Felszívódott az évszázad felfedezése

  • (f)
  • (p)
Írta: IT café | 2016-08-08 15:30 | Forrás: MTA

A Nagy Hadronütköztetőben rögzített adatok meglepetést okoztak, a részecskefizikusok Chichagóban gondolkoznak és füstölögnek.

Mégis jó a standard modell – jelentették be részecskefizikusok a 38. alkalommal megrendezett, Chicagóban jelenleg is zajló ICHEP (International Conference on High Energy Physics) konferencián. A nagyenergiás tudományos közösséget tartó, új fizikára utaló részecske „felszívódott” a legújabb mérési adatokban.

A CERN Nagy Hadronütköztetőjének (LHC) megfigyelései között egyetlen biztató eltérést találtak a fizikusok a standard modellhez képest: egy olyan új részecske halvány nyomát a Higgs-bozon tömegének hatszorosa (750 GeV/c2) környékén, amely hasonló tulajdonságokkal rendelkezik, mint a Higgs-bozon, de egészen másképpen bomlik. Az LHC 2016-os adatgyűjtésének egyik fő célja a részecske létezésének ellenőrzése volt. Ennek bejelentése ugyanis óriási izgalmat váltott ki a fizikusok körében, mert kilépést jelentett volna a standard modell keretei közül.

Két nagy kísérlet, az ATLAS és a CMS is megfigyelte a részecske nyomát, de egyik sem volt tökéletesen meggyőző. Mégis, remény csillant arra, hogy valami újat fedeztek fel, hiszen a megfigyelés erőssége (amelyet azzal fejezünk ki, hogy a σ [szigma] mérési bizonytalanság hányszorosával emelkedik ki az új jelenség a zajból) közel ugyanakkora volt, mint a Higgs-bozon megfigyeléséé 2011 végén (3σ körüli). A Higgs-bozon esetén ezt diadalmas bejelentés követte 2012 nyarán, amikor az újabb adatokkal mindkét kísérletnél elérte a megállapodás szerinti felfedezési küszöböt, az 5σ többletet. Izgatottan vártuk tehát a 2016-os LHC-adatokat, megerősíti-e az S részecske létezését.

Az X részecske nagyon kilógott a standard modell keretei közül. Egy 750 GeV tömegű, Higgs-bozonhoz hasonló X részecske nagyon sokféleképpen elbomolhat. Ez már a sokkal könnyebb Higgs-bozonra is igaz volt, és nagyobb tömegű részecske bomlásánál sokkal több lehetőség nyílik más bomlási módok megnyilvánulására. Először a Higgs-bozon megfigyelésére is három, majd később még több bomlási módozatot vizsgáltunk. Az X részecske azonban látszólag csak a legvalószínűtlenebb, két nagyenergiás gamma-fotonra akart bomlani, a sokkal nagyobb valószínűségű bomlási csatornák nagyobb tömegű részecskékkel üresen maradtak nála. Ez tette a 2015-ös halvány megfigyelést annyira izgalmassá, hogy közzététele után néhány hónapon belül több száz elméleti fizikai publikáció fejtegette, vajon miről lehet szó.

A vizsgálat módszere a következő: feltételezünk egy részecsketömeget és bomlási élettartamot, szimuláljuk a különböző lehetséges bomlásokat (a keletkező részecskéket átengedve a detektorszimuláción), és az eredményt összehasonlítjuk az észleléssel. Két gamma-fotonra csak S=0 vagy S=2-es perdületű, elektromosan semleges részecske tud bomlani. A 2015-ben gyűjtött teljes adathalmaz elemzése után 2016. június 16-án az ATLAS kísérlet azt közölte (egy 2861 szerzős cikkben!), hogy a kétfotonos csatornában 750 GeV körüli tömeggel 3,8σ többletet látnak S=0 és 3,9σ többletet S=2 feltételezéssel. A CMS kísérlet is látott többletet, egészen közel, 760 GeV-nél, de valamivel kisebb jelentőséggel, csak 3,4σ-val. A megdöbbentő az volt, hogy, mint már említettük, a többi lehetséges és sokkal valószínűbb bomlási csatorna semmit nem mutatott.

Nagy izgalommal várhattuk tehát az LHC 2016-os újraindulását, amely a 2015-ösnél sokkal nagyobb adathalmazt ígért, és július végére már a tavalyi adatmennyiség ötszörösével szolgált. Ilyenkor az egymással versengő csoportok adatelemzését a korábbi adatokon és szimulációkon szabad csak finomítani, az új adatokhoz egy bizonyos időpontig nem szabad nyúlni, és csak a már előre elfogadott módszerek eredményeit veszik figyelembe (ezt vak elemzésnek hívják).

Mindkét kísérlet bejelentéséhez a 2016 legnagyobb részecskefizikai konferenciáját, az ICHEP-et választották. A CMS-kísérlet már nyilvánosságra is hozta ezeket, és az eredmények egyrészt lehangolóak, másrészt igencsak biztatóak. Az új adatok csökkentették az X részecske megfigyelésének jelentőségét: a 2015-ös adathalmaz sokszorosának analízisével a 750 GeV-es többlet lecsúszott az észlelhetőségi szint alá, 2σ környékére.

Ez egyrészt lehangoló, hiszen szinte az évszázad részecskefizikai felfedezése lett volna, ha a standard modellnek ennyire ellentmondó jelenséget találunk. Ugyanakkor megnyugtató, hogy mégis jól ismerjük világunkat, és a standard modell továbbra is időtállónak bizonyult. Az ATLAS kísérlet teljesen azonos eredményre jutott: statisztikus ingadozás volt a 750 GeV-es többlet, semmi más. Ilyen jelenséget már többször láttunk, és ez egyáltalán nem jelent mérési hibát. Újabb adalék ahhoz, hogy óvatosan kell kezelnünk a megrázó új felfedezéseket.  Az ICHEP konferencia ugyanakkor hihetetlen mennyiségű új adatot közöl: a négy nagy LHC-kísérlet több száz új eredményt küldött be előadásra.

Összegezve: sajnos még mindig nem látjuk jelét a standard modell egyetlen kiterjesztésének sem: az olyannyira szimpatikus szuperszimmetriának, a világegyetem sötét anyagát hordozó részecskéknek, a kezdetben olyan ijesztően hangzó mikroszkopikus fekete lyukaknak és a gravitációs kölcsönhatást esetleg közvetítő graviton részecskének sem. Ugyanakkor egyre jobban pontosítjuk a világra vonatkozó tudásunkat.

Horváth Dezső
az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont, az MTA Atomki és a CERN munkatársa