Évfolyamtársaimnak, valamint "osztályfőnökünknek",
Nagy Károly tanár úrnak ajánlva a 40 éves találkozó emlékére.
 

NAGY ELEMÉR

A kísérleti részecskefizika 40 éve

 Mit tudtunk 40 évvel ezelőtt az elemi részecskékről?

Azt már tudtuk, hogy az elemi részecskék nem lehetnek elemiek. Tudtuk, hogy feloszthatók különböző típusokra, így például leptonokra és hadronokra, de ezeken belül is felfedezhettünk további csoportokat, amelyek egy mélyebb struktúrára utaltak.

Két töltött leptont már ismertek, az elektron mellett felfedezték a müont, amely minden tulajdonságában megegyezett az elektronnal - kivéve, hogy tömege 200-szor nagyobb volt. "Ki rendelte ezt meg?" - tette fel a kérdést a Nobel-díjas Rabi, de választ még ma sem tudunk adni. Viszont már 1962-ben tudtuk, hogy az elektron és a müon két külön családot alkot, minthogy mindkettőhöz külön-külön egy-egy neutrínó kapcsolódik. Ennek kísérleti bizonyításáért Lederman, Schwarz és Steinberger 1988-ban Nobel-díjat kapott.

A hadronok kategóriájába tartoztak a mindennapi anyagot felépítő nukleonok, a proton és a neutron, valamint a pi-mezon, amely - akkori ismereteink szerint - a nukleonok kölcsönhatásáért volt felelős. A kvantummechanikában az elemi részecskék kölcsönhatása ugyanis kvantumok kicserélődésével írható le, és - Yukawa Nobel-díjas fizikus javaslatára - ezt a kvantumot képviselte a pi-mezon a hadronok esetében. Ez a kép csodálatos precizitással adta vissza a töltött részecskék elektromágneses kölcsönhatását, ahol a kicserélt kvantum a jól ismert foton, a fény kvantuma. A Nobel-díjas Feynman, akinek döntő szerepe volt az elmélet kidolgozásában, azt mondta, ez a precizitás olyan, mintha a New York és San Francisco közötti távolságot valaki egy hajszál szélességének a pontosságával határozná meg. A hadronok esetére azonban ezt az elméletet - sajnos - nem lehetett alkalmazni.

A nukleonokon kívül a hadronok között ismert volt több "különös" részecske, pl. a K-mezon vagy a L- és S-részecskék, amelyek párosával keletkeztek, és rendkívül lassan bomlottak el. Még meglepőbb és szinte zavarba ejtő volt, hogy közéjük kellett sorolni több száz "rezonanciát", amelyek elnevezésüket rendkívül rövid, 10-20 másodperc körüli élettartamukról kapták. E részecskék sokaságában végül is sikerült felismerni a rendet. Gell-Mann és Zweig feltette, hogy a hadronok három, még elemibb objektumból, ún. "kvarkokból" állnak.1 E feltevés nyomán Gell-Mann megjósolta egy egészen különös részecske létezését, amelyet W--nak nevezett el. 1963-ban sikerült megfigyelni egyetlen ilyen részecskét. Ez elegendő volt ahhoz, hogy a kvarkok hitelt nyerjenek s Gell-Mann 1969-ben megkapja a Nobel-díjat.

A kvarkok elektromos töltése az elektrontöltés egyharmadának többszöröse. A három kvark, az ún. u, d és s - amely az angol "up", "down" és "strange" nyomán kapta nevét - +2/3, -1/3 és -1/3 töltéssel rendelkezik. A +1 töltésű proton, illetve a semleges neutron ennek megfelelően uud, illetve udd kvarkokból épül fel, míg a "különös" hadronok legalább egy s kvarkot tartalmaznak. Az említett W- három s kvarkból áll. A hadronok összetett voltát támasztotta alá az a kísérleti tény, hogy méretükre ~10-15 m, azaz véges érték adódott.

40 évvel ezelőtt már mind a négy - ma ismert - részecske-kölcsönhatásról tudtunk. Fent már említettük, hogy az elektromágneses kölcsönhatás elméletét a kísérlet igen nagy pontossággal igazolta. Azt is említettük, hogy a hadronok közti nukleáris kölcsönhatás leírására ez az elmélet nem felelt meg. Ennek okát akkoriban abban látták, hogy ez utóbbi túl erősnek bizonyult ahhoz, hogy perturbációszámítást alkalmazhassanak, mint az elektromágneses esetben. A nukleáris kölcsönhatást ezért szokás "erős" kölcsönhatásnak is nevezni. A harmadik típusú kölcsönhatást az jellemezte, hogy igen lassan ment végbe. Ilyen volt a már említett ritka részek bomlása, valamint a jóval korábban felfedezett radioaktivitás. A kvarkok nyelvén ezekben a folyamatokban a kvark típust vált: az s vagy d kvark átalakul u kvarkká. A folyamat lassúsága miatt ez a kölcsönhatás a "gyenge" nevet kapta. Végül a negyedik kölcsönhatást, a gravitációt, már Newton óta ismerték. A XX. század elején a gravitáció fogalma forradalmi változáson esett át, amikor Einstein megalkotta az általános relativitás elméletet. Mindennapi tapasztalatainkban a gravitáció állandóan jelen van, az elemi részecskék körében viszont teljes egészében elhanyagolható azokon az energiákon, amelyeken a kísérleteket végezhetjük. Az univerzumban ugyanakkor, mint később látni fogjuk, létrejöhet olyan körülmény, ahol ez az elhanyagolás már nem tehető meg. Mindenesetre 40 évvel ezelőtt a fent említett négy kölcsönhatás között nem ismertünk semmiféle kapcsolatot. Nem létezett sem az erős, sem a gyenge kölcsönhatás kielégítő leírása, nem értettük továbbá, hogy az erős kölcsönhatás mitől erős, és a gyenge mitől gyenge.

A négy kölcsönhatásnak mindamellett voltak közös tulajdonságai: bizonyos transzformációkra, például a térbeli és időbeli eltolásra, térbeli forgatásra stb. szimmetriát mutattak. A klasszikus fizikában e szimmetriatulajdonságokhoz szigorú megmaradási törvények tartoznak, például az impulzus, energia és impulzusmomentum megmaradása. Mindez a kvantummechanikában kiegészül a terek globális fáziseltolásával szemben mutatott szimmetriával, ami a töltés megmaradásával hozható kapcsolatba. Ugyanakkor már 1956 óta tudott, hogy a természet nem szimmetrikus a tértükrözéssel szemben, pontosabban ez a szimmetria megsérül a négy kölcsönhatás egyikében, a gyenge kölcsönhatásban. Egy ideig úgy gondolták, hogy a tértükrözés (P) helyett a természet igazi szimmetriája az, amikor a térkoordináták ellenkezőjére váltásával egyidejűleg a részecskéket felcserélik antirészecske-párjukkal (CP). 1964-ben azonban Cronin és Fritch bejelentette, hogy a CP-szimmetria is megsérül a természetben, habár csak igen kis, ezrelékben kifejezhető mértékben. Ezért a kísérletért 1980-ban Nobel-díjban részesültek.

Kísérleti eszközeink 40 évvel ezelőtt

Bár részecskefizikai ismereteink tekintélyes részének forrása a kozmikus sugárzás volt, 40 évvel ezelőtt egyre jobban teret hódítottak a gyorsítók, amelyek segítségével a részecske-kölcsönhatásokat ismert kezdeti állapot mellett tanulmányozhattuk. Ekkorra már felfedezték az erős fokuszálás elvét, amellyel kis, centiméter keresztmetszetű nyalábokat lehetett gyorsítani a szinkrotronokban. A szinkrotronokban a mágneses tér együtt növekszik a nyaláb energiájával, ezért a gyorsítás folyamán a részecskék mindig azonos sugarú, hozzávetőleges körpályán mozognak. A pályán tartáshoz szükséges mágneseses anyag ennélfogva csak a körpálya kerületére korlátozódik. Brookhavenben és a CERN-ben (Európai Részecske- és Magfizikai Kutatóközpont) működött már egy-egy protonszinkrotron, amely 30 GeV energiájával teljesen háttérbe szorította a dubnai Egyesített Atommagfizikai Kutatóintézet 10 GeV energiájú, gyenge fokuszálású szinkrotronját.

A részecskedetektorok két, leggyakrabban alkalmazott változata a nukleáris vagy magemulzió, valamint a buborékkamra volt. Mindkettő elősegítette a részecskepályák kitűnő vizuális detektálását; a magemulzió elsőrendű térbeli felbontóképességével, a buborékkamra pedig nagyobb méretével és a részecskék impulzusának pontos mérésével tűnt ki. A mérés azonban csaknem teljes egészében manuális, a legjobb esetben is félautomatikus, mindenesetre rendkívül lassú volt. A detektorok legfőbb hátránya abban mutatkozott meg, hogy mindent észleltek, és a fizikust érdeklő eseményeket az emberi szem, jobban mondva az emberi agy alakfelismerő képességével kellett kiválogatni, ami a kiválogatott események számát nagymértékben korlátozta. A statisztikus pontosság egy további korlátjának oka maga az adatkiértékelés lassúsága volt, hiszen számítógép természetesen nem állt még rendelkezésre; ezt a logarléc, jobb esetben egy asztali, kézi hajtású mechanikus szorzó/osztó gép helyettesítette.

Világos volt, hogy a kísérleti eszközöket két irányban kell továbbfejleszteni. Egyrészt a gyorsítók energiáját, másrészt a mérések pontosságát kellett növelni. A nagyobb energia nagyobb térbeli felbontóképességgel jár, minthogy az ütköző részecskék hullámhossza lerövidül. Másrészt azt remélték, hogy az energia növelésével hamarosan elérhető az ún. aszimptotikus energiatartomány, ahol az elméletben az energia végtelen értékkel helyettesíthető. Több elméleti tétel látott napvilágot ebben a határesetben, ahol a kísérletileg ellenőrizhető jóslatokhoz nem volt szükség az anyag szerkezetének részletes ismeretére, csupán olyan általános elvek feltételezésére, mint az okság és unitaritás (a valószínűség normálhatósága).

A mérés pontosságát két irányban kellett javítani. Egyrészt tökéletesíteni kellett a detektorok térbeli és időbeli felbontóképességét, másrészt nagyságrendekkel meg kellett növelni a statisztikus pontosságot, más szóval a detektált események számát.

Az energia növeléséért azonban azt az árat kellett fizetni, hogy a gyorsítók - és ezzel együtt a detektorok - mérete egyre nagyobb lett. Az elmúlt 40 év alatt a gyorsítók mérete százas, a buborékkamrák térfogata pedig milliós faktorral nőtt. A nyers erő ilyetén alkalmazása sem lett volna elegendő azonban ahhoz a teljesítményhez, amelyet a kísérleti részecskefizika az elmúlt 40 év alatt elért. Ehhez valóságos áttörésre volt szükség.

Kísérleti áttörés

Az ütközési energia rendkívüli módon megnövelhető, ha a részecskenyalábokat szembeütköztetjük ahelyett, hogy a gyorsítóból kivezetett nyalábot álló céltárgynak vezetnénk, mint azt korábban tették. Ha a szembeütköző nyalábok energiája E, úgy az ekvivalens energia, amelyet álló céltárgy esetén kapnánk, az alábbi képlettel adható meg:

Eekv = 2E2/m,

ahol m a céltárgy tömege. Például proton céltárgy esetén 30 GeV (1 GeV=109 eV) energiájú ütköző nyalábok 1800 GeV energiával egyenértékűek. Természetesen a nyalábok ütköztetése nem egyszerű, és az első ilyen gyorsító, amelyet a CERN-ben hoztak létre 1971-ben, mind technikailag, mind az energiahatár kitolása szempontjából forradalminak számított. Ebben fontos szerepe volt Van der Meernek, aki nemcsak az ütköztető, ún. tárológyűrű megépítésében vett részt, hanem a gyűrű továbbfejlesztésében is, hogy az ütközések intenzitását, a luminozitást megnövelje. Kidolgozta a nyalábok stochasztikus hűtését, amely a részecskék pályáját elektronikusan korrigálta úgy, hogy a nyaláb minél kisebb fázisteret foglaljon el. Ennek később döntő szerepe volt abban, hogy - ugyancsak a CERN-ben - először valósíthassák meg protonok ütközését antiprotonokkal, amivel az ún. közbenső bozonokat (l. alább) felfedezték. Van der Meer ezért 1984-ben Nobel-díjat kapott.


1. ábra. Jobbról balra: Georges Charpak, Samuel Ting és Carlo Rubbia

A detektorok területén a kísérleti áttörés talán legjobb példájának a sokszálas proporcionális kamra feltalálása tekinthető, ami Georges Charpak (1. ábra) nevéhez fűződik. Ezt megelőzően a töltött részecskéket - az egyik eljárás szerint - proporcionális kamrákkal detektálták. Egy henger alakú edény tengelye mentén vékony fémszálat (anód) nagy pozitív feszültségre töltöttek fel az edény falához képest. Az így kialakult erős elektromos térben a töltött részecske az edényben lévő gázt ionizálta, és az anódra érkező elektronokkal keltett negatív elektromos impulzus elárulta a részecske jelenlétét. A proporcionális kamrák térbeli és időbeli felbontóképességét igencsak korlátozta a hengerek véges mérete. Ezzel szemben a CERN-ben Charpak két fémlap közé, a fémlapokkal és egymással párhuzamosan, valamint egymástól egyenlő távolságban nagyszámú fémszálat (anód) tett, amelyet a fémlapokhoz képest pozitív feszültség alá helyezett. A felfedezés lényege abban állt, hogy minden egyes fémszál úgy viselkedett, mint egy egyedi proporcionális kamra, ahol azonban az elektromos impulzust nem az anódra érkező elektronok keltették, hanem a pozitív ionok mozgása váltotta ki. Emiatt és azért, mert a fémszálakat egymástól akár milliméternyi távolságban is el lehet helyezni, a sokszálas proporcionális kamrák térbeli és időbeli felbontóképessége nagyságrendekkel jobb, mint elődjeiké. A proporcionális kamrák ilyenfajta integrálása lehetőséget nyújtott továbbá nagyméretű detektorok építésére. A detektorméret további növelését a driftkamrák tették lehetővé, amelyeket szintén a CERN-ben fejlesztett ki Charpak csoportja. Ezekben a berendezésekben a részecske helyzetét az elektronok vándorlási idejének mérésével határozzák meg. Emiatt az anódszálak egymástól való távolsága és ezzel egyidejűleg a kamrák mérete lényegesen megnövelhető. Mindez olyan impulzust adott a részecskedetektorok fejlődésének, hogy Charpaknak ítélték oda az 1992-es fizikai Nobel-díjat.

Az elektronika miniatürizálása, az integrált áramkörök feltalálása, ami végül elvezetett a nagy teljesítményű számítógépekig, mindennapi életünkre is óriási hatást gyakorol. Alfjorov, Kroemer és Kilby munkáját ezért honorálták Nobel-díjjal 2000-ben. A kísérleti részecskefizika esetében ez a fejlődés kölcsönös volt, minthogy a részecskedetektorok tökéletesítése nyomán a részecskefizika egyre nagyobb tömegben állított elő adatokat, amelyek feldolgozása állandó kihívást jelentett az elektronika és a számítógépek fejlesztőinek.

Végül meg kell említenünk, hogy - az elektronika esetéhez hasonlóan - a részecskefizika igényei nagymértékben hozzájárultak a telekommunikáció forradalmához. A kísérletek rendkívül nagy ember- és költségigénye kezdettől fogva ösztönzött az országok és a kontinensek közti együttműködésre. Ennek gazdasági, sőt politikai akadálya sem volt, mert - alapkutatásról lévén szó - az eredmények minden részletét publikálták. Nem véletlen tehát, hogy a ma már általánosan használt world wide webet (világhálót) a CERN-ben fejlesztették ki T. Berners-Lee vezetésével (2. ábra).


Ű 2. ábra. T. Berners-Lee, a világháló (WWW) feltalálója

A kísérleti technika fejlődésének érzékeltetésére megemlítjük, hogy a ma legnagyobb energiájú gyorsító, a Tevatron, amely a Chicago melletti Fermilabban üzemel, 2x1 TeV, azaz 2000 GeV energiával ütközteti a protonokat antirészecskéikkel. A nyugvó céltárgynak megfelelő ekvivalens energia 2 millió GeV. Ezt kell szembeállítani a 40 évvel ezelőtt csúcsenergiának számító 30 GeV-tal. De 2007-re elkészül a CERN-ben az LHC (Large Hadron Collider, nagy hadronütköztető), amelyben 2x7 TeV energiájú ütközések játszódnak majd le. Ennek a szinkrotronnak a kerülete 27 km (3. ábra). A gigantikus detektorok meghaladják egy ötemeletes ház magasságát. Az LHC-n majdan üzemelő egyik detektor, az ATLAS (4. ábra) akkora lesz, hogy az a csarnok, amelyben működik majd a föld felszíne alatt, be tudná fogadni a canterburyi székesegyház főhajóját. Ha ma az LHC-re ennél kisebb méretű detektort építenek, azt "kompaktnak" nevezik.


3. ábra. Az LHC, illetve a LEP 27 km kerületű, föld alatti alagútja, valamint a hozzájuk kapcsolódó gyorsítókomplexum Genf légi felvételére rajzolva. Jobbra a Genfi-tó és a repülőtér, balra a Jura hegység látszik

Az LHC-vel másodpercenként több milliárd ütközést hoznak majd létre, de ezek között legfeljebb száz lesz arra érdemes, hogy részletesen tanulmányozzák. Az alkalmazott elektronikának ezért olyan gyorsnak kell lenni, hogy egyetlen másodperc alatt ki tudja választani a vizsgálatra érdemes száz ütközést. Ez nagyobb teljesítmény, mintha egy szénakazalban megtalálnánk egy varrótűt. Amit 40 évvel ezelőtt érdekes eseményként megtartottunk volna, az ma már vagy mind háttér, vagy a detektor kalibrálását fogja szolgálni. A bevezetőben említettem, mekkora szenzáció volt egyetlen W--részecske megtalálása. Ma naponta több százat tudunk belőlük előállítani a Tevatronon működtetett detektorunkkal.


4. ábra. Az ATLAS-detektor vázlatos képe

A ma vagy holnap alkalmazott részecskefizikai detektorok több százmillió csatornában rögzítik az ütközésben észlelt információt. Ez igen nagy követelményeket támaszt a számítógépekkel szemben. Egyrészt a naponta kiválasztott események több billió bájtnyi adatot jelentenek, amelyek további feldolgozása a számítógépek feladata. Emellett szükség van arra is, hogy a számítógépekkel szimuláljuk a rendkívül bonyolult detektor válaszát az ismert folyamatokra, amellyel ellenőrizni tudjuk, hogy a berendezés az elvárt módon működik. Ily módon érthető, hogy az elmúlt 40 évben a részecskefizika az egyre nagyobb teljesítményű számítógépek kifejlesztésének egyik legfőbb motorja volt.

Végül megemlítjük, hogy egy tipikus együttműködésben 18 ország 78 intézetének több mint 600 kutatója dolgozik a Tevatronon. Az LHC-n az együttműködések mérete ennél még 2-3-szor nagyobb. A világháló, valamint heti többszöri videokonferencia nélkül elképzelhetetlen lenne az összehangolt munka a kontinenseken keresztül. Ma már egyre kisebb annak a jelentősége, hogy hol üzemel a gyorsító és a detektor. A felvett adatokhoz valós időben a világ bármely pontjáról közvetlenül hozzá lehet férni, és azonnal lehet őket elemezni.

Mi újat tanultunk az elmúlt 40 év alatt?

40 évvel ezelőtt úgy tűnt, hogy a részecskeütközések teljes hatáskeresztmetszete egy állandó értékhez tart. Ez azt sugallta, hogy elértük az energiában az aszimptotikát, így alkalmazhatók a korábban már említett aszimptotikus tételek. Az egyik ilyen tétel az volt, hogy az energiák végtelenhez tartása esetén a részecskék és antirészecskék teljes hatáskeresztmetszetének különbsége zérushoz tart. Ez a híres Pomerancsuk-tétel. Úgy tűnt, hogy a kísérletek mindezt alátámasztják. Nagy volt hát a meglepetés, amikor előbb a szerpuhovi 70 GeV-os gyorsítón, majd egy évvel később a CERN-ben - az első ízben megvalósított, ütköző nyalábokkal (amelyek ekvivalens energiája 1800 GeV volt) - azt tapasztalták, hogy a teljes keresztmetszetek az energiával növekednek. Végül is mindez nem mondott ellent az aszimptotikus tételek jóslatainak, mert ezek megengedték a hatáskeresztmetszetek növekedését (amennyiben a növekedés nem gyorsabb az energia logaritmusának négyzeténél), Pomerancsuk tétele pedig a növekvő hatáskeresztmetszetek tartományában is beigazolódott kísérletileg. A ma elérhető legnagyobb energiákon is folytatódik a teljes hatáskeresztmetszetek emelkedése az energia logaritmusának négyzetével arányosan.

Az elmúlt 40 év egyik legnagyobb felfedezésének a semleges gyenge áramok kimutatását tartják. Mint már említettük, a gyenge kölcsönhatásban a kvark típusa megváltozott, és az addigi megfigyelések szerint ez mindig egységnyi töltésváltozással járt együtt. Az elektromágneses kölcsönhatásokban nem fordul elő töltésváltozás, mert azt a foton közvetíti, ami semleges. Felmerült a kérdés, létezik-e a töltött közvetítőkön kívül semleges közvetítő a gyenge kölcsönhatásokban is, ami a fotonhoz lenne hasonló. Ennek a kérdésnek az adott jelentőséget, hogy a 70-es évek elején Veltman és ’t Hooft bebizonyították, hogy ha van semleges gyenge áram, úgy a gyenge kölcsönhatást szintén kielégítően le lehet írni az elektromágneses kölcsönhatás analógiájára (technikai nyelven a gyenge kölcsönhatás is renormálható). Ennek önmagában is óriási jelentősége volt, amit az 1999-ben odaítélt Nobel-díj is jelez. Ehhez járult hozzá, hogy a semleges gyenge áram létezése lehetővé tette, hogy a gyenge és elektromágneses kölcsönhatásokat, legalábbis a leptonokra korlátozódva, egységes elmélettel írják le. A semleges gyenge áramok legelső bizonyítéka az 5. ábra buborékkamra-felvételén látható. Egy anti-müonneutrínó érkezik alulról, és meglök egy balra kanyarodó elektront, ami a

reakciónak felel meg. Itt nem történt töltésváltozás, és az elektromágneses kölcsönhatás is ki van zárva, minthogy az antineutrínónak nincs töltése. Az antineutrínó ugyan nem látható a felvételen, de azt tudni lehetett, hogy az antineutrínó-nyaláb függőlegesen érkezik, és a feltételezett reakcióban az elektron jól követi a bejövő antineutrínó irányát. Mindez világosan látszik a felvételen. Megjegyezzük még, hogy ha az antineutrínó töltött áramon keresztül lépett volna kölcsönhatásba a buborékkamra nukleonjaival, akkor pozitív, tehát jobbra kanyarodó müont hozott volna létre. A neutrínók csak gyenge kölcsönhatásban vesznek részt, emiatt a fenti felfedezés ideális eszközei voltak. Ezért persze nagy árat kellett fizetni, mert éppen gyenge kölcsönhatásuk miatt 5 m hosszú, óriás2 buborékkamrát kellett építeni, hogy több millió felvételen egyet is detektálhassanak közülük. Ez André Lagarrigue érdeme, aki a buborékkamrát megtervezte, és munkatársaival megépítette. Sajnos, korai halála miatt ezt a nagy fontosságú eredményt nem honorálta Nobel-díj. (Jack Steinberger szokta mondani, aki 26 év múltán kapta meg a Nobel-díjat: ahhoz, hogy valaki a díjat elnyerje, nemcsak tennie kell valamit, hanem elég hosszú ideig is kell élnie.)


5. ábra. A képe a Gargamelle buborékkamrában

A kvarkok figyelembevétele az elektromágneses és gyenge kölcsönhatások egyesítésénél nem váratott sokáig magára. Ennek egyik akadálya az volt, hogy míg 4 leptonról tudtunk (elektron, müon és a hozzájuk tartozó egy-egy neutrínó), addig csak három kvarkot ismertünk. A negyedik kvark létezése annyira természetesnek látszott, hogy 1974 júliusában a londoni "Rochester" konferencia zárószónokaként Illiopoulos kijelentette, hogy megeszi a kalapját, ha a következő, két év múlva esedékes "Rochester" konferenciáig a negyedik kvarkot, amelyet már előre "bűvös" (angolul charm) névre kereszteltek, nem találják meg. Még az év novemberében - amelyet a fizikusok "novemberi forradalom" néven emlegetnek - Samuel Ting(1. ábra) és tőle függetlenül a SLAC (Stanford Linear Accelerator Centre) egyik kutatócsoportja, amelyet Burton Richter vezetett, bejelentette egy rendkívül éles, elektronra és pozitronra bomló rezonancia felfedezését. (E sorok írója úgy tudja, hogy Ting a rezonanciát már júliusban észlelte, de éppen szokatlanul éles alakja miatt nem merte közölni. Kísérleti hibára gyanakodott, és mindenképpen ellenőrizni akarta a megfigyelést a bejelentés előtt a mérés megismétlésével, amelyre azonban csak ősszel kerülhetett sor.) E rezonancia valójában egy charm és egy anti-charm kvark kötött állapota, ún. charmonium volt, amely csak viszonylag lassan, elektromágneses kölcsönhatás révén tudott elbomlani, minthogy tömege kisebb volt, mint a legkönnyebb, charm kvarkot tartalmazó hadron tömegének kétszerese. A negyedik kvark megtalálása óriási impulzust adott a részecskefizikának. Igen sok kísérletező azonnal a charm kvark tulajdonságainak kutatásával kezdett el foglalkozni, és a részecskefizika ezen ágát 1974-től kezdve meglehetősen sokáig "új fizikának" nevezték. Ting és Richter szokatlanul gyorsan, már 1976-ban Nobel-díjban részesült. Megszületett egyúttal az elektromágneses és gyenge kölcsönhatások egyesített leírása, amely most már a kvarkokra is érvényes volt. Megalkotóik, Glashow, Salam és Weinberg 1979-ben szintén megkapták a Nobel-díjat, miután a SLAC-ban minden kétséget kizáróan kimutatták a tértükrözési szimmetria megsérülését polarizált elektronok szórásában. A fizika történetében száz évvel azelőtt volt hasonló horderejű esemény, amikor Maxwell felismerte, hogy az elektromos és mágneses jelenségek közös tőről fakadnak. Ezúttal az elektromágneses jelenségekről és a radioaktivitásról lehetett belátni, hogy közös az eredetük.

A gyenge és elektromágneses kölcsönhatásokat egységbe foglaló elmélet egy új szimmetriára épül - arra, hogy a benne szereplő részecsketerek fázisa tetszőleges értékkel megváltoztatható a tér-idő bármely pontjában. Ez az ún. lokális mértékszimmetria, amelyet Yang és Mills már korábban javasolt, de konkretizálása az elektrogyenge kölcsönhatások térelméletében valósult meg.

Ennek az elméletnek kapcsán fény derül arra is, hogy a gyenge kölcsönhatás miért gyenge. Az itt kicserélt részecskék tömege ugyanis igen nagy, és a hatáskeresztmetszet alacsony energiákon hozzávetőlegesen e tömegek négyzetével fordítva arányos. Az elméletben 4 kicserélt részecske fordul elő: a már ismert fotonon kívül van egy pozitív és egy negatív töltött (W±), valamint egy semleges (Z), ún. közbenső bozon. Ezek tömege kiszámítható a gyenge kölcsönhatás ismert "gyengeségéből", valamint abból, hogy a gyenge és az elektromágneses kölcsönhatás milyen fokon "keveredik" egymással, mely utóbbira a már említett két kísérlet viszonylag pontos becslést nyújtott. E bozonok tömegére igen nagy, mW±=80, ill. mZ=90 GeV körüli érték adódott. Ez óriási kihívás volt a kísérletezők számára, mert kimutatásukra egy minden addiginál nagyobb energiájú gyorsítót kellett építeni. A kesztyűt Carlo Rubbia (1. ábra) vette fel, amire később visszatérünk.

Érdekes még megjegyezni, hogy a fent említett lokális mértékszimmetria nem engedi meg, hogy a bozonok tömege zérustól különbözzék. Ennek a szimmetriának tehát sérülnie kell. Mindez igen sajátos, "spontán" módon történik, aminek részleteire itt most nem térhetünk ki. Fontos azonban, hogy e szimmetriasérülésnek egy kísérletileg megfigyelhető következménye van: léteznie kell legalább egy, zérus spinű3 semleges bozonnak, amelyet a spontán szimmetriasértés megalkotójáról Higgs-részecskének neveznek. Az elmélet nem határozza meg e részecske tömegét. Természetesen nagy erőkkel kezdték felkutatni a Higgs-részecskét, amiről később még szó lesz. Előbb azonban tegyünk egy kis kitérőt, illetve térjünk vissza a 60-as évekhez.

A 60-as évek végén a SLAC egyik kutatócsoportja elektronok rugalmatlan szórásában azt tapasztalta, hogy az elektronok a vártnál lényegesen gyakrabban szóródtak nagy szög alatt a proton céltárgyon. Ez a jelenség hasonló volt ahhoz, mint amit a XX. század elején Rutherford észlelt az a-részecskék szórásában, és ami végül is elvezetett az atommag felfedezéséhez. A jelenség itt azzal párosult, hogy a hatáskeresztmetszetből levezethető "struktúrafüggvény" nem külön-külön a kicserélt foton Q tömegétől vagy annak n energiájától, hanem csupán azok egyfajta kombinációjától függött,

x=Q2/2mn,

ahol m a proton tömege. Ezt a jelenséget "skálázásnak" nevezik, amelynek fizikai tartalmára Feynman mutatott rá: a proton - mint a többi nukleon - parányi összetevőkből, partonokból áll, s az elektronok által kibocsátott, vagyis a szórásban kicserélt foton a partonok egyikét meglöki. Ebben az ütközésben, ahol a parton viszonylag nagy impulzust kap, úgy viselkedik, mint egy kváziszabad részecske. A meglökött parton a proton impulzusának x-ed részét hordozza. Ha azonban x szerint összegzünk, nem kapjuk meg a proton teljes impulzusát, csupán körülbelül a felét. Ennek az a magyarázata, hogy a proton impulzusának másik felét a partonokat összeragasztó gluonok hordozzák, amelyek semlegesek, és ezért nem cserélhető ki velük foton. Kézenfekvő volt ezek után felvetni a kérdést, vajon a partonok azonosak-e a Gell-Mann által korábban feltételezett kvarkokkal. Továbbá, hogyan lehet kísérletileg közvetlenül kimutatni a gluonokat? E kérdések pontos megfogalmazása, más szóval a kvark-parton fenomenologikus modell kidolgozása többek között Kuti Gyula nevéhez fűződik. Hátravolt tehát a fenti kérdések kísérleti megválaszolása.

