Tanulmány

„… a világon mindenki láthatta-hallhatta, amikor Rolf-Dieter Heuer, a CERN igazgatója – illendő módon a genfi központból – a melbourne-i részvevőknek is bejelentette: „laikusként azt mondanám, hogy megtaláltuk a Higgset.” Arról, hogy valóban a Higgs-részecskéről van szó, sokan máig sincsenek meggyőződve – legalábbis a fizikusok közül. Hogy a bejelentés mögött valóban egy új részecske felfedezése húzódik, az csak 2013 tavaszára vált teljesen bizonyossá. Időközben ugyanis „az újonc” valamennyi bomlását kiértékelték. Az ATLAS-csoport 2013. augusztus 13-án tette közzé kiértékelt eredményeit.”

Hopsz, itt a Higgs – avagy mégsem?

Fizikai Nobel-díj 2013 – BALOGH VILMOS SZILÁRD tanulmánya


Címke: , , , ,

A találgatókat egyáltalán nem lepte meg a Nobel Bizottság 2013. október 8-i bejelentése, amelynek időpontját háromszor is módosították. Végül az eredetileg meghirdetettnél egy órával később mégis közölték: az idei fizikai Nobel-díjat megosztva François Englert és Peter W. Higgs kapja. Az indoklás szerint annak a mechanizmusnak az elméleti felfedezéséért, amely hozzájárul a szubatomi részecskék tömege eredetének a megértéséhez, és amelyet megerősített a megjósolt alapvető részecske felfedezése a CERN Large Hadron Collider-ben végzett ATLAS és CMS kísérletek során.[1]

A bejelentést követően – mint ilyenkor majdnem mindig – felerősödtek a lelkendezők (elsősorban részecskefizikával foglalkozók) megnyilvánulásai, de a kritikus hangok is. Alábbi szemlénkben megkíséreljük a történeti, kísérleti és elméleti háttér, valamint az alternatívák rövid számbavételét.


A kitüntetettek és a nem-kitüntetettek

Az idei fizikai Nobel-díjasok közül az idősebb, az angol Peter Higgs 1929-ben született. Azok közé az elméleti tudósok közé tartozik, akik nagy ívben kerülik a nyilvánosságot és utálják a nagy fölhajtást. Amikor néhány évvel ezelőtt a CERN-ben járt, az intézmény lapja így viccelődött: „Megvannak az első nyomok Higgsről a CERN-ben”. Az 1932-es születésű belga François Englert 2011-ben elhunyt kollégájával, Robert Brouttal közösen fogalmazta meg a mára Higgsről elnevezett mechanizmus alapgondolatát. Ezzel nagyjából egyidejű Higgs ötlete is.


Balogh Vilmos SzilárdA  szerző  matematika-fizika szakos gimnáziumi tanár Bajországban, matematikát ad elő a regensburgi Kelet-Bajor-Műszaki Főiskolán (OTH-Regensburg), 2013-ban megszerezte a „természettudományok doktora” (Dr. rer. nat.) címet. Disszertációjának címe: „Einheitliche nicht-mechanistische Darstellung der physikalischen Disziplinen als mathematische Systemtheorie”. 2011/1−4. számunban közöltük „Az atomkorszak vége?!” c. időszerű cikkét (164−180. l.), 1994/2. számunkban pedig Sárhidai írói nevén „Top-kvark vagy topmeglepetés?” c. idevágó jegyzetét (125−129. l.). További írása a Mérleg Online-on »


Peter Higgs tudományos pályájának kezdete egyáltalán nem mondható sikeresnek. 1954-ben doktorált a londoni King’s College-ban. Több egyetemre is benyújtotta pályázatát, de hosszú ideig mindenhol elutasították. Végül 1960-ban az edinburgh-i egyetemen talált munkát. Ma már úttörőnek számító ötletének a megjelentetése sem volt problémamentes.

1964 júniusának végén a brüsszeli egyetem két kutatója, Robert Brout és François Englert a Physical Review Letters tudományos folyóirathoz Higgs-ével azonos témakörben nyújtott be tanulmányt. Munkájuk augusztus 31-én meg is jelent.[2] Higgs első munkáját július közepén küldte el a Physics Letters szerkesztőinek, így az csak szeptember közepén jelent meg nyomtatásban.[3] Időközben Higgs továbbfejlesztette elméletét és egy második publikációt nyújtott be a Physics Letters-nél éppen azon a napon, amikor Brout és Englert munkája megjelent. A szakfolyóirat nem tartotta megjelenésre érdemesnek a munkát. Higgs maradéktalanul visszavonta megjelentetési szándékát és benyújtotta azt a Physical Review Letters-nek, ahol a belga szerzők publikációja is megjelent. Egyik bíráló itt is elégedetlenségének adott hangot: Higgsnek mindenképpen meg kell említenie Brout és Englert munkáját. Higgs teljesítette a kérést. A mindössze másfél oldalas, négy képletet tartalmazó írás[4] végén azonban még rámutatott arra a lehetőségre, hogy a tömeget biztosító térhez[5] hozzárendelhető egy részecske, amelyet az idők folyamán róla Higgs-részecskének neveznek. A tanulmányban megfogalmazott elgondolás lehetőséget nyújt a közvetlenül nem kimutatható tér részecskeként való felfedezésére. A mostani közvélekedés szerint ez hozta az ún. LHC-kísérletek nyomán a sikert.

A különböző – fentebb bemutatott – nehézségek miatt Higgs második munkája csak 1964 októberében jelent meg. Ugyanebben az időben a londoni Imperial College kutatói, Gerald Guralnik, Carl Hagen és Tom Kibble is élénken foglalkoztak a problémával. Ennek bizonyítéka, hogy ugyanabban a hónapban ők is benyújtottak egy dolgozatot, amely novemberben látott napvilágot a Physical Review Letters-ben.[6]

A Higgs-mechanizmus fogalomként az 1970-es években honosodott meg a részecskefizikusok körében. Maga P. Higgs mindig is hangsúlyozta, hogy az elnevezés nem tőle származik[7], és jobban örülne annak, ha mindazokat megneveznék, akik hasonló gondolatokat fogalmaztak meg vele egy időben. A különböző díjak odaítélésekor a döntéshozók nem egységesen jártak el. 2004-ben csak Englert, Brout és Higgs kapták meg a tekintélyes Wolf-díjat, míg 2010-ben az Amerikai Fizikai Társulat mind a hat tudóst (Englert, Brout, Higgs, Guralnik, Hagen, Kibble) az ugyancsak jelentősnek számító Sakurai-díjban részesítette.

Mivel a fizikai Nobel-díj legfeljebb három kutatónak adható, a bizottságnak választania kellett. Brout 2011-ben meghalt, így Englert és Higgs lettek a kitüntetettek.

A díjnyerteseket közzétevő sajtótájékoztató háromszoros elhalasztásával kapcsolatban a hivatalos álláspont nagyon szűkszavú: „Nagyon jó vita volt”. Egy nappal a hivatalos bejelentést követően Bárány Anders, a Bécsből elüldözött, magyar származású orvosi Nobel-díjas Bárány Róbert unokája, az odaítélő akadémiai bizottság tagja nyilatkozott az AFP hírügynökségnek. Szerinte a CERN európai kutatóközpontot mindenképpen kitüntetés illeti, hiszen a szóban forgó részecskét végső soron itt sikerült kimutatni. Bárány hangsúlyozni kívánta: az intézményt nem véletlenül említi meg a Bizottság. Ezt azonban nem tartja megfelelő elismerésnek.

Mindennek ellenére a Nobel-díj bejelentését a CERN munkatársai nagy örömujjongással vették tudomásul. A részecskefizika eredményei elismerésének tartják. Erre nagyon is szükségük van, hiszen sokak (tízezrek!) munkahelye, állása az intézmény (vélt vagy valós) sikerességétől függ. A hasznosság és társadalmi elismertség kérdésére még majd visszatérünk. Most dióhéjban megpróbáljuk felvázolni a háttértörténetet, a standard-modellt (a Higgs-mechanizmussal együtt), valamint az ún. LHC-kísérleteket.


Krónika az elemi részek fizikájáról – három felvonásban
[8] (első és második felvonás)

Az elemi részecskék története több mint száz évre nyúlik vissza. Még javában vitatkoztak azon, hogy az anyag atomos szerkezetét elfogadják-e, amikor 1896–97-ben az akkoriban divatos katódsugaras csövekkel végrehajtott kísérletek nyomán J. J. Thomson arra a következtetésre jutott, hogy a katód minőségétől, valamint a csőben lévő gáz anyagától függetlenül a sugarak ugyanazokból a részecskékből állnak. A brit tudós ezt az elektronnak elkeresztelt részecskét kezdetben úgy tekintette, mint egyfajta „ősanyagot”. A „keresztapák” (G. S. Stoney és H. Helmholtz) már korábban, az elektrolízis mennyiségi vizsgálata kapcsán rámutattak, hogy ez a részecske tekinthető az elektromosság „atomjának”. E. Rutherfordot elsődlegesen az egyik első atommodell megalkotójának tartjuk, nem pedig a proton felfedezőjének. Pedig ő nevezte el híres α-sugaras kísérletei nyomán a legkönnyebb elemnek, a hidrogénatomnak a magját protonnak a múlt század tízes éveiben. Tanítványa, N. Bohr 1913-as atommodellje a hidrogénatomot olyan „naprendszernek” tekintette, amelyben a Nap helyét a proton foglalja el, és körülötte bolygóként kering az egyetlen elektron. Ennek nyomán természetesnek tűnt, hogy a nehezebb atomok magját több protonból összetettnek gondolják, amely körül azonos számú elektron kering, biztosítva, hogy az atom kifelé semleges maradjon. De ez az elképzelés már a hélium esetén csődöt mond, hiszen két elektronjához négyszer akkora tömegű atommagja van, mint a hidrogénnek. Ennek a dilemmának a feloldására 1932-ig kellett várni, amikor is J. Chadwicknek, aki szintén Rutherford tanítványa volt, sikerült a neutron feltételezésével magyarázatot adni a berillium α-sugárzás[9] által kiváltott átalakulására. Vagyis az atommagban nem csak protonok, hanem elektromosan semleges neutronok is vannak. A neutron felfedezésével az elemi részecskék fizikájának „klasszikus periódusa” lezárult. 1932-ben a fizika arra a kérdésre, hogy miből áll az anyag, egyszerű és áttekinthető választ adott: protonokból, neutronokból és elektronokból. [A köztudatban az iskolában elsajátított ismeretek alapján máig többnyire ez a kép él.]  [Első felvonás vége.]

Mielőtt a történeti fejlődés „középső periódusára” (1930–1960) rátérnénk, még egy rövid kitérőt [intermezzót] kell tennünk. Bizonyos értelemben a foton a W- és Z-bozonnal együtt (ezeket csak 1983-ban fedezték fel) „modern” részecskének tekinthető.  Ugyanakkor mindenki kedves, régi ismerőse. A feketetest sugárzási törvényét M. Planck 1900-ban fogalmazta meg. Ezt tekintjük – nem minden ok nélkül – a modern fizika, nevezetesen a kvantumelmélet keletkezésének. Planck hosszas számolgatás után mintegy „kétségbesett tett”-ként úgy találta, hogy a kísérletekkel megegyező sugárzási energiákat az elmélet csak akkor tudja megadni, ha feltételezi, hogy ez az energia nem folytonos, hanem „adagokban” (kvantumokban) jelenik meg. Planck sohasem állította, hogy meg tudná indokolni, miért van ez így. Ezt az „adagos” elgondolást használta A. Einstein 1905-ben a fotoeffektus magyarázatára. Ebben a fényt részecskéknek, fotonokból összetettnek tekinti, amelynek energiája a frekvenciájával, rezgésszámával hozható összefüggésbe. Mint köztudott, ezért kapta meg 1921-ben Nobel-díjat, nem pedig a leginkább ismert speciális és általános relativitáselméletéért. Ezért talán az 1905-ös dátumot kellene a következő elemi részecske, vagyis a foton felfedezésének tekintenünk. Az elméleti fizikusok szerint a foton részecske természete a kvantumelmélet keretében érthető meg igazán. A klasszikus elektrodinamika szerint két azonos fajtájú töltéssel rendelkező részecske (pl. két elektron) azért taszítja egymást, illetve az ellenkező előjelűek (pl. egy elektron és egy proton) azért vonzzák egymást, mert az egyik részecske által létrehozott eletromos tér (mező) erőt fejt ki a másikra. Az erőhatás közvetítése az elektromos tér (mező) segítségével történik. Így működik a gravitációs tér is. Semmiféle „távolbahatásra” nincs szükség. Ezt a helyzetet változtatta meg alapvetően a kvantumelektrodinamika, amely szerint sem „távolbahatásra”, sem pedig „elektromos térre” nincs szükség a kölcsönhatás leírásához. Pusztán részecskék (térkvantumok) cseréjéről van szó. Ennek megfelelően az elektromágneses kölcsönhatás közvetítői a fotonok lennének. [A gravitációs kölcsönhatásé pedig a gravitonok.] Persze ebben az elgondolásban nem pusztán kinematikai jelenségekről van szó, vagyis nem valami olyasmiról, mintha két korcsolyázó hógolyóval dobálná egymást. Ennek során csak eltávolodhatnának egymástól, vagyis a vonzó jellegű kölcsönhatás nem lenne magyarázható. Ezeket a közvetítő/mérték-részecskéket sokkal inkább „követeknek” kellene tekintenünk, és az üzenet valami ilyesmi lehetne: „Jer közelebb!” vagy „Távozz!”. (Griffiths példája.) A klasszikus elektrodinamikával magyarázható jelenségek esetén a közvetítő fotonok száma olyan nagy, hogy az elektromos teret kontinuumnak, folytonosnak tekinthetjük. Azokban az esetekben azonban, amikor az egyes részecskék, fotonok felelősek a jelenség bekövetkezéséért, akkor mutatkozik meg igazi részecske természetük (mint pl. a fotoeffektus esetén). Ezen a ponton az intermezzót lezárhatjuk.

