Fizikai Szemle honlap

Tartalomjegyzék

Fizikai Szemle 2012/10. 358.o.

HIGGS-VADÁSZAT@CERN

Pásztor Gabriella
MTA Wigner FK RMI és Genfi Egyetem

Az első lépések

Kapcsolatom a CERN-nel az Eötvös Egyetem folyosóján kezdődött, ahol egy szerény A4-es papír hirdette 1992–93 telén, hogy az Európai Részecskefizikai Kutatóintézet (CERN) nyári diákokat keres. Csilling Ákossal, akkori barátommal és mai férjemmel, rögtön kaptunk az alkalmon és jelentkeztünk.

A két hónap gyorsan elrepült a CERN-ben, ahol nem csak a részecskefizikába kaptunk betekintést, de megismerkedtük a CERN-es magyarokkal is. Ákos a CMS-kísérlet müon-triggerének szimulációján dolgozott egy lengyel fizikus irányításával, aki – talán nem véletlenül – Bencze Györggyel osztotta meg irodáját. Hamarosan megismertük Vesztergombi Györgyöt (Gyurit) is, aki felajánlotta, hogy csatlakozzunk a magyar CMS-csoporthoz. A CERN könyvtárához vezető folyosón futottunk össze először Horváth Dezsővel, akkor még nem sejtve, hogy hamarosan újra találkozunk az OPAL-együttműködésben.

Hazatérve még haboztunk, elfogadjuk-e Vesztergombi Gyuri ajánlatát, és írjuk-e a diplomamunkánkat CMS-fizikából, vagy inkább forduljunk az elméleti kutatások felé. A döntésben azután akadt egy kis segítségünk. Horváth Zalán professzor úr, amikor érdeklődtünk dolgozhatnánk-e vele, elég nyomatékosan tanácsolta: "Amennyiben tetszett maguknak a kísérleti fizika a CERN-ben és éreznek hozzá affinitást, menjenek Vesztergombi tanár úrhoz diplomázni – szükség van fiatal kísérleti fizikusokra!" Így néhány hónap múlva ismét a CERN-ben találtuk magunkat (az utazás viszontagságait Veres Gábor írása hitelesen tolmácsolja).

Mint oly sok mindenhez az életben, a jó témaválasztáshoz is kell szerencse: jó helyen lenni a megfelelő időpontban. Éppen akkoriban merült fel Magyarország csatlakozása az OPAL-kísérlethez (amit diákként én természetesen nem tudtam). Vesztergombi Gyuri a CERN kávézójában bemutatott minket Igó-Kemenes Péternek, a Heidelbergi Egyetem magyar származású kutatójának. Péter lelkesen ecsetelte a Higgs-bozon keresés kilátásait, és felajánlotta egyikünk csatlakozzon hozzájuk. Egy percig sem haboztam. A döntés megszületett: én Higgs-részecskék után fogok nyomozni a LEP (Nagy elektron-poziton ütköztető) OPAL-detektorával, Ákos pedig a jövő előkészítésén fog munkálkodni a CMS-együttműködésben. Mivel akkor még nem létezett magyar OPAL-csoport, diploma témavezetőm Péter lett, és Zimányi József professzor segített anyagi támogatást találni CERN-es utazásaimra az OTKA forrásaiból.

Mire a befejeztem diplomamunkám, amelyben töltött Higgs-bozonokat kerestem a LEP 91 GeV tömegközépponti energián gyűjtött adataiban, Magyarország hivatalosan is csatlakozott a kísérlethez. Horváth Dezső (leendő PhD témavezetőm) lelkesen vezetett be a függvényillesztés rejtelmeibe. Akadémiánk elnöke, Pálinkás József professzor úr, aki éppen műszakjait végezte a kísérletben, tanácsaival segített dolgozatom angolságának csiszolásában.

Egy kis kitérő – a Higgs-bozon

Bár az elmúlt hónapokban a sajtó sokat cikkezett a részecskefizika gráljának is nevezett részecskéről, amelynek (vagy egy hasonmásának) nyomaira bukkantunk az LHC (Nagy hadronütköztető) ATLAS- és CMS-detektoraival, talán hasznos egy pár szót szólni róla, úgy is mint történetem egyik főszereplőjéről.

A Higgs-bozon [1] – a legkeresettebb elemi részecske – 1964-ben született. Nevét Peter Higgsről, az Edinburgh-i Egyetem professzoráról kapta. Születésének körülményeiről még vitáznak, de annyit biztosan tudhatunk, hogy többen is segédkeztek (P. Higgs, F. Englert, R. Brout, G. Guralnik, C. R. Hagen, T. Kibble). Természetét tekintve bozonunk elektromosan semleges és nulla spinű. Rövid életét más részecskékre bomolva végzi. Jelenlétére csupán ezen részecskék nyomának rekonstrukciójával következtethetünk.

Fő érdeme, amely az események (akarom mondani a részecskefizikai kutatások) középpontjába juttatta, hogy felfedezése bizonyítaná a Higgs-tér létezését, amely a Standard Modell [2] szerint központi szerepet játszik az elektrogyenge szimmetria spontán sértésében [3]. Az elmélet szerint a Higgs-tér, amelynek saját vákuumbeli várható értéke nem nulla, jelen van mindenhol, még az üres térben is. Az elemi részecskék a vele való kölcsönhatástól kapják tömegüket. A Higgs-részecske, a Higgs-tér egy gerjesztése. Skalár (azaz nulla-spinű) volta miatt, fontos szerepet játszik abban, hogy a Standard Modellben bizonyos szórási folyamatok hatáskeresztmetszete (például két W-bozon kölcsönhatása) ne sértse az unitaritást.

A Standard Modell egyes kiterjesztései, például szuperszimmetrikus modellek, nem csupán egyetlen Higgs-részecskét jósolnak. Ezen modellekben legalább öt Higgs-bozon léte szükséges (3 elektromosan semleges és két ellentétes töltésű). A legkönnyebb semleges bozon viselkedésében általában a Standard Modell Higgs-bozonjára hasonlít. Egy töltött skalár részecske felfedezése azonban, a Standard Modellen túli fizika létére utalna.

Kalandok a LEP2-n

Higgs-bozont keresni mindig is kihívásokkal teli és izgalmas volt. Ahogy 1995-ben a LEP-gyorsító energiáját fokozatosan emelni kezdték, a várakozás a tetőfokára hágott, én pedig izgatottan vetettem bele magam a munkába. Igó-Kemenes Péter igen élvezetesen számol be kalandjainkról: az ALEPH-kísérlet által látni vélt, négy hadronzáport tartalmazó események lázas, majd hosszan elnyúló kutatásáról; az OPAL-detektor adataiban felbukkanó fluktuációk okozta álmatlan éjszakákról; majd a LEP végnapjaiban megjelenő Higgs-szerű események (színes 1. ábra a hátsó belső borítón) nyomán születő reményekről és belpolitikai vitákról a CERN-ben.

2000 novemberében a LEP-ütköztető sajnos befejezte Higgs-mentes, ám a gyenge Z- és W-bozonok pontos mérésében igen sikeres pályafutását. Az adatok elemzése még sokáig tartott (bármilyen hihetlen még 2012-ben is jelent meg OPAL-publikáció), de a fizikusok figyelme immár az új gyorsító, az LHC építése felé fordult. Mint oly sokan mások, én is megosztottam időm az OPAL-eredmények végső publikációja és a CMS-detektor tervezése és építése között.

Ismét a nyomon

Kalandos utam a CERN-ben (színes 2. ábra a hátsó belső borítón) 2008-ban az ATLAS-együttműködéshez vezetett. 2011 nyarán váratlanul, de nem kis nosztalgiával tértem vissza diákkori kedvencem, a Higgs felkutatásához [4]. Az előző néhány évben – egyebek között – az ATLAS-detektor elektron-rekonstrukciójának fejlesztésén dolgoztam. A 2010-es adatok felhasználásával éppen akkoriban fejeztük be az elektronrekonstrukció teljesítményét dokumentáló cikk írását, amelynek én voltam a szerkesztője.

5. ábra

A kísérleten belül mindenki a Higgs-keresésben észlelt többletről beszélt, és a CERN folyosóin izgatottan folyt a találgatás, mit lát a rivális kísérlet, a CMS. A gond csak annyi volt, hogy a legjelentősebb többletet éppen a kísérleti szempontból nagy kihívást jelentő H→WW→lν lν csatornában láttuk (színes 3. ábra a hátsó belső borítón). A fő nehézséget a neutrínók által elvitt energia és az alacsony impulzusú leptonok mérése, valamint a jelentős háttér okozza. Mivel szorított az idő (a nagy nyári konferenciák kezdetéig már alig egy hónap volt), az ATLAS vezetése úgy döntött, hogy egy szakértőkből álló csoport kezébe adja az analízis teljes átvilágítását. Az elektron-csoportból engem szemeltek ki, azonnal figyelmeztetve, hogy amennyiben vállalom a feladatot, az elkövetkező néhány hétben mindent e munkának kell alárendelni. Nem tudtam ellenállni a lehetőségnek. (Családi nyaralás elhalasztva, sürgős telefonhívás a nagyszülőknek, akik hamarosan meg is érkeztek a három apróság nagy örömére…)

A körülmények rengeteget változtak a LEP óta. Míg a LEP idejében általában egy pár fős csoport dolgozott egy-egy Higgs-analízisen, az LHC kísérleteiben még a nem divatos méréseken is 10-20 fős csoportokban dolgozunk. A Higgs-analízisekben pedig csatornánként akár több mint 100 fizikus is részt vehet. Természetesen nemcsak a kollaborációk mérete, de a feladatok bonyolultsága is nőtt, ahogy a LEP tiszta elektron-pozitron ütközéseinek vizsgálatáról áttértünk az LHC nehezen áttekinthető proton-proton eseményeire [5]. Érdemes összehasonlítani a LEP egyik legzsúfoltabb négyhadron-záport tartalmazó eseményét (1. ábra), az LHC-n észlelt legtisztább két- és négy-leptonos végállapotokkal (3. és színes 4. ábra a hátsó belső borítón).

Néhány hetes megfeszített munka után – beleértve minden reggel 8:00-kor egy bemelegítő megbeszélést, amelyen a Higgs-munkacsoport képviselőin és a szakértőkön kívül a kísérlet vezetője és fizika-koordinátorai is részt vettek, jól érzékeltetve a helyzet kiélezett voltát – készen álltunk az eredmények nyilvánosságra hozatalára. Az új részecske első nyomai a kezünkben voltak. Ekkor persze még remélni is alig mertük, hogy oly sok évnyi munka után végre a részecskefizika egyik legnagyobb felfedezése előtt állunk (és nem csupán ismét egy statisztikus fluktuáció bukkant fel a kísérleti adatokban).

Megízlelve újra a Higgs-keresés izgalmát, hamarosan két genfi diákkal együtt csatlakoztam a H→ZZ*→ll ll folyamat (4. ábra) kereséséhez. Izgalmakban aztán már nem volt hiány, hiszen nemcsak a kísérletek között, de magukon a kísérleteken belül is nagy a verseny.

Egyik fő feladatunk a háttér mérése volt. A legnehezebben megbecsülhető háttér olyan folyamatokból származik, ahol a proton-proton ütközésben egy Z-bozon mellett hadronzáporok is keletkeznek (Z+jet háttér). Ezekben a hadronzáporokban születhetnek elektronok is (például nehéz kvarkok bomlásaiból vagy fotonok elektron-pozitron párra való átalakulásából), de néha a hadronok is hagyhatnak olyan nyomot, amely kísértetiesen emlékeztet egy elektronéra. A várt háttér mennyisége, eloszlása és mérésének hibája a keresés egyik kulcskérdése. Különösen így volt ez, amikor egyre több eseményt találtunk 120-130 GeV környékén, éppen abban a négy-lepton tömegtartományban, ahol a várt háttér eloszlásának is maximuma van (5. ábra).

6. ábra

A rengeteg munka, az életteli viták végül meghozták gyümölcsüket. Az ATLAS- és CMS-detektorokkal sok-sok fizikus, mérnök és ki tudja mennyi különböző foglalkozást űző szakember munkáját dicsérve, egymástól függetlenül felfedeztünk egy új részecskét, egy bozont (azaz egész spinű részecskét), amely tulajdonságaiban nagyon hasonlít az oly sokáig keresett Higgs-bozonra. Csak több adat és további gondos analízis döntheti el, vajon tényleg rá vagy egy hasonmására akadtunk.

De álljunk meg egy percre, és térjünk vissza ahhoz a meleg nyári naphoz, amikor a két kísérlet a világ elé tárta a keresés eredményét!

Happy Higgs Day! Boldog Higgs-napot!

