Az edu.interkonyv.hu weboldal felületén sütiket (cookies) használ, vagyis a rendszer adatokat tárol az Ön böngészőjében. A sütik személyek azonosítására nem alkalmasak, szolgáltatásaink biztosításához szükségesek. Az oldal használatával Ön beleegyezik a sütik használatába. További információért kérjük, olvassa el adatvédelmi elveinket!
A részecskefizika
általánosan elfogadott és az elmúlt 40 évalatt sokszorosan igazolt elmélete, a Standard Modell valamennyi
alkatrészét sikerült megfigyelni és tanulmányozni a Higgs-bozon kivételével. A CERN
Nagy Hadronütköztetője (LHC), a világ legnagyobb részecskegyorsítója is
elsősorban a Higgs-részecske kimutatására épült. 2012 közepére az LHC két
óriási mérőberendezése, a sok ezer fizikus részvételével épült CMS és ATLAS
megfigyelt egy – a Higgs-bozon elméletileg megjósolt tulajdonságaival rendelkező
– új részecskét.
A könyv áttekinti a
Standard Modell elméletét és a Higgs-részecske feltételezett tulajdonságait,
majd összefoglalja az LHC Higgs-keresési eredményeit és a hozzájuk vezető utat.
Függelékben ismerteti a könyvben előforduló fizikusok életrajzát és bizonyos fizikai
fogalmak részletesebb leírását.
A 2013-as fizikai
Nobel-díjat Peter Higgs és Francois Englert kapták megosztva a
Higgs-mechanizmus és a Higgs-bozon elméletéért.
Tartalomjegyzék
1. Bevezető … 9
2. A Standard Modell
… 14
2.1. Szimmetriák … 14
2.2. Elemi részecskék ... 15
2.3. Perdület (spin) …15
2.4. Fermionok és bozonok …16
2.5. Kölcsönhatások ... 17
2.6.
Kvarkmodell ...17
2.7.
Elemi kölcsönhatások … 19
2.8.
Bozonok ... 19
3.
Sérülő szimmetriák … 21
3.1.
Mértékelmélet ...21
3.2.
Sérülő szimmetriák ... 22
3.3. Spontán szimmetriasértés ...23
3.4. Higgs-mechanizmus ... 25
3.5. Kísérleti ellenőrzés ... 27
4. Nagyenergiás méréstechnika … 30
4.1. Mikroszerkezet és energia ... 30
4.2. Részecskegyorsítók: LEP ... 32
4.3. LHC, a nagy hadronütköztető ... 35
4.4. Az LHC indulása ... 39
4.5. Részecskeészlelés ... 40
4.6.
A CMS-detektor ... 41
4.7.
Az ATLAS-detektor ...49
4.8.
ATLAS és CMS ... 51
4.9.
Eseményanalízis ... 51
5.
A Standard Modell Higgs-bozonja … 53
5.1.
A Higgs-bozon tulajdonságai ...53
5.2.
A Higgs-bozon keletkezése ...54
6.
A Higgs-részecske keresése … 56
6.1.
LEP, TEVATRON: nincs meg ... 57
6.2.
LHC: megvan? ... 59
7.
LHC-eredmények 2012 végén … 63
8.
Zárszó … 67
A.
Részecskefizikusok, akik a könyvben szerepelnek …70
A.1.
Satyendra Nath Bose ...70
A.2. Georges Charpak ... 72
A.3. Paul Dirac ....73
A.4. Albert Einstein ... 74
A.5. Enrico Fermi ...75
A.6. Richard Feynman ... 76
A.7. Peter Higgs ...77
A.8. Leon Lederman ... 78
A.9. Tsung-Dao Lee ... 79
A.10. Wolfgang Pauli ... 80
A.11. Gerardus t’Hooft ... 82
A.12. Simon van der Meer ...83
A.13. Martinus Veltman ... 84
A.14. Steven Weinberg ... 85
A.15. Wigner Jenő ...86
A.16. Frank Wilczek ... 87
A.17. Chien-Shiung Wu ... 88
A.18. Chen-Ning Yang ... 89
B. Fizikai fogalmak … 90
B.1. U(1), SU(2), SU(3) ... 90
B.2.
A Dirac-egyenlet ... 92
B.3.
Virtuális részecskék ... 93
B.4.
Hatáskeresztmetszet ...94
B.5.
Luminozitás ...95
B.6.
Az LHC működése ... 96
B.7.
A Higgs-bozon tulajdonsága ... 98
B.8.
Bomló részecske tömege ... 99
B.9. Az új részecske tömege … 101
Irodalomjegyzék ...102
Bevezető
Mottó: A fizika olyan, mint a szex: biztosan van gyakorlati
haszna, de mi nem azért csináljuk.
Richard P.
Feynman (szájhagyomány szerint)
Éppen negyven évvel ezelőtt nyerte el jelenlegi, végleges formáját
a részecskefizika elmélete, amelyet történeti okokból Standard Modellnek hívnak.
A Világhálón rengeteg leírás található erről az elméletről es kísérleti igazolásáról. Az érdeklődő olvasónak
elsősorban a Wikipédiát ajánlanám, mint eléggé hiteles ismeretforrást.
Az persze elsősorban angol nyelvű [1], de egyre bővül a
magyarul elérhető szócikk-gyűjtemény is [2]. Én is több ismeretterjesztő cikket
írtam róla [3, 4], azok anyagát részben fel is használtam ebben a kis
elektronikus könyvben. Több előadásom is szerepel a tudományos előadások magyar
Videotorium gyűjteményében [5] és egy Higgs-bozonos a YouTube-on [6]. Ez
utóbbi elsősorban fizikusoknak szól, a nagyközönség számára is érthető azonban Trócsányi
Zoltán előadása ugyancsak a YouTube-on [7].
Az
elmúlt 40 évben a világ adófizetői egyre növekvő részecskegyorsítókat finanszíroztak
számunkra (egymást váltogatva Amerikában, Oroszországban, valamint Svájc és
Franciaország határán), hogy bebizonyíthassuk vagy megcáfolhassuk a Standard
Modell érvényét. Valóban, minden alkatrészét sikerült 1995-ig azonosítani, a
Higgs-bozont kivéve. 2012-ben azután
végre találtunk a világ legnagyobb mérőműszerénél, a Genf közelében, 100
méterrel a föld alatt, 27 km-es köralagútban épített Nagy hadron-ütköztető
(Large Hadron Collider,
LHC) részecskegyorsítónál (1.1. ábra) egy új részecskét a Higgs-bozon
tulajdonságaival (vegyük észre az óvatos fogalmazást!).
1.1. ábra. A Nagy hadron-ütköztető (Large Hadron
Collider, LHC) részecskegyorsító
alagútja a CERN-ben, 100 méterrel a föld alatt. A 27 km hosszú körgyűrű 9300 mágnes segítségével
tartja körpályán az egymással szemben keringő protoncsomagokat. Közülük
a dipólusmágnesek (1232 tokban két-két, egymással szemben kapcsolt szupravezető
mágnes) a protonok pályáját hajlítják, a többi mágnes fókuszál, gyorsít és
pályát javít.
A
felfedezés nemcsak a fizikusokat, a közvéleményt is felvillanyozta, hiszen egy
olyan részecske, amelyet a világ sokezer kutatója 40 évig keres, dollármilliárdokat
költve rá, biztosan nagyon érdekes. Jó néhány vicc is kering róla a világhálón.
Mivel a Higgs-bozont eredményező matematikai bűvészkedés teszi lehetővé az
elemi részecskék tömegének matematikai bevezetését is, a viccek részben a
tömeggel kapcsolatosak, habár a tárgyak tömege
elsősorban energia eredetű, és nem a Higgs-mechanizmus következménye.
A
CERN bejelentése előtt és után másféle Higgs-bozonos viccek keletkeztek.
Előtte:
·A bárba besétál egy Higgs-bozon. Azt
mondja neki a csapos: Vigyázzon, magát sokan keresik!
·A bárba besétál egy Higgs-bozon. A
csapos nem érti...
·Szeretnék
végre látni egy jó Higgs-bozonos viccet. Biztosan létezik, de évekbe telhet,
amíg rátalálunk.
A
megfigyelés bejelentése után:
· A templomba besétál egy Higgs-bozon. Azt
mondja neki a pap: Magát nem szívesen
látjuk itt. Mire ő: Pedig nélkülem
itt soha nem lesz tömeg! Angolul az
igazi: But without me how can you have
mass?, ugyanis mass a tehetetlen tömegen és embertömegen kívül még misét is jelent.
·A bárba besétál egy Higgs-bozon. A csapos megkérdezi: Mi
van? mire ő: Én!
·A Higgs-bozon felfedezése után a
fizikusok tömegesen ünnepeltek.
·Nem
értem, mi a csuda az, de klassz, hogy felfedezték!
·Gondosan
ellenőrizni kell. A múltkor is azt hittem, Higgs-bozont találtam az ágyam
alatt, de csak egy üveggolyó volt!
·Jó,
hogy megvagy, Isten-részecske. Én csak egy átlagember vagyok, aki nem ért
téged.
Négy
évvel ezelőtt egy fiatal angol részecskefizikus hölgy, Kate McAlpine, néhány vidám kollégájával
készített Large Hadron Rap címen egy
klipet és kitette a YouTube-ra [8]. Ő
csodálkozott a legjobban a felvétel hihetetlen népszerűségén, 2012 márciusáig
csaknem 8 millió internetezőt érdekelt. A dal vicces stílusban, de igencsak
pontosan leírja az LHC fizikáját,
többek között a Higgs-bozon, az antianyag és az ősanyag vizsgálatát.
Könyvemben
először bevezetem a részecskefizika elméletét: a részecskéket és kölcsönhatásaikat, majd a Higgs-bozont
létrehozó mechanizmust. Mivel az utóbbi szimmetriasértésen
alapul, és az elméletben minden más szimmetriákon, a bemutatást a
szimmetriákkal kell kezdenem. Az elméleti fejezetet a spontán szimmetriasértés
leírása zárja; az biztosítja a neutron és az atommag bomlását előidéző gyenge
kölcsönhatás matematikai leírását.
A fizika kísérleti tudomány. Az elmélet bemutatása után
tehát vázolnom kell a részecskefizika kísérleti módszereit: a
részecskegyorsítókat és -detektorokat, valamint az adatkezelés módszereit. Ez
után jön a lényeg: a Higgs-részecske tulajdonságainak leírása, keresési
módszerei és az eddig elért eredmények. Végül a Zárszóban a kilátásokat
foglalom össze. A könyv végén két függelék található: az elsőben (A) a Standard
Modell megalkotóinak életrajzát foglalom össze abc-sorrendben, a másodikban (B)
olyan részecskefizikai alapfogalmakat, amelyek könyvemben többször
előfordulnak, de leírásuk megtörné a szöveg logikáját.
A fizikában általában, és a részecskefizikában különösen
minden leírás matematikai nyelven történik: egy elméletet akkor fogadunk el, ha
annak egyenleteivel a kísérletileg mérhető mennyiségeket ki tudjuk számítani,
és a számítások eredménye egyezik a mérésekével.
A részecskefizika meglehetősen bonyolult matematikai
apparátusát hihetetlenül egyszerűvé, áttekinthetővé és szemléletessé teszi a Richard Feynman (A.6. függelék) által
kidolgozott gráftechnika, amely az egyenleteket folyamatábrákká alakítja.
Minden olyan elméletet, amely nem vezet mérhető eredményekre, nem-fizikai
spekulációnak tekintünk. Azoktól az amatőr fizikusoktól, akik azzal
jelentkeznek, hogy új, a korábbiaknál jobb elméletet dolgoztak ki valamire, azt szoktuk kérdezni, hány jegy pontossággal
egyeznek a számításai a mérések eredményeivel. Ugyanakkor persze könyvemben a
matematikai levezetések nem fognak szerepelni, de a világhálón, például a
Wikipédiában is, az érdeklődő olvasó megtalálja őket, tetszőleges mélységben.
A
részecskefizikai kutatóintézetek folyamatosan fejlesztik oktatóanyagukat,
itt
elsősorban a CERN angol nyelvű lapjait érdemes nézni [9]. Nagyon sok érdekes
blog is olvasható a részecskefizikáról angolul, itt csak néhány igazán hiteles forrásra
említenék példát: sok részecskefizikus vesz részt a Quantum Diaries
(Kvantumnapló) [10] és a Science 2.0
[11] vezetésében, figyelemre méltó Jester [12] és
Matthew Strassler blogja [13]. Azamerikai
Particle Data Group (Részecskefizikai adatok csoportja) is üzemeltet egy Részecskekaland (Particle Adventure) című cikkgyűjteményt [14]. Magyarul Simon Tamás (origo) üzemeltet
bloggyűjteményt a CERN főbb eseményeiről [15]. 2006 óta minden év augusztusában
magyar nyelvű továbbképzést szervezünk hazai fizikatanárainknak a CERN-ben, azok
lapjain [16] megtalálható az előadások teljes anyaga, videofelvétellel együtt.
A
tudományos kutatásban természetesen nincs végleges,
csak éppen most legjobbnak látszó!
Állandó vitában állok a magyar folyóiratok szerkesztőivel e név írásával
kapcsolatban: szerintem tulajdonnév, egy bizonyos szellemi alkotás neve, két
nagy kezdőbetűvel, szerintük viszont egy szabványos modell, kicsivel.