zürichben dolgozó részecskefizikus szerkesztőségünkbe juttatott levele szerint fontos ellenérv lehet, hogy az X17 részecskét a CERN-ben is megpróbálták bemérni, csak épp – az ugyancsak a Physical Review Lettersben megjelent tavalyi beszámolójuk szerint – nekik nem sikerült. (A kételkedő fizikust megkerestük, de kételyein kívül további részleteket nem osztott meg velünk.)

Kérdésünkre azonban nemcsak Krasznahorkay, hanem más általunk felkeresett fizikusok, például Horváth Dezső, a Wigner Fizikai Kutatóközpont részecskefizikus professzora és a CERN magyarországi bizottságának a tagja, valamint Rockenbauer Antal kémiai fizikus professzor, a Qubit állandó szerzője is azt mondta, hogy bármilyen csillogóak és modernek is a CERN berendezései, abban a tartományban, amelyben az Atomki méréseit végezték, nem vetekszenek a debreceni egyedi tömegspektrométerrel. 

Az X17-re rátaláló debreceni berendezésForrás: Krasznahorkay Attila

Krasznahorkay és csapata már évtizedek óta új részecskékre vadászik, igaz, az 1990-es években kezdődő kísérleteikben még a 9 MeV-es tartományban kerestek felfedezésre váró részecskéket. Itt ugyan nem találtak semmi említésre méltót, viszont 2012-ben új, a világon egyedülállónak számító tömegspektrométert építettek, ezzel sikerült befogniuk három évvel később az X17-et. A CERN-ben azonban elsősorban magas energiájú méréseket végeznek, magyarázta Horváth, ezek leginkább a 17 MeV-hez képest (több) ezerszeres energiájú részecskék, például a 2012-ben kísérletileg itt igazolt Higgs-bozon kimutatására alkalmasak.

Horváth egyetért ugyan azzal, hogy a debreceniekétől eltérő módszerekkel is ki kellene tudni mutatni a feltételezett bozont, csakhogy annak méretei alapján nem nagyon tud elképzelni olyan alternatív eljárást, ami erre alkalmas lehet. Elmondta ugyanakkor, hogy létezik a világon egy-két olyan laboratórium, például az amerikai Jefferson Lab, ahol kifejezetten a szóban forgó energiatartomány vizsgálatára alkalmas berendezések vannak. Horváth szerint a kétkedő fizikusokat meggyőzhetné, ha ott is sikerülne az X17 nyomára bukkanni. A részecskefizikus azonban úgy véli, a debreceniek mellett szól, hogy a rejtélyes részecskét immár két gerjesztett atommag bomlási folyamata során sikerült kimutatniuk.

Ha van X17, akkor is kérdés, mit csinál

Ami az X17 részecske potenciális szerepét illeti, a kaliforniai elméleti fizikusokon kívül mindenki nagyon óvatosan fogalmazott. Iftah Galon a Qubitnek azt írta: az Atomki adatsorából jól látszik, hogy az új részecske, ha a létezése bizonyságot nyer, bozonként vonul majd be a részecskekatalógusba. Ez szerinte azért nagyon valószínű, mert az eddigi megfigyelések alapján az X17 más részecskék közötti kölcsönhatásokban jár közre, energia közvetítésével. Ezért is jutottak arra a következtetésre, hogy egy eddig ismeretlen, ötödik természeti erő közvetítője lehet.

A Qubit által megkeresett fizikusok közül azonban többen is úgy vélik, hogy ha volt is új részecske az Atomki tömegspektrométerében, kissé erőltetett azt állítani, hogy köze van a sötét anyaghoz. A fizika standard modellje egyelőre négy természetalkotó erő alapján magyarázza az univerzum kialakulását és működését. Az erős kölcsönhatás tartja egyben a kvarkokból álló protonokat és neutronokat, amelyek az atommagokat alkotják; a gyenge kölcsönhatás vezérli az atommagok bomlását, vagy legalábbis annak bizonyos fajtáit, az elektromágneses kölcsönhatás pedig nem más, mint az elektromágneses mező töltött részecskékre gyakorolt hatása. Ennek a három természetalkotó erőnek a közvetítő részecskéit is sorra kimutatták. A negyedik természetalkotó erő, a gravitáció némiképp kilóg már a standard modellből is. 

