Patkós András


Az éter titkaitól a szupergyors adatfeldolgozásig 



Az emberiség meg-megújuló erõfeszítéseket tesz a teremtés misztériuma egyik-másik vonatkozásának racionális megértésére. A részecskefizika egyik kiemelkedõ vonulata, az új részecskék felfedezése - visszatekintve - a tér köznapi szemmel üresnek tûnõ állapotának, a vákuumnak dinamikai tulajdonságairól hírt adó felismerések sorának bizonyult. Ezek az információk azt a szerepet ruházzák a vákuumra, amelyet a korábbi századok az éternek nevezett különleges anyagnak tulajdonítottak. A 21. század részecskefizikája a modern asztrofizikával összefogva immár céljául tûzheti ki a minden egészséges három-ötéves kisgyerek által feltett kérdésnek a megválaszolását: miért és meddig maradnak fent az égen a csillagok? Ismertetésünket1az éter megfejtett titkaival kezdjük, végül eljutunk az õsi kérdés megválaszolásának esélyeihez.
 

Mihez képest mozognak a részecskék és miért van tömegük? 

Az alcímbe foglalt kettõs kérdés a 19. század végi fizikai világképben az éterhez kapcsolt két alapvetõ problémát foglalja össze. Klasszikus megfogalmazását EinsteinnekA fizika tér-, éter- és erõtérproblémája címû elõadásából idézzük: „...a testektõl mentes térben hullámszerûen tovaterjedõ állapotok, valamint lokalizált erõterek vannak... Minthogy a 19. századi fizikusok szemében tökéletesen abszurd dolognak tûnt volna, hogy a térnek magának fizikai funkciókat, illetve állapotokat tulajdonítsanak, kitalálták az egész teret betöltõ közeget, az étert, ..., amelyet az elektromágneses jelenségek hordozójaként is képzeltek... Amikor rájöttek, hogy a mozgó elektromos töltések mágneses teret létesítenek, amelynek energiája modellt szolgáltatott a tehetetlenségre, a továbbiakban a tehetetlenség is az éterben lokalizálódott térhatásnak számított."2

A 20. század végére a részecskefizika ezekre a feltételezésekre határozott választ kínál:

- A részecskék és a közöttük ható erõhatás kvantumai a kvantumfizikai alapállapothozviszonyítva terjednek.
- Az elemi részecskék tömegét és egyéb tulajdonságaikat is a kvantumfizikai alapállapot tulajdonságai határozzák meg. Annak korábbi (vagy majdani) változásai során e tulajdonságokban változások következtek (vagy következnek majd) be.
Visszatekintve, már az elsõ, kifejezetten részecskefizikai felfedezés, amellyel az elemi részek egyes osztályait jellemzõ ritkaságtulajdonságát ismerték fel, valójában a részecskementes alapállapotról, más szóval a vákuum tulajdonságairól adott hírt.
A ritka részecskék keltésének klasszikus példája az antiprotonokkal besugárzott proton-céltárgyon lezajló reakció, amelynek során a L nevû részecske és annak antirészecskéje keletkezik. A kvarkszerkezet feltárása, azaz a hatvanas évek vége óta tudjuk, hogy valójában a reakció elsõ lépéseként a protont alkotó kvarkok egyike az antiproton megfelelõ antikvarkjával szétsugárzik az erõs kölcsönhatási erõtér kvantumainak nagy energiasûrûséget hordozó, rövid élettartamú alakzatába. Ez az erõtér ugyanúgy polarizálja a vákuumot,mint az erõs elektromos erõtér teszi azt egy makroszkopikus szilárd testtel: a látszatra semleges anyagban megbúvó töltött alkotórészek ellentétes irányban elmozdulnak egymáshoz képest és a szétváló töltések önállóan észlelhetõek.
A ritkaságot hordozó s-kvark és antikvarkja ellentétes erõs töltése okán a gluon-erõtér hatására ellenkezõ irányba mozdult el. Egymásra gyakorolt vonzó hatásukat a proton, illetve az antiproton többi kvarkjának, illetve antikvarkjának vonzása felülmúlta és így alakult ki a kísérletben megfigyelt L hyperon és antirészecskéje.
A kísérlet elvégzésekor, a hatvanas évek legelején az új részecskék elõállításának vákuumpolarizációs stratégiája még nem tudatosult. Erre a hetvenes évek közepéig, a nagy energiájú elektronpozitron tárológyûrûk megalkotásáig kellett várni. Az egymással szemberepülõ két nyalábban viszonylag nagy gyakorisággal következik be a szétsugárzási reakció. Ennek eredményeként kis tartományba nagy energiát összpontosítva, óriási elektromos térerõsség jön létre. A vákuum polarizációja szó szerint azonos jellegû a makroszkopikus anyagmintán elõidézhetõ polarizációval. 1973-ban az ún. "bájos" c-kvark, majd 1977-ben az "alsónak" nevezett b-kvark felfedezése bizonyította, hogy a vákuum valójában polarizálható anyagi közeg.

