label_szabadsag
1 USD 3.89  1 EUR 4.58  100 HUF 1.51
Hu Ro En
Napirenden Kult-Túra Vélemény Körkép Sport Mozaik Hirdetés/Reklám Opera EU-világ Életmód Bulvár Művelődés Campus
Számítástechnika Gazdaság Állatbarát Egészségügy Riport Decibel Motorház Tudomány Totyogó Bonifácz Élő emlékezet Világjáró
Tudomany

« Vissza a főoldalra


Isten-részecske – Mi a Higgs-bozon, mit tudunk általa a világról?

Létrehozva: 2012. augusztus 21. 01:34

Összeállította: Ercsey-Ravasz Ferenc

A Higgs-részecske keresésére tervezték a Nagy Hadronütköztetőt - CERN
A Higgs-részecske keresésére tervezték a Nagy Hadronütköztetőt - CERN
Hacsak nem vagyunk szakmabeliek – azaz fizikusok vagy kémikusok, esetleg a téma iránt erősen érdeklődő műkedvelők – valószínű, hogy az anyag szerkezetével kapcsolatos tudásunk attól függ, mikor jártunk iskolába. Nagyszüleink még az atomok, atommagok és elektronok világában tanultak tájékozódni, szüleink generációja már az atommagban elhelyezkedő protonokat és neutronokat – gyűjtőnevükön: nukleonokat – is ismerheti. Azóta viszont hatalmas lépésekkel haladt a tudomány egyre mélyebbre, egyrészt az anyag legapróbb alkotóelemeinek megismerésében, másrészt annak kiderítésében, milyen erők és hogyan működnek ezek között a felfoghatatlanul apró részecskék között. A kutatás lényeges része a különböző gyorsítókban zajlik, amelyeknek hatalmas gyűrűiben már ismert részecskéket ütköztetnek egymással, óriási sebességgel és energiával. Az ilyen „karambolok” nyomán szétspriccelő termékek és azok röppályája adhat újabb és újabb információt. Pár héttel ezelőtt röppent fel a hír, hogy a svájci CERN kutatóintézet hatalmas gyorsítójában találtak valamit, ami megfelel a régóta keresett Higgs-bozon várt jellemzőinek. Ezt a részecskét nagyon rég keresik a tudósok, mert megmagyaráz néhány fontos dolgot – talán emiatt is nevezték el Isten-részecskének. Arra kértük a Babeş–Bolyai Tudományegyetem Fizika Karának két oktatóját, Nagy László egyetemi tanárt, rektorhelyettest, illetve Járai-Szabó Ferenc adjunktust, a Magyar Tagozat Fizika Intézetének vezetőjét, aki többek között részecskefizikát is oktat, magyarázzák el, hogyan látja ma a tudomány a világot, s hogyan helyezkedik el ebben a képben a Higgs-bozon.


Jelenlegi tudásunk szerint az anyag két fő részecsketípusból, fermionokból és bozonokból épül fel. Az előbbiek az anyag építőkövei. Ebbe a családba tartozik a jelenleg ismert hat kvark és hat lepton. A kvarkok építik fel a protont, a neutront s még sok más hasonlót. A protonok s a neutronok az általunk már jobban ismert atommagokat alkotják. A fermionok másik típusa a leptonok, vagy könnyű részecskék.Ennek a családnak a legismertebb tagja az elektron. Egy atommag és a vele kölcsönhatásban álló elektronok képezik azt az iskolai kémia- és fizikaórákról is ismert atomot, amit az ókori görög Démokritosztól egészen az elektron felfedezéséig a világunk elemi építőkövének hittünk.

Nagy László, 51 éves. Végzettség: fizika a BBTE Fizika karán, PhD fokozatot szerzett a debreceni Atommagkutató Intézetben (ATOMKI). Egyetemi tanár a BBTE Fizika Karán, a BBTE egyik rektorhelyettese. Kutatási terület: atomi ütközések elméleti vizsgálata, valamint atomok és molekulák kölcsönhatása nagyon erős és rövid lézer impulzusokkal.
 

A Pauli-elv értelmében a fermionoknak az az alapvető tulajdonságuk, hogy ugyanolyan állapotban mindig csak egy létezhet belőlük. Ha ők alkotják az anyag szerkezetében a „téglákat”, a másik részecsketípus, a bozonok képezik az építőkövek közti kötőanyagot, a téglák közti maltert. Ezekre már nem érvényes a Pauli-féle kizárási elv: ugyanabban az állapotban egyszerre több bozon is létezhet.

A részecskefizikában, és úgy általában a kvantumtérelméletben, a kölcsönhatá­soknak a hétköznapitól egy picit eltérő értelmezése a megszokott. A kölcsönhatást – köznapibb szóval az erők különböző fajtáit – terek közvetítik és ezeknek a tereknek megfelelő virtuális részecskék vagy kvantumok a fentebb említett bozonok. Az egyik ilyen ismert kölcsönhatás (vagy erő) az elektromágneses, amelyet a fotonok közvetítenek. Ez hat minden elektromos töltéssel rendelkező részecske között, típustól függetlenül. Két azonos töltéssel rendelkező test, vagy akár részecske taszítását úgy lehet elképzelni, mintha a két test fotonokat „dobálna” egymásnak. Az „eldobott” és „elkapott” fotonok egymástól távolodó irányba lökik el a testeket.

A második ismert erő az erős kölcsönhatás, amely nemcsak a kvarkok (protonok, neutronok s hasonlók alkotói) között valósul meg, hanem magát az erőt közvetítő nyolc különböző fajta ún. gluon között is – ez az erő „kovácsolja” össze a protonokat, a neutronokat, s formálja az atommagot. A harmadik a kisebb hatótávolságú gyenge kölcsönhatás, csak a nukleonok (azaz protonok s neutronok) belsejében hat, közvetítője három ún. gyenge bozon. Ezeket az erőközvetítő bozonokat gyűjtőnéven vektorbozonoknak hívjuk.

Mindezek mellett a Standard Modell feltételez egy úgynevezett Higgs-részecskét is. Ez nem más, mint a Higgs-mező kvantuma (bozonja), amelynek bevezetését még a hatvanas évek közepén három kutatócsoport is javasolta szinte egyidőben. Végül a részecskét az egyik javaslattevőről, Peter Higgsről nevezték el.

Higgs-mező politikus-analógiával

A Higgs-mező különleges szerepet tölt be a Standard Modellben (az alapvető elemi részecskéket és ezek kölcsönhatásait leíró kvantumtérelmélet), hiszen tömeget kölcsönöz a többi elemi részecskének. Segítségével megmagyarázták, hogy miért nincs tömege a fotonnak és a gluonoknak, és ugyanakkor miért rendelkeznek tömeggel a gyenge bozonok. Mindemellett, az elektromágneses és gyenge kölcsönhatásokat egyesítő elektrogyenge elméletben szintén ennek a mezőnek a segítségével kapnak tömeget a leptonok és kvarkok is. Érdekes megjegyezni, hogy magának a Higgs-bozonnak is van tömege, ami azt vonja maga után, hogy ez a részecske önmagával is kölcsönhat. Ezt viszont józan ésszel már csak térelméleti megközelítésben lehet „elképzelni”.

Járai-Szabó Ferenc, 33 éves. Végzettség: fizika egyetem, számítógépes fizika mesteri és PhD fokozat a BBTE Fizika Karán. Adjunktus a BBTE Fizika Karán, jelenleg a Magyar Tagozat Fizika Intézetének a vezetője. Kutatási terület: komplex rendszerek elméleti és számítógépes vizsgálata, régebben foglalkozott még atomi ütközések elméleti tanulmányozásával is.
 

Higgs-mechanizmusnak nevezzük azt a folyamatot, amelynek során a Higgs-mező hatására a részecskék tömegre tesznek szert. Ennek szemléltetésére David J. Miller a következő hasonlatot adta (http://www.hep.ucl.ac.uk/~djm/higgsa.html). Képzeljünk el egy termet tele politikusokkal, melynek egyik ajtaján belép a miniszterelnök azzal a céllal, hogy a szemközti ajtón távozzon. Ahogy az emberek mellett elhalad, azok feléje fordulnak, köréje csoportosulnak. Akiket lehagyott, azok visszatérnek addigi tevékenységükhöz. A miniszterelnök körül kialakult politikuscsoportnak olyan a hatása annak mozgására, mintha tehetetlensége megnövekedett volna, tömege nagyobb lenne: nehezebben tud megállni, vagy ha megállt, nehezebb számára az elindulás. A hasonlat alapján azt mondhatjuk, hogy a részecskék tömegének generálásához egy mezőre van szükség, amely lokálisan torzul, amikor egy részecske mozog benne. Ez a torzulás adja a benne mozgó részecske tömegét.

A Higgs-bozon ennek a Higgs-mezőnek a csomósodása. A fenti hasonlatot követve képzeljük el, hogy valaki a politikuscsoportból megtud egy szenzációs hírt (pletykát), azt továbbadja a szomszédjának, és így maga a hír okozza a politikusok csoportosulását (mindenki akarja azt hallani). Ez a csomósodás a térelméletben olyan, mintha ott részecske keletkezne.

Sötét anyag, sötét energia

A Standard Modell segítségével sikerült még felfedezésük előtt megjósolni a gyenge bozonok, a gluonok, valamint az ún. t és c kvarkok létezését. Az elmélet most egy újabb teszt előtt áll. Megjósolta ugyanis a Higgs- mező szükségességét, amelynek kvantumát, a Higgs-bozont eddig még nem sikerült kísérletileg kimutatni. Mivel a Higgs-részecske tömegét elég nagynak becsülték, és azt is tudták, hogy keletkezése után nagyon rövid idővel elbomlik, a kísérleti észleléshez nagyon nagy energiájú részecskegyorsítóra volt szükség. Erre a célra tervezték a CERN Nagy Hadronütköztetőjét (LHC). 2012. július 4-én bejelentették, hogy két független kísérletben is sikerült egy 133 proton tömegű részecskét találni, ami nagyon hasonlít a Higgs- bozonra. A végső, teljes bizonyossággal állítható következtetésekre természetesen még várni kell. A mostani előzetes és a majdani végső eredmények nagyon fontosak a Standard Modell szempontjából, hiszen a Higgs-bozon létezése megerősíti, hogy helyes a világunk leírására elképzelt modell.

Fontos azonban megjegyezni, hogy Világegyetemünk tömegének csupán 4%-át alkotja a Standard Modell által leírt anyag, a maradék 22% sötét anyagról és 74% sötét energiáról egyelőre hiányosak az ismereteink.

Természetesen az érdekes eredmények itt nem állnak meg, hiszen megtörténhet, hogy ez a felfedezés újabb kérdéseket is felvet. Például az is lehet, ahogy azt már többen is felvetették (pl. Horváth Dezső, http://www.origo.hu/tudomany/20120712-higgs-bozon-standard-modell-szuperszimmetria.html), hogy az eredmények nem egyetlen, hanem többfajta Higgs-bozon létezését erősítik meg, ami már nem illeszthető be a Standard Modellbe. Akkor elő kell majd venni a Standard Modell szuperszimmetriára alapozó továbbfejlesztett változatait. Ezek az elméletek a négyes téridőt szupertérré bővítik, és az így kiterjesztett térben követelnek meg a lehetséges átalakulásokkal szembeni szimmetriákat. Ebben az esetben az általunk ismert részecskék mindegyikének létezik egy szuperszimmetrikus partnerrészecskéje (elektron – selektron, kvark – skvark, foton – fotino stb.), ezeket viszont egyelőre nem sikerült észlelni.

És mi van a gravitációval?

A Standard Modell, és annak kibővített változatai még így sem teljesek, csak három kölcsönhatást, az elektromágneses, az erős és a gyenge kölcsönhatást tárgyalják egységesen, nem adnak választ a gravitáció mibenlétére. Azt illetően legalább két irányzat verseng. Az egyik szerint a gravitáció a téridő görbületének következménye, és mint ilyen, nem szükséges egy közvetítő mező ennek leírására. A másik irányzat, a többi alapvető kölcsönhatással analóg módon egy mezőt feltételez, melynek kvantuma („közvetítő részecskéje”) a graviton lenne. Ebben az irányban haladva, a négy kölcsönhatás egységesítésére több elmélet is született (például a szuperhúr elmélet vagy ennek általánosítása, az M-modell), de ezek közül egyiket sem tudták még kísérletileg igazolni. A Higgs-bozonra visszatérve fontos azt megemlíteni, hogy ennek esetleges megtalálása nincs közvetlen módon hatással ezen elméletek igazolására vagy cáfolatára.






További cikkek
MA


TEGNAP


TEGNAPELŐTT


Tovább a rovat cikkeihez
Impresszum Adatvédelem Software development by Codespring. Web hosting by Codespring.
Támogatók:
Communitas Alapítvány Communitas Alapítvány
Hungarian Human Rights Foundation Magyar Emberi Jogok Alapítvány - Hungarian Human Rights Foundation (HHRF - New York).
Bethlen Gábor Alap Bethlen Gábor Alap