Simonyi Károly emlékének

 

Patkós András
Század eleji részecskefizikai problémapanoráma


Nem valószínû, hogy a XXI. század elsõ részecskefizikai Euro-konferenciáján, 2001 júliusában, Budapesten bárkinek is eszébe jutott a XIX. század vége német professzorának esete, aki azzal tanácsolta el tanítványát a fizikától, hogy abban a mechanika, az elektrodinamika és a termodinamika csodálatos épületeinek elkészültével a nagy alkotások kora lezárult. Az atomi színképek értelmezésének nehézségeit az ambiciózus kutató figyelmére érdemtelen apróságoknak nyilvánította…

A nagy kaland elõérzete annak ellenére lett úrrá az Európai Fizikai Társaság tanácskozásának több mint 600 résztvevõjén, hogy az elemi részek fizikájában érvényes, az ún. Standard („Szabványos”) Modellben összefoglalt törvényszerûségeknek teljesülését a budapesti konferencián minden eddigit felülmúló precizitású mérések eredményeivel igazolták. A szubnukleáris mikrovilág jelenségeinek értelmezésében azért tapasztalható bizonyos fokú kielégületlenség és további felfedezések várása, mert sok vonatkozásban éppen azt nem értjük, hogy miért ennyire sikeres az elemi részecskék természetrajzának és kölcsönhatásaiknak az elmúlt két évtizedben kifejlesztett leírása.

A következõkben a konferencia legfontosabb tudományos szenzációira is támaszkodva felsorolásszerûen szeretném bemutatni a kísérletes részecskefizikának a XXI. század elsõ negyedében legizgalmasabbnak ígérkezõ irányait.
 
 
 

A tömeg eredete, avagy a Higgs-részecske „bujkálása”

A Szabványos Modell egyik kulcsszereplõje a Higgs-részecske. A zérustól különbözõ tömegû részecskék elméleti leírásának megoldatlansága hosszú évekig akadályozta a gyenge kölcsönhatások Fermi-elméletének megjavítását. A XX. század hatvanas éveinek végére érlelõdött meg Glashow, Salam és Weinberg Nobel-díjjal jutalmazott munkássága alapján az a kép, hogy ezt a kölcsönhatást a fotonhoz hasonló, de nagy tömegû erõtérrészecskék közvetítik. A tömeg keletkezésének az a mechanizmusa volt matematikailag ellentmondásmentesen tárgyalható, amelyik feltételezte, hogy a legalacsonyabb energiájú (az ún. vákuum-) állapotban egy részecske véges sûrûségû kondenzátuma („csapadéka”) van jelen, amit Higgs-kondenzátumnak hívnak. Amellett, hogy a csapadék a benne mozgó részecskék számára tömegként jelenik meg, gerjesztései is lehetnek: a Higgs-részecskék.

Bár a Higgs-kondenzátummal generált tömeg kiválóan alkalmazható az összes tömeges részecskére a leptonoktól, a kvarkokon át a tömeges vektor bozonokig, a kondenzátum gerjesztéseit közvetlen méréssel mindeddig nem sikerült kimutatni.

Ugyanakkor van egy bevált, hatékony módja a még nem észlelt részecskék tömege elõrejelzésének. Ennek alapja az a tény, hogy minden elemi részecske- antirészecske pár megszüntethetetlen rezgésként állandóan jelen van az alapállapotban. A párok szétválasztására azonban csak akkor kerülhet sor, ha a gerjesztõ frekvencia eléri a tömegekkel arányban növekvõ gerjesztési küszöböt.

Ha közelítünk a kívánt frekvenciához, akkor nagyon rövid élettartamú fluktuációként már megjelenik a keresett részecske-antirészecske pár. Ennek hatása van az ismert részecskék terjedésére. Az anyagi közegben terjedõ fény analógiáját véve, az idõleges párkeltés mintegy megváltoztatja a vákuumnak az adott anyag hullámszerû terjedésére vonatkozó törésmutatóját. A terjedéshez kapcsolódó tulajdonságokat mérve meg lehet kísérelni ennek a változásnak a számszerû jellemzését, végsõ soron a küszöbfrekvencia megjóslását. Ez több elemi rész esetében (legutoljára 1994/95-ben, a t-kvark felfedezésekor) jó minõségû tömegjóslatot tett lehetõvé.

