rmki . kfki . hu
„SEMMIBŐL” IS LEHET VALAMI
Vesztergombi György
egyetemi tanár, fizikus
veszter rmki . kfki . hu
Nem az a misztikum,
hogy milyen a világ,
hanem az, hogy van.
(Ludwig Wittgenstein)1
Az utóbbi időben számos cikk jelent meg a Magyar Tudományban a részecskefizikával kapcsolatban (Horváth Dezső, Lévai Péter, Fodor Zoltán cikkei és Hargittai Magdolna megemlékezése Telegdi Bálintról). Mi újat lehet még mondani ebben témában?
Személyes válaszként Freeman Dyson híres könyvéből: Disturbing the Universe-ből idéznék, ahol beszámol egy beszélgetésről, amelyben Szilárd Leó közli Hans Bethe-vel, hogy naplót szándékozik írni:
„– Nem szándékozom közzétenni, csak rögzíteni akarom a tényeket Isten számára.
– Nem gondolod, hogy Isten úgyis tudja a tényeket?
– Igen, valóban tudja a tényeket, de vajon tudatában van a tények ezen változatának is?”
Vagyis én is úgy érzem, hogy az elmondandókkal kapcsolatban nekem is van személyes változatom. Másik lényegesebb szempont az időpont rendkívülisége. A küszöbön áll a világ legnagyobb részecskegyorsítójának, a Genfben épülő CERN LHC-nak a beindulása, amelyben az első ütközéseket 2007 novemberében tervezik2 megfigyelni, ha semmi rendkívüli nem jön közbe.
A tervek eddig is elég közismertek voltak, de e cikk írása idején gyakorlatilag az összes kulcselemet (köztük az 1232 darab 15 méteres szupravezető dipól mágnest) már legyártották, és a zömét már be is szerelték a 27 kilométeres alagútba. Ugyanúgy, ahogy ötszáz évvel ezelőtt csak nagyon kevesen voltak tisztában azzal Kolumbusz, illetve Magellán hajóinak indulásakor, hogy milyen történelmi jelentőségű esemény tanúi, a mai közönség sem igen érti, hogy milyen alapvetően új dolgot jelenthet egy gyorsító beindítása. E cikk célja, hogy ezt az eseményt megpróbálja megfelelő történeti/történelmi látószögbe állítani.
Bevezetésül kezdjük egy nem éppen a szellemi csúcsokat ostromló, gyakran hallható viccel. Két szőke nő éppen dicsérő szavakat keres egymás intellektuális képességeinek jellemzésére. Az egyik kijelenti: A te fejedben vákuum van! Amire a másik így replikázik: A tiédben pedig semmi sincs!
A találós kérdés: Melyiknek sikerült jobban megsérteni a másikat? Mellékkérdés: Melyik a jobb fizikus, illetve melyiknek fizikus a férje?
Tudományos tanulmány esetén gyakran lehet hallani olyan értékelést, hogy az semmiről sem szól, a jelen esetben azonban valóban büszkén vállalom, hogy „a” semmiről fogok beszélni. A lényeg éppen abban van, hogy a modern fizika éles különbséget tesz a fizikai vákuum és a filozófiai semmi között. Ennek az állításnak a tartalmát legkönnyebben valószínűleg egy rövid történelmi összefoglaló alapján érthetjük meg.
Szokás szerint a görögöknél kellene kezdeni, de nekem csak az arisztotelészi horror vacui jut az eszembe. A természet irtózása a vákuumtól, az ürességtől az ember egyik legtermészetesebb tapasztalatának tűnik. A kérdéshez való általános hozzáállást jól jellemzi Stephen Hawking: A Világegyetem dióhéjban (The Universe in a Nutshell) 2001-ben megjelent könyvében idézett XIX. századi Charles Lambtól származó mondása: „Nincs titokzatosabb rejtély számomra, mint a[z üres] tér és az idő. Ugyanakkor semmi sem zavar kevésbé, mint a tér és az idő, hiszen sohasem gondolok rájuk.”3 A saját ferdítésembe az üres szót azért csempésztem be, hiszen aki pusztán tér-időről beszél, az burkoltan feltételezi, hogy arról van szó, ami akkor marad ott, ha már mindent eltávolítottunk.
A továbbiakban külön hivatkozás nélkül nagy vonalakban követem Hawking érvelését, s inkább azt fogom kiemelni, ha attól eltérek.
Az első matematikai modellt a térre és időre Isaac Newton adta a Principia Mathematicában, amelyet 1687-ben publikált. Newton modelljében a tér és az idő szolgáltatta a hátteret, az üres színpadot, amelyen az események történtek, de amelyre azok semmilyen hatással sem voltak. A tér és idő egymástól teljesen függetlenek voltak. A színpad és különösen benne a múlt és jövő irányában egyaránt végtelennek feltételezett idő megoldhatatlan filozófiai és matematikai problémákat hordozott magában (hőhalál, az éjszakai égbolt sötétsége stb.).
A newtoni elméletben, ahol a tér és idő egymástól függetlenül létezhetett, fel lehetett tenni azt a kérdést: Mit tett Isten mielőtt a világot megteremtette? Szent Ágoston szerint nem szabad erről a témáról viccelődni mint az olyan ember, aki azt mondja: „A poklot készítette azoknak, akik túl kíváncsiak.” Hawking egyetértőleg jegyzi meg, hogy a modern gondolatok nem állnak távol attól a Szent Ágoston-i állítástól, hogy a föld és ég teremtése előtt Isten nem tett semmit.
Ez az a pont, ahol eldönthetjük a két szőke nő problémáját: akinek a fejében a SEMMI van, az a valódi filozófiai üresség, mai kifejezéssel élve a Ősrobbanás „előtti” állapotban leledzik, és joggal sértődhet meg, mert ennél a szintnél valóban nincs alább, ahol persze fizikai értelemben nincs értelme az „előtti” szónak.
Viszont az, akinek a fejében a fizikai vákuum van, egyenesen büszke lehet, hiszen a következőkben éppen azt próbáljuk bebizonyítani, hogy ez az igazi valami, amelyben a világegyetem lényege van elrejtve. A fizikai vákuum diadalútja az elektromágneses tér felfedezésével kezdődött, és reméljük, a „mi” közreműködésünkkel jut csúcspontjára.
Mielőtt azonban ennek részleteire rátérnénk, érdemes végigkövetni azt a meglehetősen kacskaringós utat, amelyen idáig eljutottunk.
A XIX. század végén, akárcsak napjainkban, széles körökben elterjedt volt az a nézet, hogy kezünkben van a természet teljes leírása. Azt képzelték, hogy a teret egy bizonyos folytonos közeg tölti ki, amit „éternek” neveztek. A fénysugarak és rádióhullámok úgy terjednek az éterben, ahogy a hanghullámok mint nyomáshullámok a levegőben. Az elmélet teljességéhez csupán ennek az éternek a rugalmassági együtthatóit kellett volna meghatározni. Az tűnt a legszembetűnőbb éter-effektusnak, hogy az éterben mozgó megfigyelő sebességétől függően más és más értéket kellene kapni az álló éterben állandó sebességgel haladó fényre. A híres Michelson–Morley-interferencia-kísérlet bebizonyította, hogy a megfigyelt fénysebesség teljesen független volt az interferométer sebességétől vagy irányától.
Nagyon érdekes választ adott a rejtélyre George Francis FitzGerald és Hendrik Lorentz. A válasz azért érdemel utólagosan külön figyelmet, hiszen itt történik tudomásom szerint először a vákuum anyagának, az éternek a benne mozgó testek tulajdonságaival való összekapcsolása. Nem kevesebbet állítottak ugyanis, mint hogy az éteren keresztül haladó testek a mozgás irányában összenyomódnak (Lorentz-kontrakció) az órák pedig lelassulnak. A két effektus eredményeként a mozgó rendszerben is az eredetinek adódik a látszólagos fénysebesség. Egészen más oldalról ragadta meg a problémát Albert Einstein. Fizikai törvényeinek nem szabad attól függeniük, hogy álló vagy bármilyen sebességgel mozgó inerciarendszerben végezzük-e a megfigyeléseket. Ez az állítás végső soron arra az axiómára volt redukálható, hogy bármilyen sebességgel mozogjanak is a megfigyelők, az általuk mért fénysebesség ugyanaz marad.
A két megoldás bármely adott helyzetben azonos mérési eredményeket jósol, lásd Jánossy Lajos részletes analízisét, vagyis kísérletileg nem lehet a két elmélet között méréssel különbséget tenni. A fizikai tartalomban azonban összebékíthetetlennek tűnő ellentét van. A Lorentz–FitzGerald–Jánossy-koncepció megőrzi az abszolút tér és a külön abszolút idő fogalmát, csak épp a természet olyan csalafinta, hogy azt, hogy a sok-sok lehetséges inerciarendszer közül, melyik az igazi, semmilyen méréssel nem lehet megállapítani a speciális relativitás elméletén belül, vagyis teljes az egyetértés Einsteinnel abban, hogy a mért fénysebesség minden inerciarendszerben ugyanaz, bár a testek „súrlódnak” az éterben. Persze ez súrlódás egészen különleges, mert nem jár energiaveszteséggel, hiszen abszolút értelemben továbbra is igaz a Galilei-féle tehetetlenség elve.
Einsteinnek tévesen szokták azt tulajdonítani, hogy bebizonyította, hogy nincs éter. Einstein ugyanis ennél sokkal ravaszabb volt. Ő csak annyit állított, hogy nincs szükség éterre a jelenségek magyarázatához.
A helyzet tovább bonyolódott az általános relativitás felfedezésével. Igaz-e továbbra is a fénysebesség állandóságának az elve? Valóban nincs kitüntetett inerciarendszer? Hogyan magyarázzuk akkor, hogy csak egy bizonyos rendszerben igaz a Világegyetem izotróp tágulása? Mi az, ami görbül a tömegek között? Einstein erről megint csak szemérmes hallgatásba burkolódzik. Bizonyos értelemben Einstein besétált ellenfelei csapdájába, hiszen ő is azt állítja, hogy a tér-idő elválaszthatatlan kapcsolatban van a benne levő testekkel, sőt tovább is megy, hogy az anyag-energia tenzor alakítja ki a tér görbületét. Mielőtt ezen izgalmas kérdések rejtelmeiben elmélyülnénk, maradjunk még egy kis ideig a fényt hordozó elektromágneses klasszikus éternél, mert még ott is vannak felderítetlen titkok.
