Mindenki nyugodjon meg, nem omlott össze a részecskefizika standard modellje

A politikusokat tényekkel kell szembesíteni. A tudomány tényeket gyárt. Segíts minél többet publikálni belőlük!

Különös hír borzolta április elején a részecskefizikusok és a sajtóhírek nyomán a laikusok kedélyeit: miután kiderült, egy parányi elemi részecske tömege valamivel nagyobb, mint korábban gondolták, sokan arra következtettek, hogy összeomolhat a részecskevilágot leíró standard modell, sőt akár az univerzum kialakulásának eddigi elmélete is kérdésessé válhat. Ha azonban tüzetesen megvizsgáljuk a konkrét kutatást, az eredményből levont következtetések minimum túlzónak tűnnek. 

Ahogy azt Ashutosh Kotwal, a Duke Egyetem fizikusa, a kutatás vezetője elmondta, az eredményhez úgy jutottak el, hogy több mint 400 tudós tíz éven át rögzített és elemezett egy „mintegy 450 trillió ütközésből álló adatbázist”. A gondos munka eredményeként azt kapták, hogy a rejtélyes – közvetlenül megfigyelhetetlen – W-bozon, amely a gyenge kölcsönhatás közvetítője, nagyobb tömeggel rendelkezik, mint amit a korábbi elemzések mutattak. Ez így önmagában nem igazán izgatná fel a gyenge kölcsönhatás mibenlétéről mit sem tudók figyelmét; az a kijelentés már annál inkább, hogy ez a tömegkülönbség jelentős, és nem egyeztethető össze a standard modell alapjaival. Mivel a W-bozon által közvetített részecskeátalakítási folyamatok az univerzum korai szakaszában fontos szerepet játszottak, mindjárt azt is kijelenthetjük, hogy az univerzum keletkezésére is új elmélet szükségeltetik. Vagy mégsem? 

A csúsztatás ott van, hogy a standard modell nem olyan a priori elmélet, amelyben pontosan ismert fizikai konstansokból meghatározhatjuk, hogy az egyes elemi részecskéknek mekkora tömeggel kell rendelkezniük. A standard modell inkább az elemi részecskék tömegének, töltésének, spinjének és szimmetria-tulajdonságainak gyűjteménye, amiben kiemelt szerepet játszanak az átalakulási és bomlási folyamatok. Ennek alapján különböző szabályszerűségek, trendek állapíthatók meg, amelyek leírására az elmélet különböző mátrixokat vezet be – ezek jellemzik a részecskék bomlási ágait, és így lehet eljutni a W-bozon tömegéhez is. A W-bozon tömege tehát nem néhány fizikai alapelvből levezethető egzakt érték, csak egy a sok-sok adat közül. Ha ennek értéke valamivel nagyobb, mint amire az elmélet eddig épült, akkor elég egy két adatot korrigálni, anélkül, hogy az elmélet alapjain változtatni kellene.

80 370 ±19 MeV/c2 lett, maradhat?

A felfedezésről szóló hírek többnyire azt emelik ki, hogy az új mérés szerint jelentősen nagyobb a W-bozon tömege, mint amekkorát korábban megállapítottak, de gyakran hallgatnak a pontos adatokról. Nézzük hát utána a számoknak! A korábbi érték, amit még 1983-ban állapították meg nagy számú bomlási folyamat analízisével, 80 370 ±19 MeV/c2 (itt a részecskefizikában szokásos tömegegységet használjuk, összehasonlításként a proton tömege 938,272013(23) MeV/c2). A ± jel után tüntetik fel a pontosságot. Ez mutatja meg, hogy mekkora az átlagértéktől való átlagos eltérés, ezt nevezzük szórásnak vagy szigma értéknek. Ezt úgy határozzuk meg, hogy minden egyes mérési eredményt összevetünk az átlaggal. Egyes értékek jobban, mások nagyobb mértékben térnek el az átlagtól, ami felrajzol egy véletlenszerű eloszlást (Gauss-görbét). Ha most az átlaghoz képest szigma távolságba megyünk felfelé és lefelé, akkor a mérések 68 százaléka esik ebbe a középső tartományba, és 38 százalék esik azon kívül. Ezért nem mondhatjuk, hogy az „igazi” érték biztosan ebben a tartományban lesz, így hát kialakult a gyakorlat, hogy a szigma háromszorosát adjuk meg mint hibát, ekkor ugyanis már 99,7 százalékos bizonyossággal mondhatjuk, hogy a helyes érték ebben a szélesebb tartományban van, és a lehetséges hiba lecsökken 0,3 százalékra.  Bizonyos esetekben ennél is nagyobb biztonságra törekszünk, példa rá a Higgs-bozon kimutatása, amikor a szignifikancia megállapításához 6 szigma fölé mentek. 

Hogyan változott meg az átlagérték és a szigma a W-bozon tömegének új kiértékelésével? Ezt adja meg a 80 433 ± 9 MeV/c2 adat. Ez két dolgot jelent: egyrészt az átlag 63 MeV/c2 értékkel lett nagyobb, vagyis a híradásokban jelentősnek feltüntetett különbség nem éri el az egy ezreléket sem. Másrészt viszont igaz, hogy lecsökkent a szigma 9 MeV/c2-re, vagyis kisebb lett a mérési hiba. Ez annyit jelent, hogy az eltérés a két érték között hét szigma lesz, vagyis nagy biztonsággal állíthatjuk, hogy a W-bozon tömege tényleg nagyobb annál, mint amennyivel eddig számoltak a részecskefizikusok. Korrekt híradásokban ezért szignifikánsan nagyobb tömegről illett volna beszélni. De menjünk tovább! Vajon a korábbi mérés hibás lehetett? Ellentmond-e egymásnak a két mérési adat? Ez különösen lényeges kérdés, ha olyan messzemenő következtetéseket akarunk az új adatból levonni, hogy el kell vetni a korábbi standard modellt. Nos, ha a három szigma szabály alapján felrajzoljuk a hibahatárokat, már láthatjuk, hogy a tartományok átfedik egymást:

Nem kell tehát kidobni a régi elméletet, igazából csak az adatok finomításáról van szó. A standard modell megváltoztatására nincs szükség, nem kell új részecskéket feltételezni, és az univerzum keletkezésének sem kell új pályát szabni, elég, ha néhány konstans értékét parányi mértékben megváltoztatjuk a modellben. 

Persze felmerül a kérdés, hogy miért baj, hogy egy kis reklámot csinálunk a fizikának, ha ezzel jobban felhívjuk rá a figyelmet? Természetesen léteznek a modern fizikában a fővonaltól eltérő elméletek. Ez önmagában természetes és hasznos is lehet, mert a fizika fejlődését elősegíti, ha versengő, párhuzamos elképzelések harcolnak igazukért, de a tudomány hitelét a mértéktartó nyilatkozatok alapozzák meg, és nem a túlzó kijelentések. 

A szerző fizikus, a BME és az ELTE címzetes egyetemi tanára. Kalandozások a fizikában sorozatának korábbi írásai itttudósportréi itt olvashatók.

A Qubit szerkesztősége azért dolgozik, hogy a magyar nyilvánosság hiteles, alapos és közérthető tudományos ismeretekhez jusson. Tesszük ezt politikamentesen, közszolgálati hevülettel, száznál több kutató és tudós bevonásával. Égető kérdések, dermesztő válságok és zavaros álhírek sűrűjében igyekszünk tartani a fáklyát immár havi bő hétszázezer olvasónknak. Cikkeink ingyen olvashatók, de nem ingyen készülnek. Segítsd a munkánkat!

Kapcsolódó cikk a Qubiten: