Végre alkalmam nyílt elmenni életem első Atomcsill rendezvényére, aminek a témája nagyon összetett volt, de remélem, hogy sikerül visszaadnom mindazt az élményt, amit ott tapasztaltam.

Az előadás alapszerkezete is nagyban különbözött az általam eddig látogatottaktól. Igyekeztem nagyon koncentrálni, odafigyelni minden egyes szóra és azok mögöttes jelentésére. S persze utólag így is pár dolgot fel kellett kutatnom, mert bizony az atomfizika és a részecskefizika témaköre nem épp a legkönnyebb az élettelen tudományok között. Ha valamit jól és logikusan elmagyaráznak, az többnyire megmarad az ember fejében. S ha igazán feléled a szikra, akkor bizony további gondolkodásra is késztethet, ami pedig közelebb vihet minket a jobbnál jobb kérdések feltevéséhez. Engem ez esetben a sok lábjegyzet készítésére és az eddig tanultak átismétlésére motiváltak a hallottak. Bámulatos, hogy a tudományoknak ezen szegmensei és képviselőik milyen fantasztikusakat és maradandóakat képesek alkotni. Ilyenkor jön csak rá az ember, hogy a tudás talán valóban végtelen. No de hogy ne is borzoljam tovább a kedélyeket, elmesélem, hogy mit láttam és hallottam.

Megemlékezés

Az egész egy speciális nyitánnyal kezdődött, ugyanis a fizikus közösség – a legmélyebb tiszteletüket kifejezve – megemlékeztek az október 4-én kiosztott fizikai Nobel-díj témájáról és díjazottjairól. A díj odaítélésének relevanciájáról Dr. habil. Cserti József egyetemi tanár tartott egy kisebb, a tárgyat átfogó előadást a nagyérdemű közönségnek. A díjat a topológiai fázisátmenetek és az anyag topológiai fázisainak felfedezéséért megosztva kapta meg David J. Thouless (University of Washington), F. Duncan M. Haldane (Princeton University) és J. Michael Kosterlitz (Brown University). A kutatási eredményeket tovább kihangsúlyozandó, hogy ez egy elméleti fizikai terület, amit összességében ritkábban honorálnak a legmagasabb fokú tudományos elismeréssel.

507292-nobel-prize-physics

Na de miről is van szó? A bevezetőben áttekintettük a szűkebb értelemben vett halmazállapotokat a hőmérséklet függvényében. Ezzel a megközelítéssel könnyebben lehet kapcsolatot teremteni az átlag fizikatudással rendelkező egyének és a szakma mesterei között. Az ábrát kiegészítve a jelenlegi halmazállapotok az abszolút zérus hőmérséklettől felfelé: egzotikus, kvantumos állapot, majd a közismertebb szilárd, folyékony, légnemű és végül a plazma állapot. Itt már megjelentek a szkeptikusabb tekintetek is. A kutatók az eredményeiket a legelső állapotra vonatkoztatva írták le. Ebben a rendszerben született is egy törvény, a Kosterlitz-Thouless-fázisátalakulás, amely kimondja, hogy a mágnesek (mint irányvonalak) csak a síkban foroghatnak. A rendszer mágneses struktúrái csak topológiailag változnak. S maga a topológia az alakzatok folytonos deformációja, geometriai tulajdonságainak a tanulmányozása. Fontos kitétel, hogy a deformáció alatt mit is értünk. Ebben az esetben kizárólag a szakítás, lyukasztás nélküli alakváltozásra kell gondolni. A Nobel-díjasok az elméleti eredményeiket a topológia matematikai elmélete alapján értelmezték. A sikerekből is kiindulva a továbbiakban tanulmányozhatóak még az úgynevezett topologikus szigetelők és szupravezetők (pl. a Weyl félfém vagy a Majorana fermion egy Kitaev spin láncban, ahol a részecske egyenlő értékű az anti-részecskével). A végső cél lehet egy topologikus kvantum számítógép megalkotása, amely egy úgy fejezetet nyithat a kutatásban.

Az ismeretlen nyomában

A továbbiakban megismerkedhettünk Dr. Pásztor Gabriella (ELTE TTK, Atomfizikai Tanszék) kísérleti részecskefizikussal, aki az MTA-ELTE Lendület CMS Részecske- és Magfizikai Kutatócsoport csoportvezetője. Előadását egy nagyszerű kérdésfeltevéssel kezdte, miszerint mi van körülöttünk s ezt hogyan érthetnénk meg? Igazán irigylésre méltó munkája kapcsán elmesélte, hogy a Genfben található Nagy Hadronütköztető (Large Hadron Collider, LHC) képes az Ősrobbanás utáni 1 milliomod másodperces időszakot visszaadni. Pusztán ettől is kicsit megfagyott a levegő. A hallgatóság összetételét tekintve nagyon vegyes volt. A sok középiskolás is csak árgus szemekkel figyelt. Majd a kijelentést követően az alapoktól haladtunk a komplexitás felé. Tudatosan mérlegelve itt nem annyira helytálló az a kijelentés, hogy az egésztől a részek felé haladunk, bár ebben is lenne igazság. Az anyag általános szerkezete nem más, mint az atommag és az azt körülvevő elektron. Az atommag protonból és neutronból áll. Ezeket összefoglalóan elemi részecskéknek (kvarkoknak) nevezik. Az őket összetartó (összeragasztó) elemeket glüonoknak nevezik. A kvarkokon kívül elemi részecskének számítanak a leptonok (ilyen például az elektron és az anti-anyaga, a pozitron is). A környezetre ható erőket elektromágneses kölcsönhatások (bozonok) alkotják, mint például a fotonok (γ), de ide tartoznak a glüonok (g), illetve a Z- és a W-bozon. 2012-ben hatalmas áttörés volt a Higgs-bozon detektálása az Európai Nukleáris Kutatási Szervezetnél (CERN), ugyanis definíció szerint ez a bozon olyan elemi mechanizmus, amely tömeggel ruházza fel az anyagot. Gyakran használják a kevésbé tudományos nevét, az Isteni részecske megnevezést. Ennél a pontnál egy számomra nagyon kedves analógiával jellemezte az előadó ezt a szerkezetet. Az 1977-es Csillagok háborúja filmben mesélt Obi-Wan Kenobi Luke Skywalkernek az erőről. Egy olyan jelenségről, amely körbevesz, összeköt és összetart minket, s átjár mindenen. Ezt Peter Ware Higgs brit részecskefizikus hasonlóképp írta le, csak ő a Higgs-tér, mint energiamező kifejezést használta. Matematikailag számos példával levezette ennek a bizonyítását. Egyike a sok közül, azt mondja ki, hogy ha nem lenne ez a bizonyos Higgs-tér, akkor az elektron tömege nulla lenne. A részecskefizikában megalkották az átfogóbb képet adó Standard Modellt (SM), amely egy olyan leíró kvantumelmélet, ami az elektromágneses, a gyenge és erős kölcsönhatást írja le. Minél inkább haladtunk az összetettség felé, annál inkább éreztem, hogy akár egyfajta párhuzamot is vonhatnék a biológiai rendszerek molekuláris szintű információmennyiségével. Magával ragadó, de mégis kicsit ijesztő, hogy mennyi kiaknázatlan tudás van még a világon a legkisebbtől a legnagyobb vizsgálandó objektumig. Ennek kapcsán merültek fel a nyitott kérdések az Univerzumról. A fő pont itt is az összefüggések keresése a részecskék és a kölcsönhatások mért tulajdonságai között. Ezek ismerete rámutat a mélyebb struktúrákra.

lhc_01

Érdekes tény az is, hogy egy anyagi részecske családon (fermion) belül a részecskék elektromos töltésének összege zérus. A Standard Modell ezt teljes mértékben leírja, de nem tudja megmagyarázni. Továbbá kérdés az is, hogy a gyenge kölcsönhatásban résztvevő, leptonokhoz tartozó neutrínónak miért olyan kicsi a tömege, de nem nulla? A cél ezen kérdések összefoglalása, átlátása, valamint egy egységes, minden ismert kölcsönhatást magába foglaló alapvető elmélet leírása, amely nem más, mint a mindenség elmélete (Theory of everything). Ennek teljes kivitelezése viszont sajnos egyelőre nem megoldható. Sokan úgy gondolják, hogy a lehetséges válasz a Húrelméleten alapszik. Ezen elmélet szerint a részecskék nem pontszerűek, hanem kiterjedt objektumok, kis elemi húrok rezgései. Ezek a rezgések adják a részecskék alapvető tulajdonságait. Sok fizikus számítása szerint ez az a megközelítés az, ami képes az összes erőhatás leírását egyetlen elméletbe összesűríteni. A probléma ott leledzik – többek között –, hogy ennek igazolása egyelőre szintén kivitelezhetetlen. Az LHC jelenlegi kapacitása 1012 eV, azaz 10 TeV, míg a Húrelmélet energiaskálája 1019 GeV. Így az elmélet jóslatait nem lehet ellenőrizni, mert nem adott a technológia. Mit tegyünk hát ilyenkor? – merült fel a kérdés. Az elméletet fel kell bontani, s két általános jóslatot kell megvizsgálni. Az első, a szuperszimmetria (SUSY), amely a fermionok (mint a Standard Modell anyagrészecskéi) és a bozonok (mint a Standard Modell kölcsönhatásközvetítői) kölcsönhatását vizsgálja. Ezen felül a szuperszimmetria tud adni egy sötét anyag jelöltet. A másik jóslat a további, 6-7 extra dimenzió léte. A dimenzió definíciószerűen egy pont rögzítéséhez szükséges koordináták összessége. Ezt a megközelítést nagyjából úgy lehet elképzelni, mint egy völgy fölött kihúzott drótkötelet, a rajta áthaladó embert és egy bolhát. Az ember számára csak egyféle irány (dimenzió) lehetséges, míg a bolha – apró méreténél fogva – képes több irányban is haladni. A nagyon kicsi dimenziókat mi egyszerűen nem érzékeljük.  Viszont az extra dimenziók (ED) kulcsfontosságúak a gravitáció és a részecskék kölcsönhatásának leírásában. Vannak olyan hipotézisek is, amelyek egy további, a gravitációs kölcsönhatást közvetítő elemi részecskét, a gravitont is megemlítik, de ennek létezését mindmáig nem sikerült bizonyítani.