A gyenge kölcsönhatást három (W+, W-, és Z), az erős kölcsönhatást pedig nyolcféle bozon közvetíti. A bozonok (erős kölcsönhatás esetén a gluon kifejezés is használatos rájuk) az energiát közvetítik az atomokat, elemeket alkotó részecskék között. A kölcsönhatási folyamatokat közvetítő bozonok virtuálisak: rendkívül rövid időtartamra átveszik egy részecskétől az energiáját, és átadják azt egy másiknak. Az elektromágneses kölcsönhatások elemi energiaközvetítő részecskéje, bozonja a foton. A negyedik alapvető kölcsönhatás, a gravitációs erő azért lóg ki a természetalkotó erők sorából, mert a többi kölcsönhatásban kulcsfontosságú közvetítő részecskét mindeddig nem sikerült a gravitációhoz  kötni, noha feltételeznek ilyet is, a neve graviton. 

A debreceni eredmények megismétlésére készülődő prágai kutatócsoportban dolgozó Sykora szerint az X17-et leginkább azért próbálják a sötét anyag és a látható világ részecskéi között közvetítő bozonként értelmezni, mert miközben a látható világban zajló fizikai kölcsönhatásokról viszonylag sokat lehet tudni, az univerzum jelentős részét alkotó sötét anyagról már alig valamit. A fizikusok jelenlegi elképzelései szerint, magyarázza Horváth, az univerzumnak mindössze 5 százalékát alkotja a látható világ, miközben 26 százaléka a sötét anyag és 69 százaléka a sötét energiából áll össze. Krasznahorkay szerint Fengék leginkább azért értelmezték a sötét anyaggal való kapcsolattartás bozonjaként az általuk talált részecskét, mert a kétféle anyag közötti kapcsolatról, valamint a sötét energiáról ma még szinte semmit nem lehet tudni, és azt a standard modell nem képes megmagyarázni. Így aztán bármilyen új, a standard modellel nem magyarázható bozon kimutatása esetén felmerülhet, hogy a látható világ és a sötét anyag között teremt kapcsolatot.

Mérési vagy statisztika hiba is lehet

Többen úgy vélik azonban, hogy a debreceni mérések hátterében inkább keresendő a kozmikus háttérsugárzás, vagy más mérési, illetve statisztikai hiba, mint új részecske. Ennek kizárására folynak az előkészületek az Ausztrál Nemzeti Egyetemen is, ahol az elektron-pozitron párkeltést kutató Kibédi Tibor, mint azt a Qubit kérdésére írta, kutatócsoportjával olyan mágneses spektrométer építésén dolgozik, amellyel az X17 bemérhető lenne. Jelenlegi berendezésük ugyanis a háttérsugárzást ki tudja ugyan szűrni, de az energiatartománya túl magas az X17 méréséhez.

A potenciális új részecskét, az X17-et már csak azért is könnyű mérési hibának vélni, mert ha létezik is, rendkívül kicsi. A feltételezett debreceni részecskénél mintegy 7500-szor nagyobb Higgs-bozon létezését például elméleti alapon, 1964-ben feltételezte először a brit elméleti fizikus, Peter Higgs, aztán a többi fizikus közel egy évtizedig csak röhögött rajta, mire egyáltalán kísérletezgetni kezdtek volna – mondta Horváth. A 125 gigaelektronvolt (GeV) tömegű Higgs-bozon létezését végül kísérletekkel közel fél évszázadba telt bizonyítani, és ehhez is, akárcsak Debrecenben, új berendezésekre volt szükség. 

Azt már legfeljebb csak remélni lehet, hogy az X17 további bizonyítása egyszerűbb lesz, a Higgs-bozon kimutatásához ugyanis két több ezer tonnás detektorra, 27 kilométer hosszúságú gyorsítóra és több százezer számítógépre volt szükség. Amikor tudomást szerzett a Higgs-bozon kísérleti bizonyításáról, az egyik legnagyobb 20. századi elméletgyártó, Stephen Hawking csak annyit mondott, „eszerint veszítettem 100 dollárt” – mondta a Wigner részecskefizikusa.

Tommaso Dorigo olasz kísérleti részecsefizikus, a Padovai Egyetem professzora, aki dolgozik a CERN-ben is, a blogján továbbra is élesen kritizálja Krasznahorkayék idei publikációját. Miközben elismeri, hogy kukacoskodásnak tűnhet, hogy nyelvtani hibákat ró fel a tanulmány szerzőinek, állítása szerint az ArXiv-on megjelent leírás a jelenlegi formájában nem menne át a szaklapok szigorú szűrőjén. Dorigo szerint a bosszantó, és szerinte a leírás alapossága iránt is kétségeket ébresztő nyelvtani hibák mellett még nagyobb probléma, hogy a debreceniek nem mutattak fel kellően részletes statisztikai adatokat arról, hogy az általuk kimutatott anomália nem a mérések során óhatatlanul is becsúszó véletlenszerű statisztikai, vagy a mérési módszerekből eredő szisztematikus hiba-e. 

Kapcsolódó cikkek a Qubiten: