Magyar Tudomány, 2006/5 550. o.

Bemutatkozik az MTA XI. osztálya


Szuperszimmetrikus részecskék keresése a CERN-ben1

Horváth Dezső

MTA doktora, tudományos tanácsadó

KFKI RMKI, Budapest, ATOMKI, Debrecen

horvath @ sunserv.kfki.hu

1. A Standard Modell és a szuperszimmetria

A szimmetriák a részecskefizikában még fontosabb szerepet játszanak, mint a kémiában vagy a szilárdtestfizikában. Amíg az utóbbiakban az anyagok fontos tulajdonságai vezethetők vissza a különböző atomi, molekula- és kristályrács-szimmetriákra, a részecskefizikában gyakorlatilag minden a szimmetriákból (vagy azok sérüléséből) származik: az összetett részecskék szerkezetén kívül a megmaradási törvények, a kölcsönhatások, sőt a részecskék tömege is.

A részecskefizika Standard Modellje (SM) immár több mint harmincéves. Alapvető alkatrészei a kétszer három pár pontszerű fermion, a leptonok és a kvarkok, és a három helyi szimmetria, amelyből a három kölcsönhatás és tizenkét közvetítő bozonja (a foton, a három gyenge bozon és a nyolc gluon) származtatható a szimmetriasértő Higgs-tér áldásos közreműködésével, amely utóbbi melléktermékeként megjelenik a Higgs-bozon. A leptonok közé tartozik az elektron és a neutrinók, és a kvarkok alkotják az összes erősen kölcsönható részecskét, mint a proton, a neutron vagy a mezonok.

A Standard Modell helyességét számtalan kísérleti megfigyelés igazolja. Mindjárt születésekor számszerűen megjósolta a gyenge bozonok tömegét és más tulajdonságait, amit a kísérlet később teljes mértékben igazolt (Carlo Rubbia és társai, Nobel-díj, 1984). A létrehozása óta eltelt csaknem harminc év alatt a kísérlet minden jóslatát teljes mértékben igazolta, semmiféle olyan megfigyelésünk nincs, amely ellentmondana neki. A Higgs-bozon kivételével valamennyi alkatrészét megfigyeltük, utoljára a legnehezebb kvarkot, és a Természet vakon engedelmeskedni látszik neki. Még az az új megfigyelés sem mond igazán ellent a Standard Modellnek, hogy a neutrínóknak lehet némi (igen kicsi) tömegük. Valahányszor egy-egy kísérleti eredmény hibahatáron kívül eltér a SM által számítottól, felbolydulnak a kedélyek, és elméleti cikkek tucatjai igyekeznek a SM-től eltérő, alternatív megoldást kínálni az eltérés feloldására. Sajnos ezidáig a mérések és számítások pontosításával ezek az eltérések rendre eltűntek.

De miért sajnos? Miért nem vagyunk boldogok, hogy a mikrovilág problémaköre megoldott, és térünk át más tudományterület művelésére? Mi szükség van még gyorsítókra, és egyáltalán részecskefizikusokra, ha egyszer ilyen, mindent helyesen leíró elmélettel rendelkezünk? A válasz a Standard Modell nevében rejlik: nem teljes elmélet, csak modell, amelyről nem igazán értjük, miért működik ilyen jól. Három remek elméletet, a három kölcsönhatásét, jó néhány szabad paraméterrel ellátva összeházasítottunk; megfejeltük egy ad hoc Higgs-mechanizmussal, mert különben nem működik; mesterségesen hozzátettük a fermionok tömegét, és annak örülünk, hogy mindezt hagyja, azaz nem vezet elméleti ellenmondásokra. Nem sikerült még észlelnünk a modell kulcsfiguráját, a Higgs-bozont, amelynek léte és tulajdonságai bizonyítanák a Standard Modell érvényét. A SM jó pár belső elméleti problémája mellett vannak jelei annak, hogy a Standard Modell mögött egységes, mélyebb elmélet lehet. Erre vall az a megfigyelés, hogy a három kölcsönhatás erőssége, azaz csatolási állandója az energia növelésével hasonló érték felé tart, tehát mintha egy univerzális kölcsönhatásra lennének visszavezethetők. Rengeteg problémát vet fel az asztrofizika is: nem értjük, miért nincs az Univerzumban jelentős mennyiségben antianyag, és nem tudni, mi alkotja a Világegyetem tömegének túlnyomó részét adó sötét anyagot és sötét energiát. Ráadásul, a gravitáció egyáltalán nem illik bele a Standard Modellbe, nem vezethető be lokális mértékszimmetriával.

Kiküszöbölendő a fenti problémákat, az elmúlt három évtizedben a Standard Modellnek számos kiterjesztése született, és a jövő kísérleteinek kell döntenie, melyik írja le közülük helyesen a mikrovilágot. Közülük a részecskefizikusok körében ma a szuperszimmetria (SUSY) a legnépszerűbb, bár igazát egyelőre semmiféle kísérleti megfigyelés nem bizonyítja. Szimmetriát feltételez a fermionok és bozonok között, tehát azt, hogy minden ismert fermionnak és bozonnak van szuperszimmetrikus partnere: a feles spinű leptonoknak és kvarkoknak zérus spinű szleptonok és szkvarkok, a kölcsönhatásokat közvetítő, egyes spinű bozonok (a foton, a W+, W-, Z gyenge bozonok és a nyolc gluon) szuperpartnerei a feles spinű fotínó, wínó, zínó és a gluínók, a zérus-spinű Higgs-bozoné pedig az ugyancsak feles spinű higgszínó. A feltételezett szuperszimmetria alacsony energián természetesen sérül, hiszen szuperpartnereket az eddigi gyorsítóknál nem láttunk, ha tehát egyáltalán léteznek, a tömegüknek a közönséges részecskékénél sokkal nagyobbnak kell lenniük.

A Standard Modell lehető legegyszerűbb szuperszimmetrikus kiterjesztése, a Minimális Szuperszimmetrikus Standard Modell (MSSM) az elmélet csaknem valamennyi problémáját tetszetősen megoldja, de igen nagy áron: a rengeteg új részecske mellett igen sok új paraméter bevezetésével. Az utóbbi években érdekes versenyfutásnak vagyunk tanúi a kísérleti és elméleti kutatók között: a kísérletiek hiába igyekeznek megfigyelni a megjósolt új szuperpartnereket, és eközben mind nagyobb részeket zárnak ki a lehetséges paraméterértékek terében; eközben az elméletiek, számításaik, modelljeik finomításával egyre növelik az elméleti alapon megengedett és kísérletileg még nem tanulmányozott paramétertartományokat.

2. Az LHC CMS-együttműködése

A CERN Nagy Hadron-ütköztetője (Large Hadron Collider - LHC) várhatóan 2007-ben kezd működni, és 2008-tól szolgáltat majd új kísérleti adatokat. Elsődleges célja a Higgs-bozon (bozonok) és az esetleges SUSY-részecskék megfigyelése. Négy óriási detektora közül kettőben vesz részt jelentős magyar csoport: a nehézion-ütközésekre szakosodott ALICE (A Large Ion Collider Experiment) kísérletben Lévai Péter (RMKI) vezetésével, és az általános célú (mind proton-proton, mind Pb-PB ütközések analízisére készülő) CMS (Compact Muon Solenoid) kísérletben, amelynek magyar csoportját Vesztergombi György (RMKI) vezeti. Az említett két kísérletben magyar részről az ATOMKI, a Debreceni Egyetem Kísérleti Fizikai Tanszéke, az Eötvös Loránd Tudományegyetem Atomfizikai Tanszéke és az RMKI kutatói vesznek részt.

A CMS és az ATLAS, a másik részecskefizikai LHC-kísérlet, a világ legnagyobb együttműködései, egyenként több mint kétezer kutató vesz részt bennük. Ellentétben a négy néhai LEP-kísérlettel, amelyek hasonló felépítésű detektorokkal rendelkeztek, az ATLAS és a CMS egészen más megoldásokkal igyekszik az LHC működése során észlelt valamennyi érdekes eseményt feldolgozni. Az alapelv természetesen ugyanaz: kiválasztani a másodpercenkénti mintegy 800 millió proton-proton ütközésből2 azokat, amelyek új fizikával kecsegtetnek, meghatározni és regisztrálni az azokban keletkező valamennyi részecske típusát, pályáját és energiáját. A részecskefizikai detektorok manapság mind mágneses kaloriméterek: a mágneses térben görbült pálya segít a részecske töltésének, tömegének és sebességének (ez az LHC-energiákon már többnyire fénysebesség) meghatározásában. A kirepülő részecskék pályáit az ütközési pont közelében finomfelbontású félvezető detektorok vagy sokszálas számlálók mérik, mögöttük a fotonok és elektronok teljes elnyelését szolgáló (és így az energiájukat mérő) elektromágneses kaloriméter, majd a mezonokat és nukleonokat elnyelő hadron-kaloriméter található. A gyors müonok nem állíthatóak meg, ezért a detektorokat kívülről müonkamrák veszik körül.

Az 1. ábra a detektor egyes részeinek funkcióját illusztrálja a különböző részecskefajták észlelési módjával. Mágneses terét a világ pillanatnyilag legnagyobb szupravezető szolenoidja biztosítja: a 6 méter átmérőjű, 13 m hosszú hengerben 4 T mágneses tér lesz, és több vas veszi körül, mint amennyi a párizsi Eiffel-toronyban van. Nyomkövető rendszeréhez valóságos tudományos tragédia kapcsolódik: különböző országok laboratóriumaiban mintegy hetven kutató dolgozott több mint tíz éven át a CMS belsejébe szánt MSGC (microstrip gas chamber) kidolgozásán, de mire a gyártásról kellett dönteni, a félvezető eszközök ára annyira lement, hogy a kitűnő fejlesztés ellenére a kollaboráció úgy döntött: a sokkal egyszerűbben üzemeltethető félvezető-detektorokból építi meg. Az elektromágneses kaloriméter 80 ezer ólom-volframát kristályból áll, a hadron-kaloriméter pedig orosz hadihajók lövedékhüvelyeiből visszanyert rézbe ágyazott szcintillátor-lapokból.3

A CMS-detektorhoz kétféle magyar hozzájárulás is történt. Az RMKI az egészen előreszórt részecskék észlelésére szolgáló Very Forward kaloriméter megépítésében segédkezett a munka valamennyi fázisában: ehhez, például, többtonnás acélhasábok lyukaiba kellett többméteres kvarcszálakat dugdosni. Debreceni kutatók készítették elő és szerelik fel a müonkamrák pozicionáló rendszerét, amihez az L3 LEP-kísérletben szerzett tapasztalataikat hasznosították: a hatméteres kamrák szálainak helyzetét, a részecskepályák megfelelő rekonstrukciója végett, tizedmilliméteres pontossággal kell meghatározni.

A másik óriási LHC-detektor, az ATLAS egészen más megoldásokat tartalmaz. A legnagyobb különbség a mágnesek között van: amíg a CMS a hagyományos szolenoid köré épül, az ATLAS belső szolenoidját óriási toroidmágnesek veszik körül, lényeges vasárnyékolás nélkül. Emiatt az ATLAS térfogata nyolcszor akkora, mint a CMS-é, de a CMS kétszer nehezebb, a teljes súlya 12 800 tonna. Az ATLAS-t a föld alatt szerelik össze, amíg a CMS-t a felszínen; a tesztek után viszont kétezer tonnás darabokban fogják a száz méter mély üregbe engedni. Ez utóbbi művelet sem egyszerű: légpárnán csúsztatják az üreg vasbeton fedelére, és ott emeli meg a daru, hogy a fedelet szétnyitva leereszthessék, majd megint légpárnán tolják a helyére.

3. Részecskekeresés

Az LHC 40 MHz-es adatfolyama természetesen feldolgozhatatlan, több egymást követő számítógépes szűrőrendszer redukálja 100 kHz-re, majd 100 Hz-re, amelyet a petabájtos tároló már képes kezelni. Az adattárolást és -feldolgozást a CERN az LHC Computing Grid (LCG) programmal oldja meg, amelynek fejlesztésében magyar részről a Magyar Grid Kompetencia Központ öt intézménye, a BME, ELTE, NIIFI, RMKI és SZTAKI vesz részt. Az LCG központja a CERN, az alapvető adattárolás egy tucat elsődleges LCG-központban (Tier-1) történik majd, mi a karlsruheihez tartozunk, a másodlagos központokban (Tier-2) folyik majd az adatfeldolgozás és szimuláció, erre Magyarországon az RMKI LCG-központja4 szolgál majd, amely pillanatnyilag száz processzorral és 3,5 terabájtnyi tárolókapacitással rendelkezik. Jelenleg az LHC-kísérletek szimulációját, valamint biológiai, szilárdtestfizikai és gravitációs számításokat végeznek rajta.

A protonütközések túlnyomó része egyszerű szóródás lesz, az érdekes eseményekben tehát a nyalábra merőleges aktivitást kell keresnünk. Mivel a feltételezett szuperszimmetria kvantumszáma megmarad, ha egy proton-proton ütközésben keletkezik szuperszimmetrikus részecske-antirészecske pár, azok bomlási lánca végén megjelenő legkönnyebb semleges SUSY-részecske (LSP) stabil, nincs hova bomlania, és elszáll. Ha felösszegezzük a nyalábra merőlegesen észlelt részecskék impulzusát, zérushoz közeli értéket kell kapnunk, SUSY-keletkezés azonban nagy hiányzó transzverzális impulzust jelent, ez a SUSY-keresés elsődleges válogatási elve. A SUSY-részecskék azonosítása már sokkal bonyolultabb a rengeteg különböző modell miatt. Elméleti kollégáinkkal együttműködésben ezért kiválasztottunk jellegzetes paraméteregyütteseket, és az analíziseket azokra igyekszünk érzékenyíteni.

Az elszálló LSP nemcsak hiányzó impulzust jelent, hanem hiányzó tömeget is. A bomló részecske tömegét a bomlástermékek impulzusaiból rekonstruált invariáns tömeg adja; ha valamelyik bomlástermék eltűnik, az szakadást jelent a tömegspektrumban. A 2. ábra ilyen jellegzetes tömeglevágást mutat egy szimulált SUSY-eseményre, ahol a két töltött lepton impulzusából számított invariáns tömeg hirtelen levág a két semleges SUSY-részecske tömegkülönbségének megfelelő értéknél.

A CMS-együttműködésnek az LHC indulásakor készen kell állnia a kísérleti adatok feldolgozására, az analízis algoritmusait addigra részletesen ki kell dolgozni. 2006 őszére el kell készülnünk a részletes fizikai tervvel (Physics Technical Design Report), amely két kötetben összefoglalja az alapvető fizikai feladatok megoldását. Csoportunk a bécsi Nagyenergiájú Fizikai Intézettel együttműködésben a szuperszimmetrikus részecskék keresésébe kapcsolódott be, és első lépésként a top kvark SUSY-partnerének (sztop) keresésére dolgozunk ki algoritmust. Bizonyos MSSM-paraméterek mellett nagyszámú gluinó keletkezése várható, amelyek nagy valószínűséggel bomlanak top-kvarkra és sztopra. A top-kvark azonosításával meg tudjuk jelölni a sztopot, amely leptonra és kvarkra bomlik hiányzó impulzus mellett, az energiahiány megkövetelése pedig segít a protonütközésnél nagy számban keletkező top-antitop kvarkpárok háttere ellen. A számításokat az LCG-rendszeren kell végeznünk, mert a szimulációs adatbázisokat a legkülönbözőbb helyeken, a CERN-en kívül amerikai, olasz, spanyol, francia és német számítóközpontokban tárolják: a Grid-szoftver megkeresi a specifikált adatbázis lelőhelyét, a programot ott futtatja, és az eredményt visszajuttatja a feladónak.

Kulcsszavak: szuperszimmetria (SUSY), Standard Modell, Higgs-bozon, CERN

1 A munka támogatói a T042864 és T046095 OTKA-pályázat, valamint a TOK509252 Marie Curie-projekt.

2 A protoncsomagok 25 ns-os időközönként követik egymást, a gyorsító teljes kapacitása idején ütközésenként mintegy húsz proton-proton kölcsönhatás várható (http://lhc.web.cern.ch/lhc/).

3 Rengeteg érdekes adat, fénykép, ábra és videofilm látható a CMS-együttműködés nagyközönségnek szóló honlapján: http://cmsinfo.cern.ch/Welcome.html/

4Az RMKI LCG-központ honlapja: http://www.grid.kfki.hu/?lcg&lcgwelcome

1. ábra * A CMS-detektor nyalábra merőleges szelete és a különböző részecskék észlelése. A töltött részecskék görbült nyomát kirajzolja a nyomkövető (tracker). Az elektronokat és fotonokat az elektromágneses kaloriméter teljesen elnyeli, amíg a gyors müonok és pionok alig hagynak energiát benne. A hadronokat elnyeli a hadron-kaloriméter, a gyors müonok kétfelé görbülő pályáját pedig a vasrétegek közé helyezett müonkamrák követik (http://cmsinfo.cern.ch/outreach/CMSdocuments/DetectorDrawings/Slice/CMS_Slice.gif ).

2. ábra * Szimulált SUSY-keresés a CMS-nél. A legkönnyebb SUSY-részecskét (LSP) nem észleljük, ezért amikor a második legköny-nyebb semleges neutralinó leptonpárra és az LSP-re bomlik, a két lepton invariáns tömege éles levágást mutat a két SUSY-részecske tömegkülönbségénél.


<-- Vissza a 2006/5 szám tartalomjegyzékére


<-- Vissza a Magyar Tudomány honlapra