A köznapi életben is feltehetjük a kérdést, hol is találkozhatunk a vákuummal? Továbbiakban általában elhagyjuk a fizikai jelzőt, mivel mindig a semmitől eltérő fizikai vákuummal fogunk foglalkozni. Először lássuk, hogy mi a valami. Itt megint a görögök jutnak eszünkbe: Demokritosz és az atom. Vajon mennyi vákuum van egy atomban, vegyük a legegyszerűbbet, a hidrogénatomot, amelyet egy kb. 10-10 m sugarú gömbnek szoktunk elképzelni. Próbáljunk egy kicsit az atom héja mögé nézni!
A
XX. század talán legnagyobb forradalma éppen
ezen a „piciny dióhéjon” belül
játszódott le, ugyanis ebben bújt el az egész
kvantummechanika.
Eszerint az atom térfogatának a
zömét – a 10-15 m sugarú mag 15
nagyságrenddel kisebb térfogatától
eltekintve – az elektronhéj foglalja el, amely állapotát
a hullámfüggvény írja le. A hullámfüggvény
természetéről máig megoszlik a közvélekedés,
bár a kvantum-térelmélet
megalkotása után igazából eldöntöttnek
tekinthető a kérdés. A Born-féle valószínűségi
értelmezés szerint a hullámfüggvény
abszolút értéke annak a valószínűségét
adja meg, hogy a pontszerű elektront az adott helyen találjuk.
Vagyis az elektronhéj mint valami folytonos közeg nem
létezik, mivel csak valószínűségi
amplitúdót jelent arra, hogy van-e ott valami. Mivel a
mérések szerint az elektron minden mérésben
pontszerűnek bizonyult, ezért az elektron által
ténylegesen elfoglalt térfogat valójában
nulla. Az atom csak
egy olyan térfogatot jelöl, amelyben valahol bármelyik
pillanatban feltűnhet egy pontszerű elektron, de aktuálisan
nincs ott „semmi”. (Vigyázat
itt, nem véletlen az idézőjel, mert ez a stilisztikai
semmi, éppen az üres teret, a fizikai vákuumot
akarja jelenteni.) A jelenség klasszikusan is
modellezhető. Tegyük fel, hogy van egy kis, 1 cm átmérőjű
mogyorónk mindentől távol a világűrben egy 1000
km átmérőjű gömb közepén, és a
gömbhéjon belül egy parányi, napelemes
meghajtású szúnyog röpdös, melynek
tömege a mogyoróénál kétezerszer
kisebb, pontos nagyságát nem tudjuk, mert nincs
olyan műszerünk, amellyel ilyen kis méreteket ki lehetne
mutatni. A szúnyog helye teljesen véletlenszerű lehet,
hiszen oda repül, ahová akar. Ugye abban egyetérthetünk,
hogy ez az 1000 km-es gömb teljesen üres?
Döbbenjünk rá arra a puszta tényre, hogy még a keménynek és sűrűnek képzelt anyagdarabok is valójában teljesen üresek. Az a fizika csodája, hogy ez valószínűségi értelmű hullámfüggvény ilyen szilárd képződménynek tud látszani. Képzeljük el, hogy amikor a széken ülünk, akkor valójában a protonoknak megfelelő parányi kis tűkre támaszkodunk, és bár kellene, de nem csodálkozunk, hogy nem szúrja a fenekünket, mert az is hasonló szerkezetű. Az a jelenség, hogy diszkrét dolgok folytonosság látszatát keltik, persze teljesen általános. Gyerekkorom egyik sokkoló felismerése volt, amikor nagyítóval megnézve rájöttem, hogy az újságokban megjelenő képek egyedi pontokból vannak összerakva.
Bár talán a szükségesnél nagyobb feneket kerítettem neki, ezt elkerülhetetlennek tartottam, hiszen a következőkben éppen itt az atom belsejében szeretnénk az igazi, modern elektromágneses éter tulajdonságait közvetlenül megfigyelhetővé, sőt mérhetővé tenni. A történetet egy személyes kitérővel szeretném kiegészíteni, megragadva az alkalmat, hogy a néhány hónapja elhunyt híres, magyar származású fizikusról is megemlékezzek. Telegdi Bálinttal 1970-től kezdve véletlenszerűen, de rendszeresen kapcsolatba hozott a sors. A személyes találkozásokon túlmenően rám a legnagyobb benyomást a Mind over Matter. The Intellectual Content of Experimental Physics című rövid esszéje tette, amelyben mint a nagy nemzedék – Szilárd, Fermi, Wigner… – egyik utolsó mohikánja teszi le voksát az elméleti fizikusok által háttérbe szorított kísérletezők teljesítményének reálisabb értékelése érdekében. Példaként említi a Lamb-kísérletet, melynek eredménye ugyan a legszélesebb körben ismert, de magáról a kísérletről általában még a fizikus professzoroknak sincs halvány fogalmuk sem. A dolog szíven ütött, mert már én is évek óta tanítottam kísérleti részecskefizikát, de ez nem volt része az előadásomnak, sőt magam sem hallottam róla a részleteket egyetemi tanulmányaim során.
A CERN-ben gyakran összefutottunk a kávézó környékén, egyszer rákérdeztem, miért is olyan zseniális a Lamb-kísérlet. Szavamon fogott, és másnapra berendelt az irodájába, hogy beavasson a kísérlet rejtelmeibe, amit magától személyesen Lambtől tudott meg. Sajnos nem volt nálam magnó, ezért a kétórás előadás finomabb részletei gyenge memóriám áldozatául estek. Itt most csak a technikai részletek ismertetésére szorítkozhatom, hogy megértsük, milyen egyszerű egy zseninek kimutatni a világ egyik legrejtélyesebb összetevőjének, az éternek a nyomait. Lamb trükkje az volt, hogy a spektroszkópiai problémát gyakorlatilag részecsefizikai módszerrel oldotta meg egyedi atomok állapotát vizsgálva. Szerencséje is volt, hogy elméleti fizikus lévén a második világháború alatt mint tehetséges fizikust a radarfejlesztésekhez hívták be katonának. Így kisujjában volt a mikrohullámú technika, amely kezében varázsvesszőnek bizonyult, amikor újra visszavonulhatott a tudományos kutatások területére.
Az már a háború előtt végzett spektroszkópiai vizsgálatok alapján köztudott volt, hogy valami gubanc van a 2S1/2 és 2P1/2 állapotok körül. Paul Dirac fantasztikus pontosságú egyenlete a hidrogén színképvonalak legfinomabb részleteit is halálos pontossággal megadta. Egyértelmű volt az elméleti jóslat, hogy ennek a két energianívónak pontosan egybe kell esnie, viszont a kapott eredmények nem voltak ezzel összhangba hozhatók.
Lamb realizálta, hogy ennek a kérdésnek fundamentális jelentősége van, hiszen a két nívó közötti eltérést csak valami egészen új kölcsönhatás okozhatja, amely túlmutathat a kvantummechanikán. Valóban így is lett, Lamb mérése egy új, a máig legsikeresebb elmélet, a kvantum-térelmélet alapkövévé vált. Később azt is meg fogjuk érteni, hogy mi köze ennek a vákuumhoz, de gondolom, mindenkinek felcsigáztam annyira az érdeklődését, hogy minél előbb szeretné megismerni a kísérlet részleteit.
Az igazi tudomány művészet. Telegdi szellemében magát a mérőeszközt egy Stradivari-hegedűhöz lehet hasonlítani, a mérést pedig ahhoz, ahogy Paganini eljátssza ezen a hegedűn egyik szerzeményét.
A kísérleti berendezés nem igazán nagyszabású, elfért az íróasztal sarkán. Az 1. ábrán láthatók a főbb alkotóelemei, amelyeket a mérés gondolatmenetének megfelelő sorrendben mutatunk be.
Az első lépésben a molekuláris hidrogénből atomi hidrogént kell előállítani. Ezt szolgálja az a) jelzésű wolframkályha, melyből a molekulák termikus disszociációja után a b) jelzésű nyíláson hidrogén atomnyaláb lép a c)-d)-e) jelzésű tartományba, ahol az áthaladó atomokat keresztirányú elektronok gerjesztik úgy, hogy minden 100 millió H-atom közül egy, azaz egy (!) kerül a mágikus 2S1/2 állapotba. Gregory Breit, Teller Ede számításai szerint ez az állapot 1/7 másodpercig él, ami gyakorlatilag metastabil hosszú élettartamot jelent, persze csak akkor, ha nem esik egybe a 2P1/2 nívóval, amely csak 1,6 nanomásodpercig él. Ha ugyanis egybeesnének, vagy nagyon közel lennének egymáshoz, akkor a környező tér elektromos zaja Stark-effektus lévén rögtön átvinné a P-állapotba. Keletkezik persze minden más állapot is, de azok is gyorsan bomlanak. Így a detektor végén levő j) jelű detektor lemezig vagy alapállapotú vagy 2S1/2 állapotú H-atomok jutnak el. A legnagyobb csel az, hogyan válasszuk ki a metastabil H-kat a többi közül. Az ötlet Einstein Nobel-díjas fotoeffektusára emlékeztető jelenségre vezethető vissza. A detektor végén levő j) jelű elektródába csapódó H-atomok csendesen elnyelődnek, ha alapállapotban vannak, de a gerjesztett 2S1/2 állapotú atomok becsapódáskor a benne levő gerjesztési pluszenergia elég ahhoz, hogy egy elektron fotoeffektusszerűen kirepüljön, és elérje a k) jelű anódot. Mivel a wolframkályhából folyamatosan jönnek a H-atomok, ezért amíg van gerjesztés, addig folyamatosan egy icipici áramot tudunk megfigyelni az elektrométeren. Ez felel meg a Stradivari-hegedű A hangra való behangolásának.
Ezután lép elő Lambből a hegedűvirtuóz. A vonó két részből áll: a mikrohullámú f) becsatlakozó és a l) mágnes. A játék lényege, hogy a két nívó között gyors átmenetet tudunk létrehozni, ha mikrohullámú fotonok energiája éppen megegyezik az energiakülönbséggel. A mágneses tér szerepe, hogy e nívók helyét a spin és pályamomentumok szerint a Zeeman-effektusnak megfelelően hegedűvirtuózként variálja, ahogy a hegedűs megfelelő pontokra helyezve ujját a húrokon, változtatja a hangmagasságot. A dallam pedig annak felel meg, hogy hogyan változik a nyugalmi állapothoz képest az elektrométer árama.
Lamb pontosan megmérte az S- és P-nívók közötti energiakülönbséget, valamint a mágneses tér és mikrohullám frekvenciájának kombinálásával feltárta az egyes nívók komplett spin- és pályamomentum szerkezetét. Bár a Dirac-elmélet pontosan azonos energiát ad, ugyanakkor pontosan leírja a két energiaszint közötti alapvető különbséget is a hullámfüggvényekben. Az S-állapotban az elektron a legnagyobb valószínűséggel az origó közelében helyezkedik el, míg a P-állapotban ott éppen zérus ez a valószínűség (2. ábra). Így az a különleges helyzet áll elő, hogy az elektron mintegy hőmérő működik, és az S-pálya magasabb energiája azt jelzi, hogy a proton közvetlen közelében az 1/r2 törvény következtében igen erős elektromágneses tér miatt „felforr” a vákuum. Ez az a bizonyos új jelenség, amelyet a Dirac-egyenlet nem vett figyelembe, csak a kvantum-térelmélet, amely nemcsak a részecskéket, hanem magát a köztük levő teret is kvantálja, ahol erős a klasszikus értelemben vett tér, ott kvantum értelemben virtuális fotonok és részecske–antirészecske párok keltése folyik. Ezért szokás ezt második kvantálásnak is nevezni. A virtuális részecskék jelenlétét bizonyítja a Lamb-kísérlet mint az első mérés a fizikai vákuum létére vonatkozóan.
Most már, Lamb után, értjük, hogy van valami a vákuumban, de továbbra is nyitva áll az a kérdés, hogy mi ez a valami, illetve hozzáférhető-e annak „anyaga” közvetlen kísérletek számára?
Próbáljuk számba venni, hogy egyáltalán milyen alapvető anyagfajtákat ismerünk és mióta?
Természetesen itt az anyag végső alapfajtái érdekelnek, amelyeket mai nyelven leptonoknak, hadronoknak és közvetítő vektor-bozonoknak hívnak. Meglepő, de az elmúlt több mint száz év alatt mindössze az Antoine Henri Becquerelék klasszikus (atommag), (elektron) és (foton) sugaraihoz hasonló részecskéket fedeztük fel, és feltártuk részletes tulajdonságaikat. Ma már tudjuk, hogy az atommagokban a nukleonok (protonok és neutronok) kvarkokból állnak, amelyeket ma pontszerű elemi építőköveknek tekintünk. A kvarkokból álló részecskéket összefoglalóan hadronoknak nevezzük. Az ugyancsak pontszerű elektron társait (neutrinók, müon, tau) is felderítettük, és összefoglalóan leptonoknak nevezzük. Az utóbbi évtizedek legfontosabb részecskefizikai fejleménye a foton partnereinek a Z- és W-bozonoknak a felfedezése volt. Az elektromágneses és gyenge kölcsönhatásokat egyesítő Weinberg–Salam-modell által jósolt részecskéket a CERN-ben Carlo Rubbia kezdeményezésére találták meg. A Weinberg–Salam-modellben azonban ennél több is van! Megjósolja a vákuum anyagát! A vákuumot egy bizonyos skalár-bozon tér tölti ki, amelynek az elemi állapotai a Higgs-részecskék. Ezen Higgs-bozonoknak is nevezett részecskék nélkül a Weinberg–Salam-elméletet magába foglaló Standard Modell össszeomlana, mert ezek biztosítják, hogy a részecskéknek legyen tömegük. Tömeg nélkül nem létezhetnénk, mert akkor minden részecskének állandóan fénysebességgel kellene haladnia.
Hogyan lehet az, hogy – a Lamb-eltolódástól eltekintve – eddig ezt a fizikai vákuumot nem vettük észre? A valóságban persze ilyen eset még ennél nyilvánvalóbb jelenségek esetén is előfordulhat. Körülbelül ugyanaz a helyzet, mint a levegő esetén, ahogy azt a Magyar Tudomány 2005. áprilisi számában Mészáros Ernő a Hogyan fedezték föl a levegőt? című cikkében részletesen leírja.
„A döntő lépés megtétele a szicíliai Empedoklész (i. e. 484–424) nevéhez fűződik, aki először bizonyította tudományos egzaktsággal, hogy a levegő, ez a láthatatlan anyag, valóban létezik.”
„Empedoklész fejtette ki először azt is, hogy az anyagok négy elemből, levegőből, vízből, földből és tűzből állnak. Ezt a gondolatot az időszámításunk előtti negyedik évszázadban Az égbolt, Meteorológia és A keletkezés és pusztulás című műveiben Arisztotelész (i. e. 384–322) is magáévá tette.”
Ha egy kicsit csavarunk ezen az értelmezésen, akkor azt mondhatjuk, hogy a földet a hadronokkal (a tömeget hordozó atommagokkal), a vizet a leptonokkal (az atomhéjjal mint a formálható látható anyaggal) és a tüzet a fotonokkal azonosítjuk, akkor mi most, 2500 évvel később, a három látható anyagfajtához keressük a mi levegőnket.
Miként a levegő, a Higgs-anyag is csak mélyebb megfontolások alapján válhat számunkra átélhető szemléletes valósággá. Talán közelebb visz a megértéshez, ha levegő helyett Higgs-óceánról beszélünk, amelyben úgy élünk, mint a hal a vízben. (Vigyázat, ez csak egy újabb metafora, és nem keverendő össze a fenti víz-lepton metaforával.) Valószínűleg a halak számára sem tűnik fel a víz jelenléte, hiszen úszkálás közben nem igazán kell vele törődniük. A halak áramvonalas teste lehetővé teszi, hogy minimális turbulenciát kifejtve látszólag erőlködés nélkül ússzanak. Így ezen kis súrlódástól eltekintve azt mondhatjuk, hogy amikor a hal egyenletesen úszik, akkor a fejével széttúrja a vizet, amihez persze energia kell, de amelyet visszanyer, amikor a farka körül visszasimítja a vizet. Így csak ahhoz kell egyszer energiát befektetnie, hogy ezt a fejétől farkáig terjedő áramlást létrehozza. Ez a gyorsuláskor befektetett energia persze kis hal esetén kicsi, nagy hal esetén nagy, mivel több vizet kell mozgásba hozni. Azt mondhatjuk, hogy a gyorsítással szembeni erőkifejtés a hal nagyságától függ, így a newtoni értelemben vett tehetetlen tömegnek a mozgásba hozott víz mennyisége felel meg.
Hasonló jelenség játszódik le akkor is, amikor az egyes részecskék a Higgs-óceánban mozognak, csak itt a vákuum anyagát kell a mozgásnak megfelelően átrendeznie. Vagyis a részecskék tömege itt is a közeggel való kölcsönhatásban realizálódik. A müonnak nagyobb a tömege, mint az elektronnak, mivel jobban belekavar a Higgs-óceánba.
A hasonlat valóban tetszetős, de vissza lehet kérdezni, hogy jó, de csak akkor hiszem el, ha a körülvevő közeget akkor is meg tudom figyelni közvetlenül, ha nincsen ott másvalami. A vízből ki lehet kanalazni egy adagot, a levegőt cseppfolyósítani lehet, és palackba lehet zárni. Úgy tűnik, a Higgs-óceán esetén most jött el a pillanat, amikor az „egy csepp tenger” valósággá válik. A CERN-LHC gyosítónál épített hatalmas CMS- és ATLAS-detektorok az ilyen markolókanál szerepét játsszák, amikor a fizikai vákuum egy darabkáját kicsippentve megpróbálják a Higgs-részecskét kimutatni.
Ha a Lamb-kísérletet a hegedűszólóhoz hasonlítottuk, akkor Higgs-bozon keresésére olyan nagyzenekarra van szükség, amely képes Händel Messiás-oratóriumát vagy Beethoven IX. szimfóniáját eljátszani. Valóban, a szükséges apparátus méretei lenyűgözőek. A forrásként szolgáló LHC-gyorsító 27 km-es alagútjával minden szempontból csúcsteljesítményt jelent. Az ellentétek dialektikus egységeként foghatjuk fel azt a tényt, hogy ez egyszerre lesz a Világegyetem leghidegebb és legmelegebb helye, ugyanis az egész szupravezető gyorsító rendszer hőmérséklete 1,8 Kelvin lesz, míg a világűré 2,7. (Persze lehet mikroKelvineket is elérni köbcentikben, de itt több ezer köbméteres rendszerről van szó.) Ugyanakkor az ütközés pillanatában olyan hatalmas energiasűrűség lép fel, amelynek megfelelőjét csak az Ősrobbanás legkezdetibb pillanataiban lehetett volna megfigyelni, vagyis azóta nem volt még ilyen meleg a világ egyetlen pontján sem.
Hogy Lamb óta mennyit fejlődött a kísérleti technika, az jól mérhető azon, hogy neki még csak 100 * 1 000 000 atom közül kellett az S-állapotú H-atomot kiválasztania, itt viszont
1016 = 1 0 000 * 1 000 000 * 1 000 000
proton–proton ütközés közül kell egy-egy Higgs-bozont kiválasztani.
Az ATLAS- és CMS-detektorok részleteinek leírásától itt most eltekintünk, csak néhány jellegzetes vonást szeretnék kiemelni. Az informatika központi szerepet játszik abban, hogy egyáltalán valamit láthassunk, hiszen átlagban majdnem minden nanomásodpercben történik egy ütközés. Mivel a detektorok sugara 10 méter nagyságrendű, csak ahhoz több mint 30 nanomásodpercre van szükség, hogy az egyes ütközésekből kirepülő müonok elérjék a detektor szélét (a többi részecske a detektor belsejében elnyelődik). A kísérletek hatalmas térfogata a helytől függő sűrűséggel detektorcellák millióival van kitöltve. A CMS-ben az aktív cellák száma megközelíti a százmilliót, amelyeket másodpercenként legalább egymilliószor meg kell „nézni”, azaz kiolvasni, és eldönteni, hogy szükségünk van-e vagy sem az adott ismeretre. Nagyon szigorú válogatásra (ún. triggerre) van szükség, mivel az adatok kis töredékét tárolva is évenként több petabyte (PB) információ gyűlik össze.
Kérdés az, hogy ilyen hatalmas szénakazalban hogyan ismerjük fel a különlegesen ritka Higgs-tűt? A főproblémát az jelenti, hogy a Higgs-bozon hihetetlenül rövid ideig él, ezért csak a bomlástermékeiből tudunk a jelenlétére visszakövetkeztetni. Különösen nehezíti a helyzetet, hogy leginkább kvarkokra szeret bomlani, amelyek azonban szintén nem figyelhetők meg közvetlenül, és a másodlagosan keletkező termékek teljesen beleolvadnak a háttérbe, bár itt egy kis segítséget jelent, hogy szeret b-kvarkot tartalmazó részecskékre bomlani, amelyek már néhány száz mikronnyi távolságra képesek elrepülni.
Fizikusok hada dolgozik a megfelelő azonosítási módszerek kidolgozásán, de reméljük, hogy az alternatív módszererek előbb eredményre vezetnek. Ezek azon alapulnak, hogy ritkán, de előfordulnak a Higgs-nek olyan bomlásai is, amikor két foton vagy két Z-bozon repül ki. A Z-bozonok persze tovább bomlanak, de ha mind a kettő müonokra bomlik, akkor egy különlegesen jellegzetes négymüonos végállapot jön létre, amely a kísérleti fizikusok álma, mert ennél tisztább állapotot nagyon nehéz elképzelni. Úgy is nevezik ezt a bomlási módot, hogy bearanyozott (gold-plated). A CMS-kísérlet alapötlete éppen az volt, hogy olyan detektort építsünk, amelyik erre van optimalizálva. Mivel a müonok akkor ugranak ki a háttérből, ha minden más részecskét megölünk abszorber segítségével, amelyen csak a müonok képesek átjutni, ezért minél tömörebb, sűrűbb detektort terveztünk. Innen az elnevezés: Compact Muon Solenoid. Ugyanakkor az óvatosság azt kívánta, hogy több vasat is tartsunk a tűzben, ezért az abszorber előtt a világ legprecíziósabb fotondetektorát helyeztük el, amely 80 ezer ólomwolfranát egykristályból fog állni.
A kétfotonos bomlás akkor válik rendkívül fontossá, ha a Higgs-tömege kisebb, mint két Z-tömeg, ugyanis akkor az energiamegmaradás miatt nem lehetséges a bearanyozott bomlási csatorna. Amilyen szerencsénk van, minden jel arra mutat, hogy valóban ez a helyzet. A legvalószínűbb érték 120 GeV-nél van. Ez bizonyos értelemben még pikánsabbá teszi a helyzetet. Felmerül ugyanis a kérdés, valóban csak az LHC-n lehet a Higgs-t felfedezni? Vagy esetleg már a LEP-en is megvolt erre a lehetőség? Esetleg befut a FERMILAB, a Chicago melletti FNAL, mint a sötét ló? Kis tömegű Higgs-bozon keltésére elegendő a 2 TeV energiájú gyorsító, ami nekik van, csak az a kérdés, hogy mekkora a keltési hatáskeresztmetszet, vagyis mennyi ideig kell mérni, hogy észlelhető jelet kapjunk. A mérések már több mint három éve folynak, de egyelőre nincs eredmény. Viszont mire az LHC-ból eredmény várható lesz, újabb hároméves előnyt szereznek.
Megismétlődhet a történelmi helyzet, hogy bár Amerikát a vikingek (FNAL) is felfedezhették, de csak Kolumbusz (LHC) útjáról vannak (lesznek) hiteles adataink. Ugyanis ha az FNAL-ban sikerülne is kimutatni a Higgs-bozonra utaló eseményeket, az csak elvi jelentőségű lenne, mivel a részletes tanulmányozására mégis csak az LHC-n lesz lehetőség.
Eddig szándékosan csak a fizikai vákuum anyagára, a Higgs-bozonra összpontosítottam, mert az egyszerre jelenti a „standard fizika” betetőzését, csúcspontját. Sarkosan úgy szoktam fogalmazni, hogy a Higgs-bozon az SM-katedrális kupolájának a sarokköve, záróköve, amely nélkül az egész építmény romba dőlne. Ugyanakkor ez valami gyökeresen újnak is a kezdete, hiszen egy alapvetően új anyagfajta tárul fel előttünk annak potenciálisan megszámlálhatatlan új lehetőségeivel. Ez csak a jéghegy csúcsa.
Első kérdés: Ha létezik egy Higgs-bozon, létezik-e több is? A SM legnépszerűbb kiterjesztése a Minimálisan Szuperszimmetrikus Standard Modell (MSSM) elmélet, amely elvileg biztosabb alapokon nyugszik, legalább öt új Higgs-bozont jósol.
Második kérdés: Ha az MSSM igaz, akkor hol vannak az ismert részecskék szuperszimmetrikus párjai? Felfedezésük még izgalmasabb lépést jelentene, mint az antirészecskék felfedezése, mivel ez úgy kettőzné meg a világot, hogy minden fermionhoz hozzárendelne egy új bozont, és fordítva.
Harmadik kérdés: Igazából hány dimenziós a vákuum? Mi a kapcsolat az elemi részecskék kvantummechanikája és a gravitáció között?
Kő András említi Edisonról szóló cikkében: „Azt tartják, ami létező, azt meg kell mérni, ami mérhetetlen, azt el kell hinni, s ami hihetetlen, azt el kell képzelni.” A vákuum anyagának izgalmas történetében talán végre eljutottunk a mérhetőség állapotába, de a további lépésekhez valószínűleg szükség lesz minden képzelőerőnkre.
Bár végig azt a benyomást igyekeztem keltien, hogy legalábbis rövid távon nagyon tudjuk, hogy mit akarunk, mi a célunk; de sohasem feledjük, hogy csak „alvajárók” vagyunk, ahogy azt Arthur Koestler megmutatta Kopernikusz, Kepler és Galilei emblematikus alakjain keresztül. Minden határozottságunk ellenére Goethével kell egyetértenünk:
„Nie kommt man so weit, wie dann, wenn man nicht weiss, wohin man geht.” (Az ember akkor juthat a legmesszebbre, amikor nem tudja, hogy hová megy.)
A cikk befejezése utáni kiegészítések: 2007. március 27-én este nyomáspróba közben megadta magát az LHC-gyorsítóba szerelt egyik, Amerikából (FNAL) szállított szupravezető mágnes. Keresik a hiba okát, de egyelőre még nem ismert, hogy ez mennyivel késleltetheti az LHC indulását. Közben hírek kaptak szárnya, hogy a CDF-kísérletben (FNAL) mintha látnának valamit a 160 GeV-es Higgs-tömeg környékén. Vagyis a helyzet „fokozódik”, a történet talán kriminek vagy sci-finek sem lesz akármi.
2007. július 15-én az a helyzet, hogy a hibás amerikai mágnesek megerősítése folyamatban van, és 2008 májusára ígérik a gyorsító teljes energiával való elindítását. Mivel itt a Space Shuttle-nál többszörösen bonyolultabb rendszerről van szó, ezért jogos izgalommal várhatjuk, hogy ezt a végső határidőt valóban sikerül-e betartani, és megindulhat a kirándulás az igazi semmibe.
A cikk nyomdába adása idején sajnos újabb kisebb csúszásról lehet beszámolni. 2008 májusa továbbra is érvényes, de akkorra csak az egyes gyűrűkben ígérik az első protonok körbefuttatását, és csak a nyár folyamán várják a teljes energiára való gyorsítást. A CERN önbizalmát ezzel a határidővel kapcsolatban az jelzi, hogy az LHC hivatalos avatási ünnepségét 2008. október 21-ére tűzték ki, amelyre a meghívókat az állam- és kormányfőknek már postázták.
Kulcsszavak: téridő, kvantummechanika, kvantumtérelmélet, fizikai vákuum, vákuumpolarizáció, Higgs-bozon
IRODALOM
Barrow, John D. (2005): A semmi könyve. Akkord, Bp.
Dyson, Freeman (1979): Disturbing the Universe. Sloan Foundation Science Series. Macmillan, New York
Fodor Zoltán (2006): Az erős kölcsönhatás fázisdiagramja. Magyar Tudomány. 5, 536.
Hargittai Magdolna (2006): Egy örökmozgó fizikus. Magyar Tudomány. 8, 991.
Hawking, Stephen (2001): The Universe in a Nutshell. Bantham Press, London, magyarul: A Világegyetem dióhéjban. Fordította Both Előd. Akkord, Budapest, 2006
Horváth Dezső (2006): Szuperszimmetrikus részecskék keresése a CERN-ben. Magyar Tudomány. 5, 550.
Jánossy Lajos (1971): Theory of Relativity Based on Physical Reality. Akadémiai, Budapest
Koestler, Arthur (1959) The Sleepwalkers, A History of Man’s Changing Vision of the Universe. Macmillan, New York, magyarul: Alvajárók. Fordította Makovecz Benjamin. Európa, 1996
Lamb, E. Willis (1957): A hidrogénatom finomszerkezetéről. Fordította: Nagy Károly. Fizikai Szemle. 7, 16–20.
Lévai Péter (2006): Kvark-tomográfia: femtométeres anyagminták vizsgálata a magfizikában. Magyar Tudomány. 5, 559.
Mészáros Ernő (2005): Hogyan fedezték föl a levegőt? Magyar Tudomány. 4, 426.
Telegdi Bálint (1990) Mind Over Matter: The Intellectual Content of Experimental Physics. CERN Yellow Report. 90-09.
1 Az idézet John. D. Barrow A semmi könyve című művének A semmivel kapcsolatos filozófiai problémák és megoldások fejezetéből való, amely könyv lényegében a cikk megírása után került a kezembe. Mindenkinek ajánlom, akit a témakör más megközelítése is érdekel.
2 Sajnos a részecskefizikában is érvényes a Murphy-törvény, akármilyen gondos a tervezés, ami elromolhat, az elromlik. Mivel a cikk eredeti változata még 2006-ban készült, ezért a nyomdába kerülés időpontjában érvényes állapotot az utószóban foglaljuk össze.
3 „Nothing puzzles me like time and space. And yet nothing troubles me less than time and space, because I never think of them.”
1. ábra • A készülék keresztmetszete: a – wolframkályha a hidrogén disszociálásához; b – mozgatható nyálás; c – az elektronágyú katódja; d – rács; e – anód; f – hullámvezető; g – nyílások, melyeken keresztül a metastabil atomok átmennek a nagyfrekvenciás kölcsönhatási téren; h – egy lapocska, amely a hullámvezető középponti vezetékéhez van erősítve; i – elektródák; j – jelfogó metastabil atomok felfogására; k – kollektor a felfogóból kijövő elektronook számára; l – a mágnes pólus felülete; m – a wolframkályha hőmérsékletének megfigyelésére szolgáló ablak.
2. ábra