A budapesti konferencián részletes elõadás foglalkozott a CERN 2000-ben bezárt nagy elektron–pozitron ütköztetõjének (LEP) Higgs-kutatásaival. Az elõadó következtetése az volt, hogy majdnem sikerült elérni az elõrejelzett küszöbenergiát, azonban a kísérletek továbbfolytatása helyrehozhatatlan késést okozott volna a következõ gyorsító (az LHC) megépítésében. A kísérleteket azért állították le, mert egyértelmû, kételyeket kizáró felfedezést a CERN eddigi eszközeivel semmiképpen nem lehetett volna tenni. Meg kell várni a következõ gyorsítót, illetve az Egyesült Államokban már mûködõ Tevatron gyorsító továbbfejlesztését, amelyek remélhetõleg a 2007 és 2009 közötti idõszakban választ adnak a „bujkáló” Higgs-részecske rejtélyére.

Mivel a Tevatron is csak 2006 táján éri el a szükséges energiát, a következõ években a Higgs-kondenzátumos tömeggenerálás kevésbé lesz a részecskefizikai kutatások homlokterében.
 
 

A kvantumfizikai alapállapot energiasûrûségének kozmikus értéke

A részecskefizikai kutatások jövõbeli alakulására a legnagyobb hatású mérést a közelmúltban nem gyorsítónál, hanem asztrofizikai eszközökkel végezték el. A Kozmikus Mikrohullámú Háttérsugárzás (KMHS) létezése az univerzum õsrobbanásból induló fejlõdésének elkerülhetetlen következménye. Létezésére Alpher, Gamow és Hermann hívta fel a figyelmet a XX. század negyvenes-ötvenes éveinek fordulóján. Komoly kutatása 1964-ben kezdõdött, amikor egy nem ezzel a szándékkal végzett rádiócsillagászati fejlesztés során Penzias és Wilson megfigyelték. A Nobel-díjjal jutalmazott felfedezés olyan elektromágneses sugárzást mutatott ki, amelynek intenzitása igen nagy pontossággal irányfüggetlen és frekvencia szerinti spektruma a legtökéletesebb feketetest-sugárzás, amit valaha is fizikus mérni tudott. A homogén forró gáz által kibocsátott sugárzás az univerzum azon idõszakából hoz információt, amikor nagyjából 300 000 év telt el az õsrobbanást követõen.

1992-ig kellett várni a mérési pontosságnak arra a szintjére, hogy a sugárzást kibocsátó, addig tökéletesen egyenletes sûrûségeloszlásúnak mutatkozó közeg sûrûségingadozásainak mértéke megállapítható legyen a különbözõ irányból érkezõ sugárzást jellemzõ hõmérséklet eltérései alapján. A COBE (COsmic Background Explorer) mesterséges holddal végzett kísérletekkel kimutatták, hogy a sûrûségingadozások amplitúdója a kibocsátás idõszakában százezredrésze volt a sûrûség átlagértékének. Ez alapvetõen fontos felfedezés az õsgalaxisok létrejöttének megértése szempontjából.

A KMHS még pontosabb irányfüggését feltérképezõ legújabb adatok a részecskefizika számára is mérhetetlen kihívást jelentenek. A pontosság fokozására 1998 óta magaslégköri léggömbökkel végeztek méréseket. A legismertebb a BOOMERaNG rövidítésû olasz–amerikai vállalkozás, amely az Antarktisz légköri áramlásait kihasználva 15 napos körút után a felbocsátás helyén landolt. E misszió és társai eredményeként közel százszorosára nõtt a KMHS ingadozásainak spektrumára vonatkozó ismereteink pontossága az 1992-es úttörõ mérésekhez viszonyítva.

Az intenzitás ingadozásainak az irányszögtõl való függését szokás az ún. sugárzási multipólusok segítségével szemléltetni (1. ábra). Az értelmezéshez elegendõ tudni, hogy az l multipólussorszám és a sugárzás észlelési nyílásszögének radiánban mért értékét összeszorozva egységnyi nagyságrendû állandó értéket kapunk. Tehát minél nagyobb l értéke, annál kisebb látószögû égi tartományból származó sugárzásra tudjuk megmondani a hozzá tartozó feketetest-hõmérsékletet. Az ábrán az l tartomány felsõ határa 1000 volt, míg 1992-ben legfeljebb l=20-ig terjedt a multipólindexnek az elért szögérzékenység által megengedett tartománya. Vagyis 1992-ben nagyjából 10 fokos, jelenleg 1 fokosnál kisebb szögnyílású tartományokból érkezõ sugárzás helyi hõmérsékletének mérésével alkotnak égtérképeket.

1. ábra. A Kozmikus Mikrohullámú Háttérsugárzás intenzitásbeli ingadozásainak multipólusokra felbontott erõssége (Cl ). A multipólus rendje (l) fordítottan arányos a szögfelbontással. Az ábrán világosan kivehetõ két (esetleg három) maximum helye. A részletes elemzés szerint az elsõ maximum helyét annak a tartománynak a mai látószöge határozza meg, amelyikbõl a sugárzás eredt. A maximum magasságából viszont az univerzum teljes energiasûrûsége olvasható ki. A második maximum helyébõl és magasságából a protonszerû anyag részaránya állapítható meg.


2001 tavaszán állították pályára az amerikai MAP-mûholdat, amelyet két-három év múlva követ az európai PLANCK-misszió. Ezek segítségével szögpercnyi pontosságúvá javul az égbolt hõmérsékleti térképének ismerete. Miért fontos ez a részletes ismeret a részecskefizikusok számára?

A megfigyelt fény abból a korszakból származik, amikor a hõmérsékleti egyensúlyban lévõ ionizált elektromágneses plazma és a hozzá csatolt egyensúlyi elektromágneses sugárzás oszcillációkat végzett a gravitációs potenciál hegyes-völgyes ingadozásaiban. A sugárzás fluktuációi valójában ezt az ingadozást tükrözik vissza. Azaz nemcsak az elektromágneses sugárzás kibocsátására képes anyagfajták, hanem a gravitációs kölcsönhatásban résztvevõ (tehát az összes!) anyagfajta korai sûrûségeloszlásáról hírt adnak. A részletes elemzés alapján a multipólusok rendje szerinti eloszlásban az elsõ csúcs magasságának értéke megadja a 300 000 ezer éves univerzumban kialakult átlagos energiasûrûségét. Ez az érték nagyon nagy pontossággal megegyezik az ún. kritikus sûrûséggel. A kritikus érték választja el egymástól a sûrûségértékek azon tartományát, amely az idõben végtelenül táguló és azt, amely a majdan összeroppanó univerzumot jellemezné.

A részecskefizikai elméletek jóslatot tesznek az univerzum alapállapotának energiatartalmára. A részecskefizikai vákuumban az ismert elemi részecskékhez tartozó alapállapoti oszcillátorok rezegnek. Ennek a megszüntethetetlen, ún. zérusponti rezgésnek az energiája érdekes módon ellenkezõ elõjelû, egyrészrõl az anyag alapvetõ alkotórészeinek tekintett feles spinû kvarkokra és leptonokra (az elektron és „testvérei”), másrészrõl az elemi kölcsönhatások kvantumaira (a gluonokra, a W- és Z-kvantumokra és a fotonra). A két részecskecsalád (a fermionok és a bozonok) energiajárulékának összege tehát kiejtési tendenciát mutat, de a kiejtés mértéke a jelenleg ismert részecskéket számba véve messze nem kielégítõ. A mért értéknél sok-sok nagyságrenddel nagyobb sûrûséget várnánk a részecskefizikai vákuum ma ismert szerkezete alapján. A mérés és a várakozás eltérésének mértéke jelenleg 50-120 nagyságrendnyi, tehát ez az elõrejelzés versenybe szállhat a „tudománytörténet legrosszabb elméleti elõrejelzése” címért.

Az asztrofizikai mérések világos és pontos eredményei tükrében többé nem lehet a szõnyeg alá söpörve negligálni a részecskefizikai vákuumkép hiányosságait. A probléma azonnal megoldódna, ha minden kvarkszerû (fermion) részecskének lenne egy gluonszerû (bozon) párja. Az ilyen elméleteket hívják szuperszimmetrikusnak. Ezekre már a hetvenes években tettek javaslatokat, és a gyorsítók mellett rendszeressé lett az ismeretlen szuperszimmetrikus partnerrészecskék kutatása. Mindeddig eredménytelenül…
 
 

A protonszerû anyag kozmikus elterjedtsége

Az asztrofizikai mérések információgazdagságát mutatja, hogy a KMHS ingadozásainak multipólus analízisében jelentkezõ második csúcs is kihívást jelent a részecskefizikának. Ennek a csúcsnak a magassága a fényt kibocsátó anyag sûrûségétõl függõen változik. A KMHS atomfizikai eredetû, a proton és elektron atommá kombinálódásakor keletkezik. Ezért a második csúcs a protonszerû objektumok (általános nevükön a barionok) korai univerzumbeli sûrûségének abszolút meghatározását teszi lehetõvé.

A háttérsugárzási mérés további izgalmas következménye, hogy az anyagfajtáknak általunk máig megismert része az univerzum teljes sûrûségének nem több, mint 5 százaléka. A következõ fejezetben elmondandó újabb asztrofizikai megfigyelések alapján az is kijelenthetõ, hogy még a szuperszimmetrikus partnerekben gyanított sötét anyag hozzávételével sem tudunk az univerzum teljes sûrûségének 35 százalékánál többrõl számot adni.

Egyelõre térjünk vissza a barionos anyag kérdésére. A legújabb mérések megerõsítik egy jóval korábbi független elemzés következtetéseit. Ez a könnyû atommagok (a hidrogén és izotópjai mellett a hélium izotópjai és a lítium) kozmikus elterjedtségének mért értékeit a magfizika törvényei révén igyekszik értelmezni.

Jóval a KMHS keletkezése elõtt a protonok és neutronok alkotta forró homogén gázban zajlottak azok a magreakciók, amelyeknek eredményeként létrejöttek ezek az elemek. A reakciókinetika segítségével elõfordulási arányaikat egyetlen paraméter értékének rögzítése esetén meg lehet jósolni, ez pedig éppen az univerzum barionikus anyagsûrûsége (2. ábra).

2. ábra. A könnyû elemek elõfordulási gyakoriságára mért és számított értékek összevetése. A számítást a forró univerzumban végbemenõ magfúziós reakcióháló egyenleteinek megoldásával végzik, bemenõ információként használva az egyes fúziós reakciók reakciósebességeinek laboratóriumi mérésekkel megállapított értékeit. Az egyetlen szabad paraméter az univerzumban található protonszerû (barionikus) anyag sûrûsége. A mért értékeket reprodukálni képes barionsûrûség tartományát a téglalapok vízszintes mérete jelzi. A függõleges sötét sáv adja meg azt a barionsûrûség-tartományt, amely az összes méréssel összhangban van. A könnyû elemek elterjedtségének legjobb mért értékeihez tartozó barionikus sûrûség jól egyezik a Kozmikus Mikrohullámú Háttérsugárzás második maximumából becsült értékkel.


 


A hidrogén és fõleg a hélium elterjedtségének értékét egyre pontosabban ismerjük a csillagászati spektroszkópiai mérésekbõl. Az egyezést a magfizikai magyarázattal idõrõl idõre kritikus elemzésnek vetik alá. Jelenleg az a közmegegyezés, hogy az elméleti interpretáció a számszerû részleteket akkor tudja visszaadni, ha a barionikus anyagsûrûség értékét a KMHS-mérés eredményéhez nagyon közel választják.

A barion–antibarion aszimmetriának két oldalról is megerõsített ténye megérdemli hát a tudományos vizsgálatot. A mai napig e jelenség magyarázatára csak részecskefizikai elképzelés körvonalazódott. Az Andrej Szaharov által 1967-ben publikált elemzés egyik tanulsága az, hogy a protonok sûrûségének az antiprotonok feletti többletéhez elengedhetetlen, hogy az elemi részecskék töltését ellenkezõjére változtató és egyidejûleg a térkoordinátákat is tükrözõ kombinált mûvelet (az ún. CP-transzformáció) során egy az általunk ismerttõl eltérõ világba csöppenjünk.

A két világot egymástól megkülönböztetõ kölcsönhatásfajta az egyik legkevésbé intenzív a Szabványos Modell jóslatai szerint. Korábban egyetlen megnyilvánulását a K-mezonnak antrészecskéjébe való átalakulása során figyelte meg Nobel-díjjal jutalmazott kísérletében Cronin és Fitch. A budapesti konferencián számoltak be elõször a kutatók az újabban felfedezett semleges B-mezonra és antirészecskéjére Japánban és az Egyesült Államokban függetlenül elvégzett hasonló kísérletekrõl. Az eredmények megerõsítik, hogy a Szabványos Modell kölcsönhatásai között jelen vannak a barionaszimmetria kialakulásához szükséges szimmetriasértõ folyamatok.

E folyamatok intenzitása azonban nem elegendõ az aszimmetria észlelt értékének megértésére. Az elmúlt 3-4 évben e kérdéskörben is a szuperszimmetrikusra szélesített mikrovilág feltevésével próbálkoznak a kutatók. Találtak is olyan változatokat, amelyekben a megfigyelt aszimmetria kialakulását valószínûsíteni tudták. A gyorsítóknál e részecskék után végzett kutatások eddigi negatív eredményei azonban gyorsan fogyasztják az egyre erõsebb kísérleti korlátokkal még összhangba hozható elméletek számát.
 
 

Az univerzum gyorsuló tágulására utaló megfigyelések

A kozmikus objektumok megfigyelése során a legnehezebb feladványok egyike távolságuk meghatározása. Az információt hozó fény utazásához felhasznált idõ okán a távolság növekedése egyben a megfigyelt jelenség korát is meghatározza. Vannak olyan, az ismert fizikai elvekkel megbízhatóan leírható események, amelyek az univerzum történetének jelentõs hosszúságú idõszakában egyenletes gyakorisággal következhetnek be. Ezek az események alkalmasak – a fényintenzitásnak a távolság négyzetével fordítva arányos csökkenését figyelembe véve – az esemény tõlünk mért távolságának meghatározására.

Közismert, hogy az univerzumunk szerkezete az ún. Hubble-törvény szerint a távolsággal arányosan növekvõ sebességû távolodást jósol minden kozmikus objektumra. A tágulás okozta Doppler-hatás a hozzánk érkezõ fénynek vöröseltolódására vezet. Az univerzumot alkotó anyag és sugárzás modelljének ismeretében egyértelmû kapcsolat adható meg a vöröseltolódás és a fényességbõl (luminozitásból) számolt távolság között, amit a mérésekkel összevetettek.

Az elsõ méréseket 1999-ben tette közzé két, egymástól függetlenül dolgozó amerikai csoport. Sokéves munkával mintegy ötven alkalmas SnIa típusú szupernóva adatait sikerült értékelniük. A 3. ábra függõleges tengelyén ahhoz az esethez viszonyítva észlelt fényességeltérést tüntették fel, amely egy zérus anyagsûrûségû világegyetem tágulásánál lenne észlelhetõ. A vízszintes tengelyen a vöröseltolódás (z) értékét ábrázolták.

3. ábra. Az Ia típusú szupernóvák fényességének eltérése a táguló üres univerzumban várttól a vöröseltolódás (z) függvényében. Az egynél kisebb vöröseltolódású (közeli, fiatalabb) objektumokból származó intenzitás halványabb, amit elég jól leír az extragalaktikus por abszorpcióját feltételezõ modell is. A Hubble-ûrteleszkóppal készült felvételen 1997-ben felfedezett SN 1997ff szupernóva viszont fényesebb a vártnál, mert annak fénye még akkor indult el felénk, amikor az univerzumban az anyagsûrûség (Wanyag ) dominált és ennek következtében az univerzum lassult. A z=1,6 vöröseltolással rendelkezõ objektum fényességét már nem magyarázhatja a por modell, míg a zérus kozmológiai állandóval jellemzett univerzum (WL=0) a kis vöröseltolódás értékeknél nem tud számot adni a mérésekrõl.


A pöttyökkel jelölt mérési pontokból érkezõ jel tulajdonsága úgy is megfogalmazható, hogy ezek a szupernóvák halványabban világítottak, mint az üres teret jellemzõ tágulás esetére várnánk, azaz ehhez az esethez képest gyorsabban mozogva a becsültnél távolabb emittálták a fényt. Ezt a gyorsítást csak egy antigravitációs hatású energiahordozó jelenléte magyarázhatja. A különbözõ jelöltek közül az Einstein nevéhez fûzõdõ kozmológiai állandó a legismertebb, amelynek legfontosabb tulajdonsága az állandó, az univerzum méretétõl független energiasûrûsége. Ezt a modellt elfogadva, a mérési adatokat egy olyan kritikus összenergia sûrûségû modell tudja reprodukálni, amelyben jelenleg a kozmológiai állandó vagy az annak hatását imitáló anyagtér képviseli a teljes energiasûrûség 60-70 százalékát. Ebbõl következik a szokásos anyag és a hozzá kölcsönhatással csatolódó egzotikusabb (pl. szuperszimmetrikus) anyagfajták 35 százalékot meg nem haladó részesedése.

Ez az elemzés egyszerû, de hatásos ellenvetéssel hárítható el. A halványodást a gyorsulás helyett elõidézheti annak az intergalaktikus pornak az abszorpciós hatása is, amely ismeretlen koncentrációban van jelen a fény felénk vezetõ útjába esõ közbensõ tértartományokban.

2001 tavaszán jelentõs elõrelépés következett be. Ekkor vezetõ újságok, köztük az egyik magyar napilap címlapjára is felkerült a hír: a NASA egy szakértõi elemzése megállapította, hogy a világegyetem tágulása gyorsul. Elsõ olvasásra a hír semmi újra nem utalt ahhoz képest, amit 1999 óta tudtunk és fentebb már ismertettünk. Kezdtünk a szokásos újságírói felületességre gyanakodni. Az ELTE egy doktorandusza, Budavári Tamás segített megfejteni a hír mögötti valóban szenzációs tudományos tartalmat. Ugyanis õ a New York Times által hivatkozott cikk egyik társszerzõje! (Ezt persze az eredeti közleményt nem olvasó magyar újságíró nem tudhatta, és ezzel elmulasztotta egy világszenzációvá emelkedett magyar tudományos sikerrõl szóló elsõ hazai híradás megírásának dicsõségét.) Budavári azóta megvédett disszertációja ugyanis a távolságmérés problémájára egy új megoldást kínál. Módszerét közvetlen témavezetõjével, Csabai István adjunktussal és a kozmikus égtérképezés amerikai projektjében vezetõ szerepet játszó Szalay Sándor egyetemi tanárral alkot meg (a közleménynek a három magyar mellett még társszerzõje Andy Conally, Szalay egyik amerikai diákja is). Az eljárás nem az egyes színképvonalak intenzitása és vöröseltolódása között állapít meg kapcsolatot, hanem öt egymást kiegészítõ, széles áteresztésû színszûrõvel készült felvételt használ a forrás vöröseltolódásának megbecsülésére. A projekt keretében az ég most folyó digitális feltérképezése kapcsán 5 év alatt tapogatják le az északi félgömb jelentõs részét, és ezalatt 100 millió galaxis távolságát határozzák meg.

A tömeges távolságmérés elõkészítésének egy fontos tesztje volt a vöröseltolódás meghatározása annak az Ia típusú szupernóvának esetére, amelyet a kilencvenes évek második felében a Hubble-ûrteleszkóp fedezett fel. Bár készült spektroszkópiai felvétel errõl az objektumról a legnagyobb földi távcsõ, a hawaii Keck-teleszkóp segítségével, sajnos éppen ebben a vöröseltolódási tartományban a megfigyelendõ eltolt vonalakat nem tudják megbízhatóan észlelni. Ezért a magyar csoport módszere volt az egyetlen mód e forrás távolságának megbecsülésére. Eredményül az eddig felfedezett legtávolabbi Ia típusú szupernóva adódott. A mért fényesség pedig ez alkalommal nagyobb volt az üres univerzumbeli tágulásból vártnál.

Ennek a látszólag fordított szituációnak könnyû az értelmezése. Nagy vöröseltolódásának tanúsága szerint olyan régen indult útjára a detektált fény, amikor még az antigravitációs anyagfajta által hordozott energiának a sûrûsége a mozgást lassító közönséges anyag energiasûrûségéhez képest elhanyagolható volt. Ezért e korban a normálanyag megszokott gravitációs hatása még lassította az univerzum tágulását, azaz a kibocsátás közelebb volt az üres univerzumból számítható helyhez képest. Ami közelebbrõl jön, az pedig fényesebb. A különbözõ összetételû univerzum esetén várt relatív fényességgörbéket a vöröseltolódás függvényében az ábrán láthatjuk. Jól látszik, hogy elég nagy mérési hibája ellenére a NASA Space Telescope Science Institute kutatócsoportjának, amely Budavári Tamást mint a távolságmérés új módszerének szakértõjét kérte fel együttmûködésre, sikerült egyértelmû érvet adnia 60-70 százalék antigravitáló anyag jelenlétére.

A részecskefizika feladata az antigravitáló anyagfajta megtalálása. Ehhez a megszokott anyagra gyakorolt hatását kell megragadni. Íme egy lehetséges próbálkozási irány. Egy angol kutatócsoportnak a Physical Review Lettersben 2001. szeptember végén megjelent cikke a statisztikus mérési hibát jóval meghaladó, szisztematikus eltérést talált a távoli kvazárok spektrumvonalainak helyzetében az elemi elektromos töltés Földön használt értékével számolt (és a vöröseltolódásra korrigált) spektrumhoz képest. A megváltozás relatív értéke százezred résznyi. Ezt a változást könnyû reprodukálni, ha feltételezik az elektromosan töltött anyagnak az antigravitációs hatást megvalósító ún. kvintesszencia térhez való extrém gyenge hozzácsatolódását. Erre gyors egymásutánban több cikk is felhívta figyelmet. Ez természetesen az eddig ismerteken túlmutató, újabb kölcsönhatás fajta lenne. A nagyon kis csatolási intenzitás miatt reménytelen az általa indukált folyamatoknak gyorsítókbeli detektálása. Nagy kozmológiai távolságokon végzett részecskefizikai pontosságú megfigyelésekkel kezdhetõ meg a gravitációs hatásaival önmagáról már jelt adott antigravitációs hatású anyag és a közönséges anyagfajták kölcsönhatásainak tanulmányozása.
 
 

Új anyagfajták és kölcsönhatások felfedezésének esélye

A kis kölcsönhatási erõsségek okozta észlelési nehézségek leküzdésének kísérleti stratégiája a nagy (kozmikus) méretû tartományokon akkumulálódó hatások nagy pontosságú meghatározása. Ilyenre készülõdnek a nem csomósodó anyaggal való kölcsönhatás kimutatásán fáradozók is.