Július 4-én, a történelmi Higgs-szeminárium napján, kora hajnalban csörgött az óra. Az olasz diáklányom SMS-e sem késlekedett: "Most hallottam, hogy már 300-an állnak a sorban! Indulok…"

A CERN nagy előadóteremhez vezető folyosón ide-oda kígyózó, de igen rendezett sorban ültek, álltak, beszélgettek a várakozók, többnyire fizikusok és diákok (6. ábra). Hirtelen megszólalt egy sziréna. A biztonságiak is azonnal megjelentek és megpróbálták udvariasan kiüríteni az épületet. Senki sem mozdult… Egy perc múlva tűzoltók jöttek, gázmaszkban. Fényképezőgépek villogtak, de a sor rendületlenül állt. Egy idő után egy biztonsági is elővette a fényképezőgépét és többünk mulatságára immár ő fényképezett minket. A hangulat, különösen a korai órára való tekintettel, kissé szürreális volt. A fülrepesztő sziréna végül elhallgatott. A gázmaszkos tűzoltók elmentek. Mi pedig találgattuk: "Talán egy későn érkező próbált (hiábavalóan) kedvezőbb pozícióba kerülni?"

7. ábra

Valami volt a levegőben. Mindannyian éreztük. Egy prominens fizikust kísérő tv-stáb megjelenésekor hangos ovációban tört ki a tömeg… a hangulat egy rockkoncert előtti várakozást idézte.

Persze mi már nem jutottunk be a terembe. Fél órával később érkeztünk, mint az utolsó szerencsés. Az előadásokat az ATLAS-on dolgozó kollégák körében, a CERN egy előadótermében, élő közvetítésben néztük. Megható volt. Azt hiszem nem voltam egyedül, amikor diszkréten egy könnycseppet töröltem le a nagy bejelentés után. A tudomány ünnepnapja volt ez. Ahogy az egyik résztvevő mondta: "Boldog vagyok, hogy részt vehettem egy tudományos rendezvényen, amelynek hangulata egy futballmeccsével vetekedik."

Öröm volt üzeneteket, telefonhívásokat kapni nemfizikus barátoktól, ismerősöktől, akik a rádióban, tvben hallottak a felfedezésről, látni a hírt a Google Newsban, a BBC-n, a New York Times címlapján… Rövid időre, a világ számos táján főszereplő lett a tudomány.

Hogyan tovább?

Az ünnep (7. ábra) véget ért, de a munka oroszlánrésze még csak most következik. Mint említettem, ma még csak annyit tudunk mondani teljes bizonyossággal, hogy egy új részecskét, egy bozont fedeztünk fel. Vajon a Standard Modell Higgs-bozonját? Remélem, nem. Remélem, egy hasonmásához van szerencsénk. Ha így lenne, akkor megnyílna az út az "új fizika"" felé, amely remélhetőleg közelebb visz minket nyitott kérdéseink megválaszolásához. Mi az Univerzumunkat betöltő sötét anyag? Egyesíthetők-e a természetben megfigyelt kölcsönhatások? Megannyi kérdés, amelyre válaszokat keresünk a CERN-ben.

Irodalom

  1. Leon Lederman, Dick Teresi: Az isteni atom: Mi a kérdés, ha a válasz a Világegyetem? TypoTeX Kiadó, Budapest, 2000, ISBN 9637546545
  2. Horváth Dezső: A részecskefizika anyagelmélete: a Standard Modell. Fizikai Szemle 58/7 (2008) 246,
    http://fizikaiszemle.hu/77archivum/fsz0807/horvath0807.html.
  3. Trócsányi Zoltán: Az eltűnt szimmetria nyomában – a 2008.évi fizikai Nobel-díj. Fizikai Szemle 58/12 (2008) 417,
    http://www.kfki.hu/fszemle/archivum/fsz0812/trocs0812.html.
  4. Trócsányi Zoltán: A Standard Modell Higgs-bozonja nyomában az LHC-nál. Fizikai Szemle 57/8 (2007) 253,
    http://www.kfki.hu/fszemle/archivum/fsz0708/trocsanyi0708.html.
  5. Trócsányi Zoltán: A kvantum-színdinamika szerepe nagyenergiájú részecskeütközések értelmezésében. Fizikai Szemle 57/3 (2007) 73,
    http://www.kfki.hu/fszemle/archivum/fsz0703/trocsanyi0703.html.

1. ábra . ábra
3. ábra


4. ábra