Felgördülhet a függöny a második felvonáshoz. Az új főszereplők: Yukawa mezonja, Dirac pozitronja és Pauli neutrinója. A neutron-proton-elektron hármasából összeálló atom modellje bár nagyon jónak tűnik, de alapvetően felveti a kérdést: mi tartja össze az atommagban a pozitív töltésű protonokat? Nyilvánvalóan lennie kell egy nagyon erős „erőnek”, amelyet a nem túlságosan fantáziadús elnevezéssel „erős kölcsönhatásnak” nevezünk. Gyorsan magyarázatot adhatunk arra is, hogy miért nem érzékeljük ezt másutt, ha már egyszer ennyire „erős”. A válasz egyszerű: nagyon kicsi a hatótávolsága[10], vagyis hatása már kis eltávolodás esetén is nullára csökken. A gravitációs és az elektromágneses kölcsönhatásnak ezzel szemben végtelen a hatótávolsága. Erre az erős kölcsönhatásra vonatkozóan az első jelentősnek mondható elméletet Yukawa tette közzé 1934-ben. Kiinduló feltételezése szerint az atommag neutronjai és protonjai ugyanúgy egy tér segítségével hatnak egymásra, miként a pozitív töltésű mag a körülötte lévő negatív töltésú elektronra. A kérdés pusztán az, milyen tulajdonságokkal rendelkezik az a részecske, amelyik ezt a kölcsönhatást az atommag részei (nukleonok) között közvetíti. A rövid hatótávolság alapján Yukawa arra következtetett, hogy ennek mintegy 300-szor akkora tömege kell, hogy legyen, mint az elektronnak, vagyis kb. egy hatoda egy proton tömegének. Mivel ez a tömeg az elektron és proton tömege közé esett, a Yukawa-féle részecske a görögből eredeztetett mezon („középsúlyú”) elnevezést kapta. [Ugyanilyen megfontolás vezetett arra, hogy a „könnyűsúlyú” elektront leptonnak, a „nehézsúlyú” protont és neutront pedig barionnak hívjuk.] Ilyen részecskéket senki sem figyelt meg akkoriban laboratóriumban. Ugyanakkor a kozmikus sugárzás vizsgálatával sok kutatócsoport intenzíven foglalkozott. 1937-ben ezek a vizsgálódások olyan részecskét azonosítottak, amelyre jól illett a Yukawa-féle leírás. Egy időre úgy tűnt, hogy minden rendben is lenne. A részletek azonban jelentős eltéréseket mutattak. Az 1946-os római mérések nyomán világossá vált, hogy a kozmikus sugárzásban fellelhető részecskék nem lehetnek az erős kölcsönhatás „közvetítői”. Ehhez túlságosan is „gyengék”. A „rejtélyt” egy évvel később sikerült megoldani. Powell és munkatársai Bristolban kimutatták, hogy a kozmikus sugárzásban megtalált részecske nem is egy fajta, hanem kettő. Ezeket pionnak és müonnak nevezték el. Előbbi a Yukawa által feltételezett részecske, amelyet a felső légköri hatások hoznak létre a kozmikus sugárzásban, de nagyon kicsi bomlási ideje révén a földfelszínre már alig jut el, csak magasabb hegycsúcsokon található. A bomlástermékek egyike éppen az a müon, amelyik – hosszabb bomlási ideje miatt – akár a tengerszintet is elérheti. A Yukawa-féle részecske keresésében éppen ez a müon vezetett tévútra: semmi köze sincs az erős kölcsönhatáshoz. Éppen ellenkezőleg: voltaképpen az elektron súlyosabb változata, s ilyen módon a leptonok közé sorolandó.

A kvantumelmélet relativisztikus kiépítése első állomásának az 1927-ben felállított Dirac-egyenletet szokás tekinteni. Ennek nem csak pozitív előjelű, hanem negatív megoldása is van. A probléma feloldását Anderson 1932-es megfigyelése hozta magával: a kozmikus sugárzás részecskéinek nyomvonalát vizsgálva felfedezett egy részecskét, amely az elektronéval egyező tulajdonságokkal rendelkezik, csak éppenséggel a mágneses térbeni eltérülése ellenkező irányú, vagyis pozitív töltésű. Ez lett a pozitron. Időközben kiderült, hogy a Dirac-egyenletben megtalálható kettős megoldás a kvantumtérelmélet általános jellegzetessége. Minden részecskéhez hozzátartozik egy ugyanolyan tömegű, de vele ellentétes töltésű antirészecske. Ezzel a részecskék száma egycsapásra megkétszereződött.

Második felvonásunk harmadik szereplője a neutrinó a gyenge kölcsönhatás, nevezetesen a β-bomlás értelmezése kapcsán bukkant fel. Az ennek során keletkező elektron energiája folytonos, jóllehet az az atommag, amelyből keletkezik, diszkrét energiaszintekkel rendelkezik. Ez csakis úgy lehetséges – vélte elsőként Pauli –, ha egy másik részecske is mintegy „kilép az atommagból”. Fermi azonban jól sejtette, hogy nem az atommag valamely részéről van itt szó, hanem egy, a bomlás pillanatában keletkező új részecskéről. A megmaradási törvények, elsősorban az impulzusmegmaradás feltételezése alapján is erre lehet következtetni. Ezek a leptonokhoz kapcsolódó részecskék a neutrinók. Hosszú ideig tartotta magát az az elgondolás, hogy nincs tömegük. Mára már biztosan tudható, hogy ez nem így van. Bár a tömeg nagyságára vonatkozóan pillanatnyilag hivatalosan elfogadott számérték nem létezik. D. Straub és e sorok szerzője egy 2000-ben megjelent dolgozatukban a neutrinók tömegére és számára vonatkozóan a kifejlesztett félempirikus tömegformula szimmetriaelemzése nyomán előrejelzést adott.[11] Ennek kísérleti megerősítésére vagy cáfolatára még várni kell.

A múlt század ötvenes évei az elemi részecskék kísérleti felfedezése területén rendkívül mozgalmasak. A teljesség igénye nélküli felsorolás is ezt igazolja: a töltött kaonok és semleges pion (1949-ben); a semleges kaon és lambda-hiperon (1951-ben); a kszi-hiperon és delta-rezonancia (1952-ben); a három szigma (pozitív, negatív és semleges – 1953−54−55-ben), az antiproton és elektron-neutrinó (1955-ben), majd az antineutron (1956-ban). Ezeknek az éveknek az egyik elméleti érdekessége a tükrözési szimmetria megkérdőjelezése volt. Lee és Yang kísérletei azonban azt mutatták, hogy a szimmetria igenis létezik. Szinte azonnal, 1957-ben Nobel-díjat kaptak felfedezésükért. Az egyre nagyobb számú elemi részecske rendszerezése már nem is ment olyan könnyen. De éppen ez vezet el bennünket a harmadik felvonáshoz.


Standard-modell és Higgs-mechanizmus (harmadik felvonás)

Az elemi részecskék közötti egyfajta „első rendrakás” 1961-re tehető. Ekkor javasolta M. Gell-Mann az ún. „nyolcasút”-nak elnevezett[12] megoldását, amely bizonyos tulajdonságaik alapján geometriai alakzatba rendezte el a részecskéket. Az ebből kiinduló meggondolások nyomán alakult ki 1973-ra az a kép, amit ma standard-modellnek szokás nevezni. Az alábbiakban röviden vázoljuk ennek főbb elemeit.

Higgs ábra1A standard-modell[13] az alapvetőnek számító részecskéket két csoportra osztja: vannak az anyag felépítésére szolgáló „anyagrészecskék”, valamint a köztük lévő kölcsönhatásokat leíró „mérték” (vagy kölcsönhatást, „erőt” közvetítő) részecskék. Az elmélet szerint az elemi részecskék tömegüket az ún. Higgs-tértől (mezőtől) nyerik.

Mindaz, ami körülvesz bennünket, anyagrészecskékből áll. Összesen tizenkettő van belőlük, amelyek attól függően, hogy milyen kölcsönhatásokban vesznek részt, két csoportot alkotnak: a kvarkokét és a leptonokét. Mindkettő esetén három „családról” szokás beszélni (vö. ábra). A különböző családokhoz tartozó részecskék nagyon hasonló tulajdonságúak, pusztán tömegük tér el lényegesen: a második és harmadik családhoz tartozó anyagrészecskék nehezebbek az elsőben találhatóknál és sokkal rövidebb az élettartamuk, vagyis gyorsan elbomlanak. Kozmológiailag ezt úgy értelmezik, hogy a második és harmadik családhoz tartozó anyagrészecskék univerzumunk kezdeti fázisában nagy számban voltak jelen, de aztán a világegyetem tágulása során elbomlottak. Ma a látható anyag kizárólag az első családból származó részecskékből áll, vagyis lényegileg u- és d-kvarkokból és elektronokból. A többi anyagrészecske megfigyelésére csak részecskegyorsítókban vagy a kozmikus sugárzás vizsgálata során van módunk. Az atommagot alkotó protonok és neutronok az első családhoz tartozó up- és down-kvarkokból állnak. A charm- és strange-kvarkok képezik a második, míg a top- és a beauty-kvarkok a harmadik családot. A leptonok első családját az elektron és az elektronneutrinó alkotja, a másodikat a müon és müon-neutrinó, míg a harmadikat a tau és a tau-neutrinó.

Az anyagrészecskéket a köztük létrejövő kölcsönhatások (erők) tartják össze. Ezek a már korábban megismert erős és gyenge, valamint az elektromágneses kölcsönhatás. Létrejöttüket a mérték- vagy csererészecskék (bozonok) biztosítják. A negyedik alapvető kölcsönhatás, a gravitáció az elemi részecskék körében nem játszik döntő szerepet. Jóllehet néhány elméleti megfontolás erre vonatkozóan történt, de semmiféle kísérleti tapasztalattal nem rendelkezünk ezen a területen. Miként már szó volt róla, az elektromágneses kölcsönhatás fotonok cseréje révén jön létre, amelyeket a standard-modell tömeg nélkülinek tekint. A protonokban és neutronokban található kvarkokat az erős kölcsönhatás tartja össze a gluonok cserélésével. Nyolc különféle gluont különböztetünk meg. (Néha ezeket színeknek nevezik, aminek persze a természetben előforduló színekhez semmi közük.) Ez az erős kölcsönhatás azonban csak nagyon kicsi hatótávolságú, csak az atommagon belül hat. A gyenge kölcsönhatás valamennyi, az elektromosan nem töltött elemi részecskék között is létrejön. Ez felelős például a radioaktív bomlásokért. Hatását a Z- és W-bozonok cseréjével valósítja meg. Hatótávolságát tekintve ez is nagyon kicsi, mivel a közvetítő részecskék viszonylag nagyon nagy tömegűek: kb. 100-szor akkora a tömegük mint egy protoné. Ugyanakkor az elektromágneses kölcsönhatás mértékrészecskéi, a fotonok ebben a modellben nem rendelkeznek tömeggel.

A fentebbiekben bemutatott kétfajta részecskék (anyag- és mértékrészecskék) egy lényeges pontban különböznek egymástól, nevezetesen spinjüket (saját-impulzusnyomatékukat) illetően. A fizikusok az anyagrészecskéket fermionoknak nevezik. Ezek feles spinnel rendelkeznek (vagyis nem egész számúval). Ezzel szemben a kölcsönhatások közvetítését végző bozonok spinje egész számú.

A fizikusok általános meggyőződését fejezi ki az alábbi mondás: „Ha a matematika a természet nyelve, akkor a szimmetria pedig ennek a szintaxisa, »mondattana«.”[14] A múlt század ötvenes éveiben indultak el az elektomágneses és a gyenge kölcsönhatás egységesítésére irányuló kutatások. Ezekért a tömeg nélkülinek gondolt fotonok, illetve az összesen három féle W- és Z-bozonok a felelősek. A szimmetriából az következnék, hogy ez utóbbiaknak is tömeg nélkülieknek kellene lenniük. A kísérletek már akkor is arra utaltak, hogy ez nincs így. Ebből a zsákutcából kívánt kiutat mutatni Peter Higgs, valamint François Englert és Robert Brout 1964-es, a bevezetőben említett, immár Nobel-díjas ötlete. Elgondolásuk szerint az egész univerzumot „áthatja” egy mező. Ez a Higgs-mező bizonyos részecskéknek tömeget ad, másoknak pedig nem. Úgy képzelendő el, mintha a teret bizonyos „szubsztancia” töltené ki, amely egyes részecskéket „lefékez” és ezzel „tömeget” kölcsönöz nekik, másokat (pl. a fotonokat) pedig minden további hatás nélkül engedi „tovarohanni”. Így aztán a fotonoknak nem lesz tömegük és továbbra is fénysebességgel haladnak tovább. Természetesen ez szimmetriatörést eredményez. Éppen ezért az első időkben nem is igazán nyerte el a fizikusok tetszését.

Az elméleti fizikusok közül elsőként Sheldon Glashow, Steven Weinberg és Abdus Salam vette észre, milyen értelmezési, továbbfejlesztési lehetőséget rejt a Higgs-mező gondolata. A gyenge és elektromágneses kölcsönhatás egységes elméletének megalkotásakor azt állították, hogy a gyenge kölcsönhatás közvetítő részecskéinek van tömegük. Ezért az előrejelzésért ugyanúgy Nobel-díjban részesültek (1979), mint a W- és Z-bozonok négy évvel későbbi kísérleti kimutatásáért Carlo Rubbia és Simon van der Meer, a CERN kutatói (1984). Ez pedig már az a kísérleti terep, amely a CERN-ben folytatott, monumentálisnak mondható projekt alapjául szolgál.


CERN: LHC – ATLAS és CMS

Az 1970-es években az USA dédelgetett olyan terveket, amely szerint az ország legnagyobb gyorsítóját úgy alakították volna át, hogy az alkalmassá válhasson nehezebb részecskék kimutatására is. Ebből aztán semmi sem lett. A kellőképpen csalódott, de még inkább motivált olasz fizikus, Carlo Rubbia így került a genfi székhelyű CERN-be. Itt nagyobbnak mutatkozott a kockázatvállalási kedv. A hét kilométeres Super Proton Synchroton (SPS) átalakításával lehetőség nyílt protonok és antiprotonok ütköztetésére. Ezek olyan energiákon zajlanak, amelyeken a gyenge kölcsönhatás közvetítő részecskéi kimutathatóak. 1982 végén a fizikusok a detektorokban néhány W-részecskére utaló nyomokra bukkantak. Előzetes erdményeiket egy római sajtókonferencián ismertették. Az akkori videófelvételek arról tanúskodnak, hogy a teremben részt vevők udvariasan megtapsolták ugyan az előadókat, de a hangulat egyáltalán nem volt lelkes. A sajtóközlemény is mindössze öt mondatra zsugorodott. Hetekkel korábban informálták már a tudósok az angol miniszerelnököt, Margaret Thatchert is. A tájékoztatásra korábbi látogatásakor kérte meg a kutatókat a „Vaslady”, mivel szívügyének tartotta ezt a munkát. S talán jobban is értékelte, és a kis eredményt is nagyobbra tartotta, mint az akkori sajtótájékoztató résztvevői.

Persze az amerikaik sem maradtak restek, nagy terveket szőttek. Egy 80 kilométeres gyűrűben akartak 40 teraelektronvolt[15] energiával protonokat és antiprotonokat ütköztetni. Ez több mint a háromszorosát jelentette volna annak az energiának, amellyel a genfi LHC-t működtették. Ronald Reagan kormányzata először támogatta ennek az SSC-nek (Superconducting Super Collider) a megépítését, de aztán 1993-ban lemondtak a már félig kész létesítmény befejezéséről. A másik – eddig legnagyobb – amerikai gyorsítóban, a Chicago melletti Fermilabnál telepített Tevatronban óriási mennyiségű ütközést hajtottak végre, és ismételten lábra kaptak azok a hírek, hogy sikerült rátalálni a Higgs-bozon nyomára. Ezt azonban utólag ismételten cáfolták.

Az LHC (Large Hadron Collider) tervezése az 1980-as években kezdődött.[16] Alapnak a LEP-alagút (Large Electron-Positron Collider) szolgált, de természetesen itt teljes átépítésről van szó. Az építkezés a föld alatti detektorok elhelyezésére szolgáló csarnokok gigantikus földmunkálataival 1998-ban kezdődött. 2003-ra alakultak ki azok az alkalmas terepek, ahová a berendezéseket beépíthették. Ennyi idő alatt az eredetileg betervezett műszaki berendezések elavulttá váltak, így jelentős részüket újra kellett tervezni. Időközben a CERN-en kívüli államok közül is sokan pénzügyi és egyéb együttműködési támogatást ajánlottak fel: 1995 júniusában Japán, a következő év során pedig India, Oroszország, Kanada és az Egyesült Államok. Oroszország és az Egyesült Államok támogatása azt is jelentette, hogy az ottani csúcstechnológiák beépülhettek az LHC-be. Néhány adat jól megvilágíthatja azokat a dimenziókat, amelyeket az LHC megvalósított. A gyorsító kerülete 26659 méter, belsejében 9300 mágnes található. A világ „legnagyobb hűtőszekrényének” tekinthető: az előhűtést (-193 Celsius fokra) 10080 tonna folyékony nitrogén végzi, majd 60 tonnányi folyékony hélium segítségével érik el a -271,3 Celsius fokos véghőmérsékletet. Ha a gyorsító a legnagyobb teljesítménnyel működik, akkor a protonok másodpercenként 11245-ször járják be a gyorsító gyűrűt, vagyis sebességük a vákuumbeli fénysebesség 99,9956 %-át is elérik. Az egymással ütköző protonok energiája 7 teraelektronvolt (TeV), vagyis ütközéskor 14 TeV energiával ütköznek egymásnak. Másodpercenként közel egy milliárd proton-proton-ütközés zajlik rendkívüli vákuumban: a belső nyomás mindössze 10-13 atmoszféra, vagyis tízszer kisebb, mint a nyomás a Holdon. Az LHC mind az extrém alacsony, mind pedig a rendkívül magas hőmérséklet földi megvalósulásának helye: két protonnyaláb ütközésekor nagyon kis területen a hőmérséklet a Nap belsejében uralkodó hőmérsékletnek az egymilliárdszorosa, miközben az alkalmazott mágnesek hőmérséklete kisebb a világűrben lévőnél.

Higgs ábra2Az ütközések során keletkező és megsemmisülő részecskék detektálása, valamint a létrejövő mérési adatok regisztrálása is rendkívüli, minden eddiginél magasabb szintű detektorokat, illetve informatikai rendszert követel meg. A jelenlegi eredmények szempontjából két „mérőhely”, az ATLAS és a CMS „állomás” mérései fontosak. Az LHC, illetve a szóbanforgó két detektáló hely térbeli elhelyezkedését mutatja a mellékelt ábra. A két univerzális detektor ugyanazt a fizikai célt szolgálja. Ilyen módon az ATLAS detektor eredményei a CMS-ben ellenőrizhetők. Mindkettőben hasonló módon mérik a részecskék nyomait, energiáját, illetve fajtáját. A két detektor alapvetően különbözik mágneseinek műszaki megoldását illetően. Az ATLAS fő ismérve a gyűrű alakú mágneses rendszer. Nyolc darab 25 méter hosszú szupravezető mágneses tekercsből áll. Ez veszi körül a protonnyaláb-csövet. Így a cső belsejében homogén mágneses tér kelthető, amely a keletkező részecskéket eltéríti, s így azok mérhetővé és „beazonosíthatóvá” válnak. Az ATLAS az LHC négy detektora közül a legnagyobb, súlya azonban csak mintegy fele a CMS-ének. A 2013. áprilisi adatok alapján 38 ország 177 intézménye 3200 tudósának volt az ATLAS a hivatalos munkahelye, míg a CMS-ben mintegy 3000-en dolgoztak.[17]

Az LHC gyűrűjében először 2008. szeptember 10-én keringtek protonok. Nem telt el tíz nap, amikor nagy mennyiségű hélium került ki egy mágneseket összecsatoló helyen. A javítás 14 hónapot vett igénybe. A gyorsító első világrekordját, 1,18 teraelektronvolt energiájú protonnyalábok egymással szemben való keringetését 2009. november 29-én jegyzik. A konkrét „fizika-program” 2010. március 30-ával veszi kezdetét: röviddel 13 óra után létrejönnek az első ütközések (összenergia: 3,5 TeV). Ugyanezen év novemberében elindul az ólom-iónok ütköztetése. A 2011-es év sikerekről szól: június 17-éig, vagyis mindössze három hónappal az új üzemidő megkezdése után annyi adat gyűlik össze, amennyit eredetileg az egész 2011-es évre terveztek. A következő 2012-es esztendő aztán már nagyon erős sajtókísérettel zajlik. Először csak rekord ütköztetési energiákról, illetve felgyülemlett adatmennyiségről szólnak a jelentések. Az előzetes, interneten kiszivárogtatott jelzések júniusban azt mutatják, hogy nagy valószínűséggel olyan részecskét találtak, amelynek tömege 125−126 GeV körül van, bomlásideje pedig 10-22 másodperc. Ez utóbbi azt is jelzi, mennyire nehéz megtalálni. A problémát csak nehezíti, hogy a fentebbiekben nagy vonalakban ismertetett Higgs-elmélet semmiféle előrejelzést nem ad arra, hogy mekkora ennek a feltételezett részecskének a tömege, mint ahogyan arra sem, hogy egyetlen egy ilyenről van-e szó, vagy többről. A CERN-ben nagyon óvatosak. Csak a média túlzásának köszönhetően beszélnek „az évszázad felfedezéséről”. Sokan a július 4. és 11. között megtartandó 36. nemzetközi konferenciára várták a bejelentést.[18] Két héttel a meghirdetett melbourne-i összejövetel előtt még mindig nem egyértelmű, hogy az összegyűjtött adatok elégségesek-e ahhoz, hogy a megfelelő pontossággal (a fizikusok ezt öt szigmának nevezik) arról beszélhessünk, hogy új részecskére leltek. Ezt a mágikus határt csak 2012. június 24-én érik el, miután az ATLAS detektornál mért adatok egyre nagyobb részét sikerült feldolgozni. A hagyomány szerint a július 4.-ére virradó éjszakát a szemináriumi terem előtt ébren töltötte a fiatal tudósok egy csoportja, hogy másnap a „nagy bejelentésen” ülőhelyük lehessen. Az élő közvetítés nyomán szerte a világon mindenki láthatta-hallhatta, amikor Rolf-Dieter Heuer, a CERN igazgatója – illendő módon a genfi központból – a melbourne-i konferencia részvevőinek is bejelentette: „laikusként azt mondanám, hogy megtaláltuk a Higgset.” Arról, hogy valóban a Higgs-részecskéről van szó, sokan máig sincsenek meggyőződve – legalábbis a fizikusok közül. Hogy a bejelentés mögött valóban egy új részecske felfedezése húzódik, az csak 2013 tavaszára vált teljesen bizonyossá. Időközben ugyanis „az újonc” valamennyi bomlását kiértékelték. Az ATLAS-csoport kiértékelt eredményeit 2013. augusztus 13-án tette közzé.[19] E szerint a megtalált részecske tömege 126,8 GeV.

Az LHC-t időközben lekapcsolták, újraindítása új jellegű feladatokkal 2015-re várható. Ugyanakkor már újabb nagyszabású terveket dédelgetnek a fizikusok arról, hogy hogyan lehetne egyrészt az ütköztetési energiát növelni, másrészt pedig a protonok ütköztetésénél nagyon zavaró sokféle bomlásterméket „kiszűrni”. Ebből a szempontból az elektron-pozitron-gyorsítók több sikerrel kecsegtetnek. Két ilyen lineáris gyorsítóra vonatkozóan vannak már tervek (ILC és CLIC)[20], elképzelések, amelyek hossza 31 és 50 kilométer lenne.


Felhők a standard-modell (és a Higgs-modell) egén

A sajtó az „isteni részecske” felfedezéséről, a standard-modell beteljesedéséről adott hírt. A fizikusok ennél jóval visszafogottabbak az újabb fejlemények kapcsán. Két cím ugyanabból a folyóiratból jól megvilágítja ezt a helyzetet. Az egyéves bejelentési évforduló kapcsán a Spektrum der Wissenschaft egyik cikke „Keserédes vég?”[21] címmel emlékezik a történtekre, majd nem egészen fél évvel később a decemberi számban a fizikai Nobel-díj odaítélése kapcsán a „standard-modell megkoronázó lezárásáról”[22] értekezik. Hogy a standard-modell a Higgs-mechanizmussal együtt nagyon sok problémát vet fel, az az elmélettel foglalkozók körében közismert. Ezek közül néhányra szeretnénk itt utalni. A standard-modell több mint 20 ún. szabad paraméterrel dolgozik. Ennek ellenére – mint már korábban utaltunk rá – nem képes számszerű értéket adni az egyes részecskék tömegére. Sőt a standard-modell matematikai modelljei ugyanolyan jól működnének akkor is, ha a kvarkoknak és társaiknak nem lenne tömegük.

A kvarkokat a standard-modell pontszerűeknek tekinti. Felmerül a kérdés, mennyiben lehet a pontszerűség geometriai leírását ebben a modellben gyümölcsözően alkalmazni. Egyre többen kérdőjelezik meg ezt az elképzelést[23]. A standard-modell kapcsán John Ellisre, a CERN-ben dolgozó vezető elméleti fizikusra hivatkozva idézzünk fel néhány további problémát, kérdést.[24] Miként láttuk, mind a kvarkok, mind pedig a leptonok három családba sorolódnak. Miért éppen ennyibe? Hogyan alakíthatóak át, hogyan alakulnak át ezek egymásba? Miért olyan minimális az eltérés az anyag és az antianyag között bizonyos kísérletekben? Mi is az a sötét anyag, amely az univerzum tömegének mintegy nyolcvan százalékát alkotja? Lehet-e a négy alapvető kölcsönhatást (erős, gyenge, elektromágneses és gravitációs) egyetlen egységes keretben tárgyalni? Egyáltalán hogyan nézne ki a gravitáció kvantumelméletnek is megfelelő leírása? A kérdések persze jócskán folytathatóak. Ellist idézhetjük: „Ennélfogva senki sem gondolhatja, hogy a standard-modell a történet vége lenne”.

Hasonlóképpen nem problémamentes a Higgs-mezőhöz kapcsolódó elméleti elképzelés sem. Eleve az egész univerzumot átható energia-mezőnek a bevezetése, amely bizonyos részecskéknek tömeget kölcsönöz, míg másoknak nem, nem minden fizikus számára rokonszenves. Az éter 19. századi elképzelésének a relativtáselmélet nyomán egyszer már hátat fordított a fizikai gondolkodás, most pedig az éter egy másik fajtája „tolakszik be a fizika épületébe”. További problémát jelent, hogy valójában az elmélet alkalmatlan arra, hogy a részecskék tömegére bármiféle, megbízhatónak látszó előrejelzést tegyen. A standard-modell keretében elvégzett számítások mintegy 34 nagyságrenddel nagyobb energiát adnak a megfigyelteknél. Ez azt jelenti, hogy az elektronnak akkora tömege lenne, mint egy baktériumnak.[25] Ennek a nagy energiaértéknek az okozói az úgynevezett virtuális elemi részecskék lennének: ezek állandóan megjelennek, majd ismét eltűnnek a térben. A virtuális részecskéknek ez a „tava” jelentősen hozzájárul a Higgs-mező energiájához, és ez lenne felelős a realitásokat messze meghaladó energiaértékért.


Alternatívák: szuperszimmetria és húrelmélet

A fentebb utalásszerűen megismert problémákra egyfajta kiutat az elméleti szakemberek egy része a standard-modellen túlmutató szuperszimmetria, röviden „Susy” keretében keresnek. Az elképzelés szerint minden egyes részecskének van egy tükörrészecskéje. Ezek a részecskék is a „virtuális részecskék tavában” merülnek fel, azonban kvantumingadozásaik a reguláris részecskék ingadozásaival együtt mintegy „közömbösítik” egymást. Így lesz a Higgs-mező energiája viszonylag kicsi. A Susy-részecskék megjelenésével persze az elemi részecskék száma alapvetően megduplázódik. Ezek azonban – az elképzelés szerint – csak az ősrobbanás utáni másodperc tört részében léteztek, gyorsan bomlanak. Kivételt csak a legkönnyebb, a neutralinónak nevezett szuperrészecske képezne: az ősrobbanás óta valamennyi szuperrészecske neutralinókra bomlott. A szuperrészecskék elnevezése nagyon egyszerű: az elektron tükörrészecskéje a szelektron, a kvarkoké a szkvarkok lennének, vagyis mindig egy sz (angolban csak s) a részecske megnevezése előtt. A kölcsönhatásokat közvetítő szuperrészecskék pedig egy „ino” végződést kapnának, vagyis a „foton” tükörrészecskéje a „fotonino” lenne. Az elméletet a karlsruhei egyetemen Julius Wess és Bruno Zumino fejlesztette ki az 1970-es években. Az előrejelzett részecskékből eddig egyetlen egyet sem sikerült kísérletileg kimutatni. A fizikusok közül sokan azt remélik, hogy az LHC protonütköztetési kísérleteiben esetleg már meglelhetők lennnének a neutralinók. Az elmélettel foglalkozók közül sokan feladták a reményt, hogy ennek a „tükörvilágnak a részecskéi” valaha is kimutathatóak lesznek. Ismét Ellist idézve: „Lasssan 30 éve dolgozom az elméleten – nagyon is megértem, hogy bizonyos emberek lassanként kicsit idegessé válnak.”[26]

A kölcsönhatásokat egységes keretben kívánná magyarázni az ún. húrelmélet, illetve annak továbbfejlesztése a szuperhúrelmélet. Ennek népszerű, magyarul is hozzáférhető leírását találjuk Brian Greene könyvében[27]. Az első fejezet végén a szerző az „elkövetkező tíz évben” esetleges utalásokat vár a kísérleti megerősítést illetően, ugyanakkor saját bevallása szerint a húrelmélet matematikája olyan összetett, hogy máig nem ismeri senki az elmélet pontos egyenleteit. Az indirekt kísérleti bizonyítékról egyelőre nem szólnak a híradások. Annál inkább egyre több olyan kritikai hanggal találkozhatunk, amely vagy megkérdőjelezi az elmélet „tudományosságát”, vagy ennek nyomán a tudományosság definíciójának megváltoztatására utal.[28]