Ennek az irányzatnak a gyümölcsözõ voltát illusztrálandó, éppen a budapesti konferenciára készült el a Sudbury Neutrino Observatory elsõ megfigyeléseinek összefoglalása. Ez a kanadai intézet 1000 tonna nehézvizet használ a Napban végbemenõ fúziós folyamatban keletkezõ neutrínók kimutatására. A Nap magfúziós folyamataiban az elektron neutrínója keletkezik és áramlik a Naprendszer távolabbi pontjai felé. A várt fluxus 35 százaléka érkezik meg az SNO detektorába. A többirõl biztonsággal állítható, hogy átoszcilláltak az egyéb leptonok (a müon és a t-részecske) neutrínóiba. (l. Manno István kiváló beszámolóját a Természet Világa 2001. szeptemberi számában.)

A neutrínó oszcilláció jelensége egyértelmûen bizonyítja, hogy legalább egy neutrínónak van tömege. A tömeggel rendelkezõ neutrínónak viszont az eddig ismerthez képest még egy polarizációs szabadsági foka van, amelyet azért nem detektálunk, mert a szokásos elektrogyenge kölcsönhatásban ez a szabadsági fok nem vesz részt. Természetesen kis tömege miatt, már nem túl magas hõmérsékleten is sugárzásként viselkedik mind a két szabadsági fok, azaz hozzájárul az univerzum tágulási ütemének meghatározásához.

Ez a neutrínófajta felborítja a Szabványos Modellben elfogadott részecske osztályozási sémát. A megfigyelõ asztro-részecskefizika elsõ nagy sikere, hogy segít túllépni ezen a már-már kissé „unalmas” elemirészecske-modellen.
 
 

Hány dimenziós a világ?

A gravitáció kvantumelméletét is magában foglaló egységes elméletre az 1980-as évek közepétõl kezdve az ún. húrelmélet adja a legígéretesebb esélyt. Az elmélet alapvetõ objektumai nem lokálisak, hanem igen kis kiterjedésû, egydimenziós alakzatok. Megmutatták, hogy ennek a húrelméletnek a legkisebb energiájú vákuumállapotára épülõ gerjesztések megfeleltethetõk az ismert elemi részeknek, a gravitont is ideértve. Azonban ezeknek az elméleteknek egyik nagy problémája annak megértése, hogyan lehet az elemi részek tömege jóval kisebb, mint a gravitációt is tartalmazó elméletek természetes tömegskálája, a Planck-tömeg: 1016 TeV (Tera-elektronVolt). A legnehezebb elemi részek tömegét sem becsülik 1 TeV-nél nagyobbra.

További gond, hogy a kvantum húrelmélet csak az általunk ismert 3 tér és 1 idõdimenziónál magasabb dimenziójú világban építhetõ fel ellentmondásmentesen. A tapasztalattal való egyezés érdekében feltételezik, hogy a többletdimenziók mentén az univerzum mérete az elképzelhetõ legkisebb mikroszkopikus mérettel, az ún. Planck-hosszal (10–33 cm) azonos nagyságrendû.

Két-három évvel ezelõtt született egy elméleti javaslat, amely a kompakt (kis, véges kiterjedésû) dimenziókra alapozva értelmezni tudta a két stabil tömegskála jelentõs eltérését. Ennek lényege az a feltevés, hogy a gravitációs kölcsönhatás a teljes sokdimenziós tér–idõ sokaságon hat, míg a többi kölcsönhatás az általunk érzékelt téridõre korlátozódik. Az elemi részek tömegskálája akkor lehet stabilan sok nagyságrenddel kisebb, mint a Planck-tömeg, ha bizonyos számú dimenzió mentén a véges kiterjedés a két tömegskála hányadának valamely jól meghatározott hatványával nagyobb a Planck-hossznál. Ha két ilyen közbensõ nagyságú kiterjedés (dimenzió) van a mi világunk univerzálisan nagy és a kompakt dimenziók Planck-hossznyi kiterjedése között, akkor ezek mentén a világ méretének milliméteres nagyságrendû értéke esetén stabilan fennállhat a két tömegskála közötti óriási viszonyszám.

Az ár, amit a tömegskálák stabil szétválasztásáért ezekben az elméletekben fizetnek: a gravitációs erõtörvény megváltozása. A milliméteres skála felett a jól ismert Newton-törvényt észleljük, de a véges méretû dimenziókkal összemérhetõ távolságon az extra dimenziók hatása következtében jelentõs eltérést jósolnak. Az ötdimenziós gravitáció a távolság reciprokának negyedik hatványával csökkenõ erõt jósol a megszokott négyzetes csökkenés helyett. Az érdekesség az, hogy a gravitációs törvényt ezen a hosszúság skálán kísérletileg a XX. század lezárultáig nem ellenõrizték. Precíziós mérések 2001 elejéig csak centiméter nagyságrendû távolságokra bizonyították a newtoni gravitációs törvény érvényességét. Az elõbb vázolt részecskefizikai konstrukciók hatására megnövekedett az érdeklõdés a newtoni gravitációs törvény érvényességének alsó határa iránt. Az Eötvös Loránd nyomdokain haladó, a klasszikus kísérleti fizika egyik csúcsának tekinthetõ mérési rekordot ez év eleje óta a University of Washington Eöt-Wash elnevezésû kísérlete tartja, amellyel jóval 1 milliméter alá vitték az inverz négyzetes erõtörvény alsó érvényességi határát (4. ábra).


