Magyar kutatók munkája is vezetett a Higgs-bozon megismerésének újabb mérföldkövéhez

A múlt héten jelentették be, hogy újabb mérföldkőhöz értek a CERN kutatói a Higgs-bozon vizsgálatában: először sikerült bizonyítaniuk a részecske szétbomlását b-kvarkokra. A világ legnagyobb részecskefizikai laboratóriumában zajló munkában magyarok is közreműködnek: a CERN CMS detektorának működésében és tökéletesítésében több mint negyven magyar kutató és diák vesz részt. Két magyar kutatót, Siklér Ferencet és Veszprémi Viktort kérdeztük a most publikált eredményekről és ezek jelentőségéről. 

2012-ben jelentették be, hogy a CERN kutatóinak sikerült megtalálnia a Higgs-bozon részecskét, aminek létezését a részecskefizika standard modellje fél évszázaddal korábban már megjósolta. A sajtóban sokszor csak isteni részecskeként emlegetett Higgs-bozon megtalálása hatalmas tudományos szenzáció volt, hiszen így meglett a standard modell utolsó hiányzó elemi részecskéje. 

A 2012-es felfedezés azonban sok szempontból csak a kezdetet jelentette: ekkor indultak meg a CERN-ben azok a kutatások, melyek a Higgs-bozon tulajdonságainak egyre pontosabb megismerésére törekedtek. Mint Siklér Ferenc fogalmazott, ezek közé tartozott a bozon különféle részecskékhez való kapcsolódásának megmérése: 

„Az ún. csatolási erősségekre - melyek a részecske tömegével arányosak - pontos jóslatokkal rendelkezünk, így az elmélet szempontjából minden ilyen mérés óriási bizonyító erővel bír. A b-kvarkos bomlás a korábbi fotonos, Z-bozonos, top-kvarkos, tau-leptonos kölcsönhatások ellenőrzésének egy újabb állomása. Továbbra is sok a nyitott kérdés, például hogy létezik-e még másik, más tömegű, Higgs-bozon-szerű részecske.” 

A Higgs-bozon leggyakrabban b-kvarkokra bomlik, de mint az MTA Wigner kutatói honlapjukon írták is, e bomlás megfigyelése mégis komoly kísérleti kihívást jelentett, aminek oka az volt, hogy nagyon sok más háttérfolyamat létezik, amely utánozhatja a keresett ütközési végállapotot. Olyan különleges folyamatokra kellett összpontosítani, ahol a Higgs-bozon egy W- vagy Z-bozonnal együtt keletkezik, így a hátteret jelentősen le lehetett csökkenteni. Ez a folyamat meglehetősen ritka, ezért igen nagyszámú ütközési eseményt kellett átvizsgálni, hogy megtalálják a keresett jelet, de szerencsére a Nagy Hadronütköztető 2016-os és 2017-os teljesítménye lehetővé tette ezt.

Siklér elmondása szerint a kutatás jelentőségét az adja, hogy az elemi részecskék tömegüket a Higgs-mezővel való kölcsönhatásban kapják, vagyis a mező nélkül nem olyan lenne a világ (már ha lenne egyáltalán) mint amilyen. 

„A mező egyik, detektorokkal is érzékelhető megnyilvánulási formája a Higgs-bozon, ami nagyon gyorsan elbomlik más elemi részecskékre, mi ezeket látjuk a detektorainkkal.” 

Nagy Hadronütköztető (LHC) másik feladata a jelenleg elérhető energiatartomány teljes átvizsgálása újfajta kölcsönhatások, részecskék, vagy akár új térdimenziók keresésére. Ez egy teljesen nyitott kutatás, ugrás az ismeretlenbe - fogalmazott Siklér. 

Veszprémi Viktor szerint a Higgs-bozon megfigyelésének egyik fontos következménye valóban az, hogy lehetővé teszi az elemi részecskék tömegének kölcsönhatási folyamat eredményeként történő magyarázatát. Azonban van egy másik fontos üzenete is: 

„A ma ismert részecskék között fellépő kölcsönhatásoknak négy fajtáját különböztetjük meg. Ezekből a mindennapi életben alapvetően csak kettőről van tapasztalatunk: az elektromágneses kölcsönhatásról és a gravitációról. A másik kettő az atommagok fizikájának kialakulásakor került felfedezésre. Az elmélet azt látszik sugallni, hogy ezek a kölcsönhatások nem egymástól elkülönülve léteznek, hanem lehetőség van egy bizonyos kölcsönhatás különböző megjelenési formáiként tekinteni rájuk. Az első példa kölcsönhatások egyesítésére Maxwell nevéhez fűződik, aki a 19. század második felében összekötötte az elektrosztatikus és mágneses erőket, és megjósolta az elektromágneses sugárzás létezését. Ez az elmélet adja a mai elektronikai és hírközlési technológia alapját. A következő "egyesítésre" másfél évszázadot kellett várni.

A Higgs-bozon, a standard modell elmélete szerint, négy komponensből áll, amelyből három az elektromágneses és az atommagok átalakulásáért felelős (un. gyenge) kölcsönhatások közvetítő részecskéinek (bozonjainak) a részét képezik. Ezek teszik lehetővé, hogy a "gyenge" bozonok tömeggel rendelkezhessenek! A negyedik komponens egy szabadon terjedő hullám. Ez az, amit röviden Higgs-bozonnak nevezünk. A Higgs-bozon megfigyelése tehát szükségszerű következménye a négy ismert elemi kölcsönhatásból kettő egyesítésének. Valamint ez a részecske volt az utolsó hiányzó eleme a standard modell elméletének.

A felfedezés azért is okozott nagy örömöt, mert a kísérleti eszközöket, a mérőberendezéseket és a részecskegyorsítókat, negyven évig kellett fejleszteni hozzá és a Föld legnagyobb országainak együttműködésére volt szükség.

A standard modell egyébként az egyik legjobban tesztelt és legerősebben bizonyított elmélete a fizikának. Bár örülünk a sikerének, azt is tudjuk,nem ad teljes képet az anyagi világ minden jelenségére. Ezért abban reménykedünk, hogy sikerül olyan folyamatokat is megfigyelnünk, amelyekre az elmélet nem ad magyarázatot. Ennek egyik módja a Higgs-bozon tulajdonságainak precíziós megmérése. A másik az, hogy ritkán és csak nagy kölcsönhatási energiákon megjelenő folyamatokat próbálunk kelteni és megfigyelni. Mindkettőhöz szükség van a gyorsítók és a mérőberendezések továbbfejlesztésére.”

Siklér Ferenc is azt hangsúlyozta, hogy a standard modell egy jó keretet ad ugyan, de már most látszik, hogy olyan jelek, problémák, amelyek megoldásához ezen a modellen is előbb-utóbb túl kell lépni:

„Továbbra sem értjük, hogy miként illeszthető be a tömegvonzás a részecskefizika kvantumos világába, az elektromágneses, a gyenge és erős kölcsönhatás mellé. Nem tudjuk, hogy világunk miért csak anyagból áll, hova lett az antianyag. A Világegyetem agyagának csak 5%-át ismerjük (galaxisok, bennük csillagok és bolygók, fekete lyukak). A további mintegy 25% tisztázatlan összetételű úgynevezett sötét anyag, aminek egyelőre csak a gravitációs hatásait látjuk. Az Univerzum valamiért gyorsulva tágul, ezért feltevések szerint a maradék 70%-nyi sötét energia lehet felelős, ez is intenzív kutatások tárgya. A Higgs-bozon jobb megismerése, az esetleges eltérések, figyelmeztető jelek levadászása közelebb vihet a fenti kérdések megoldásához.”

Az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont kutatója úgy fogalmazott, hogy bár ezt a kutatást alapvetően az emberi kíváncsiság, a világ megismerése hajtja, a potenciális alkalmazási lehetőségeket talán a következő példával lehetne érzékeltetni: „egy másik mezővel nap mint nap találkozunk és aktívan használjuk: ez az elektromágneses mező. Ezt mezőt a tudósok a 19. század közepén ismerték meg, majd a 20. században egymás után jelentek meg olyan alapvető eszközök, mint a rádió, televízió, mikrohullámú sütő, vagy a mobiltelefon. Most még nagyon nehéz előre megadni a napokban bejelentett eredmény és a korábbi felfedezés jelentőségét és későbbi hatását”.

Siklér szerint a kísérleti munka most egy hosszú menetelés lesz, az LHC még legalább 16-18 éven keresztül, egyre gyorsuló ütemben fogja magából ontani az új adatokat. 

„A mérések célja az eddig megismert folyamatok minél pontosabb megmérése és esetlegesen új részecskék felfedezése lesz. Az új eredmények tükrében el kell gondolkozni arról, hogy milyen más, innovatív módszerekkel tudnánk még többet kicsiholni az adatokból. A technikai oldalról a gyorsítórendszer és a detektorok fejlesztése, megújítása a legfontosabb dolgunk, ez utóbbiban a magyar csoportok is nagyon aktív részt vállaltak. Az év végéig mérünk, majd jövőre indul egy két éves korszerűsítés periódus, nagyjavítás, aztán 2021 tavaszán indulunk újra.”

A CERN munkájában egyrészt az MTA Wigner FK vesznek részt, komoly szerepük van a CMS szilícium nyomkövető detektorainak működtetésében és továbbfejlesztésében, amely a b-kvarkokból származó hadronok záporainak felismerésében nélkülözhetetlen. Ezt a csapatot vezeti Siklér Ferenc és Veszprémi Viktor, és mint elmondták, leegyszerűsítve úgy lehetne ezt elmondani, hogy olyan digitális kamerák építésén dolgoznak, melyekkel másodpercenként 40 milliószor lehet felvételt készíteni. A rögzített folyamatokban több ezer részecske keletkezik egyszerre, és ezeknek a részecskéknek a pályáját néhány mikronos pontossággal tudják rekonstruálni. 

Ezen kívül részt vesz a munkában az MTA-ELTE csoport Pásztor Gabriella, Csanád Máté, Veres Gábor vezetésével, amely az eseményeket valós időben kiválogató elektron triggerekért vállalt felelősséget,  amelyek ez esetben a Higgs-bozonnal együtt keletkező W- és Z-bozonok bomlásából kirepülő elektronok jelenlétét vizsgálták. 

A debreceni együttműködők (MTA Atommagkutató Intézete és a Debreceni Egyetem) pedig a szintén W- és Z-bozonokból származó müonokat érzékelő detektorok helyzetmeghatározó-rendszerén dolgoztak, amely lehetővé teszi a müonok impulzusának pontos mérését. Ennek a csapatnak vezetői Molnár József, Szillási Zoltán, valamint Ujvári Balázs és Trócsányi Zoltán.