A részecskefizikusok a nyolcvanas évek végére annyira megtanulták a vákuumpolarizáció jelenségének értelmezését, hogy képesekké váltak a növekvõ energiájú elektron-pozitron ütközõnyalábokban a b-kvark és antikvarkja keletkezéséhez kis, ún. sugárzási korrekciók észlelésére is. Egy ilyen korrekció során az instabil elektromágneses tér-konfigurációból elõször egy még ismeretlen, a b-kvarknál jóval nagyobb tömegû kvark és antirészecskéje mozdul el egymáshoz képest. A végsõ szétválás elõtt azonban még kölcsönhatnak és átalakulnak a megfigyelt könnyebb kvark-antikvark párba. Ez a kétlépéses keletkezési eseménysor tehát elõzetes hírt ad olyan kvark esetleges létezésérõl, amelynek párkeltésére a gyorsító energiája még nem elegendõ.

Ez történt a kilencvenes évek elején a CERN LEP-gyorsítójánál végzett kísérletek elemzésekor. Az így nyert információk alapján a "felsõ" elnevezésû t-kvark tulajdonságait, pl. a tömegét igen pontosan sikerült megjósolni, nagyban megkönnyítve ezzel a Fermi Nemzeti Laboratórium (USA) kísérleti csoportjának munkáját, ahol 1994-ben ezt a kvarkot felfedezték.
Jelenleg a részecske-antirészecske párkeltés "világrekordját" a CERN LEP tartja, ahol 1999-ben a gyenge kölcsönhatást közvetítõ W-erõtér elektromosan ellentétesen töltött kvantumainak párját sikerült elõállítani.
A kísérlet nehézségét a negyven évvel korábbi vákuumpolarizációs esemény megfigyeléséhez képest azzal tudjuk érzékeltetni, ha elmondjuk, hogy a W-pár keltése egymilliárdszor ritkábban következik be, mint a L-pár keltése. Ezen események észlelése csak alapvetõen új részecskedetektorok megalkotásával volt lehetséges. A hatvanas évek technológiai csúcsteljesítményét jelentõ buborékkamra helyébe a sokszálas proporcionális kamra lépett, amellyel akár több száz részecske önálló pályáját is rekonstruálni lehet.
Ez a technika, mint a részecskefizikai kutatást segítõ sok egyéb találmány is, fokozatosan átkerül a hétköznapi alkalmazás területére. Már léteznek olyan orvosi ernyõkép berendezések, amelyekben a részecskefizikai nyalábkialakítás és detektálás eszközeit használva, a szokásos röntgensugárzási dózis alig századával, a megszokottnál jóval kontrasztosabb, a diagnózist több részlettel segítõ képet lehet alkotni. Ezek nélkül az eszközök nélkül nehéz elképzelni a nem természetes eredetû lakossági sugárterhelés radikális csökkentését.
E rövid áttekintéssel igyekeztünk hatásosan érvelni amellett, hogy a részecskefizikának a hetvenes évekkel indult "aranykorszaka" a 20. század végére meggyõzõ kísérleti adatsort szolgáltatott a kvantumfizikai alapállapot polarizálhatóságáról. Nagyjából egyidejûleg vetették fel annak elvi lehetõségét is, hogy ezt az állapotot, más anyagmintákhoz hasonlóan "halmazállapot"-változásra lehet bírni.
A vákuumállapot fázisátalakulása megvalósításához a legközelebb a CERN-ben végzett nagy tömegû, nagy energiájú ionütközésekkel jutottak. Az ütközések során jó néhány proton átmérõjének megfelelõ méretû tartományban, igen rövid idõre nagyon erõs gluonos erõtér alakul ki. Ebben az erõtérben nagy gyakorisággal (spontán) kvark-antikvark-keltési reakciók sora valósul meg és kialakulhat a kvark-gluon-plazma állapot. Szemben a szokásos világgal, amelyben a kvarkok csak elemi részekbe kötve létezhetnek, ebben a térrészben mozgásuk szabaddá válik. Ezért az alapállapotnak ezt a megváltozását kvarkfelszabadítási fázisátalakulásnak is hívják.
A kvark-gluon-plazmát a megszokott, hideg alapállapot veszi körül. Ebbe csak párba vagy triplettbe rendezõdött kvarkcsoportok léphetnek át. A plazmaállapot gyorsan "elpárolog", létrejöttérõl a kísérleti fizikusok a visszamaradó több száz, esetleg ezer összetett "elemi" részecske tulajdonságainak elemzésébõl következtethetnek. A kvarkfelszabadítás tanulmányozásának továbbfolytatása a 21. század részecskefizikájának egyik elsõ feladata. Ez évtõl az Egyesült Államokban, Brookhavenben, majd az elsõ évtized második felétõl újra a CERN-ben folytatódik ennek a vákuumállapotnak a megismerése.
A modern részecskefizika hihetetlen nagyságú adathalmaz elemzésébõl vonja le fizikai következtetéseit. A nehézion ütközések most zárult szakaszában másodpercenként 100 Mbyte információ lépett be az elektronikus feldolgozó rendszerbe. 50-100 darab 400 MHz ciklusidejû processzorból álló számítógéphalmaz birkózik a részecskepályák rekonstrukciójának feladatával. A századára redukált adathalmazt tárolják a szalagos egységben, amelybõl különbözõ fizikai kérdésekhez különbözõ szempontok szerint válogatják azt a 30-50 kbyte-nyi adatsort, amelyet a kvark-gluon-plazma létrejöttét vizsgáló fizikus végül analizál.
A másik halmazállapot-váltás elõidézésére nagyjából százszor nagyobb energiasûrûség kialakítására lenne szükség. Ezt a közeljövõben gyorsítóban nem várhatjuk, de az õsrobbanás kozmológiai elmélete szerint az univerzum legkorábbi történetében ez az állapot bekövetkezett. A vákuum tulajdonságait a mi hideg világunkban sikeresen leíró elméletet ennek a forró korszaknak a körülményeire szuperszámítógépes szimulációk segítségével alkalmazzák. E „számítógépes kísérletekkel" igyekszünk értelmezni a világegyetem jelenleg megfigyelt állapotának kialakulását, vizsgálni a forró korszakban lejátszódott folyamatok máig tartó hatásait.
Ebben a 1015K feletti hõmérsékletû világban a foton és a mi világunkban közel 90 protontömegnyi W-bozon teljesen azonos módon végtelen hatótávolságú, azaz zérus tömegû erõtérként viselkedne. A világegyetem hûlése során bekövetkezõ fázisátalakulásban jelenhetett meg a mai kvantumfizikai alapállapot "cseppje", amely gyorsan növekedve végül az egész univerzumot kitöltötte. Ebben a cseppben a forró fázisból belépõ foton akadálytalanul halad tovább, azonban a W-bozon (és a többi elemi részecske) hatótávolsága véges. Az elméleti eszközökkel a számítógépben 2elõidézett" jelenség minden fizikai részletében egyezik azzal, ami valódi kísérletekben a mágneses térrel történik egy szupravezetõ anyagminta felületén. A Meissner-hatás arra mutat rá, hogy a mágneses tér véges mélységbe képes csak behatolni. A W-bozon szempontjá-ból a mi hideg világunkban tapasztalható alapállapot "szupravezetõ" természetû. A kvantumtérelmélet fogalomrendszerében a hatótávolság és a tömeg szinonímák. A végtelen hatótávolság zérus, a véges hatótávolság nem zérus tömeget jelez. Tehát a részecskefizikai és a kozmológiai elmélet együttes alkalmazása utal arra, hogy a véges mechanikai tömeg tulajdonsága „történetileg" egy szupravezetõ jellegû vákuumállapot-módosulás révén keletkezett. Ezt a fázisátalakulást valószínûleg nem lesz mód a 21. század elsõ felében kísérletileg tanulmányozni. A szuperszámítógépes elméleti fizikai szimulációk tökéletesítése mellett a gyorsítós kísérletek azt igyekszenek eldönteni, hogy létezik-e a tömeget generáló "szupravezetõ" kondenzátum. Nem "elpárologtatni", hanem gerjeszteni próbálják. Ennek, a Higgs-részecskének nevezett gerjesztésnek a létezése a közeljövõ kísérleti terveinek tétje. A CERN-ben az elsõ évtizedben üzembe lépõ új LHC gyorsító és az amerikai Tevatron II perdöntõ kísérletsorozatot végez majd a vákuumállapot természetére vonatkozó képünk helyességének ellenõrzésére.
A 21. század elsõ évtizedében induló kísérletekben a Higgs-gerjesztés felfedezéséhez másodpercenként 1 millió Gbyte információ zúdul a feldolgozó rendszerekre. Ezek nagy részét a kísérlettel egyidejû (csak néhány mikroszekundumos késést jelentõ sebességgel mûködõ adatfeldolgozó elektronikát használó) elemzéssel érdektelennek minõsítik, és csak a maradék kerül be a feldolgozásra használandó adatbázisba. Ez is évente 1015 byte-nyi információ tárolását igényli. A mai eszközökkel feldolgozása több ezer évet igényelne. Információtechnológiai alapkutatási feladat annak az adatbázis-hálózatnak a megalkotása, amellyel a Föld bármely vezetõ intézetében dolgozó csoport számára nagy sebességgel, párhuzamosan kutatható lesz a nyers kísérleti adathalmaz. Ebbõl kell kibányászni a Higgs-részecske létezésére vonatkozó, minden milliomodik másodpercben várt néhány bitnyi információt!
 

