A Higgs-bozon

A részecskefizika általánosan elfogadott és az elmúlt 40 év alatt sokszorosan igazolt elmélete, a Standard Modell valamennyi alkatrészét sikerült megfigyelni és tanulmányozni a Higgs-bozon kivételével. A CERN Nagy Hadronütköztetője (LHC), a világ legnagyobb részecskegyorsítója is elsősorban a Higgs-részecske kimutatására épült. 2012 közepére az LHC két óriási mérőberendezése, a sok ezer fizikus részvételével épült CMS és ATLAS megfigyelt egy – a Higgs-bozon elméletileg megjósolt tulajdonságaival rendelkező – új részecskét.

A könyv áttekinti a Standard Modell elméletét és a Higgs-részecske feltételezett tulajdonságait, majd összefoglalja az LHC Higgs-keresési eredményeit és a hozzájuk vezető utat. Függelékben ismerteti a könyvben előforduló fizikusok életrajzát és bizonyos fizikai fogalmak részletesebb leírását.

 A 2013-as fizikai Nobel-díjat Peter Higgs és Francois Englert kapták megosztva a Higgs-mechanizmus és a Higgs-bozon elméletéért.

Tartalomjegyzék

1. Bevezető  … 9

2. A Standard  Modell … 14

2.1. Szimmetriák … 14

2.2. Elemi részecskék ... 15

2.3. Perdület (spin) …15

2.4. Fermionok és bozonok …16

2.5. Kölcsönhatások ... 17

2.6. Kvarkmodell ...17

2.7. Elemi kölcsönhatások … 19

2.8. Bozonok ... 19

3. Sérülő szimmetriák … 21

3.1. Mértékelmélet ...21

3.2. Sérülő szimmetriák ... 22

3.3. Spontán szimmetriasértés ...23

3.4. Higgs-mechanizmus ... 25

3.5. Kísérleti ellenőrzés ... 27

4. Nagyenergiás méréstechnika … 30

4.1. Mikroszerkezet és energia ... 30

4.2. Részecskegyorsítók: LEP ... 32

4.3. LHC, a nagy hadronütköztető ... 35

4.4. Az LHC indulása ... 39

4.5. Részecskeészlelés ... 40

4.6. A CMS-detektor ... 41

4.7. Az ATLAS-detektor ...49

4.8. ATLAS és CMS ... 51

4.9. Eseményanalízis ... 51

5. A Standard Modell Higgs-bozonja … 53

5.1. A Higgs-bozon tulajdonságai ...53

5.2. A Higgs-bozon keletkezése ...54

6. A Higgs-részecske keresése … 56

6.1. LEP, TEVATRON: nincs meg ... 57

6.2. LHC: megvan? ... 59

7. LHC-eredmények 2012 végén … 63

8. Zárszó … 67

A. Részecskefizikusok, akik a könyvben szerepelnek …70

A.1. Satyendra Nath Bose ...70

A.2. Georges Charpak ... 72

A.3. Paul Dirac ....73

A.4. Albert Einstein ... 74

A.5. Enrico Fermi ...75

A.6. Richard Feynman ... 76

A.7. Peter Higgs ...77

A.8. Leon Lederman ... 78

A.9. Tsung-Dao Lee ... 79

A.10. Wolfgang Pauli ... 80

A.11. Gerardus t’Hooft ... 82

A.12. Simon van der Meer ...83

A.13. Martinus Veltman ... 84

A.14. Steven Weinberg ... 85

A.15. Wigner Jenő ...86

A.16. Frank Wilczek ... 87

A.17. Chien-Shiung Wu ... 88

A.18. Chen-Ning Yang ... 89

B. Fizikai fogalmak … 90

B.1. U(1), SU(2), SU(3) ... 90

B.2. A Dirac-egyenlet ... 92

B.3. Virtuális részecskék ... 93

B.4. Hatáskeresztmetszet ...94

B.5. Luminozitás ...95

B.6. Az LHC működése ... 96

B.7. A Higgs-bozon tulajdonsága ... 98

B.8. Bomló részecske tömege ... 99

B.9. Az új részecske tömege …  101

Irodalomjegyzék ...102

Bevezető

Mottó: A fizika olyan, mint a szex: biztosan van gyakorlati haszna, de mi nem azért csináljuk.

Richard P. Feynman (szájhagyomány szerint)

Éppen negyven évvel ezelőtt nyerte el jelenlegi, végleges formáját a részecskefizika elmélete, amelyet történeti okokból Standard Modellnek hívnak. A Világhálón rengeteg leírás található erről az elméletről  es kísérleti igazolásáról. Az érdeklődő olvasónak elsősorban a Wikipédiát ajánlanám, mint eléggé hiteles ismeretforrást.

Az persze elsősorban angol nyelvű [1], de egyre bővül a magyarul elérhető szócikk-gyűjtemény is [2]. Én is több ismeretterjesztő cikket írtam róla [3, 4], azok anyagát részben fel is használtam ebben a kis elektronikus könyvben. Több előadásom is szerepel a tudományos előadások magyar Videotorium gyűjteményében [5] és egy Higgs-bozonos a YouTube-on [6]. Ez utóbbi elsősorban fizikusoknak szól, a nagyközönség számára is érthető azonban Trócsányi Zoltán előadása ugyancsak a YouTube-on [7].

Az elmúlt 40 évben a világ adófizetői egyre növekvő részecskegyorsítókat finanszíroztak számunkra (egymást váltogatva Amerikában, Oroszországban, valamint Svájc és Franciaország határán), hogy bebizonyíthassuk vagy megcáfolhassuk a Standard Modell érvényét. Valóban, minden alkatrészét sikerült 1995-ig azonosítani, a Higgs-bozont kivéve.  2012-ben azután végre találtunk a világ legnagyobb mérőműszerénél, a Genf közelében, 100 méterrel a föld alatt, 27 km-es köralagútban épített Nagy hadron-ütköztető (Large Hadron Collider, LHC) részecskegyorsítónál (1.1. ábra) egy új részecskét a Higgs-bozon tulajdonságaival (vegyük észre az óvatos fogalmazást!).

1.1. ábra. A Nagy hadron-ütköztető (Large Hadron Collider, LHC)  részecskegyorsító alagútja a CERN-ben, 100 méterrel a föld alatt. A 27 km  hosszú körgyűrű 9300 mágnes segítségével tartja körpályán az egymással szemben keringő protoncsomagokat. Közülük a dipólusmágnesek (1232 tokban két-két, egymással szemben kapcsolt szupravezető mágnes) a protonok pályáját hajlítják, a többi mágnes fókuszál, gyorsít és pályát javít.

A felfedezés nemcsak a fizikusokat, a közvéleményt is felvillanyozta, hiszen egy olyan részecske, amelyet a világ sokezer kutatója 40 évig keres, dollármilliárdokat költve rá, biztosan nagyon érdekes. Jó néhány vicc is kering róla a világhálón. Mivel a Higgs-bozont eredményező matematikai bűvészkedés teszi lehetővé az elemi részecskék tömegének matematikai bevezetését is, a viccek részben a tömeggel kapcsolatosak, habár a tárgyak tömege elsősorban energia eredetű, és nem a Higgs-mechanizmus következménye.

A CERN bejelentése előtt és után másféle Higgs-bozonos viccek keletkeztek.

Előtte:

·         A bárba besétál egy Higgs-bozon. Azt mondja neki a csapos:  Vigyázzon, magát sokan keresik!

·         A bárba besétál egy Higgs-bozon. A csapos nem érti...

·         Szeretnék végre látni egy jó Higgs-bozonos viccet. Biztosan létezik, de évekbe telhet, amíg rátalálunk.

 A megfigyelés bejelentése után:

·      A templomba besétál egy Higgs-bozon. Azt mondja neki a pap: Magát nem szívesen látjuk itt. Mire ő: Pedig nélkülem itt soha nem  lesz tömeg! Angolul az igazi: But without me how can you have mass?, ugyanis mass a tehetetlen tömegen és embertömegen kívül még misét is jelent.

·         A bárba besétál egy Higgs-bozon. A csapos megkérdezi: Mi van? mire ő: Én!

·         A Higgs-bozon felfedezése után a fizikusok tömegesen ünnepeltek.

·         Nem értem, mi a csuda az, de klassz, hogy felfedezték!

·         Gondosan ellenőrizni kell. A múltkor is azt hittem, Higgs-bozont találtam az ágyam alatt, de csak egy üveggolyó volt!

·         Jó, hogy megvagy, Isten-részecske. Én csak egy átlagember vagyok, aki nem ért téged.

Négy évvel ezelőtt egy fiatal angol részecskefizikus hölgy,  Kate McAlpine, néhány vidám kollégájával készített Large Hadron Rap címen egy klipet és kitette a YouTube-ra [8]. Ő csodálkozott a legjobban a felvétel hihetetlen népszerűségén, 2012 márciusáig csaknem 8 millió internetezőt érdekelt. A dal vicces stílusban, de igencsak pontosan leírja az LHC fizikáját, többek között a Higgs-bozon, az antianyag és az ősanyag vizsgálatát.

Könyvemben először bevezetem a részecskefizika elméletét: a részecskéket és  kölcsönhatásaikat, majd a Higgs-bozont létrehozó mechanizmust. Mivel az utóbbi szimmetriasértésen alapul, és az elméletben minden más szimmetriákon, a bemutatást a szimmetriákkal kell kezdenem. Az elméleti fejezetet a spontán szimmetriasértés leírása zárja; az biztosítja a neutron és az atommag bomlását előidéző gyenge kölcsönhatás matematikai leírását.

A fizika kísérleti tudomány. Az elmélet bemutatása után tehát vázolnom kell a részecskefizika kísérleti módszereit: a részecskegyorsítókat és -detektorokat, valamint az adatkezelés módszereit. Ez után jön a lényeg: a Higgs-részecske tulajdonságainak leírása, keresési módszerei és az eddig elért eredmények. Végül a Zárszóban a kilátásokat foglalom össze. A könyv végén két függelék található: az elsőben (A) a Standard Modell megalkotóinak életrajzát foglalom össze abc-sorrendben, a másodikban (B) olyan részecskefizikai alapfogalmakat, amelyek könyvemben többször előfordulnak, de leírásuk megtörné a szöveg logikáját.

A fizikában általában, és a részecskefizikában különösen minden leírás matematikai nyelven történik: egy elméletet akkor fogadunk el, ha annak egyenleteivel a kísérletileg mérhető mennyiségeket ki tudjuk számítani, és a számítások eredménye egyezik a mérésekével.

A részecskefizika meglehetősen bonyolult matematikai apparátusát hihetetlenül egyszerűvé, áttekinthetővé és szemléletessé teszi a Richard Feynman (A.6. függelék) által kidolgozott gráftechnika, amely az egyenleteket folyamatábrákká alakítja. Minden olyan elméletet, amely nem vezet mérhető eredményekre, nem-fizikai spekulációnak tekintünk. Azoktól az amatőr fizikusoktól, akik azzal jelentkeznek, hogy új, a korábbiaknál jobb elméletet dolgoztak ki valamire, azt szoktuk kérdezni, hány jegy pontossággal egyeznek a számításai a mérések eredményeivel. Ugyanakkor persze könyvemben a matematikai levezetések nem fognak szerepelni, de a világhálón, például a Wikipédiában is, az érdeklődő olvasó megtalálja őket, tetszőleges mélységben.

A részecskefizikai kutatóintézetek folyamatosan fejlesztik oktatóanyagukat,

itt elsősorban a CERN angol nyelvű lapjait érdemes nézni [9]. Nagyon sok érdekes blog is olvasható a részecskefizikáról angolul, itt csak néhány igazán hiteles forrásra említenék példát: sok részecskefizikus vesz részt a Quantum Diaries (Kvantumnapló)  [10] és a Science 2.0 [11] vezetésében, figyelemre méltó Jester [12] és Matthew Strassler blogja [13]. Azamerikai Particle Data Group (Részecskefizikai adatok csoportja) is üzemeltet egy Részecskekaland (Particle Adventure) című cikkgyűjteményt [14]. Magyarul Simon Tamás (origo) üzemeltet bloggyűjteményt a CERN főbb eseményeiről [15]. 2006 óta minden év augusztusában magyar nyelvű továbbképzést szervezünk hazai fizikatanárainknak a CERN-ben, azok lapjain [16] megtalálható az előadások teljes anyaga, videofelvétellel együtt.