i
i “Horvath˙Higgs˙2013” — 2013/8/4 — 15:54 — page 9 — #9
i
i
© Typotex Kiadó
1. fejezet
Bevezet˝ o
Mott´ o: A fizika olyan, mint a szex: biztosan van gyakorlati haszna, de mi nem az´ ert csin´ aljuk. Richard P. Feynman (sz´ ajhagyom´ any szerint)
´ Eppen negyven ´evvel ezel˝ ott nyerte el jelenlegi, v´egleges1 form´aj´at a r´eszecskefizika elm´elete, amelyet t¨ort´eneti okokb´ol Standard Modellnek2 h´ıvnak. A Vil´ agh´al´ on rengeteg le´ır´ as tal´alhat´ o err˝ ol az elm´eletr˝ol ´es k´ıs´erleti igazol´as´ar´ ol. Az ´erdekl˝od˝o olvas´onak els˝osorban a Wikip´edi´at aj´anlan´am, mint el´egg´e hiteles ismeretforr´ast. Az persze els˝osorban angol nyelv˝ u [1], de ´ egyre b˝ov¨ ul a magyarul el´erhet˝o sz´ocikk-gy˝ ujtem´eny is [2]. En is t¨obb ismeretterjeszt˝o cikket ´ırtam r´ola [3, 4], azok anyag´at r´eszben fel is haszn´altam ebben a kis elektronikus k¨onyvben. T¨obb el˝oad´asom is szerepel a tudom´anyos el˝oad´asok magyar Videotorium gy˝ ujtem´eny´eben [5] ´es egy Higgs-bozonos a YouTubeon [6]. Ez ut´obbi els˝osorban fizikusoknak sz´ol, a nagyk¨oz¨ons´eg sz´am´ara is ´erthet˝o azonban Tr´ ocs´anyi Zolt´an el˝oad´asa ugyancsak a YouTube-on [7]. Az elm´ ult 40 ´evben a vil´ag ad´ ofizet˝oi egyre n¨ovekv˝o r´eszecskegyors´ıt´okat finansz´ıroztak sz´amunkra (egym´ast v´altogatva Amerik´ aban, Oroszorsz´ agban, valamint Sv´ ajc ´es Franciaorsz´ ag 1 A tudom´ anyos kutat´ asban term´ eszetesen nincs v´ egleges, csak ´ eppen most legjobbnak l´ atsz´ o! 2 Alland´ ´ o vit´ aban a ´llok a magyar foly´ oiratok szerkeszt˝ oivel e n´ ev ´ır´ as´ aval kapcsolatban: szerintem tulajdonn´ ev, egy bizonyos szellemi alkot´ as neve, k´ et nagy kezd˝ obet˝ uvel, szerint¨ uk viszont egy szabv´ anyos modell, kicsivel.
www.interkonyv.hu
© Horváth Dezső
i
i i
i
i
i “Horvath˙Higgs˙2013” — 2013/8/4 — 15:54 — page 10 — #10
i
i
© Typotex Kiadó
10
A Higgs-bozon
1.1. ´abra.
A Nagy hadron-¨ utk¨ oztet˝ o (Large Hadron Collider, LHC) r´ eszecskegyors´ıt´ o alag´ utja a CERN-ben, 100 m´ eterrel a f¨ old alatt. A 27 km hossz´ u k¨ orgy˝ ur˝ u 9300 m´ agnes seg´ıts´ eg´ evel tartja k¨ orp´ aly´ an az egym´ assal szemben kering˝ o protoncsomagokat. K¨ oz¨ ul¨ uk a dip´ olusm´ agnesek (1232 tokban k´ et-k´ et, egym´ assal szemben kapcsolt szupravezet˝ o m´ agnes) a protonok p´ aly´ aj´ at hajl´ıtj´ ak, a t¨ obbi m´ agnes f´ okusz´ al, gyors´ıt ´ es p´ aly´ at jav´ıt.