Ebben a CERN oroszlánrészt vállalt. Egyrészt létrehozott egy müonnyalábot, ahol az effektust minden addiginél nagyobb energiákon lehetett újravizsgálni. Mire szolgált a nagyobb energia? Elsősorban arra, hogy a strukúrafüggvény Q2-től való függetlenségét vagy esetleg éppen attól való függését pontosan meg tudják állapítani, ugyanis a nagyobb energia lehetővé tette nagyobb tömegű virtuális foton létrehozását. Két nagy együttműködés jött létre, az Európai Müon Együttműködés (EMC), valamint az NA4, hogy a nagy energiájú müonok mélyen rugalmatlan szórását tanulmányozza. Másrészt a jelenséget úgy is vizsgálták, hogy az elektront neutrínóval helyettesítették. Mint már említettem, a neutrínóütközésekben a céltárgy kvark típusa megváltozhat, és így a detektált részecskék segítségével a céltárgy töltését meg lehetett határozni. Hasonló információt lehetett szerezni úgy is, hogy a céltárgy összetételét változtatták. Az EMC például a hidrogén mellett nehézhidrogénből, valamint számos nehezebb elemből, többek között vasatomokból építette különböző céltárgyait. Az eredmény mindenben alátámasztotta a kvark-parton modellt. A partonok pontosan olyan tulajdonságokkal rendelkeznek, mint amelyekkel Gell-Mann felruházta őket. Számuk a nukleonban valóban három. Ezenkívül a nukleon tartalmaz kvark-antikvark párokat is. Végül észrevették azt is, hogy a fent említett skálatulajdonság megsérül, azaz a struktúrafüggvény nem teljesen független a foton tömegétől, és ez pontosan úgy következik be, ahogyan az akkorra már napvilágot látott QCD (kvantum-színdinamikai) elmélet megjósolta.

Még korábban feltételezték, hogy a kvarkok három különböző formában - a képszerűség kedvéért úgy mondták, hogy három különböző színben - fordulnak elő, mert csak így építhetők fel a hadronok a Pauli-féle kiválasztási elvvel összhangban. Hasonlóan a gluonok is színesek. A belőlük felépülő hadronok viszont "színtelenek". A színek között ható erők olyanok, hogy ha színes objektumokat egymástól eltávolítunk, közöttük egyre nagyobb erők állnak ennek ellen, és a részecskék végül színtelen kvark-antikvark párokra, hadronokra szakadnak. Ennek folytán színes objektumokat, kvarkot vagy gluont szabadon nem lehet megfigyelni. Ha a kvarkokat nagy energiával lökjük meg, mint például a fent említett kísérletekben, a detektorban egy jól kollimált részecskenyalábot ("jetet") észlelünk. Ugyanezt a jelenséget tapasztaljuk a gluonokkal kapcsolatban. Ez segített hozzá többek között annak a megértéséhez, hogy az erős kölcsönhatás tulajdonképpen csak bizonyos körülmények között erős: akkor, ha a kvarkok viszonylag nagyobb, a nukleonoknak megfelelő térbeli tartományokban helyezkednek el. A kvarkokra, illetve gluonokra utaló részecske-"jeteket" sikerült az EMC-kísérletben és ezzel egyidejűleg elektron-pozitron annihilációban közvetlenül kimutatni.

A kvantum-színdinamika hasonló szimmetriára, a lokális mértéktranszformációk szimmetriájára épül ugyanúgy, mint a gyenge és elektromágneses kölcsönhatások egységes elmélete, csupán a transzformáció más. Az elektronok, müonok és neutrínók fent említett mélyen rugalmatlan szórása az elméletet és annak szimmetriatulajdonságait nagy pontossággal igazolta. Ennek a közös szimmetriatulajdonságnak az alapján egyesítették az elméleti fizikusok végül is mind a három kölcsönhatást, amelyet "nagy egyesítésnek" neveznek, az elmélet pedig a standard modell nevet kapta. Mint látjuk, a lokális mértéktranszformációk szimmetriaelve rendkívül fontos szerepet kapott a körülöttünk lévő világ leírásában, többen ezt az elvet az általános relativitáselmélet ekvivalenciaelvéhez hasonlítják jelentőségében. Az elektronok mélyen rugalmatlan szórásának felfedezői, Friedman, Kendall és Taylor 1990-ben Nobel-díjban részesültek.

Az elkövetkező évek a standard modell diadalmenetét hozták. 1977-ben - a budapesti Európai Részecskefizikai Konferencián - Lederman bejelentette, hogy egy ötödik kvarkot fedeztek fel a Fermilabban. Ezzel gyakorlatilag egy időben Martin Perl és csoportja a SLAC-ban kimutatott egy harmadik töltött leptont, amelyért Perl 1995-ben Nobel-díjban részesült. E két részecske felfedezése egy harmadik kvark-, illetve leptoncsalád létezésére utalt. A harmadik kvarkcsalád jelentősége abban áll, hogy így természetes módon építhető be a standard modellbe az 1964-ben észlelt CP-szimmetriasérülés. Természetesen ehhez meg kellett találni a harmadik kvark- és leptoncsalád két hiányzó tagját is, az ún. top kvarkot és a t-neutrínót, bár létezésüket illetően senkinek nem volt kétsége. Elsősorban a közbenső bozonok megfigyelésére helyezték a hangsúlyt. A 70-es évek közepén Rubbia javaslatára a CERN megkezdte 400 GeV-os szinkrotronjának átalakítását, hogy abban a protonokkal szemben antiprotonokat ütköztethessenek. Ez éppen megfelelt a közbenső bozonok keltésére a kvarkok annihilációjában, minthogy e kvarkok átlagos energiája 60 GeV volt. 1983-ban bejelentették mind a W, mind a Z bozonok felfedezését (6. ábra). Minthogy ez a standard modell egyik legfontosabb bizonyítéka volt, Rubbia - valamint az antiprotonnyaláb megépítője, Van der Meer - már a következő évben megkapta a Nobel-díjat. Ezután már "csak" a Higgs-részecske megtalálása maradt hátra.