lhc_03

Az előadás végén kitértünk még két, a fizikusok számára kedvelt témára. Először a sötét anyag – sötét energia párosra koncentráltunk. A világegyetem összetételének becslése során az alábbi arányokkal találkozhatunk: 4.9%-át atomok, 26.8%-át a sötét anyag, a fennmaradó 68.3%-át pedig a sötét energia alkotja. Ez utóbbi felelős az Univerzum tágulásáért. Ez az anomália bizonyos mértékben összefügg a másik közkedvelt, 2013-óta Nobel-díjas témával, a Higgs-bozonnal. Az előadó a felfedezést egy kedves rajzzal demonstrálta Híres ütközések a történelemben címmel. Az egyik képen Sir Isaac Newton volt (1665), ahogy éppen a fejére esik az alma. A másik képen pedig az LHC (2012). Míg előbbi leírta a gravitációt, utóbbi a Higgs-részecske létezése révén megmagyarázta a tömeg eredetét. S hogyan is vizsgálható maga a mikrovilág? Vannak-e erre megfelelő (képalkotó) technikák? Nos nem pont úgy, mint egy egyszerű fényképezőgépnél, de igen. Alapvetően a képminőség függ a forrás hullámhosszától. Minél kisebb a hullámhossz, annál kisebb tárgyat tudunk vizsgálni. Az LHC a szerkezeténél fogva próbál a precíz képalkotásra törekedni. Egy képen (egyszerűsítve) be lett mutatva, hogy maga a több kilométer hosszú szerkezet egy lineáris gyorsítóval kezdődik, amit sok cirkuláris gyorsíró követ. Egy ilyen gyorsító átlagos keresztmetszete közel 7 méter, amely hagymahéjszerűen van összeállítva. Belülről kifelé haladva a következő panelek alkotják: szilikon nyomkövető, kaloriméter (célja az energiamérés, áll egy elektromágneses és egy hadron kaloriméterből), mágneses szolenoid, müon detektor. Bizonyos pontokon kihelyezett oszlopszerű detektorok vannak. Ilyen például az ATLAS detektor is. Ezek érzékelik a gyorsítás során ütköző proton csomagokat. Az ütközések során vannak olyan részecskék, amiket nem vagy nagyon nehéz detektálni. Ilyen például a neutrínó, amelyet az anyag (mint közeg) nem állít meg. Két proton ütközése Higgs-részecskét hoz létre, amely rendkívül gyorsan elbomlik, s végül 4 elemi részecske (elektron, pozitron, Z+ és Z) marad vissza. Viszont az a jó az egészben, hogy a leptonokra bomlott objektum tömegét ki lehet számolni. A tudásomat messzemenőkig meghaladó diagramokat nézegetve csak azt a következtetést tudtam levonni, hogy a mért adatok egy kis ponton megváltoznak, aztán gyorsan követik is az addigi növekedési ütemet. A megváltozás során egyfajta visszaesés történt. A visszaesés reprezentálja az anyagot, amely bomlott. Fizikai paraméterrel leírva keletkezett egy 125 GeV tömegű részecske.

lhc_02

Zárásképpen elhangzott pár számadat, amely egyelőre még problémaként van jelen. A kísérletek során 1010-en protonütközés történik, ami 40 millió eseményt szül, amiből 3 Higgs-bozon keletkezik, de a jelenlegi kapacitás mellett, csak 1000 esemény/másodperc a regisztrációs teljesítmény.

Az ötlettől a felfedezésig sok lépést kell megtenni: a Higgs-bozon esetében ez 50 év volt, míg az 1964-ben leírt Brout-Englert-Higgs mechanizmustól kezdve az 1967-ben megalkotott Standard Modellen át elértünk a 2012-es áttörésig. A címben is leírt új fizika jelentése nem más, mint két sötét anyag részecske összekötése két ismert részecskével. A nemzetközi űrállomáson (ISS) lévő ALMES kísérlet a kozmoszban lévő eseményeket regisztrálja, ahol azt a potenciális eseményt várja, ahol két sötét anyag részecske ütközik, egy elektront és egy pozitront létrehozva. Az LHC-ben pont fordítva van. Ott igyekeznek detektálni az eddigi ismereteik alapján a sötét anyagot. Amit eddig állítanak, hogy egy semleges részecske, ami gyengén hat kölcsön, elmegy és a detektorban szintén csak a hiányát látják, mint a neutrínók esetében. Az eddigi kísérletek egyfajta kizárással dolgoztak, amiben megállapították, hogy adott tömegpárra nem létezik sötét anyag. Az LHC teljesítménye eddig csak 1-2%-os, de a program még az elején tart, ugyanis 2035-ig van kiírva. Már most is számos kecsegtető adat áll rendelkezésre, de a fizikusok sok reményt fűznek a további technikai fejlesztésekhez és precízebb megfigyelésekhez.

Az előadás után pár izgalmas és szemléletes általános fizikai kísérletet mutattak be, amely egyaránt le tudta kötni a közönség soraiban ülő kicsiket és nagyokat is. Remélem, hogy sikerült a kedves Olvasó figyelmét maradéktalanul lekötni s talán a kedvét is meghozni, hogy bizony nagyon is érdemes a fizika világában elbarangolni.