Félempirikus tömegformula

A fentiektől eltérő utat választott az a modell, amely alapvető részecsketulajdonságnak tekinti azok tömegét. Ennek a megalapozására, amelynek gyökerei a kanti filozófiára nyúlnak vissza, s alapvetően J. Gibbs, G. Falk és D. Straub munkáin alapszanak, itt nem térünk ki[29]. Lényegileg a már ismert részecskék tömegéből kiindulva W. Seelig egy ötletét felhasználva talált e sorok szerzője egy ún. félempirikus tömegformulát, amely négy egész szám mint paraméter segítségével egyetlen természeti állandó felhasználásával adja meg valamennyi elemi részecske tömegét[30]. A matematikai szimmetriák feltétele mellett ez az összefüggés alkalmat nyújt arra, hogy még nem felfedezett, vagy már éppenséggel megtalált, de ismeretlen tömegű részecskék tömegére előrejelzést tegyen. Ebből kiindulva lehet meghatározni pl. a neutrinók várható tömegét. Ezek a részecskék a standard-modell eredeti változata szerint tömeg nélküliek lennének. Mára viszont tudjuk, hogy egymásba való átalakulásuk csak akkor feltételezhető, ha tömegük van. Raymond Davis (USA) és Masatoshi Koshiba (Japán) ilyen irányú kutatásukért kaptak 2002-ben Nobel-díjat.

A CERN-ben az elmúlt években megtalált részecske (közismert nevén Higgs-részecske) tömegét a fentebbi félempirikus tömegformula 126,8 GeV-nak adta.[31] Ez az elméleti előrejelzés pontosan megfelel az ATLAS-ban mért 2012−13-as, korábban már ismertetett összesített eredménynek. A tömegformula szimmetriatulajdonságainak vizsgálata másfajta előrejelzésekre is adhat lehetőséget. Ennek részleteire itt nem térünk ki.


„Mire jó?” – Költségek és hasznosítás

Az LHC működtetése évi egymilliárd svájci frankba kerül (kb. 800 millió euró). A költségvetés legnagyobb részét a nagy gazdaságú európai országok fizetik: Németország 20,12 %; Egyesült Királyság 17,8 %; Franciaország 15,9 % és Olaszország 12,53 %. Magyarország részesedése 0,85 %. A legtöbb pénzt az „anyagköltségre” fordítják: az egész költségvetés mintegy 50 %-át. A személyi ráfordítások kb. 35 %-ot visznek el, ami több mint tízezer munkahelyet jelent. Az energiafogyasztásból az áramfogyasztás időnként 120 MW teljesítményt igényel. Ezek a számok alapvetően felvetik a kérdést: mire is jó mindez? Megéri-e?

Vannak, akik másként vetik fel a problémát: miért van szükségünk antianyagra? Nyilván nem azért, amiről egyik-másik fantasztikus könyv beszámol, vagyis a világ megsemmisítésére. De nagyon is elképzelhető, hogy rákos betegeket egyszer majd antiprotonokkal kezeljenek, vagy az energiatermelés problémáit éppen a kölcsönhatások jobb megértése révén oldjuk meg. Közismert, hogy a nagymértékű adatfeldolgozás, illetve világméretű kommunikáció is ezekből a kutatásokból indult ki. Hogy ma www-es címeken találunk információkat, annak a gyökere is a CERN adatkezelési kutatásaiban keresendő. Az LHC-be beépített rendkívüli technológiai újítások persze sok más területen is alkalmazhatóak. S nem utolsó sorban azoknak a foglalkoztatása, akik ezekben a projektekben részt vesznek, sem elhanyagolandó.

Az „isteni részecskéről” szóló sajtójelentések persze az ismeretelmélet, a filozófia és a teológia oldaláról is állásfoglalásra érdemes kérdéseket vetnek fel. A részletekbe menő diszkusszió mellőzésével zárszóként hadd idézzük Robert John Russell kissé patetikus összegzését[32]:

„Röviden szólva a Higgs-részecske felfedezését nem csak akként ünnepelhetjük, mint ami a fizika világával foglalkozók győzelmét mutatja meg, hanem olyan óvatos megközelítésként is, amely arról tanúskodik, hogy az univerzum a legalsó rétegekig visszamenően értelmes, és mi képesek vagyunk ennek a racionalitásnak a felfogására, és hogy pontosan ez a racionalitás az, aminek Isten a végső oka, aki maga az értelem, a bölcsesség és szeretet forrása.”



[1] A Nobel-díj hivatalos honlapja szerint: The Nobel Prize in Physics 2013 was awarded jointly to François Englert and Peter W. Higgs for the theoretical discovery of a mechanism that contributes to our understanding of the origin of mass of subatomic particles, and which recently was confirmed through the discovery of the predicted fundamental particle, by the ATLAS and CMS experiments at CERN’s Large Hadron Collider.”

[2] F. Englert and R. Brout: Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector Mesons, in: Physical Review Letters, Vol. 13, Nr. 9, 321−323.o. Beérkezett 1964. június 26-án, megjelent 1964. augusztus 31-én.

[3] P. W. Higgs: Broken Symmetries, Massless Particles and Gauge Fields, in: Physics Letters, Vol. 12, 132−133. Beérkezett 1964. július 27-én, megjelent 1964. szeptember 15-én.

[4] P. W. Higgs: Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons, in: Physical Review Letters, Vol 13, Nr. 16, 508−509. Beérkezett 1964. augusztus 31-én, megjelent: 1964. október 19-én. A tanulmány Nobel-díjas zárómondatai: „It may be expected that when a further mechanism (presumably related to the weak interactions) is introduced in order to break Y conservation, one of these gauge fields will acquire mass, leaving the photon as the only massless vector particle. A detailed discussion of these questions will be presented elsewhere.

It is worth noting that an essential feature of the type of theory which has been described in this note is the prediction of incomplete multiplets of scalar and vector bosons. It is to be expected that this feature will appear also in theories in which the symmetry-breaking scalar fields are not elementary dynamic variables but bilinear combinations of Fermi fields.”

[5] Az angolszász irodalomban általában a „field/Feld” kifejezés honosodott meg, amely inkább „mező”-vel fordítandó. A magyar szakirodalomban gyakran a „tér” kifejezés használatos, bár újabban a „mező” is kezd moghonosodni. Itt felváltva használjuk mindkét megnevezést.

[6] G. S. Guralnik, C. R. Hagen and T. W. B. Kibble: Global Conservation Laws and Massless Particles, in: Physical Review Letters Vol. 13 585−587. Beérkezett 1964. október 12-én, megjelent 1964. november 16-án.

