Az LHC: egy lépéssel közelebb az Ősrobbanáshoz Understand article

Fordította: Adorjánné Farkas Magdolna. 2008 szeptember 10-én 10 óra 28 perckor bekapccsolták a világ legnagyobb részecskegyorsítóját, a Nagy Hadron Ütköztetőt. De miért? Az LHC-ről készített két cikk közül az elsőben Rolf Landua a CERN-ből és Marlene Rau az EMBL-ből a…

Az ATLAS detektor része
A CERN szíves hozzájárulásával

Amikor 13 700 millió évvel ezelőtt az Ősrobbanás során létrejött a Világegyetem, hatalmas mennyiségű energia alakult át anyaggá a másodpec milliárdod részénél rövidebb idő alatt. A hőmérséklet, az anyagsűrűség és az energia elképzelhetetlenül nagy volt. Einstein E=mc2, egyenlete szerint egy keletkező anyagi részecske tömegét (m) úgy kaphatjuk meg, hogy a rendelkezésre álló energiát (E) a fénysebesség (c) négyzetével elosztjuk. Ennek alapján rövid idővel a Nagy Bumm után jelenlévő nagy energiából nagyon nagy tömegű részecskék keletkeztek. A fizikusok feltételezik, hogy ezek az elméleti úton megjósolt nehéz részecskék adnak választ az Univerzum keletkezésének és felépítésének eddig megválaszolatlan kérdéseire.

Az elmélet bizonyítására építették a kutatók a Nagy Hadron Ütköztetőt (LHC). Feltételezik, hogyha egy ilyen típusú részecske keletkezik az LHC-ben, a világ legnagyobb részecskegyorsítójában, akkor az rövid idővel az Ősrobbanás után is jelen lehetett. Az LHC-ben a részecskék közel fénysebességgel csapódnak egymásba olyan nagy kinetikus energiával, amely jelenleg technikailag egyáltalán lehetséges (ennek az energiának a nagysága megegyezik azzal az értékkel, amely a számítások alapján a Nagy Bumm után 10-12 másodperccel jelen lehetett). Ez olyan új részecskéket eredményez, amelyeknek nagyobb a tömege, mint bármelyik részecskének, amit az eddigi kísérletek során előállítottak. Ezek a részecskék lehetővé teszik, hogy a fizikusok teszteljék az elméleteiket. Nem jogos a média félelme, miszerint a részecskék ütközése egy “Kis Bummot” eredményezhet, ugyanis az ütközés energiája 1075 –szer lesz kisebb, mint a Nagy Bummé volt.

Az anyag építőkövei: a Standard Modell

Az embereket már a görög filozófusok óta foglalkoztatja az a kérdés, hogy miből épül föl a világunk. Meg lehet-e egyszerűen magyarázni a sokféle természeti jelenség –kövek, növények, állatok (beleértve az embert is), felhők, viharok, csillagok, bolygók és sok más egyéb – létezését. A fizikusok előző évszázadban felállított elméletei és felfedezései alapján adott a válasz: a Világegyetem néhány fajta anyagi részecskéből épül fel, amelyeket négy alapvető erő tart össze. A részecskék és az erők Standard Modellje tartalmazza az ismereteinket arról, hogyan kapcsolódnak ezek egymáshoz (ld. az ábrát). A Standard Modellt az 1970-es évek elején dolgozták ki, és mára egy jól tesztelt fizikai elméletnek számít.

A részecskefizika Standard Modellje.
Kattintson a képre a nagyobb
változatért

A CERN szíves hozzájárulásával

Az anyagi részecskék két különböző csoportba sorolhatók: leptonok és kvarkok. Mindkét csoportba tartozó részecskék pontszerűeknek tekinthetők (nem nagyobbak 10-19 m-nél, ami az egy milliárd szer kisebb, mint az átmérője egy atom). Ebbe a két csoportba összesen tizenkét részecske tartozik, amelyeket három családba sorolhatunk. Mindegyik családot két lepton és két kvark alkotja. Az első család, amelyet egy up (fel) és egy down (le) kvark, egy elektron és egy neutrino (két lepton) alkot, elegendő a látható világ magyarázatára. A másik két családot alkotó nyolc anyagi részecske nem stabil, és úgy látszik, hogy csupán abban különböznek az első család részecskéitől, hogy nagyobb a tömegük. 2008-ban azt az elméletet jutalmazták fizikai Nobel díjjal, amely megmagyarázza, hogy miért létezhetnek ezek a részecskékw1, azonban a fizikusok még nem jöttek rá arra, hogy miért éppen nyolc részecske van.

Az anyagi részecskék olyan módon ‘kommunikálnak’ egymással, hogy kicserélnek egymással egy közvetítő részecskét, amelyet bozonnak nevezünk és speciális tulajdonságú kis energiacsomagként képzelhetünk el (más-más bozont a négy különböző kölcsönhatásban). A négy kölcsönhatás (négy alapvető erő) nagysága és hatótávolsága határozza meg az anyag felépítését.

A hadronok három kvarkból állnak, amelyeket a rövid hatótávolságú erős kölcsönhatás tart össze – a protonokat két u-kvark és egy d-kvark építi fel, a neutronokat pedig egy u-kvark és két d-kvark. Az u-kvarkok elektromos töltése +2/3 , a d-kvarkoké pedig –1/3 , ez magyarázza meg a protonok pozitív töltését és a neutronok semlegességét.

Hogyan vonzzák egymást az atomot alkotó elektronok és az atommag? Mivel a protonok töltése pozitív, az elektronoké pedig negatív, fellép közöttük a nagy hatótávolságú elektromágneses kölcsönhatás, amely a könnyű elektronokat a nehéz atommag körüli pályán tartja. Az atomokból molekulák épülnek fel, amelyek az élet anyagi alapját adják.

Mivel mindegyik részecske rendelkezik tömeggel, fellép közöttük a tömegvonzás – azonban ez a nagy hatótávolságú kölcsönhatás nagyon gyenge (körülbelül 38 nagyságrenddel kisebb, mint az elektromágneses erő), ezért csak akkor játszik szerepet, amikor sok részecske van jelen. A Föld összes protonja és neutronja által létrehozott gravitációs vonzóerő ment meg minket attól, hogy elszálljunk az űrbe.

Végül a gyenge kölcsönhatás (amely valójában erősebb a gravitációs kölcsönhatásnál, azonban a másik három közül a leggyengébb) – nagyon rövid hatótávolságú – ez teszi lehetővé azt, hogy egyik kvark illetve egyik lepton egy másik típusúvá alakuljon. Ha nem lennének ezek az átalakulások, nem keletkezhetne radioaktív béta sugárzás, amelynek során egy neutron protonná alakul, vagyis egy d-kvark u-kvarkká (a béta sugárzás tárgyalását megtalálhatja Rebusco és társai cikkében, 2007). Sőt, ezeknek az átalakulásoknak köszönhetjük a Nap ragyogását is: a csillagok a szétsugárzott energiájukat az atommagfúzióból nyerik (további magyarázatot Westra írásában találhat, 2006), amelynek során egy proton alakul át neutronná, annak eredményeként, hogy az u-kvarkból d-kvark jön létre – vagyis a béta sugárzás fordítottja történik.

Bár a Standard Modell jó szolgálatot tesz a fizikusoknak abban, hogy megértsék az alapvető természeti törvényeket, azonban több megfejtetlen kérdést is hagy. Az LHC-ben elvégzendő kísérletek remélhetőleg választ adnak ezekre.

A tömeg problémája – a Higgs-tér

Peter Higgs meglátogatja a CMS
kísérletet, amellyel talán meg
lehet találni a rejtőzködő
Higgs bozont

A CERN szíves hozzájárulásával

Az egyik nyitott kérdés: miért rendelkeznek a részecskék (és ezért az anyag is) tömeggel? Ha a részecskéknek nem lenne tömegük, nem keletkezhetnének égitestek az Univerzumban, mivel csak egymástól független, fénysebességgel száguldó, tömegnélküli részecskék léteznének. Mindazonáltal, a részecskék tömege matematikai problémákat vet fel.

Az 1960-as években kidolgoztak egy elméletet, amely egységes rendszerbe foglalja a gyenge kölcsönhatást és az elektromágneses erőt, úgy írja le az elektromosságot, a mágnesességet, a fényt, a radioaktivitás néhány fajtáját, mint egyetlen erőnek, az elektrogyenge kölcsönhatásnak a különböző megjelenési formáit. Az egységes matematikai leíráshoz feltételezni kellett, hogy a kölcsönhatást közvetítő részecskéknek tömegük van. Az azonban nem volt világos, hogy matematikailag hogyan oldható meg, hogy ezeknek a részecskéknek legyen tömegük. 1964-ben Peter Higgs, Robert Brout és François Englert fizikusok a rejtély megoldására egy lehetséges elmélettel álltak elő. Azt feltételezték, hogy a részecskék a tömegüket egy láthatatlan erőtérrel, az úgynevezett Higgs-térrel történő kölcsönhatás során nyerik. Az ehhez rendelt közvetítő részecskét Higgs-bozonnak nevezték el. Ez a mező az egész Világmindenségre kiterjed: bármelyik részecske, amelyik kölcsönhatásba lép vele, tömeget nyer. (A kölcsönhatás úgy képzelhető el, mint egy, a súrlódáshoz hasonló hatás.) Minél erősebb a kölcsönhatás, annál nagyobb lesz a tömeg és azoknak a részecskéknek, amelyek nem lépnek kölcsönhatásba a Higgs-térrel, egyáltalán nem lesz tömegük (ld. a rajzokat).

A Higgs mechanizmus. Kattintson
a képre a nagyobb változatért

A Higgs mechanizmus. Kattintson a
képre a nagyobb változatért

Ez az elgondolás megfelelő kapcsolatot teremthet az elmélet és a megfigyelt jelenségek között. Az a probléma, hogy még soha senki sem észlelte a rejtőzködő bozont. Azért nehéz megtalálni (ha egyáltalán létezik), mert az elmélet alapján nem lehet megjósolni a tömegét, ezért próba-szerencse alapon keresik.

A fizikusok nagy energiájú részecske-ütközésekkel új részecskéket hoznak létre – és közöttük keresik a Higgs-bozont. A kutatás már 30 éve tart, egyre nagyobb energiát alkalmaznak, azonban mégsem találták meg eddig a részecskét – feltételezhetően azért, mert nem volt elég nagy az energia. A mai feltételezés szerint a Higgs-részecske tömege legalább 130-szor nagyobb, mint a protoné. A tudósok úgy gondolják, hogy az LHC-ben létrehozott energia – amely hétszer nagyobb, mint az eddigi kísérletek során elért ütközési energia – biztosítja, hogy a Higgs-bozon észlelhető legyen.

Az LHC két kísérletében, az ATLAS-ban és a CMS-ben azokat a nyomokat fogják keresni, amelyek az igen instabilnak feltételezett Higgs-részecskék elbomlásából származnak. Ha bebizonyosodik, hogy a Higgs-részecske valóban létezik, az nagy lépés lesz a részecskefizikában, mert közelebb visz minket az anyag természetének megértéséhez. Ha mégsem találják meg a Higgs-részecskét, az vagy azt jelenti, hogy még annál is nehezebb, mint amit az LHC-vel tudnak detektálni, vagy azt, hogy mégsem létezik. Ebben az esetben valamelyik másik elméletről derülhet ki, hogy igaz. Tehát az elméleti fizikusoknak fel kell építeniük egy teljesen új elméletet, hogy megmagyarázzák a tömeg eredetét.

Az Univerzum sötét oldala

Van még egy másik fontos problémája a részecskefizikának, amelyre a Standard Modell nem tud magyarázatot adni: a legújabb megfigyelésekből arra következtethetünk, hogy minden, amit ‘látunk’ az Univerzumban (csillagok, bolygók, por), az összes tömegnek és energiának (sugárzás és vákuum-mezők, pl. a Higgs-tér) mindössze 4 %-a. Az Univerzum nagy részét tehát olyan láthatatlan anyag alkotja, amely nem bocsát ki elektromágneses sugárzást – vagyis nem tudjuk közvetlenül észlelni távcsővel vagy hasonló eszközökkel. Ezek az anyagok a ‘közönséges’ anyaggal csupán gravitációs kölcsönhatásba lépnek, a másik három alapvető erő nem lép fel közöttük. Ezért csak a gravitációs hatásuk alapján tudjuk őket észlelni és ez nagyon nehézzé teszi a tanulmányozásukat. Ezeket a titokzatos anyagokat sötét anyagnak és sötét energiának nevezzük (ld. Warmbein, 2007, és Boffin, 2008).