6. ábra. Az első Z részecske elektronikus képe
(a fotókat a CERN szívességéből közöljük)

Elsősorban e célból - valamint a top kvark kimutatása és a standard modell részletes tanulmányozása érdekében - a CERN-ben egy elektron-pozitron ütköztető építésébe fogtak, amely 1989-re készült el. A gyorsító, amely a LEP (Large Electron Positron) nevet kapta, minden korábbi méretet meghaladott. A 27 km-es föld alatti körgyűrűben (3. ábra), amely 2007-től otthont ad az LHC-nek, néhány évig 45, majd később 100 GeV energiájú elektronok és pozitronok ütköztek. Míg Rubbia Nobel-díját egy tucatnyi Z részecske kimutatásáért kapta, a LEP-en e részecskéket milliós számban állították elő. Mindez lehetővé tette, hogy a 2000-ben befejeződött kísérletsorozatban a standard modellt ezrelék pontossággal bizonyítsák. A LEP talán legjelentősebb eredménye már a gyorsító elindulását követő két hétben megszületett: a Z rezonanciaszélességéből arra az igen fontos következtetésre jutottak, hogy nem létezik háromnál több, 45 GeV-nál kisebb tömegű neutrínó, ez pedig arra utal, hogy a leptonok és kvarkok legfeljebb három családot alkotnak. Sajnos, a 11 éves kísérletsorozatban végül is nem sikerült a Higgs-részecskét minden bizonyossággal kimutatni. Ennek az az oka, hogy tömege meghaladja a 115 GeV-ot, a LEP által kimutatható legmagasabb értéket. Hasonlóképpen top kvarkot sem tudtak kelteni a LEP segítségével.

Ez utóbbihoz azonban elegendő energiát és luminozitást szolgáltatott a Fermilab Tevatronja, ahol 1995-ben kimutatták a top kvarkot, majd a Fermilab egy másik gyorsítójával 2000-ben a t-neutrínót. Mindez - a Higgs-részecske kivételével - a standard modell teljes körű, ragyogó kísérleti igazolása. Mai tudásunk szerint az anyag alapvető építőköveit három kvark- és három leptoncsalád képezi. Minden egyes kvarkcsalád három különböző színben fordul elő. Az építőkövek közötti három kölcsönhatást, az erős, az elektromágneses és a gyenge kölcsönhatást sikerült közös szimmetriatulajdonságuk alapján egységes elmélettel leírni, és kísérletileg kimutatni a kölcsönhatások közvetítőit, a fotonon kívül a W és Z bozonokat, valamint a gluont. Az építőkövek méretét nem sikerült mindeddig meghatározni, csak annyit tudunk, hogy 10-18 m-nél kisebbek. Ennélfogva azt sem tudjuk, hogy van-e belső szerkezetük. Tömegértékük igen széles skálán, az eV-tól a száz GeV tartományig terjed, és ennek okát mindmáig nem értjük. Bár sokáig úgy gondolták, hogy a neutrínóknak nincsen tömegük, a legfrissebb kísérletek arra engednek következtetni, hogy a természetet felépítő alapvető részecskék mindegyike, így a neutrínó is véges tömeggel rendelkezik.

Megoldatlan problémák

Ezek között a legkézenfekvőbb a Higgs-részecske megtalálása, hiszen ez a standard modell egzisztenciakérdése. De ennél talán még fontosabb a "nagy egyesítéshez" hozzávenni a gravitációs kölcsönhatást. Ennek nemcsak elvi jelentősége van. Ma már ugyanis ismerünk több olyan körülményt, ahol a részecske-kölcsönhatásoknál a gravitáció nem hanyagolható el. Ilyenre példa a fekete lyukak fizikája vagy annak tanulmányozása, hogyan alakult ki az univerzum.

Fekete lyukak akkor keletkeznek az általános relativitáselmélet szerint, ha a testek tömegének és térfogatának aránya egy kritikus értéket meghalad. Az Einstein-féle egyenletek ilyen típusú megoldását már közvetlenül az elmélet megalkotása után néhány hónappal - tehát jóval a kvantummechanika megszületése előtt - Schwarzschild javasolta. Az okozza a problémát, hogy ha a térfogatot egyre kisebbre csökkentjük, egy olyan tartományba érkezünk, ahol a kvantummechanika törvényeit kell alkalmazni, viszont ezek szerint hatalmas energiafluktuációk lépnek fel, amelyek nem kezelhetők matematikailag. A nagy kérdés tehát az, összebékíthető-e a kvantummechanika az általános relativitáselmélettel?

Erre nézve nincsen még végleges, legalábbis a kísérletekkel ellenőrizhető elmélet, csupán néhány elképzelés, támpont vagy nyom, amin el lehet indulni. Az egyik ilyen nyom annak a tér-időtartománynak vagy ezzel ekvivalens energiatartománynak a mérete, ahol ez a probléma egyáltalán fellép. A három idevágó természeti állandóból, a Newton-törvényekben fellépő gravitációs állandóból, a Planck-konstansból, valamint a fény sebességéből összeállítható egy energia- (tömeg-), távolság-, illetve idődimenziójú szám, amely erre a tartományra jellemző. Az így nyert Planck-tömeg, Planck-távolság és Planck-idő értékei: mPl=1019 GeV, dPl=10-35 m és tPl=10-43 s. Ezek a számok extrém értékeknek tűnhetnek, de a fekete lyukak vagy az univerzum kezdete körül kialakult körülmények tanulmányozásánál nagyon is relevánsak. Mint látjuk, a Planck-energia tartományát az emberiség soha nem tudja majd földi gyorsító segítségével tanulmányozni.

Egy másik támpont az, hogy bármi legyen is az egyesített elmélet végső alakja, annak valószínűleg egy új típusú szimmetriával, az ún. szuperszimmetriával (SUSY) kell rendelkeznie. A SUSY azt jelenti, hogy a természet szimmetrikus a bozonok (egész spinű) és a fermionok (fél-egész spinű) részek felcserélésével szemben. Kimutatható, hogy annak a szimmetriának, ami szerint a természeti törvények függetlenek a koordinátarendszertől, a szuperszimmetria az egyetlen lehetséges kiterjesztése. Nehezen elképzelhető tehát, hogy ne valósuljon meg a természetben. Emellett azonban a legfontosabb érv a SUSY mellett, hogy képes megszüntetni az elméletben fellépő végtelen - és ezért értelmetlen - mennyiségeket, amelyek az általános relativitáselmélet és a kvantummechanika frigyéből származnak. Az már bizonyos, hogy a SUSY a jelenleg rendelkezésre álló energiákon megsérül. Ugyanis a szimmetria következtében minden ismert részecskéhez tartoznia kell egy szuperszimmetrikus partnernek, amely minden tulajdonságában azonos az eredetivel, csupán spinje különbözik 1/2 értékkel. Mindeddig egyetlen ilyen partnert sem sikerült felfedezni, ami arra utal, hogy ezek tömege nagyobb, mint amit a gyorsítókkal ma elő lehet állítani. A SUSY tehát nem tökéletes, de a fent felsorolt tulajdonságai miatt mégis erősen bíznak létezésében. Gell-Mannt idézem: "Azt hiszem, az új gyorsítók építésének minden motivációja között a szuperpartnerek felfedezése a legizgalmasabb."

Végül a harmadik támpont Theodor Klauza lengyel matematikus ötletéhez vezet vissza. Klauza - még a múlt század elején - a három térbeli dimenzió és az idő dimenziója mellé bevezetett egy negyedik térdimenziót, amivel sikerült az általános relativitáselméletet a Maxwell-egyenletekkel egyesíteni. Ahhoz, hogy mindez ne legyen ellentmondásban a tapasztalattal, amely szerint csak három dimenziót észlelünk, Oscar Klein feltételezte, hogy a negyedik térbeli dimenzió igen kis kiterjedésű tartományba van "feltekeredve", és ezért a mindennapi tapasztalatban nem érzékeljük. Ez az elmélet feledésbe ment, mert sok szempontból nem egyezett meg a kísérletekkel. Ma azonban másodvirágzását éli, mert több elmélet szerint a 4 kölcsönhatás egyesítéséhez szükséges feltételezni, hogy valójában 11 dimenziós térben élünk, amelyből azonban a 7 extra térbeli dimenzió Planck-távolság méretű, és ezért még a legnagyobb energiájú részecskeütközésekben sem lehet létezésükről tudomást szerezni.

Ma nagyon bízunk abban, hogy a jelenlegi legnagyobb energiájú gyorsítón - a Tevatronon - és főként a nemsokára működésbe lépő LHC-n megtaláljuk majd a Higgs-részecskét, és felfedezzük a szuperszimmetriát. S ha mindez az LHC-vel sem sikerül? Akkor valószínűleg vissza kell térni oda, ahonnan elindultunk, a kozmikus sugarakhoz, amelyek természetesen kis intenzitással, de sokkal nagyobb energiájú ütközéseket képesek produkálni atmoszféránkban vagy az univerzum egy távolabbi, de megfigyelhető helyén. Az asztrorészecske-fizika fiatal, dinamikusan fejlődő terület, aminek nagy lökést adott az a felfedezés, hogy az univerzum kialakulásának időbeli lefolyása párhuzamba állítható a részecskeütközések energiájával. Az egyre nagyobb energiájú ütközésekben az univerzum olyan állapotait tanulmányozhatjuk, amelyek időben egyre közelebb voltak az ősrobbanáshoz. Jelenleg olyan állapotokat tudunk földi gyorsítóinkkal létrehozni, amelyek az ősrobbanás után már 10-12-10-13 másodperccel kialakultak.

Érdemes megjegyezni, hogy a Planck-energia nagysága nem kényszerítette térdre az elméleti fizikusokat. Rájöttek ugyanis arra, hogy ha az extra dimenziók némelyike nagy, például mm nagyságrendű, akkor az effektív Planck-energia akár 16 nagyságrenddel kisebb, TeV nagyságrendű is lehet, s ez az energiatartomány már földi gyorsítókkal is kutatható. Hogy ne kerüljenek a kísérleti adatokkal ellentmondásba - minthogy ekkora extra dimenziókat a részecskék kölcsönhatásaiban nem észleltek - feltették, hogy ezekben a dimenziókban csak a gravitáció terjed. Ezt megtehették, mert a gravitációs kölcsönhatásokat mindeddig nem ellenőrizték kísérletileg a milliméternél kisebb tartományokban. Ha ez a feltevés igaznak bizonyul, akkor ennek már a közeljövőben kísérleti nyomát kell tapasztalni a Tevatronon vagy az LHC-n TeV tömegű elektron-pozitron rezonanciák, vagy TeV nagyságrendű, a detektálást elkerülő hiányzó energia formájában, sőt még az is lehet, hogy rövid élettartamú fekete lyukakat is megfigyelhetünk az ütközésekben.

Magyar részvétel

Befejezésül szeretném megemlíteni, hogy a részecskefizika 40 éves történetében a hazai kutatók nemcsak passzív szemlélők voltak, hanem több eredményben kivették a részüket. Hozzájárultak a CP-szimmetria megsérülésének kimutatásához a semleges K-mezonok két semleges pi-mezonra történő bomlásában. Szerpuhovban, majd a CERN első tárológyűrűjén részt vettek az axiomatikus jóslatok kísérleti ellenőrzésében. Az említett EMC és NA4 együttműködésben, a müonok mélyen rugalmatlan szórását vizsgálva, szerepük volt a kvantum-színdinamikai elmélet kísérleti igazolásában. Végül a LEP-ütköztetőn a standard modell nagy pontosságú ellenőrzésében vettek részt. 1992 óta Magyarország a CERN teljes jogú tagja, és így a hazai részecskefizikai kutatások jövője össze van kötve a CERN jövőjével, amely az LHC küszöbönálló üzembe helyezésével nagyszerű perspektívát ígér.

Összefoglalva elmondhatjuk, hogy az elmúlt 40 évben a részecskefizika igen sok, alapvetően új ismerettel gazdagította a természetről kialakított elképzeléseinket. Ezt a Nobel-díjak száma híven tükrözi, s jó indulás a következő 40 évhez.

E cikk írója nagy privilégiumnak tartja, hogy ebben az intellektuális kalandban részt vehetett, és hálával tartozik mindazoknak - elsősorban tanárainak és munkatársainak - akik ezen az úton elindították, illetve elkísérték.


1. A kvark elnevezést maga Gell-Mann adta ezeknek a hipotetikus részecskéknek.
2. Innen származik a neve: Gargamelle az óriás Gargantua szülőanyja Rabelais írásában.
3. A Z és a g bozonok spinje 1.

Természet Világa, 134. évfolyam, 12. szám, 2003. december
http://www.chemonet.hu/TermVil/ 
http://www.kfki.hu/chemonet/TermVil/