[7] Nagyon valószínűsíthető, hogy az elnevezés Steven Weinbergre (1979-ben kapott Nobel-díjat) vezethető vissza, aki 1967-ben Higgs második 1964-es munkája nyomán nevezte a feltételezett részecskét Higgs bozonnak. 2012 májusában egy könyvismertetésben ő maga így ír erről: „In his recent book, The Infinity Puzzle (Basic Books, 2011), Frank Close points out that a mistake of mine was in part responsible for the term »Higgs boson«. In my 1967 paper on the unification of weak and electromagnetic forces, I cited 1964 work by Peter Higgs and two other sets of theorists. (…) As to my responsibility for the name »Higgs boson«, because of a mistake in reading the dates on these three earlier papers, I thought that the earliest was the one by Higgs, so in my 1967 paper I cited Higgs first, and have done so since then. Other physicists apparently have followed my lead. But as Close points out, the earliest paper of the three I cited was actually the one by Robert Brout and François Englert. In extenuation of my mistake, I should note that Higgs and Brout and Englert did their work independently and at about the same time, as also did the third group (Gerald Guralnik, C.R. Hagen, and Tom Kibble). But the name »Higgs boson« seems to have stuck.

[8] Az elemi részecskék felfedezésének történetéről – a 80-as évekig bezárólag – jó összefoglaló található David Griffiths: Introduction to Elementary Particles (NewYork, John Wiley, 1987) c. könyvének első fejezetében. A könyv német kiadása 1996-ben jelent meg a berlini Akademie Verlag GmbH gondozásában. Utóbbiban a történeti fejezet a 13−60. o. található. Vö. Simonyi Károly: A fizika kultúrtörténete, 2. bővített kiadás, Budapest, Gondolat, 1981, XXVII. színes tábla, 5.4−3. ábra, valamint 426. o. 5.5−2. ábra.

[9] Klasszikus módon három fajta radioktív sugárzást szokás megkülönböztetni, amelyeket a görög ábécé első három betújéről neveztek el. Később kiderült, hogy az α-sugárzás valójában hélium atommagokból áll, a β-sugárzás elektronokból, míg a γ-sugárzás valójában nem más mint elektromágneses sugárzás, avagyis fotonok alkotják.

[10] A hatótávolság olyan mint az ökölvívó karhosszúsága, azon túl már a legerősebb bokszolótól sem kell megijedni.

[11] D. Straub, V. Balogh: Rest masses of elementary particles as basic information of Gibbs-Falkian thermodynamics, in: Int. J. Therm. Sci. 39 (2000), 931−948.

[12] Vö. M. Gell-Mann, Y.Ne`emann: The Eightfold Way, Benjamin, New York, 1964.

[13] Jó és könnyen érthető leírás található pl. az alábbi internetes oldalon: www.weltmaschine.de. Magyarul érdemes elolvasni Simonyi Károly egyik utolsó összegzését, amely az ötödik kiadású A fizika kultúrtörténetében található (Akadémiai Kiadó, 2011, az 5.7 fejezetet németből Patkós András fordította, főként 569–581).

[14] Gian Franceso Giudice-től származik a mondás. Idézi tk. Thomas Bührke in: Higgs-Teilchen und –Mechanismus preisgekrönt. Online: http://www.spektrum.de/aias/nobelpreise/higgs-teilchen-und-mechanismus-preisgekroent/1209660

[15] Az elektronvolt a részecskefizikában gyakran használt energiaegység. Ekkora a mozgási energiája egy elektronnak, ha egy volt feszültséggel felgyorsítjuk. A ’tera’ előtag valójában billiót, vagyis 1012 jelent. Az energiaegység használatos a tömeg kifejezésére a tömeg-energia ekvivalencia alapján, valójában ilyenkor a fénysebesség négyzetével kell osztani ahhoz, hogy „igazi tömegegységet” kapjunk.

[16] A tervezés és építés munkálatainak mozzanatai online követhetők: http://lhc-milestones.web.cern.ch/LHC-Milestones/year1994-en.html

[17] A további részletekre is kiváncsi Olvasónak ajánljuk az alábbi oldalt: http://cds.cern.ch/record/1165534/files/CERN-Brochure-2009-003-Eng.pdf

[18] ICHEP2012 – 36th International Conference for High Energy Physics, Honlap: https://indico.cern.ch/conferenceDisplay.py?ovw=True&confId=181298.

[19] Measurements of Higgs boson production and couplings in diboson final states with the ATLAS detector at the LHC, in: Physics Letters B 726 (2013) 88–119. Vö. Spektrum der Wissenschaft, 2013. Dezember, 22.

[20] Vö: Gerhard Samulat: Teilchenschleudern der Zukunft, in: Spektrum der Wissenschaft, 2013. November, 54−59; ILC: International Linear Collider; CLIC: Compact Linear Collider.

[21] Robert Gast: Ein bittersüßes Ende? – online: http://www.spektrum.de/alias/higgs-boson/ein-bittersuesses-ende/1200221.

[22] Georg Wolschin: Krönender Abschluss des Standardmodells, in: Spektrum der Wissenschaft, 2013. Dezember, 19−23.

[23] Vö. pl. Don Lincoln: Das Innenleben der Quarks, in: Spektrum der Wissenschaft, 2013. Dezember, 46−53.

[24] Vö. Gerhard Samulat: Der Letzte seiner Art?, in: Spektrum der Wissenschaft. 2012. Juli, Sonderheft, 10.

[25] Vö. Thomas Bührke: Jenseits des Higgs-Teilchens, in: Spektrum der Wissenschaft. 2012. Juli, Sonderheft, 12.

[26] Thomas Bührke: Jenseits des Higgs-Teilchens, in: Spektrum der Wissenschaft. 2012. Juli, Sonderheft, 12.

[27] Brian Greene: Az elegáns univerzum, Szuperhúrok, rejtett dimenziók és a végső elmélet kihívása, (Fordította: Gergely Árpád László, Szaklektor: Horváth Zalán), Akkord Kiadó, 2003.

[28] Vö. Richard Dawid: Wenn Naturwissenschaftler über Naturwissenschaftlichkeit streiten, Die Veränderlichkeit von Wissenschaftsparadigmen am Beispiel der Stringtheorie, in:  Dirk Rupnow, Veronika Lipphardt, Jens Thiel, Christina Wessely: Pseudowissenschaft, Konzeptionen von Nichtwissenschaftlichkeit in der Wissenschaftsgeschichte, Suhrkamp, Frankfurt am Main, 2008, 395−416.

[29] Részletes kifejtésrre vonatkozóan l. V. Balogh: Einheitliche nicht-mechanistische Darstellung der physikalischen Disziplinen als Mathematische Systemtheorie, Dissertation (Dr. rer. nat.), Universität der Bundeswehr, Fakultät für Luft- und Raumfahrttechnik, München, 2012, online: http://137.193.200.7:8081/doc/90767/90767.pdf.

[30] Vö. V. Balogh és D. Straub: Halbempirische Massenformel (HEMF), Quantitative Darstellung der Elementarteilchen-Massen, Forschungsbericht, Universität der Bundeswehr München, LRT, Institut für Thermodynamik, 1998; valamint Straub, D. és Balogh, V.: Rest Masses of Elementary Particles as Basic Information of Gibbs-Falkian Thermodynamics, in: Int. J. Therm. Sci. 39 (2000) S. 931−948.

[31] Vö. V. Balogh: Einheitliche nicht-mechanistische Darstellung der physikalischen Disziplinen als Mathematische Systemtheorie (lapalji jegyzet 27), 12; 147; 197; 248.

[32] Robert John Russell: The Higgs Boson, the Rationality of Nature, and the Logos of God, in: Theology and Science, Vol. 10, Nr. 4, 2012, 337.

12345

3 csillag az 5-ből. 1 ajánlás alapján


  • via WordpressA hozzászólások és trackbackek engedélyezve vannak, a visszajelzések moderáltak. Trackback küldéshez használja ezt a linket: Trackback URL.


Ajánlott cikkek: