Folytatható-e az elemi kölcsönhatások felfedezéstörténete?
François Englert és Peter W. Higgs annak az elméleti mechanizmusnak a felfedezéséért részesült a 2013. évi megosztott fizikai Nobel-díjban, amely ,,lényegesen hozzájárul az elemi részecskék tömege eredetének megértéséhez, és amelyet a közelmúltban megerősített a felfedezésük részeként megjósolt elemi részecske létezésének a CERN LHC gyorsítójánál az ATLAS- és a CMS-kísérletekkel történt kimutatása”.
A fizikai Nobel-díj bizottságának idézett rövid indoklása világossá teszi, hogy az elismerés a Higgs-részecske létezésének megjóslásánál jóval átfogóbb jelentőségű elméleti fizikai alkotásért ítélték oda. Ezt az alkotást felfedezőikről Brout–Englert–Higgs-, röviden BEH-mechanizmusnak hívják. (Englert társszerzője, Robert Brout 2011-ben elhunyt.) A díj 26 oldalas részletes szakmai indoklása átfogja az alapvető kölcsönhatások természetének J. C. Maxwell munkásságával a XIX. század derekán kezdődött és napjainkig tartó feltárását. Részletesen bemutatja a BEH-mechanizmushoz vezető utat és az arra alapozott építkezést, amely elvezetett az elemi kölcsönhatások úgynevezett Standard Modelljéhez. E történet bemutatása során mintegy másfél tucatnyi Nobel-díjas fizikust említenek, akiknek elismerése néha a nevükhöz fűződő konkrét felfedezést követő néhány éven belül megtörtént. A kiinduló alkotás jutalmazásával viszont közel fél évszázadot, az utolsó hiányzó bizonyíték megtalálását is megvárták.
A BEH-mechanizmus immár bizonyítottan az alapja az elemi kölcsönhatások szédítő magasságba ívelő, a gótikus templomokhoz hasonlatos emberi tudástornyának. Az utolsónak maradt felfedezés a torony stabilitását adó zárókőnek tekinthető. A CERN LHC-nál született felfedezés a BEH-mechanizmusnak mintegy melléktermékeként megjósolt nagy tömegű elemi részecske létezését bizonyítja. Szükségszerű létezésére elsőként P. W. Higgs cikke mutatott rá, így ezt a részecskét a jövőben is Higgs-részecskének nevezik majd.
A fentebb idézett rövid indoklás ,,név szerint” említi azokat a kutatócsoportokat, amelyeknek a Higgs-részecske kísérleti felfedezése köszönhető. Az elmúlt egy évben a két csoport részleteiben megismerte a részecske tulajdonságait, amelyek szinte tökéletesen egyeznek a Higgs javaslata nyomán kidolgozott várakozásokkal. A Nobel-díj szabályainak korlátai között ennél nagyobb elismerést nem lehet nyújtani a két kísérletben egyenként közel 3000 fizikus erőfeszítésével elért eredménynek. (A CERN három vezetője, Rolf Heuer főigazgató, Sergio Bertolucci kutatási és informatikai igazgató és Steve Meyers technikai és gyorsítókért felelős igazgató elnyerték az Európai Fizikai Társaság (EPS) Edison–Volta-díját, míg az ATLAS- és a CMS-kísérletek az EPS Nagyenergiás Fizikai Osztályának 2013. évi fődíjában részesültek.)
Cikkünk terjedelmi korlátai nem teszik lehetővé, hogy ismertessük a díjbizottság másfél évszázadot átfogó esszéjét, amelynek éppen fele a Higgs-részecske kísérleti felfedezésének részleteit mutatja be. Kénytelenek vagyunk a díjazott alkotás elméleti hátterére összpontosítani figyelmünket, azokra a fontos gondolatokra, amelyek keretében a díjazottak érdemei megfelelően értékelhetők.
Maxwell és követői
Kezdjük tehát James Clerk Maxwell alkotásával, amely mindvégig mintaként szolgált az elemi kölcsönhatások megértésén dolgozó kutatók számára. 1865-ben megadta az elektromágnesség egységes elméletét, amelyben az elektromos és mágneses erőtér leírását a négykomponensű vektorpotenciál dinamikájából lehet származtatni. Ez a tér közvetíti az atomi alkotórészek közötti (immár kvantált) kölcsönhatást, nulla nyugalmi tömegű fotonok folyamatos cseréje révén. A nulla tömeg következménye a Coulomb-potenciál lassú, a távolsággal fordítottan arányos csökkenése.
Az 1930-as évek elején főként W. Heisenbergnek, W. Paulinak és E. Ferminek a James Chadwick kísérleti eredményeit értelmező munkái révén vált világossá, hogy az atommagot összetartó vonzó erőhatás, illetve az instabil izotópok béta-bomlása két újabb elemi kölcsönhatásnak, az erős, illetve a gyenge kölcsönhatásnak a megnyilvánulásai. Ezeknek a hatásoknak azonban véges a hatósugara, nem haladja meg az atommagok néhány femtométernyi kiterjedését.
1934-ben Hideki Yukawa Maxwellt követve bevezette azt az exponenciálisan (minden hatványnál gyorsabban) csökkenő potenciált a mag alkotórészei (a nukleonok) közötti erőhatás leírására, amely ma az ő nevét viseli. Ezt a potenciált a kvantumelméletből ugyanúgy a nukleonok közötti folyamatos mikrofizikai részecskecserével lehet származtatni, ahogy a fotonok cseréje vezet a Coulomb-potenciál kialakulásához. A véges hatótávolság annak eredménye, hogy a kicserélt részecskék tömege nem nulla. A nukleonok között mért erőhatás alapján Yukawa meg is jósolta az általa ,,mezonnak” (ma pionnak) nevezett részecske tömegét, amelyet 1947-ben fel is fedeztek a Földet érő kozmikus sugárzás keltette részecskezáporokban.
Enrico Fermi a béta-bomlás elméletének megalkotásakor szintén Maxwellt szerette volna követni. Ma már tudjuk, hogy a neutron a béta-bomlásban nagyon rövid hatótávolságú, azaz nagyon nagy tömegű vektorkvantumok közvetítése révén tud elbomlani. Első lépésben a neutron protonná alakul át, amit egy negatív töltésű W-bozon kibocsátása kísér. A második lépésben ez a vektorkvantum bomlik el egy elektronra és annak antineutrínójára. 1934-ben, Fermi elmélete megalkotásakor azonban még csak olyan kis energiájú gyenge kölcsönhatási folyamatokat tanulmányozhattak, amelyek leírásában a közvetítő vektorkvantum térbeli haladásának semmiféle hatása nem jelentkezik. Közelítő elmélete, amely szerint a neutron protonba történő átalakulása és az elektron meg az antineutrínó megjelenése ugyanabban a pontban és ugyanabban az időpillanatban történik, tökéletesen kielégítő értelmezést adott a kísérleti adatokra.
A ,,szupravezető” vákuumban az elemi részecske tömeget nyer
A ma pionoknak nevezett mezonok és a nukleonok kölcsönhatását vizsgálva Yoichiro Nambu 1961-ben azt a kérdést tette fel, vajon a pionok elemi részecskék-e, vagy esetleg egy nukleon és egy antinukleon erősen kötött állapotaként (,,atomjaként”) alakulhatnak ki. Erre a váratlan kérdésfeltevésre a szupravezetés jelenségének 1956-ban született átütő sikerű elmélete indította, amelyben a szupravezetés nullaspinű töltéshordozója nem új önálló elemi objektum, hanem két feles spinű elektron kötött állapota, az úgynevezett Cooper-pár. A Cooper-párok makroszkopikus sűrűségű jelenléte a szupravezető anyagban egy új fázis (,,halmazállapot” = legkisebb energiájú állapot) megvalósulását jelenti. Nambu rámutatott, hogy a makroszkopikus sűrűségű nukleon-antinukleon párok csapadékát (kondenzátumát) tartalmazó fázisban automatikusan fellép egy könnyű gerjesztés, anélkül, hogy azt eredetileg elemi részecskeként be kellett volna vezetni. Ezt lehet azonosítani Yukawa pionjával. A kondenzátum másik fontos hatása az, hogy jelentősen megnöveli a nukleonok tömegét azoknak a kondenzátum nélküli világban mérhető értékéhez képest. Mára a részecskefizika egyik legáltalánosabb ökölszabálya jelentkezett először: ,,A kondenzátummal jellemezhető állapotban terjedő, azzal folyamatosan kölcsönható részecskéknek többlettömege keletkezik.”