„Abba kapaszkodnak a csillagok"

Az éternek tulajdonított másik szerephez fûzve, várhatóan a 21. század egészét átfogó nagy kutatási irányt fogalmaztak meg a búcsúzó század utolsó évtizedére. Az alcímbe foglalt idézet J. Saramago Nobel-díjas író egyik regényébõl arra a szerepre mutat rá, melyet az arisztotelészi világkép az éternek tulajdonított, amikor megválaszolta a csillagok állandóságáról szóló gyermeki kérdést.
A középkor uralkodó természetképének pontosabb megfogalmazását Simonyi Károly nemzedékeket nevelõ mûvébõl, A fizika kultúrtörténetébõlidézzük: "Arisztotelész világa a kozmosz, ... a görög értelemben vett kozmosz, vagyis a szép rend világa, ahol mindennek megvan a természetes helye, a dolgok, a tárgyak, az emberek és az istenek hierarchikus rendben helyezkednek el. Ezen hierarchikus elrendezésben az égi és a földi világ élesen elkülönül. Az égi világ a tökéletes rend, a tökéletes harmónia világa, ahol minden örök és változhatatlan. Az anyag, amibõl az égi szférák állnak, a földi anyagtól különbözõ éter, a kvintesszencia..."3
A világegyetem szerkezetére az elsõ modern elképzelés felvázolását Newtonkísérelte meg a Bentley tiszteletesáltal 1692-ben hozzá intézett kérdésekre írott válaszlevelében:

"... ha a Nap, a bolygók és az egész univerzum anyaga egyenletesen szét van szórva az égi térségben, és ha minden egyes részecske eredendõ gravitációval viseltetnék az összes többi iránt, továbbá, ha az a tér, amelyben ez az anyag eloszlik, véges, akkor az anyag e tér külsõ részeibõl, gravitációja folytán a tér belsejében elhelyezkedõ anyag felé törekednék, következésképpen bezuhanna a tér közepébe, s ott egyetlen nagy gömb alakú tömeget alkotna. Ha azonban az anyag végtelen térben oszlanék el egyenletesen, akkor sohasem sûrûsödhetnék egyetlen tömeggé, hanem különbözõ részei különbözõ tömegekké sûrûsödnének oly módon, hogy végtelen sok nagy tömeg állna elõ, amelyek egymástól nagy távolságokra szóródnának szét a végtelen térben."4

