Előfizetés a lapra

Sötét gyanúsítottak a CERN-ben

A hét kutatója, CERN, fizika, interjú, részecskefizika, sötét anyag

2016/05/12

A galaxisokat egyben tartó sötét anyag és sötét energia részecskeszintű leírása, felfedezése még várat magára – bár lehet, hogy nem sokáig. Ahogy arról tavaly decemberi utolsó számunkban hírt adtunk, Krasznahorkay Attila, az Atomki Tandetron gyorsítót működtető egységének vezetője nemrégiben olyan esemény-többletet talált, ami a gyanú szerint sötét anyag jelenlétére utalhat. De van egyfajta „gyanúsítottja” a CERN CMS kísérletében részt vevő Karancsi János csoportjának is.

 

– Úgy tudom, először szilárd­test­fi­zi­ká­val foglalkozott, és csak később tért át a részecskefizikára. Miért és hogyan történt ez?

– Tanulmányaimat a Leeds-i Egyetemen végeztem, ahol vékonyfilm-rétegekkel, azon belül is szupravezető mágnesekkel foglalkoztam. Bár ez ilyen formában szilárdtestfizikai téma, mégis valódi érdeklődési területemhez, a részecskefizikához vitt közel, hiszen, szupravezetők nélkül a részecskék ütköztetése, megfigyelése elképzelhetetlen volna. 2010-ben sikerült is magyar CERN-es kutatókkal kapcsolatot létesítenem, majd biztatásukra beadtam PhD-jelentkezésemet a Debreceni Egyetemre, ahová felvételt nyertem. Szuperszimmetrikus részecskék keresését célzó kutatásaimat jelenleg Trócsányi Zoltánnak, a DE Kísérleti Fizikai Intézetének igazgatójának, illetve Veszprémi Viktornak, a Wigner Fizikai Kutatóközpont csoportvezetőjének a témavezetése mellett végzem. Emellett az Atomki tudományos segédmunkatársaként dolgozom a CERN-ben, ahol fizikakeresések mellett csoportommal a pixeldetektor kalibrációját és adatainak rekonstrukcióját végezzük. A körülbelül húszfős csapat feladatainak koordinálását végzem egy tapasztalt kutatótársammal közösen, amely a nyomkövető rendszer projektjének egyik fontos alcsoportja. Habár évente több hónapot tartózkodom a CERN-ben, az ilyen feladatok java része, mint például a detektor bizonyos kalibrációi akár itthonról is elvégezhetők.

– A szuperszimmetria jelenleg a fizika egyik legizgalmasabb kutatási területének számít. Mi ez tulajdonképpen, és miért izgatja ennyire a fizikusokat?

– A szuperszimmetria az ismert szimmetriák, mint például a tér-, az idő- vagy más belső szimmetria olyan kiterjesztése, amely kapcsolatot teremt az egész spinű bozonok és a feles spinű fermionok között. A részecskefizika standard modelljének négy dimenzióján túl bevezetünk egy ötödik teret, ami lehetővé teszi, hogy minden ismert részecskének legyen egy hasonló tulajdonságú, úgynevezett „szuperpartnere”. Mivel ilyen részecskéket eddig még nem találtunk, ezért azok, ha léteznek, több paraméterükben, például a tömegükben is eltérnek majd ismert párjaiktól, tehát a szimmetriának biztosan sérülnie kell.

– Mit mondana a világról, milyen információt tenne hozzá jelen tudásunkhoz a szuperszimmetrikus részecske vagy részecskék felfedezése?

– A standard modell által jósolt részecskék számát gyarapítaná, egyben lehetőséget nyitna megtalálni egy a jelenleginél magasabb rendű elmélet részleteit. Ez pedig magyarázatot adhatna olyan természetben zajló folyamatokra, amelyekre jelen tudásunk alapján nem tudunk magyarázatot adni. Például arra, mi tartja egyben a galaxisokat. Ismerethez juthatnánk például a sötét anyag mibenlétéről, vagy a szimmetria sérülése megmagyarázhatná például azt, hogy miért látunk olyan nagy különbséget a gravitációs és az elektrogyenge erő nagysága között.

– Miből gondolják a fizikusok, hogy a sötét anyag létezik?

– Az a tömeg, amit a galaxisokban látunk, nem elegendő ahhoz, hogy egyben tartsa a csillagmilliárdokból álló galaxisok spirálkarjait. Ehhez a láthatótól nagyobb tömeg kell. Ezért nem csak azt feltételezzük, hogy a sötét anyag létezik, hanem hogy a világ nagy része abból és a sötét energiából áll. A feltételezések szerint a látható anyag mindössze 4 százalékát alkotja a világegyetemnek. Ez szemlélteti azt is, milyen keveset tudunk a világról, tehát a kutatás indokolt.

