A Standard Modell vége? Olyan részecskéket észleltek a CERN-ben, amiknek nem kellene létezniük

A genfi CERN monumentális földalatti alagútjaiban, ahol a protonok a fénysebességhez közeli tempóval száguldanak egymás felé, valami olyasmi...

A genfi CERN monumentális földalatti alagútjaiban, ahol a protonok a fénysebességhez közeli tempóval száguldanak egymás felé, valami olyasmi történik, ami alapjaiban rengetheti meg mindazt, amit a világegyetem működéséről eddig gondoltunk.

A fizikusok évtizedek óta egyfajta "szentírásként" tekintenek a Standard Modellre, amely bámulatos pontossággal írja le az elemi részecskéket és az őket irányító kölcsönhatásokat. Azonban a Nagy Hadronütköztető (LHC) legfrissebb kísérleti adatai szerint ez a több mint fél évszázada uralkodó elmélet repedezni kezdett. Úgy tűnik, létezik egy "felfedezetlen fizika", amely a látható világunk kulisszái mögött rejtőzik, és amelynek létezésére most minden korábbinál erősebb bizonyítékok utalnak.

A tudományos világot lázba hozó eredményekről William Barter, az Edinburgh-i Egyetem kutatója és Mark Smith, az Imperial College London munkatársa számolt be nemrégiben. Tanulmányuk, amely a rangos Physical Review Letters folyóiratban kapott helyet, olyan anomáliákat részletez, amelyek ellentmondanak a Standard Modell jóslatainak. (1) Ha ezeket a megfigyeléseket sikerül véglegesen megerősíteni, az nem kevesebbet jelentene, mint a modern fizika egyik legnagyobb paradigmaváltását, egy olyan új korszak kezdetét, amelyben végre választ kaphatunk a sötét anyag vagy a gravitáció mikroszkopikus természetének kérdéseire is.

Ahhoz, hogy megértsük a felfedezés súlyát, érdemes felidézni, mit is jelent a Standard Modell. Ez a keretrendszer az univerzum építőköveit és a köztük ható négy alapvető erőt – a gravitációt, az elektromágnesességet, a gyenge és az erős kölcsönhatást – hivatott egységbe foglalni. Noha a modell szinte minden eddigi mérésnél kitűnően vizsgázott, a fizikusok régóta tudják, hogy a történet nem kerek. A Standard Modell ugyanis néma marad, amikor a gravitáció kvantumszintű leírásáról vagy a világegyetem tömegének jelentős részét alkotó sötét anyagról van szó. Olyan ez, mint egy gyönyörű térkép, amelyről azonban egész kontinensek hiányoznak.

A kutatók az LHC-t használják arra, hogy a részecskék ütköztetésével olyan szélsőséges körülményeket teremtsenek, amelyek közvetlenül az ősrobbanás utáni pillanatokra emlékeztetnek. Ezekben a nagy energiájú pillanatokban olyan instabil és ritka részecskék jönnek létre, amelyek a hétköznapi világunkban nem léteznek, de viselkedésük elárulja a természet legmélyebb titkait. A figyelem középpontjába most az úgynevezett B-mezonok bomlása került. Ezek a szubatomi részecskék különösen alkalmasak arra, hogy "tesztbábuként" szolgáljanak a fizika törvényei számára.

Az LHCb detektor adatai alapján a fizikusok egy rendkívül ritka folyamatot, az úgynevezett "elektrogyenge pingvin-bomlást" vizsgálták. A név onnan ered, hogy a folyamatot leíró Feynman-diagramok távolról egy pingvin alakjára emlékeztetnek. Ezen folyamat során egy "szépség-kvark" (beauty quark) alakul át "különös-kvarkká" (strange quark). A Standard Modell szerint ez a transzformáció elképesztően ritka: egymillió B-mezon közül mindössze egyetlen egynél várható, hogy ilyen módon bomoljon le, végtermékként két müont, egy kaont és egy piont hagyva maga után.

A meglepetést az okozta, hogy a kísérleti adatok nem vágtak egybe az elméleti számításokkal. A mérések szerint a részecskék bomlási gyakorisága és szögeloszlása eltér attól, amit a Standard Modell diktálna. Bár a CMS detektor mérései kevésbé precízek, mint az LHCb adatai, az eredmények összhangban vannak egymással, ami tovább erősíti a gyanút: valami nincs rendben az eddigi ismereteinkkel. A "pingvin-folyamatok" azért is különlegesek, mert rendkívül érzékenyek olyan nehéz részecskék hatására, amelyeket még az LHC sem képes közvetlenül előállítani. Ezek a hipotetikus részecskék – mint például a leptokvarkok – virtuálisan jelenhetnek meg a bomlási folyamat köztes fázisaiban, megváltoztatva annak kimenetelét.

Barter és Smith kiemelik, hogy ezek a mérések lehetővé teszik a természet olyan tartományainak felfedezését, amelyekhez egyébként csak a 2070-es évekre tervezett, még hatalmasabb részecskegyorsítókkal férhetnénk hozzá. Ez olyan, mintha egy messzelátóval bepillantást nyernénk a jövő technológiája által elérhető messzeségekbe. A tudósok szerint az anomáliák magyarázatára több elmélet is létezik.

Az egyik legnépszerűbb teória a már említett leptokvarkok létezését feltételezi, amelyek hidat képeznének a kvarkok és a leptonok (például az elektronok és müonok) világa között. Egy másik lehetőség még nehezebb, eddig ismeretlen típusú részecskék jelenléte, amelyek a Standard Modell keretein belül maradnának, de jelentősen módosítanák annak dinamikáját.

A felfedezés izgalma ellenére a kutatók óvatosságra intenek. A részecskefizikában a véletlen nagy úr, és ahhoz, hogy hivatalosan is "felfedezésről" beszélhessünk, az adatoknak el kell érniük az úgynevezett 5 szigma statisztikai szignifikancia szintet. Jelenleg még nem tartunk itt, de az irány egyértelmű. 2011 és 2018 között mintegy 650 milliárd B-mezon bomlását rögzítették, de a legújabb mérési ciklusokban már háromszor ennyi adat áll rendelkezésre, amelyeket jelenleg is elemeznek.

Az LHC tervezett fejlesztései a következő évtizedekben még nagyobb adathalmazokat tesznek majd elérhetővé. Ez a hatalmas mennyiségű információ végre pontot tehet a vita végére: vajon csak statisztikai ingadozásról van szó, vagy valójában az univerzum egy újabb rétegének feltárulását láthatjuk?

Ha a Standard Modell valóban elbukik ezen a teszten, az nem kudarc lesz, hanem a tudomány diadala. Hiszen minden egyes alkalommal, amikor egy régi elmélet szűkösnek bizonyult, az emberiség közelebb került a valóság mélyebb megismeréséhez – Newton mechanikájától Einstein relativitáselméletéig a tudomány fejlődését mindig a felfedezés hajtotta előre.

A genfi kísérletek tehát nem csupán elvont matematikai képletekről szólnak. Arról szólnak, hogy miből állunk mi magunk, és milyen láthatatlan erők tartják egyben a csillagokat és a galaxisokat. Ha Barter, Smith és munkatársaik sejtése beigazolódik, a fizika tankönyveit hamarosan újra kell írni, és az emberiség egy lépéssel közelebb kerülhet a mindenség végső elméletéhez.

Addig is, a "pingvin-bomlások" továbbra is izgalomban tartják a tudományos közösséget, emlékeztetve minket arra, hogy a természetnek még mindig vannak olyan titkai, amelyek csak arra várnak, hogy egy kis svájci alagútban fény derüljön rájuk. (2)

(1) - https://journals.aps.org/prl/accepted/
(2) - https://theconversation.com/our-larg