A Nambu által megfogalmazott kép mai tudásunknak azzal a módosítással vált tartós részévé, hogy a nukleon-antinukleon kondenzátum helyére kvark-antikvark kondenzátum lépett, és a könnyű piongerjesztést kvark-antikvark kötött állapotként értelmezzük. Érdemes megjegyeznünk a kvark-antikvark rendszer két fontos tulajdonságát:
-
1.
Bár a kvarkok a kondenzátumban igen jelentős tömegtöbbletre tesznek szert, a kondenzátum nélküli állapotban sem lehetnek tömegtelenek. Ugyanis ekkor, mint Jeffrey Goldstone még 1961-ben kimutatta, a pionok is zérus tömegűek lennének, ami az úgynevezett Nambu–Goldstone-bozonok általános tulajdonsága.
-
2.
A pion, a könnyű kvark-antikvark kötött állapot mellett létezik egy nehéz is, amely magának a csapadéknak a rezgési kvantumaival azonosítható. Ennek létét sokáig megkérdőjelezték, de 2012-ben végleg bekerült az elemi részek hivatalos táblázatába. A szigma-részecske tömege megfelel annak a várakozásnak, amelyet egy két kvarkból álló részecske és a három kvarkból álló nukleonok tömegének arányára kialakíthatunk, ha a kötött állapot kötési energiája nem túl nagy.
Összefoglalva, az erősen kölcsönható elemi részek (a kvarkok kötött állapotai) nem üres vákuumban, hanem kvark-antikvark kondenzátumban haladnak, és annak hatására többlettömeget nyernek.
Vektorerőterek könnyű kísérő részecskék nélkül
Számosan próbálkoztak a maxwelli elektrodinamikához hasonló elmélet megalkotásával véges tömegű vektori erőterek esetére. A kvantum-elektrodinamika elméletének kidolgozásáért Nobel-díjat nyert Julian Schwinger 1957-ben, valamint Richard Feynman, aki a kvarkhipotézist felállító, szintén Nobel-díjas Murray Gell-Mann-nal együttműködésben dolgozott ezen a kérdésen. Õk a béta-bomlás értelmezéséhez szükséges két töltött vektortérrel igyekeztek a nukleonok és a leptonok (az elektron és neutrínói) gyenge kölcsönhatását megkonstruálni, mivel a semleges gyenge erőtér létezésére akkor nem utalt kísérleti adat. Sheldon Glashow 1961-ben az elektromágnességgel történő egyesítés céljával kibővítette Schwinger konstrukcióját, és felismerte, hogy a fotont csak akkor tudja beépíteni, ha egy további semleges gyenge erőtér (a későbbi ) létezését is feltételezi.
Mindezek a próbálkozások a kvantumelmélet részletes számításaiban jártas kutatók előtt reménytelennek tűntek. Ha a vektorkvantum a tömegét nem valamilyen dinamikai folyamatból nyeri, hanem eleve adott értékkel szerepel az egyenletekben, akkor az elmélet bármely megoldási eljárása értelmetlen, mindent határt meghaladóan nagy értékű (szinguláris) mennyiségekre vezetett. E tulajdonság miatt a korszak fizikusainak többsége azon a véleményen volt, hogy csak nulla tömegű vektorterekre lehet ellentmondásmentes kvantumelméletet kidolgozni, azaz a Maxwell-elméletre épített kvantum-elektrodinamika sikere egyszeri, és az erős, továbbá a gyenge kölcsönhatásokra megismételhetetlen. A nulla tömegű erőterek által közvetített kölcsönhatásoknak ugyanis van egy olyan többletszimmetriájuk, amelynek hatására a közvetítésükkel végbemenő kvantumfolyamatok valószínűségeiből ezek a legsúlyosabban szinguláris járulékok kiejtik egymást. Ezen szimmetriát tekintve vezérelvnek, 1955-ben Robert L. Mills és Chen N. Yang kidolgozta a vektormezők tetszőleges kombinációira alapozott kölcsönhatások elméleti konstrukcióját, a részecskefizikában mára egyeduralkodóvá lett Yang–Mills-elméleteket. Ám a Yang–Mills-erőterek végtelen hatótávolságuk miatt az 1960-as évtized elején még nem keltettek komoly érdeklődést.
Nambu vizsgálatai éppen azért leltek szinte azonnali, a konkrét eredményeken túlmutató visszhangra, mert példát adtak a tömeg dinamikai generálására. Ez pedig reményt adott arra, hogy kialakulhat olyan tulajdonságú kondenzátum is, amely az eredetileg zérus tömegű vektorkvantumoknak generál tömeget. Aggodalmat okozott viszont, hogy a tömeggenerálást szükségszerűen kísérni látszott meghatározott számú könnyű (Nambu–Goldstone-) részecske is, amelyre a gyenge kölcsönhatások tapasztalati anyaga egyáltalán nem utalt.
A polarizálható közegekben terjedő elektromágneses hullám elemzése mutatta a továbblépés útját. P. W. Anderson, aki később a kondenzált anyagok kvantumfizikájában elért eredményeiért kapott Nobel-díjat, 1962-ben egybevetette az áram által keltett vektorpotenciál és a közegben külső vektorpotenciál hatására létrejövő áram egymást generáló hatását. Természetesen a közegben kialakuló elektromágneses vektorpotenciál nem választható szét külső polarizáló és az áram által indukált részre. A teljes elektromágneses térre megmutatta, hogy az úgynevezett plazmafrekvenciával meghatározott tömegű, három polarizációs (két transzverzális és egy longitudinális) állapottal rendelkező hullámmá alakul át. Ami pedig a legfontosabb: a tömeg generálását ez esetben nem kíséri könnyű részecske gerjesztése. Anderson egyértelműen jelezte, hogy a részecskefizika Yang–Mills-tereire is hasonló mechanizmust kell keresni, de a részletes plazmadinamika vagy akár a szupravezetőkben fellépő hasonló jelenség mechanizmusa túlságosan komplikáltnak tűnt a részecskefizikai célú általánosításhoz.
A Brout–Englert–Higgs-mechanizmus
Az áttörést hozó vizsgálatokat mégis éppen a szupravezetés egy leegyszerűsített modelljének, a Ginzburg–Landau-modellnek a relativitáselmélet formai követelményeit érvényre juttató általánosításán végezte el Peter Higgs 1964-ben. A Cooper-párok összetett rendszerét ebben az elméletben egy kétszeresen töltött elemi részecske képviseli, amelynek zérus a sajátperdülete. E Cooper-párok alkotta kondenzátum helyébe az egyszerűsített modell elemi részecskéinek makroszkopikus sűrűségű kondenzátuma lép. Ennek hatására (ha nincs jelen elektromágneses tér) a kondenzátum gerjesztései között fellép egy töltetlen könnyű (nulla tömegű) és egy nehéz rezgési módus. Higgs azt mutatta meg, hogy az elektromágneses térrel kölcsönhatásban a könnyű részecske eltűnik, mintegy átalakul a tömeges elektromágneses hullám longitudinális polarizációval terjedő módusába.
Higgs elemzése a klasszikus hullámelmélet keretei között maradt, míg Brout és Englert az első kvantumkorrekciókat kiszámolva megmutatta, hogy a következtetés a kvantált részecskefizika keretei között is érvényben marad. 1964 és 1967 között a most kitüntetett fizikusok mellett még a G. S. Guralnik, C. R. Hagen és T. W. B. Kibble alkotta csoport is lényegesen hozzájárult ahhoz, hogy megszülessen a tömeggenerálás receptje tetszőleges szimmetriájú vektorteret tartalmazó Yang–Mills-elméletben, valamint annak bizonyításához, hogy a jelenség ezen elméletek egzakt megoldásában is fennmarad.
A Standard Modell megszületése Steven Weinbergnek és Abdus Salamnak 1967-ben, egymástól függetlenül tett javaslatától számítható. Mindketten hangsúlyosan támaszkodtak a BEH-mechanizmusra. Weinberg és Salam egy speciálisan választott Higgs-részecskecsoport (multiplett) segítségével a Glashow által 1961-ben feltételezett négy vektorrészecskének szelektíven tudott tömeget generálni. Közülük az egyik tömeg nélküli maradt, és azonosítható az elektromágneses vektorpotenciállal. A másik háromnak a kondenzátum úgy ad tömeget, hogy a két elektromosan töltött W-bozon kissé könnyebb a semleges Z -nál. Weinberg ennél is tovább ment, és ugyanezen kondenzátum segítségével Nambu mechanizmusát használta a kvarkok és a töltött leptonok tömegének generálására. A konstrukció nagy sikere volt, hogy a neutrínók tömegtelenek maradhattak. 35
A történet itt még nem érhetett véget, miután fennállt a gyanú, hogy a kvantumos fluktuációk figyelembevétele ugyanolyan szinguláris viselkedéshez vezet, mint amit az eleve adott tömegű vektorrészecskékkel végzett számításokra vonatkozóan már említettünk. Szerencsére sikerült belátni, hogy az a többletszimmetria, amely a nulla tömegű erőtereket tartalmazó elméletekben véges eredmények kiszámítását teszi lehetővé, a kondenzátum kialakulása ellenére fennmarad. Ezt a tulajdonságot kihasználva Gerald ’t Hooft és Martinus J. G. Veltman bebizonyította, hogy az egységes elektrogyenge elméletben ugyanúgy lehet figyelembe venni a folyamatok bekövetkezésében a kvantumfluktuációkat, akár az elektrodinamikában. Ezzel megkezdődhetett az elektrogyenge elmélet diadalútja, amelynek egyik csúcspontja volt a Carlo Rubbia és Simon van der Meer által vezetett CERN-kísérlet, amely 1983-ban felfedezte a foton nehéz testvéreit.
Nambu díjazásakor (2008) a történet ismerői számára már nyilvánvaló volt, hogy a Higgs-részecske felfedezését követő díjat készítik elő azzal, hogy nem hagyják ki a sorból a részecskefizikai tömeggenerálás első javaslattevőjét. A kvantumtérelmélet teljes körű részecskefizikai alkalmazhatóságát megalapozó felfedezést végül akkor tüntették ki Nobel-díjjal, amikor az elképzelés sikere a Standard Modellben szereplő összes részecskére kiterjedően bebizonyosodott.
Kitérő: a két Szása története
A Svéd Akadémia részletes tudománytörténeti áttekintése tartalmaz egy igen meglepő bekezdést is, amelyet legegyszerűbb idéznünk: ,,Goldstone tételét a Szovjetunióban is elemezték. Az ottani fizikusok elszigeteltségük ellenére ismerték Nambu, Goldstone és Schwinger munkáját. Két 19 éves egyetemista, Alexander Migdal és Alexander Poljakov megtalálta a megoldást. Több mint egy évig harcoltak azért, hogy publikálhassák cikküket, ugyanis a korabeli vezető szovjet tudósok nem támogatták munkájukat. Végül 1965 novemberében adhatták le cikküket, amely nyilvánvalóan a nyugati fejleményektől teljesen független gondolatmenetet követ.” A cikk oroszul 1966 februárjában jelent meg. Nyilván igen alapos kutatómunkát végeztek a svédek, amíg meggyőződtek arról, hogy egyidejűleg egyenrangú eredményt ért el két akkor ismeretlen diák. Az események tisztázására fordított energiát magyarázhatta, hogy a két Szása a Lev Landau és Nyikoláj Bogoljubov korszakát követő időszak elméleti fizikájának páros csillaga lett a Szovjetunióban. Annak szétesését követően mindketten a Princeton Egyetem professzorai lettek.