A pixeldetektor hordórészének részecskepályákhoz illesztett klasztereinek átlagos töltése (fekete pontok, bal oldali tengely) és beütés találási hatásfoka (piros pontok, jobb tengely) az időzítés függvényében.  A különböző pixelrétegek és lemezek hatásfoka a szenzorra kapcsolt előfeszítési feszültség függvényében.  Az időzítés és a feszültség is úgy lettek megválasztva, hogy a lehető legnagyobb beütési- és töltésösszegyűjtési hatásfokot érjük el.

– A hétköznapi ember, ha szimmetriáról hall, többnyire tükörszimmetriára gondol. Hogyan lehet szimmetrikus két dolog akkor, ha az egyik fontos jellemzőjükben – jelen esetben a tömegben – ennyire különböznek egymástól?

– A fizikai szimmetriákat nem úgy kell elképzelnünk, mint a geometriában, hanem általánosan egyfajta invarianciát jelentenek fizikai transzformációkkal szemben, ami egy-egy megmaradó mennyiséghez vezet, mint az energia vagy a lendület. Jelen esetben a szimmetria abban rejlik, hogy az ismert részecskéknek egy-egy hasonló tulajdonságú párt jósolnak a szuperszimmetrikus elméletek. A keresett részecskéknek, mivel eddig még nem találtuk meg őket, valószínűleg nagyobb tömegűnek kell lenniük. A megtalálásukhoz pedig olyan nagy energia szükséges, amilyet csak a Nagy Hadronütköztető (LHC) képes létrehozni, melynek ütközési energiája tavaly óta majdnem megkétszereződött 2012-höz képest. Ez jó hír, mert most már olyan új folyamatok is létrejöhetnek, amilyeneket eddig azért nem láttunk, mert fizikailag nem tudtunk létrehozni akkora energiát, amin azok végbemehetnek.

– Ön 2012-ben a CERN CMS-kísérletén belül a detektor kalibrációját, és az adatok rekonstrukcióját felügyelte, és részese volt annak az eseménysorozatnak, aminek eredményeként sikerült a Higgs-bozont azonosítani. Tavaly pedig egy újabb felfedezés kapujába érkeztek, hiszen megint találtak olyan többletet, ami felveti az alapos gyanúját annak, hogy újabb részecskét találhatnak. Hol tart most ez a kísérlet?

– Úgy tűnik, valóban nagyon izgalmas év elé nézünk idén is, ugyanis tavaly mind a két nagyobb általános kísérlet  – a CMS és az Atlas is – látott egyfajta többletet vagy fluktuációt, amiről ki kell derítenünk, hogy pontosan micsoda. Mivel nagyon hasonló tömegközépponti energiájú mindkét többlet, ezért ez akár azt is jelentheti, hogy egy új részecskével vagy folyamattal van dolgunk. Hogy milyen új fizikát jelenthet ez, arról egyelőre csak feltételezések vannak. Azért lesz nagyon izgalmas az idei év, mert még több, a tavalyihoz hasonló adatot fogunk gyűjteni, ami alapján egyre nagyobb bizonyossággal tudjuk majd megerősíteni vagy kizárni ezeket a feltételezéseket.

– A szorosabb kutatási területéhez a top kvarkok tartoznak. Miért éppen ezek a részecskét váltak izgalmassá az Ön számára?

– Valóban, a top kvarkokkal foglalkozom, méghozzá egy olyan különleges esettel, amelyben a proton-proton ütközések során nagyon nagy Lorenz-lökettel rendelkező top kvarkok jönnek létre. Emiatt a bomlásuk után kilépő részecskék is koncentráltan egy irányba repülnek. Eddig többnyire olyan top kvarkokat azonosítottunk, amelyek bomlási termékei kevésbé tartottak egy irányba.

Ha azt feltételezzük, hogy egy nagyon nagy tömegű szuperszimmetrikus részecske, mint a gluínó elbomlik kisebb tömegű részecskékre, mint amilyen a top kvark, akkor a nagy tömegkülönbség miatt az újonnan létrejöttek nagy kezdeti löketet kapnak és ezért előre szóródnak. Emiatt egészen másként kell őket észlelni, mint ahogy azt eddig szokványos módszereinkkel tehettük. Az előző LHC futási periódusból, tulajdonképpen már tudjuk, hogyan kell keresni ezeket az előretolt részecskéket, de most a nagyobb energia miatt sokkal több lesz belőlük. Emiatt, és a kifinomultabb detektálási módszerek alkalmazása miatt pontosabban meg tudjuk majd figyelni őket. Már a 2012-es adatokban is kerestünk ehhez hasonló eseményeket. Idén viszont egy speciálisabb keresésre összpontosítunk újfajta módszerek alkalmazásával.

DOMBI MARGIT

2016/13