hat´ ar´an), hogy bebizony´ıthassuk vagy megc´ afolhassuk a Standard Modell ´erv´eny´et. Val´oban, minden alkatr´esz´et siker¨ ult 1995-ig azonos´ıtani, a Higgs-bozont kiv´eve. 2012-ben azut´an v´egre tal´altunk a vil´ag legnagyobb m´er˝ om˝ uszer´en´el, a Genf k¨ozel´eben, 100 m´eterrel a f¨old alatt, 27 km-es k¨oralag´ utban ´ep´ıtett Nagy hadron-¨ utk¨ oztet˝o (Large Hadron Collider, LHC) r´eszecskegyors´ıt´on´al (1.1. a´bra) egy u ´j r´eszecsk´et a Higgs-bozon tulajdons´ agaival (vegy¨ uk ´eszre az ´ovatos fogalmaz´ast!). A felfedez´es nemcsak a fizikusokat, a k¨ozv´elem´enyt is felvillanyozta, hiszen egy olyan r´eszecske, amelyet a vil´ag sokezer kutat´oja 40 ´evig keres, doll´armilli´ardokat k¨oltve r´a, biztosan nagyon ´erdekes. J´ o n´eh´any vicc is kering r´ ola a vil´agh´ al´ on. Mivel a Higgs-bozont eredm´enyez˝o matematikai b˝ uv´eszked´es teszi lehet˝ov´e az elemi r´eszecsk´ek t¨omeg´enek matematikai bevezet´es´et is, a viccek r´eszben a t¨omeggel kapcsolatosak, hab´ar a t´ argyak www.interkonyv.hu
© Horváth Dezső
i
i i
i
i
i “Horvath˙Higgs˙2013” — 2013/8/4 — 15:54 — page 11 — #11
i
i
© Typotex Kiadó
˝ 1. Bevezeto
11
t¨omege els˝osorban energia eredet˝ u, ´es nem a Higgs-mechanizmus k¨ ovetkezm´enye. A CERN bejelent´ese el˝ott ´es ut´ an m´asf´ele Higgs-bozonos viccek keletkeztek. El˝otte: • A b´arba bes´et´al egy Higgs-bozon. Azt mondja neki a csapos: Vigy´ azzon, mag´ at sokan keresik! • A b´ arba bes´et´ al egy Higgs-bozon. A csapos nem ´erti... • Szeretn´ek v´egre l´ atni egy j´ o Higgs-bozonos viccet. Biztosan l´etezik, de ´evekbe telhet, am´ıg r´ atal´ alunk. A megfigyel´es bejelent´ese ut´an: • A templomba bes´et´al egy Higgs-bozon. Azt mondja neki a pap: Mag´ at nem sz´ıvesen l´ atjuk itt. Mire ˝o: Pedig n´elk¨ ulem itt soha nem lesz t¨ omeg! Angolul az igazi: But without me how can you have mass?, ugyanis mass a tehetetlen t¨ omegen ´es embert¨omegen k´ıv¨ ul m´eg mis´et is jelent. • A b´arba bes´et´al egy Higgs-bozon. A csapos megk´erdezi: ´ Mi van? mire o ˝: En!. omegesen • A Higgs-bozon felfedez´ese ut´an a fizikusok t¨ u ¨nnepeltek. • Nem ´ertem, mi a csuda az, de klassz, hogy felfedezt´ek! orizni kell. A m´ ultkor is azt hittem, Higgs• Gondosan ellen˝ bozont tal´ altam az a´gyam alatt, de csak egy u ¨veggoly´ o volt! ´ csak egy a´tlagember • J´ o, hogy megvagy, Isten-r´eszecske. En vagyok, aki nem ´ert t´eged. N´egy ´evvel ezel˝ ott egy fiatal angol r´eszecskefizikus h¨ olgy, Kate McAlpine, n´eh´any vid´am koll´eg´aj´aval k´esz´ıtett Large ˝ Hadron Rap c´ımen egy klipet ´es kitette a YouTube-ra [8]. O csod´alkozott a legjobban a felv´etel hihetetlen n´epszer˝ us´eg´en, www.interkonyv.hu
© Horváth Dezső
i
i i
i
i
i “Horvath˙Higgs˙2013” — 2013/8/4 — 15:54 — page 12 — #12
i
i
© Typotex Kiadó
12
A Higgs-bozon
2012 m´ arcius´aig csaknem 8 milli´o internetez˝ot ´erdekelt. A dal vicces st´ılusban, de igencsak pontosan le´ırja az LHC fizik´aj´at, t¨obbek k¨oz¨ott a Higgs-bozon, az antianyag ´es az o˝sanyag vizsg´ alat´ at. K¨onyvemben el˝ osz¨or bevezetem a r´eszecskefizika elm´elet´et: a r´eszecsk´eket ´es k¨olcs¨onhat´asaikat, majd a Higgs-bozont l´etrehoz´o mechanizmust. Mivel az ut´obbi szimmetrias´ert´esen alapul, ´es az elm´eletben minden m´as szimmetri´akon, a bemutat´ast a szimmetri´akkal kell kezdenem. Az elm´eleti fejezetet a spont´an szimmetrias´ert´es le´ır´asa z´arja; az biztos´ıtja a neutron ´es az atommag boml´ as´ at el˝oid´ez˝o gyenge k¨olcs¨onhat´as matematikai le´ır´ as´ at. A fizika k´ıs´erleti tudom´any. Az elm´elet bemutat´asa ut´an teh´at v´azolnom kell a r´eszecskefizika k´ıs´erleti m´ odszereit: a r´eszecskegyors´ıt´ okat ´es -detektorokat, valamint az adatkezel´es m´odszereit. Ez ut´ an j¨on a l´enyeg: a Higgs-r´eszecske tulajdons´againak le´ır´asa, keres´esi m´odszerei ´es az eddig el´ert eredm´enyek. V´eg¨ ul a Z´arsz´oban a kil´at´asokat foglalom ¨ ossze. A k¨ onyv v´eg´en k´et f¨ uggel´ek tal´ alhat´ o: az els˝ oben (A) a Standard Modell megalkot´oinak ´eletrajz´at foglalom o¨ssze abc-sorrendben, a m´asodikban (B) olyan r´eszecskefizikai alapfogalmakat, amelyek k¨onyvemben t¨obbsz¨ or el˝ofordulnak, de le´ır´asuk megt¨ orn´e a sz¨ oveg logik´ aj´ at. A fizik´aban ´altal´ aban, ´es a r´eszecskefizik´aban k¨ ul¨on¨osen minden le´ır´as matematikai nyelven t¨ort´enik: egy elm´eletet akkor fogadunk el, ha annak egyenleteivel a k´ıs´erletileg m´erhet˝ o mennyis´egeket ki tudjuk sz´am´ıtani, ´es a sz´am´ıt´asok eredm´enye egyezik a m´er´esek´evel. A r´eszecskefizika meglehet˝osen bonyolult matematikai appar´ atus´at hihetetlen¨ ul egyszer˝ uv´e, ´attekinthet˝ ov´e ´es szeml´eletess´e teszi a Richard Feynman (A.6. f¨ uggel´ek) ´altal kidolgozott gr´ aftechnika, amely az egyenleteket folyamat´abr´akk´a alak´ıtja. Minden olyan elm´eletet, amely nem vezet m´erhet˝o eredm´enyekre, nem-fizikai spekul´ aci´onak tekint¨ unk. Azokt´ ol az amat˝ or fizikusokt´ol, akik azzal jelentkeznek, hogy u ´ j, a kor´abbiakn´al jobb elm´eletet dolgoztak ki valamire, azt szoktuk k´erdezni, h´any jegy pontoss´aggal egyeznek a sz´ am´ıt´asai
www.interkonyv.hu
© Horváth Dezső
i
i i
i
i
i “Horvath˙Higgs˙2013” — 2013/8/4 — 15:54 — page 13 — #13
i
i
© Typotex Kiadó
˝ 1. Bevezeto
13
a m´er´esek eredm´enyeivel. Ugyanakkor persze k¨ onyvemben a matematikai levezet´esek nem fognak szerepelni, de a vil´agh´al´on, p´eld´aul a Wikip´edi´ aban is, az ´erdekl˝od˝o olvas´o megtal´alja o˝ket, tetsz˝ oleges m´elys´egben. A r´eszecskefizikai kutat´oint´ezetek folyamatosan fejlesztik oktat´oanyagukat, itt els˝osorban a CERN angol nyelv˝ u lapjait ´erdemes n´ezni [9]. Nagyon sok ´erdekes blog is olvashat´o a r´eszecskefizik´ ar´ol angolul, itt csak n´eh´any igaz´an hiteles forr´ asra eml´ıten´ek p´eld´ at: sok r´eszecskefizikus vesz r´eszt a Quantum Diaries (Kvantumnapl´o) [10] ´es a Science 2.0 [11] vezet´es´eben, figyelemre m´elt´ o Jester [12] ´es Matthew Strassler blogja [13]. Az amerikai Particle Data Group (R´eszecskefizikai adatok csoportja) is u ¨zemeltet egy R´eszecskekaland (Particle Adventure) c´ım˝ u cikkgy˝ ujtem´enyt [14]. Magyarul Simon Tam´as (origo) u ¨zemeltet bloggy˝ ujtem´enyt a CERN f˝obb esem´enyeir˝ol [15]. 2006 ´ota minden ´ev augusztus´ aban magyar nyelv˝ u tov´abbk´epz´est szervez¨ unk hazai fizikatan´ arainknak a CERN-ben, azok lapjain [16] megtal´alhat´o az el˝oad´asok teljes anyaga, videofelv´etellel egy¨ utt.
www.interkonyv.hu
© Horváth Dezső
i
i i
i