4. ábra. A gravitációs erõhatás newtoni képletét milliméteres távolságon ellenõrzõ Eöt-Wash-kísérlet berendezésének vázlatos képe. A torziós szálra felfüggesztett, elfordulni képes 1,846 mm vastagságú rézlapra az álló, 7,825 mm vastag rézlap gyakorol tömegvonzási hatást. A függõleges távolságot a két lap között változatva a torziós szál elfordulását mérték. A most közzétett méréssorozatban használt készülékben a lapokra 18 fokos elforgatással 10-10 kör alakú, azonos méretû lyukat fúrtak, amelyek hatására a két lap között fellépõ tömegvonzási erõben a milliméteres távolságra lévõ részek közötti vonzás dominál. A mérésekkel a korábbinál egy nagyságrenddel kisebb távolságokra sikerült bizonyítani a korrekciómentes háromdimenziós Newton-törvény érvényességét.


Egy másik egzotikus kutatási terület, amelyet a húrelmélet komolyan vétele élesztett új életre: a részecske-antirészecske megfeleltetés nagy pontosságú ellenõrzése. Annak a kvantumtér-elméleti tételnek, amely a részecske-antirészecske párokra az elektromos és egyéb töltések abszolút értékének, valamint a tömegnek a tökéletes egyezését jósolja, van egy korlátja: csak olyan világban bizonyítható, amelyben a részecskék pontszerûek. Ha a világnak esetleg húrszerkezete van, akkor eltéréseket várunk. Ez adta az ösztönzést a CERN nemrég indult nagyon alacsony energiás antiprotonnyalábot használó, japán irányítású (és magyar részvételû) programjának. Az antiproton tömegét és elektromos töltését mérik meg közvetlenül, a részecske-antirészecske szimmetriára való minden hivatkozás nélkül, eddig példátlan pontossággal. Az eredményeket a proton adataival összevetve esetleg adódó eltérés a pontszerû alkotórészekre való bonthatóság korlátozott érvényességét demonstrálhatná.

Mindkét kísérlet jól példázza, hogy gyenge hatások esetében a makroszkopikus méretekben végzett, de extrém pontossággal végrehajtott mérések alapozhatják meg a sokak által eleve a fantasztikus regények világába sorolt elméleti elképzelések szigorúan szakmai kritikáját világunk extra fizikai dimenzióiról, illetve az elemi részek univerzális húrszerkezetérõl.
 
 

Prognózis

A XXI. század elején a részecskefizika túllép a három ismert elemi kölcsönhatást leíró Szabványos Modell keretein. Meghatározó irányzattá válik a nem-barionikus sötét anyag és a sötét energia összetevõinek kutatása, azoknak az új kölcsönhatásoknak a felfedezése, amelyek az anyag már ismert és ma még megismerés elõtt álló megjelenési formáit kapcsolják egymáshoz.

Ebben a folyamatban a gyorsítóknál folyó, az egyre kisebb méretû tértartományokba betekintést nyújtó kutatások mellett az extragalaktikus méretekben zajló folyamatok megfigyelése hamarosan egyenrangú fontosságú szerepet játszhat. Egyre világosabban igazolást nyer a XVII. század elsõ felének nagy fizikus filozófusa, Blaise Pascal által kimondott elképzelés: „Természetünknél fogva sokkal képesebbnek érezzük magunkat arra, hogy eljussunk a dolgok középpontjához, mint arra, hogy átfogjuk kerületüket. A világ látható kiterjedése szemlátomást meghalad bennünket, mivel azonban a kis dolgokat mi haladjuk meg, azt képzeljük magunkról, könnyebben meg tudjuk õket ragadni. Holott semmivel sem kevesebb képesség szükséges a semmiig, mint az egészhez való eljutásig: végtelenül nagy kell egyikhez is, másikhoz is. Véleményem szerint az az ember, aki meg tudná érteni a dolgok végsõ elveit, képes lenne végül megismerni a végtelent is. Az egyik a másik függvénye, az egyik elvezet a másikhoz.’’ (Gondolatok, Põdör László fordítása.)
 


Természet Világa, 133. évfolyam, 1. szám, 2001. január
http://www.chemonet.hu/TermVil/
http://www.kfki.hu/chemonet/TermVil/


Vissza a tartalomjegyzékhez