Kompozit kép, amely sötét anyag
kísérteties ‘gyűrűjét’ mutatja a Cl
0024+17 galaxis klaszterben
(ZwCl 0024+1652). A felvételt a
Hubble Space Telescope készítette

NASA, ESA, M.J. Jee és H. Ford (Johns
Hopkins University) szíves
hozzájárulásával; a kép forrása:
Wikimedia Commons

A legújabb megfigyelések alapján arra a következtetésre jutottak, hogy a Világegyetemnek körülbelül a 26 %-a sötét anyag. Az első gyanú akkor merült fel, amikor a gravitációs kölcsönhatásra vonatkozó csillagászati megfigyelésekből és számításokból az derült ki, hogy a galaxisokban és a galaxisok körül több anyagnak kell jelen lenni, mint amennyit a teleszkópok észlelnek. A kutatók ma úgy gondolják, hogy a sötét anyag létezésének nemcsak az a következménye, hogy a galaxisok gyorsabban forognak, mint az a megfigyelhető tömegükből következne, hanem az is, hogy a gravitációs mezőjük eltéríti a mögöttük lévő objektumokból származó fényt (gravitációs lencse; rövid leírását ld. Jørgensen, 2006). Ezek az effektusok mérhetők, és ennek alapján meg tudjuk becsülni a sötét anyag sűrűségét, még akkor is, ha nem tudjuk közvetlenül megfigyelni.

De mi is a sötét anyag? Az egyik elmélet szerint szuperszimmetrikus részecskékből áll – az elképzelés szerint a tizenkét szuperszimmetrikus részecske mindegyike megfelel a Standard Modell által leírt részecskéknek (ld. az ábrát).

Szuperszimmetria: a Standard
Modell minden részecskéjének
megfeleltet egy
szuperszimmetrikus partnert.
Kattintson a képre
a nagyobb változatért

A CERN szíves hozzájárulásával

A szuperszimmetria elmélet (SUSY) azt feltételezi, hogy minden ismert anyagi és közvetítő részecskének (pl. az elektromágneses kölcsönhatást közvetítő elektronnak és fotonnak is) létezik egy szuperszimmetrikus megfelelője (pl. az selektron és a fotinó). Egy szuperszimmetrikus világban ezeknek a részecskéknek ugyanolyan a tömegük és a töltésük, mint a Standard Modellben leírt társaiknak, csupán a saját impulzusmomentumuk (ezt nevezzük spinnek, amelynek a mértékegysége a Planck állandó fele) tér el 1/2 -el. Az anyagi részecskék spinje 1/2, a közvetítő részecskéké pedig 1. Ha a spint 1/2-el megváltoztatjuk, az az anyagi részecskét közvetítő részecskévé alakítja és fordítva.

De mi köze van a szuperszimmetriának a sötét anyaghoz? Ha a szuperszimmetria elmélet igaz, akkor az Ősrobbanás során sok szuperszimmetrikus részecske keletkezhetett. Nagy részük instabil lehetett és elbomlott, de a legkönnyebb szuperszimmetrikus részecskék valószinűleg stabilak voltak. Ezek a részecskék megmaradhattak az Univerzumban és nagy sötétanyag-gömbökbe tömörültek, amelyek az elképzelés szerint az alapot jelentették a galaxisok és csillagok képződéséhez.

Azonban eddig még egyetlen szuperszimmetrikus részecskét sem detektáltak – talán az volt az ok ebben az esetben is, hogy a Higgs-bozonhoz hasonlóan, olyan nagy a tömegük, hogy az kívül esik az LHC-nél kisebb részecskegyorsítók energia-tartományán. Ha tehát léteznek, akkor még a legkönnyebbek is nagyon nehezek, ellentétben az eredeti feltételezéssel, miszerint megegyezik a tömegük a Standard Modellbeli megfelelőikével. A szuperszimmetria elmélet még más, ennél komplexebb részecskefizikai rejtély megoldásában is segíthet. Ezért, ha az LHC kísérletek során észlelni tudják ezeket a részecskéket és meg tudják mérni a tulajdonságaikat, az jelentős előrelépést jelenthet az Univerzum működésének megértésében.

Elveszett anti-világ?

Eddig szó volt anyagról, sötét anyagról és sötét energiáról – azonban még más is volt a születő Univerzumban: jó okunk van azt feltételezni, hogy a másodperc töredékével az Ősrobbanás után az Univerzumot egyenlő mennyiségű anyag és antianyag töltötte be. Amikor az energiából részecskék keletkeznek, amint az a Nagy Bumm, illetve a nagyenergiájú ütközések során történik, a részecskék mindig az antirészecskéikkel együtt jönnek létre. Amint egy antirészecske találkozik egy részecskével, mindkettő megsemmisül (annihiláció), miközben a tömegük energiává alakul át. Ebből következik, hogy az Ősrobbanás során egyforma mennyiségben kellett keletkeznie az anyagnak és az antianyagnak, amelyeknek azután teljesen meg kellett volna semmisíteniük egymást. Ennek ellenére, míg az Ősrobbanásból származó összes antianyag eltűnt, a folyamat végén maradt egy kis anyagtöbblet: ma ebből épül fel a világunk. Hogyan történhetett ez?

Az antianyag olyan, mintha az anyag tükörképe lenne. Minden anyagrészecskének létezik az antirészecske megfelelője, amelynek a tömege ugyanakkora, azonban a tulajdonságai ellentétesek: például a negatív töltésű elektron antirészecskéje a pozitív töltésű pozitron. Az antianyag létezését először 1928-ban feltételezte Paul Dirac fizikus. Kidolgozott egy elméletet, amelyben a kvantummechanikát kombinálta Einstein speciális relativitáselméletével azért, hogy leírja a közel fénysebességgel mozgó elektronok közötti kölcsönhatásokat. Az alapegyenlet megoldásaként két eredményt kapott: az egyik az elektront írja le, a másik pedig egy olyan részecskét, amelynek ugyanakkora a tömege, de pozitív a töltése (ezt a részecskét ma pozitronként emlegetjük). 1932-ben beigazolódott az elmélet, amikor felfedezték, hogy a pozitron jelen van a kozmikus sugárzásban. Ez a sugárzás nagy energiával ütközik a Föld légkörét alkotó részecskékkel: az ütközések során ma is képződnek pozitronok és antiprotonok.

A Higgs mechanizmus. Kattintson a képre a nagyobb változatért

Az utóbbi 50 évben a CERN-hez hasonló kutatóintézetekben ütközések során rutinszerűen hoznak létre és tanulmányoznak antirészecskéket és a kísérletek azt mutatják, hogy a tömegük, a töltésük és a mágneses momentumuk valóban pontosan megegyezik a megfelelő részecskék jellemzőivel. 1995-ben a világon először a CERN-ben állítottak elő teljes anti-atomot anti-protonokból és pozitronokból.

Ha eredetileg egyenlő volt az anyag és az antianyag mennyisége, akkor miért nem semmisítették meg egymást teljesen, csupán sugárzást hagyva maguk után? Az a tény, hogy valamennyi anyag megmaradt, míg az antianyag teljesen eltűnt, azt sugallja, hogy az aszimmetria régóta fennáll, vagyis egy kicsivel több anyag volt jelen, mint amennyi antianyag. Ebből a kis maradékból keletkeztek a csillagok és a galaxisok – és mi is. A fizikusok szeretnék tudni, hogyan alakulhatott ki ez az aszimmetria.

Az egyik LHC kísérlet (LHCb) célkitűzése, hogy jobban megértsük az antianyag eltűnését. Tanulmányozzák a b kvark – amely a harmadik kvark-családba tartozik (ld a Standard Modell ábráját) – sugárzásának mértékét és összehasonlítják az anti-b kvarkéval. Azt már tudjuk, hogy ezek sugárzásának mértéke különböző, de további részletes mérések szükségesek ahhoz, hogy betekintést nyerjünk az eltérést okozó pontos mechanizmusokba.

Az ősleves

az Univerzum fejlődésének szakaszai
az Ösrobbanástól kezdve napjainkig.
Kattintson a képre a nagyobb
változatért

A CERN szíves hozzájárulásával

Hogy az előbbiekben felsorolt minden kérdésre választ kapjanak, a fizikusok az LHC-ben protonokat fognak ütköztetni. Azonban az év egy részében ezek helyett ólom ionokat gyorsítanak és ütköztetnek és az ütközések termékeit az ALICE-nál tanulmányozzák (ez az LHC négy nagy kísérlete közül az egyik az ATLAS, a CMS és az LHCb mellett).

Körülbelül 10-5 másodperccel az Ősrobbanás után, az Univerzum egy ‘későbbi’ időszakában, amikor a hőmérséklet ‘csupán’ 2000 milliárd fokra csökkent, a kvarkok elkezdtek protonokká és neutronokká összekapcsolódni, amelyekből később atommagok jöttek létre (ld. az Univerzum történetét ismertető ábrát). A kvarkokat gluonok kapcsolják össze, amelyek az erős kölcsönhatás közvetítő részecskéi (ld. a Standard Modell ábráját). Amiatt, hogy más erőkkel ellentétben a kvarkok és a gluonok között fellépő erős kölcsönhatás nagysága a távolsággal nő, a kísérletek során nem észleltek szabad állapotban kvarkokat vagy gluonokat, azok csak a protonokban, a neutronokban vagy más összetett részecskékben, pl. a mezonokban fordulnak elő.

A Standard Modell szerint nagyon magas hőmérsékleten és nagy nyomáson a kvarkok és a gluonok előfordulhatnak kötetlen állapotban az un. kvark-gluon plazmában, amely az anyagnak egy nagyon különleges állapota, a kvarkok és a gluonok sűrű, forró ‘levese’. Ez az állapot akkor jön létre, amikor a hőmérséklet meghaladja a 2000 milliárd fokot, amely körülbelül 100000-szer magasabb, mint a Nap magjában uralkodó hőmérséklet. Néhány milliomodnyi másodpercig, körülbelül 10-6 másodperccel az Ősrobbanás után a hőmérséklet és a nyomás elég magas volt ahhoz, hogy az egész Univerzum kvark-gluon plazma állapotban legyen. Az ALICE kísérletben újra létrehozzák ezt az állapotot egy atommag méretű térfogatban és részletesen elemzik a keletkezett nyomokat annak érdekében, hogy tanulmányozzák a plazma jellemzőit.

A második cikkben (Landua, 2008), Rolf Landua bemutatja az LHC technológiát, és a négy nagy kísérletet: ATLAS, CMS, LHCb és ALICE.


References

Web References

  • w1 – A 2008-as fizikai Nobel díjat megosztva kapta Yoichiro Nambu ‘a spontán szimmetriasértés a szubatomi részecskék fizikájában elnevezésű mechanizmus’ felfedezéséért, valamint Kobajasi Makoto és Maszkava Tosihide ‘a szimmetriasértés eredetének felfedezéséért, amelynek alapján megjósolható, hogy legalább háromféle kvark-család létezik a természetben.’ További részletekért ld.: http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2008/press.html

Resources

A Standard Modell és az LHC kísérletek sokkal részletesebb leírása megtalálható Rolf Landua német nyelvű könyvében:

A Higgs bozonról többet megtudhat, ld.:

Az antianyagról többet megtudhat, ld.:

Több információt találhat a sötét anyagról és a sötét energiáról, ld.:

Institution

CERN

Author(s)

Rolf Landua 1980 óta dolgozik a CERN-ben, ahol jelenleg az oktatási részleg vezetője. A német részecskefizikus a CERN antianyag-gyárának egyik alapítója, 2002-ben az ATHENA project vezetője volt, amelynek során többmillió anti-hidrogén atomot állítottak elő. Arról is híres, hogy Dan Brown titokban róla mintázta az Angyalok és démonok c. bestseller regényében egy CERN-ben dolgozó antianyag fizikus, Leonardo Vetra karakterét, akit a könyv első oldalán meggyilkolnak. Ennek a regénynek alapján készült a film Hollywoodban 2009 májusában. A CERN-ben kurzusokat vezet az európai országokból érkező fizikatanárok számára, valamint rádió- és TV interjúkat ad. Mostanában jelenik meg egy könyve német nyelven a CERN-ben folyó részecskefizikai kutatásról (Am Rand der Dimensionen, On the Border of the Dimensions, ld. a források) között. Az iskolai természettudomány oktatás segítéséért 2003-ban elnyerte a European Physical Society kommunikációs díját.




License

CC-BY-NC-ND