1999/2.

Kitekintés

SUSY, a fantasztikus

Az elemi részecskék világát, a természet erőit ma legátfogóbban leíró fizikai modell a Standard Modell (SM). Ámbár jól írja le kísérleti tények sokaságát, a modell egyszerű formájában teljesen téves, a mindennapi tapasztalással is ellentétes állítást is tartalmaz. Az egyszerű SM szerint a részecskéknek a fotonokhoz hasonlóan nincsen tömegük, a tömegük nulla. A problémára Higgs angol fizikus talált elméleti megoldást, az általa bevezetett, a nevét viselő Higgs-bozonok adnak tömeget a részecskéknek. A Higgs-bozont mindeddig nem sikerült kísérletileg kimutatni. Az SM jól leírja a kölcsönhatásokat az elektronok, a kvarkok mérettartományában, de ha még kisebb, a nullához közeli távolságokon akarják a részecske-kölcsönhatásokat számolni, akkor végtelen mennyiségek jelennek meg, például értelmezhetetlen, végtelen lesz a tömeg. Az SM a renormalizáció nevű eljárással segít ezen a gondon, amelyben a végtelen mennyiséget egy szintén végtelen, de ellentétes előjelű mennyiség semlegesíti, azonban az SM részecskéknek szimmetria okokból nem lesz végtelen a tömege. A Higgs-bozon nem rendelkezik ilyen szimmetriával, ezért az SM számításokban a távolság csökkenésével egyre nehezebb és nehezebb Higgs-részecske adódik.

Erre a problémára is akadt elméleti megoldás: legyen a Higgs-részecske is szimmetrikus, így kapható egy Higgsino nevű pár, amely - a spinjét kivéve - mindenben azonos vele. (A spin vagy perdület a részecskék egyik kvantummechanikai jellemzője, másra vissza nem vezethető tulajdonsága.) A Higgsino gondoskodik arról, hogy a Higgs-részecske ne lehessen túl nehéz. Az elméletet, amely a szuperszimmetria nevet viseli (szokásos angol rövidítése és beceneve SUSY), mintegy húsz éve kezdték kidolgozni.

A szuperszimmetria elmélet nem csak a Higgs-részecskének teremtett párt, hanem valamennyi részecske kapott egy vele, a spint kivéve mindenben megegyező, szuperszimmetrikus partnert. A szuperszimmetrikus részecskék egy része a szokásos neve elé egy s betűt kapott, az elektron párja a selektron lett, a kvarké a skvark. Mások, mint a Higgs-részecske, ino végződést kaptak, így született a foton partnere a fotino, a gluon mellé a gluino és így tovább. Ha igaz a szuperszimmetria, akkor mindeddig csak a részecskék felét ismertük meg, a másik fél még felfedezésre vár.

A SUSY elmélet joggal érdemelte ki a fantasztikus, megdöbbentő jelzőket, bár hasonlóan merész elképzelések már egyszer születtek a modern fizika történetében. Az 1930-as években P.A.M Dirac a kvantummechanikát és a relativitáselméletet csak úgy tudta összeegyeztetni, hogy olyan egyenletet írt fel, amely szerint minden részecskének létezik egy testvére. Ezek a testvérpárok csak töltésükben különböznek egymástól, minden más jellemzőjük megegyezik. Hamarosan kimutatták a rejtélyes testvérrészecskék, az antirészecskék létezését. Ma épp oly közönségesek és megszokottak, mint amilyen egzotikus furcsaságok voltak egykor.

A spartner részecskék jobban elrejtőztek, mint az antirészecskék. Nyilvánvaló, hogy ha a tömegük és a töltésük azonos lenne jól ismert párjukéval, akkor már régen megtalálták volna őket. De mindeddig egyet sem észleltek, ezért a szuperszimmetria nem érvényesül a teljességében, sérül a szimmetria, valami miatt a srészecskék nagyon eltérnek a részecskéktől. Az elmélet szerint nagyon nagy - a mai részecskegyorsítók energiáját jóval meghaladó - energiákon természetes jelenség ez a szimmetriasértés. A szuperszimmetrikus párok tömege nagyon eltérhet egymástól, és valamilyen módon a párok ismeretlen felének kapcsolatban kell állnia az ismert részecskékkel. Ez a kölcsönhatás nem ismert, talán a gravitáció közvetíti, vagy a fotonhoz és a gyenge kölcsönhatást közvetítő bozonokhoz hasonlóan egy részecske repked oda-vissza és közvetíti a kölcsönhatást.

A szuperszimmetria elmélete nem adja meg pontosan a skvarkok, sleptonok tömegét. Így nem kell pusztán azért elvetni az elméletet, mert még nem találtak srészecskéket. Tetszőlegesen nagy viszont nem lehet a tömegük, a tömegek nagysága durván megbecsülhető. A mai részecskegyorsítók éppen ennek a tömegtartománynak a határán vannak. (Minél nagyobb a részecskegyorsítóban az ütközések energiája, annál nagyobb tömegű részecskék keletkezhetnek.) A srészecskék, talán a legkönnyebbeket kivéve, nem stabilak, más srészecskékre vagy az ismert kvarkokra, leptonokra bomlanak. Ha az ismert részecskékre bomlanak, akkor nagyon nehéz az ilyen folyamatokat a szokásos SM-folyamatoktól megkülönböztetni.

A folyamatok energiamérlegéből is következtetni lehet srészecske megjelenésére. Az ilyen mérés rendkívül nehéz, mivel minden más lehetőséget ki kell előbb zárni az energiamérleg hiányából, csak ezután lehet a legkönnyebb, semleges srészecske ott jártára következtetni. Ez a részecske a kozmológusokat is érdekli, tökéletes hordozója lehetne a világegyetem sötét anyagának. (A világegyetem anyagának csak mintegy 10%-a világít, bocsát ki elektromágneses hullámokat. Ezt észleljük, a többi ismeretlen sötét anyag, amelynek a srészecskék mellett sok más hordozója is elképzelhető) Az elméleti fizika egyik nagyon ambiciózus célokat kitűző ágának, a húrelméletnek a művelői is várják a srészecskék laboratóriumi észlelését. (Ők az összes fizikai kölcsönhatás egyesített elméletének megalkotására törekszenek, a részecskéket pont helyett parányi, húrszerű tárgyként kezelik a számításokban.) A húrelmélet ellenőrzése nagyon nehéz, mert a húrok csak elképzelhetetlenül nagy energiákon "léteznek", viszont a húrelmélet is megjósolja a szuper-szimmetriát.

A következő évtizedben a Tevatron gyorsító a Fermi laboratóriumban vagy a még nagyobb, a genfi CERN-ben épülő Large Hadron Collider (nagy hadron ütköztető) már alkalmas lehet a szuperszimmetria jeleinek a kimutatására. Ha nem találnak srészecskét, akkor új megoldást, új magyarázatot kell találni arra jól ismert tényre, hogy a részecskék túlnyomó többségének nem nulla a tömege.

Fermi News (az amerikai Fermi Nemzeti Gyorsító Laboratórium lapja), 1998. június 5.

(Jéki László)


<-- Vissza az 1999/2. szám tartalomjegyzékére