A ,,vezető fizikusok” megnevezés Lev Landaut és tudományos iskolája meghatározó személyiségeit rejtheti. Landau Halatnyikovval és Abrikoszovval a kvantum-elektrodinamika mély elemzése alapján eljutott addig, hogy tagadta a kvantumtérelmélet bármiféle alkalmasságát a részecskefizikai jelenségek leírására. Egy elszigetelt, szélsőségesen hierarchikus szerveződésű társadalomban az ő már-már kultikus tekintélye sok éven át megakadályozta, hogy a szovjet kutatók hozzájáruljanak a Standard Modell fejlesztéséhez. Ugyanennek a jelenségnek a megnyilvánulása, hogy a szibériai fizikus, Joszif Khriplovics 1969-es számítását jelentéktelen kuriózumként kezelték, bár eredménye 4 évvel Gross, Politzer és Wilczek előtt jelezte az erős kölcsönhatások elméletének alaptulajdonságát, az aszimptotikus szabadságot. Landau kiemelkedő elméleti fizikusi teljesítményét beárnyékolja ellentmondást nem tűrő személyiségének hosszan bénító hatása, amely talán két Nobel-díjtól is megfosztotta a szovjet elméleti fizikai iskolát.
Az út vége?
A részecskefizika előre beprogramozottnak tűnő, fél évszázados felfedezéssorozata végére ért. Zárásul három megoldatlanul maradt kérdést, értelmezésre váró váratlan felfedezést sorolunk fel, amelyek igénylik a Standard Modell valamilyen kiegészítését:
-
1.
A jelenlegi elméleti keretben nem sikerült értelmezni az anyag és az antianyag aszimmetrikus előfordulását az Univerzum általunk belátott óriási tartományában.
-
2.
A Standard Modell nem ad számot a galaxisok skálájától az Univerzum egészének méretskálájáig jelentkező ,,sötét anyag” természetéről.
-
3.
A Standard Modell szerves részét alkotó neutrínók tömege nem nulla, ám e tömegeknek nem állhat hátterében a BEH-mechanizmus.
Számtalan elméleti elképzelés van e kérdések megválaszolására a Standard Modell kismértékű kiegészítésével, azaz a nagyenergiás részecskefizika tudáshorizontja néhány kis felhőcskétől eltekintve vakítóan csillogó tisztaságú.
Remélem, igencsak ismerős ez a megfogalmazás! Ilyen költői tudományos idillre érkezett ,,válaszként” a XX. század első negyedében a kvantumfizika forradalma. Vajon erre számíthatunk most is?
Rejtvény
Mire Nobel-díjat kapnak (esetleg nem kapnak), a nagy felfedezők általában beleöregszenek a ,,Nagy Tudós” képébe. Mindig örömmel találok rá egy-egy neves professzor valódi (egykori) énjét kifejező fiatalkori képére. Sajnos teljes galériát nem sikerült gyűjtenem. Részleges gyűjteményem nem használhattam a cikk korrekt illusztrálására, ezért aztán egyáltalán nem szerepelnek a cikknél fényképek. Az alábbi névtelen galériából hatan megkapták, négyen nem kapták meg a Nobel-díjat. A jó sorrendben beküldött helyes névsort jutalmazzuk!
A megfejtések 2015. december 31-ig küldhetők be az
info@typotex.hu címre.
Az első 5 helyes megoldás beküldője egyenként 5000 Ft értékű Typotex vásárlási utalványt nyer, melyet a levélben megadott névre és címre postázunk.
