Az ismert fizikán túlmutató jelenséget észleltek a legnagyobb részecskegyorsítóban

2021. március 24. – 22:56

frissítve

Az ismert fizikán túlmutató jelenséget észleltek a legnagyobb részecskegyorsítóban
Az LHC részecskegyorsító 2020 februárjában – Fotó: Valentin Flauraud / AFP

Másolás

Vágólapra másolva

A részecskekutatások európai intézete, a CERN kedden bejelentette, hogy kutatói igen szokatlan jelenséget figyeltek meg a svájci-francia határon a föld alatt levő LHC-ben, ami jelenleg a világ legnagyobb részecskegyorsítója. Konkrétan az történt, hogy

a b-mezonok nem az elvárt arányban bomlottak elektronokká és müonokká, ez pedig nem illeszkedik a standard modellbe, és fontos lépcsője lehet későbbi antianyag- vagy sötétanyag-kutatásoknak is.

És akkor most jöjjön az előző mondat, kicsit több magyarázattal.

A modern fizika egy alapvető felfedezése volt, hogy atomot is tovább lehet bontani szubatomi részecskékre, sőt néhány szubatomi részecske maga is oszthatatlan elemi részecskéből áll. Ilyen elemi részecske például a gyakori előfordulású elektron, de léteznek sokkal ritkább részecskék is, amik csak igen nagy energiaszinten jönnek létre, és akkor is csak egy pillanatig léteznek.

A részecskegyorsítókban – például a 27 kilométer kerületű körpályával rendelkező LHC-ben – részecskéket ütköztetnek. Az ilyen ütközések nagy energiájúak, így van némi esély, hogy valamilyen ritkaságot lehet bennük megfigyelni, a megfigyelésekkel pedig gazdagítani az elméleti fizika ismereteit (hogy ennek némi járulékos haszna is lehet – például hogy maga a web is a CERN-ben született –, az már csak bónusz). Tehát az LHC pályáján található néhány nagy műszeregyüttes, detektor, amikben a fizikusok megpróbálják megfigyelni az ott zajló sok millió ütközést. Így találták meg pár éve a Nobel-díjt érő Higgs-bozont.

Most az LHCb nevű kisebb detektornál került elő valami érdekes. Illetve nem most, mert már évekkel ezelőtt is láttak hasonló furcsaságot, de mostanra született meg egy tanulmány, ami a detektor előző tíz évben összegyűjtött adatát elemezte (a munkában az ELTE Fizikai Intézet kutatói is részt vettek). Az LHCb egy bizonyos részecskefajta viselkedését figyeli, például az úgynevezett b-mezonokat. Ezek igen instabil részecskék, amik létrejöttük után rögtön lebomlanak.

A tanulmányban az a szenzációs, hogy a b-mezonok bomlástermékei között jóval több volt az elektron, mint a müon (ami az elektronhoz hasonló, de annál kétszázszor nehezebb elemi részecske).

És itt jön képbe az említett standard modell, ami akár a részecskefizika nagy szabálykönyveként is felfogható: megpróbálja egyenletekkel leírni és egységes modellbe foglalni a fizika ismert kölcsönhatásait. Négy ilyen létezik, a gravitáció, az elektromágneses kölcsönhatás, a részecskék közti erős kölcsönhatás (aminek köszönhetően a részecskék atomokká állhatnak össze) és az egyes atomi szintű jelenségekért felelős gyenge kölcsönhatás. A négyből hármat a standard modell már összefoglalt, de a gravitáció még kilóg belőle. Ebből is látszik, hogy a modell nem tökéletes, de olykor a hiányosságaiból is lehet következtetni – a Higgs-bozon létét például megjósolták belőle évtizedekkel a felfedezése előtt.

A b-mezon bomlása az LHCb detektorban – Kép: CERN / LHCb kollaboráció

A standard modell szerint ha a b-mezonok bomlanak, ugyanolyan arányban keletkeznek elektronok és müonok, a mostani tanulmány viszont ezt nem erősítette meg, sőt jelentős elektrontúlsúlyt állapított meg. Chris Parkes, az LHCb együttműködés szóvivője, a Manchesteri Egyetem professzora érdekfeszítőnek nevezte a felfedezést, és azt is elmondta, hogy a bomlási aránytalanság meglepően gyakran előfordul. Ennek ellenére Parkes óvatosságra intett, mert a felfedezés statisztikai szignifikanciája 3,1 szigma. A részecskefizikában így jelölik azt, hogy mennyire biztos egy felfedezés, 3,1 szigma azt jelenti, hogy nagyjából egy az ezerhez az esélye annak, hogy valamilyen véletlen anomáliáról van szó. Ez meggyőzőnek tűnhet, de a részecskefizikában még mindig kevésnek számít, 5 szigma körül van a teljes bizonyosság (ami már egy a millióhoz nagyságrend).

Ugyanakkor a felfedezés izgalmas irányba mutat, és nem váratlan, hogy kikezdi a standard modellt. A standard modellnek ugyanis, bár sok mindent jól leír, komoly elméleti problémái vannak. Nem magyarázza meg például azt, hogy mi a sötét anyag és a sötét energia (pedig ezek együtt alkotják a világegyetem kb. 96 százalékát, az általunk tapasztalt látható anyag csupán 4 százalék). A standard modell arról sem mond semmit, hogy miért nincs antianyag az univerzumban. Az elfogadott elmélet szerint az ősrobbanás során egyenlő mennyiségű anyag és antianyag keletkezett, csak aztán valahogy borult az arányuk, és az anyag maradt fenn (vagy az antianyag is megtalálható valahol, csak még nem vettük észre).

Az LHCb-csapat felfedezését most tovább fogják kutatni, illetve megerősíteni, ami évekbe telhet. Mutatja egy ilyen kutatómunka méretét, hogy az eredeti szakcikk több mint 900 szerzőt sorol fel. Spekulációk persze már most is vannak, erős feltételes módokban. A b-mezonok bomlási aránytalansága akár valamilyen eddig nem ismert, ötödik kölcsönhatásra vezethet majd rá, és az sem kizárható, hogy egy eddig csak elméletben létező részecskefajta, a leptokvark jelenlétére utal. Ha sikerül a későbbiekben megerősíteni a mostani felfedezést, lehet, hogy át kell majd írni a standard modellt, de ez nem okozna nagy sokkot: a részecskefizikában az elmúlt években már egyre nagyobb szerepet kaptak a standard modellen túlmutató kérdések és kutatások.