Peter Higgs angol fizikus 1964-ben ébredt rá, hogy a korábbi, tömeggel kapcsolatos elméletbeli ellentmondás csak egy eddig fel nem fedezett új részecskével magyarázható. A számítógépek kezdetlegessége ellenére egy rendkívül komplex modellt alkotott, majd elküldte a legnagyobb európai fizikuslapnak, a Physics Lettersnek. Első tudományos levelét közölte az újság, ám a másodikat már visszautasította, mondván, nincs nyilvánvaló relevanciája a fizikában. A ma ismert legnagyobb elméleti fizikus, Stephen Hawking még fogadott is egy kollégájával, hogy sosem találják meg a Higgs által jósolt részecskét.

Ma a brit fizikus elmélete Higgs-mechanizmusként ismert, a feltételezett részecske pedig az isteni részecske nevet kapta a kvantumfizikát népszerűsítő írásokban, mert létezésének az egész univerzumra nézve nagy a jelentősége. A július 4-i fizikuskonferencián tett bejelentés óta pedig, úgy tűnik, Stephen Hawking elveszített száz dollárt.

A HIGGS-BOZONRÓL EGYSZERŰEN
Az ellentmondás, amelyből az elmélet kiindul, nem más, mint ha egy anyagot aprólékosan bontani kezdünk egészen az atommagig, majd az atommagot is tovább bontjuk protonokra és neutronokra, a protonokat pedig az őket alkotó kvarkokra és glüonokra, akkor különös tény figyelhető meg. Hiába adjuk össze az apró részecskék tömegét, végül kevesebbet kapunk, mint az eredeti anyagé. Hová tűnik időközben a tömeg jelentős része? A fizika törvényei szerint ahhoz, hogy az eredeti tömeget elérjék, fénysebességgel kellene mozogniuk a részecskéknek, ez nem történik meg, hiszen egyedül egy anyag, a foton képes erre. Lennie kell tehát valaminek, amiről nem tudunk. Valaminek, ami a tömeg nagy részét adja – és ez a Higgs-bozon.

A bozonok olyan szubatomi (atomnál kisebb) részecskék, amelyek kölcsönhatást közvetítenek. A korábban említett glüon például összetartja a protonok másik alkotóelemét, a kvarkokat. A Higgs-bozon tulajdonsága pedig, hogy tömeget közvetít. De hogyan?

„Képzeljünk el egy Oscar-gálát, ahová a kor leghíresebb színésze érkezik – magyarázza Gyaraki Richárd, a Genfi Egyetem fizikushallgatója. – Megérkezik, és újságírók, fotósok hada veszi körbe, a bejáratig tartó 15 métert csak 15 perc alatt tudja megtenni. Utána egy kevésbé ismert színész fut be, ő csak néhány újságírót érdekel, gyorsabban teszi meg a távot. A példában az újságírók és fotósok a Higgs-bozonok, a sztár pedig a részecske, amely az általuk létrehozott térben halad, és jelentőségétől függően kölcsönhatásba lép velük.” Az elmélet lényege, hogy a Higgs-tér, benne a számtalan Higgs-bozonnal, kitölti az egész univerzumot, a benne haladó részecskék pedig tömegük jelentős részét abból nyerik, hogy hány Higgs-bozonnal ütköznek, lépnek kölcsönhatásba. A probléma mindössze annyi volt, hogy ez a folyamat az univerzum egy olyan, szinte láthatatlan részében történik, hogy a részecskét nem találták a tudósok. Csak a maguk racionalista módján, elméleti alapon hittek benne.

A KUTATÁS LÉNYEGE
Vakhitnél azonban többről volt szó, hiszen pénzt, energiát és évtizedeket nem sajnálva építették fel az 1954 óta működő CERN-ben a nagy hadronütköztetőt (LHC, azaz Large Hadron Collider, amelyről lásd a keretes írást). Itt a CERN új, mé-regdrága és hatalmas berendezése elsődlegesen a Higgs-bozon felkutatását szolgálta. Immár ráadásul magyar számítóközpont is segíti a kiértékelő munkát (Drága ütközések – Figyelő, 2012/19. szám).

A helyzet hasonló a Neptunusz felfedezéséhez. A 19. században a vizsgálatok során bebizonyosodott, hogy van egy erő, ami torzító hatást fejt ki az Uránusz pályájára, és néhány évtizeddel később pontosan ott, ahová jósolták, megtalálták a Neptunuszt. A bolygók pályájának a leírásában már akkor is a matematikai módszerek segítettek. A nagy hadronütköztető sajátossága pedig, hogy olyan körülményeket biztosít, amelyeket más laboratóriumok (például az Egyesült Államokban működő Fermilab) nem. A föld alatt futó csövekben olyan elektromágnesek találhatók, amelyek –271 °C-osak (az egész univerzum átlaghőmérsékleténél is alacsonyabbak), és a fénysebesség 99,99 százalékára gyorsítják a csőben futó proto-nokat. Ilyen körülmények közt a mozgás során egy proton súlya eléri saját nyugalmi tömegének több százezerszeresét (anélkül, hogy a mérete változott volna), és mikor a gyűrű alakú rendszerben az egymással szemben elindított protonok összetalálkoznak, akkora energiájú ütközés történik, mint sehol máshol. A kiszakadó részecskék tömegenergiájuknak megfelelően különböző távolságra repülnek, ezáltal meg tudják határozni, melyek azok. Ilyen mértékű ütközésnél az anyag nem szokványos módon viselkedik, olyan részecskék is szétszakadnak, amelyek egyébként nem, ezáltal pedig láthatóvá válnak olyanok, amelyek más körülmények közt nem.

MIÉRT FONTOS MINDEZ?
A Peter Higgs által alkotott modell különböző matematikai és fizikai egyenletekkel meghatároz egy energiatartományt, ahol a sokat említett részecskének meg kell jelennie. Ez a tartomány a több évtizedes kutatás során egyre szűkült, a múlt év végén szinte pontosan meghatározták, hol lehet a Higgs-bozon. A feltételezés igazolásához azonban nem kevesebb mint több billió ütköztetésből nyert adatra volt szükség. Július 4-én jelentették be a hadronütköztetőt üzemeltető CERN kuta-tói, hogy a rendelkezésre álló adatok alapján 4,9-es szigmával, azaz szinte teljesen biztosan állítható, hogy megtalálták a részecskét, amely megfelel a Higgs által leírt kritériumoknak. (A szigma a részecskefizikai kísérletek bizonyosságát jelző, számos összetevőből álló érték.)

A felfedezés jelentősége, hogy megértettük, mitől van tömeg. Tudunk az ember alkotta SI-rendszerben súlyt mérni, mert kiválasztottunk egy platinaetalont, amelyet egy kilogrammként neveztünk meg. Ugyanakkor például a Holdon, a Marson ez már nem egy kilót jelent. Most viszont a tömeget mint univerzális fogalmat, azaz magának a tömegnek a létezését sikerülhet megfejteni. Nagy kérdés, hogy ennek a ténynek hasznát vehetjük-e valaha.