A mai kozmológia adatai arra utalnak, hogy az univerzum létezését véges térbeli méret és véges idõtartam jellemzi. A Hubbletörvényt, amely szerint az univerzum nagy objektumai távolságukkal arányos sebességgel távolodnak egymástól, visszavetítve térben és idõben, arra a konklúzióra jutunk, hogy az õsrobbanás óta 10-15 milliárd év telt el és az univerzum 1026 méternyi mérettel jellemezhetõ. Így Newton megoldása, ha mûködik is, nem a mi világunkra szól.
A modern asztrofizikai megfigyelés a 20. század végére izgalmas eredményeket hozott. Távoli szupernóvák fényességének vizsgálatát a megfigyelésben használt fényészlelõ eszközök érzékenységének a fotolemezhez képest milliószorosra megnövelt érzékenysége tette lehetõvé. Az eredmény nemcsak megerõsítette Hubble 1927- es felfedezését az univerzum tágulásáról, hanem kimutatta a távolodás gyorsulását is.

Newton Bentleyhez írt levele tudományos érvelés arra, hogy a gravitációs vonzásnak kitett anyag hatása kizárólag lassíthatja (esetleg leállíthatja) az univerzum expanzióját. A gyorsuló tágulást csakis egy nem megszokott tulajdonságú energiahordozó jelenléte idézheti elõ. Ennek legfurcsább tulajdonsága az, hogy gravitációsan nem csomósodik, nyomása negatív!

Az új évszázadra beérni látszik a kozmikus háttérsugárzás irányfüggésének nagy pontosságú feltérképezésére a nyolcvanas évek végén indított nagy program is. Ennek révén sikerült meghatározni az univerzum energiasûrûségét. Az érték nagyon pontosan egyezni látszik azzal, amely az általános relativitás elmélete szerint „lapos", azaz euklideszi geometriájú téridõt alakít ki. A kozmikus elemgyakoriság kísérleti vizsgálata szerint (amely a részecske- és a magfizika kozmológiai léptékû alkalmazásával párosul) a protonból, neutronból és rokonaikból álló barionikus anyag ennek az energiasûrûségnek nem több, mint 5%-át alkotja. A galaxisok részeinek relatív mozgásából kimutathatóan jelen levõ sötét anyaggal együtt sem haladják meg a háttérsugárzás által jelzett energiasûrûség 30-35%-át!
A két mérés összevetése szerint az új anyagfajta ma az univezum energiájának nagyobb részét, annak 70%-át tartalmazza. Minden arra utal, hogy ez az arány az idõ kozmológiai skáláján változott és ma is változóban van. A legegyszerûbbnek tûnõ értelmezés újfent a kvantumterekhez fordul: az arisztotelészi terminológiát tudatosan felhasználó kutatók a galaxisok „leesése" ellen dolgozó erõteret kvintesszenciánaknevezték el. A kétféle anyagfajta létének véglegesítése, eredetük feltárása és egymásba alakulásuk esetleges lehetõségeinek felkutatása a 21. század asztro-részecskefizikájának feladata.
Az emberi kultúrtörténet legõsibb kérdéseinek egyike több ezer évnyi álmodozás után a modern tudományos módszert alkalmazó kísérleti kutatási tervek közé került. Az elsõ évtizedben induló amerikai MAP és európai PLANCK ûrmissziók a kozmikus háttérsugárzásból, a már beindult SDSS és társai a galaxisok átfogó feltérképezésébõl vonnak majd le még pontosabb törvényszerûségeket az univerzum anyagának mozgásáról. Az asztrofizika és a részecskefizika határterületén gondosan felépített évtizedes megfigyelési tevékenység a 21. század természettudományának egyik központi kutatási irányzata megfogalmazására vezetett. Az új századba nem egy késznek hitt épület aprólékos tökéletesítésének „unalmas" feladatára, hanem a természet korábban hozzáférhetetlennek hitt titkainak megfejtésére szövetkezõ részecskefizikusok lépnek át.
Jegyzetek
1. Az MTA Fizikai Osztály 2000. május 18-ai ülésén tartott elõadás rövidített változata
2. Nagy Imre fordítása
3. Simonyi Károly: A fizika kultúrtörténete, 3. kiadás, Gondolat Kiadó, Budapest, 1986; 79-80. oldal
4. I. Newton: A világ rendszerérõl. Helikon Kiadó, Budapest, 1977. Fehér Márta fordítása