Eltűnt az évszázad felfedezésére utaló jel a Nagy Hadronütköztetőnél

A CERN Nagy Hadronütköztetőjének (LHC) megfigyelései között egyetlen biztató eltérést találtak a fizikusok a standard modelltől: egy olyan új részecske (X részecske) halvány nyomát a Higgs-bozon tömegének hatszorosa (750 GeV/c²) környékén, amely hasonló tulajdonságokkal rendelkezik, mint a Higgs-bozon, de egészen másképpen bomlik. Az LHC 2016-os adatgyűjtésének egyik fő célja e részecske létezésének ellenőrzése volt. A megfigyelés bejelentése ugyanis óriási izgalmat váltott ki a nagyenergiás közösségben, mert kilépést jelentett volna a standard modell keretei közül.

Két nagy kísérlet, az ATLAS és a CMS is megfigyelte a részecske nyomát, de egyik sem teljesen meggyőzően. Mégis volt remény arra, hogy valami újat fedeztek fel, hiszen a megfigyelés erőssége, amelyet azzal fejezünk ki, hogy a σ (szigma) mérési bizonytalanság hányszorosával emelkedik ki az új jelenség a zajból, közel ugyanakkora volt, mint a Higgs-bozon megfigyeléséé 2011 végén (3σ körüli). A Higgs-bozon esetén ezt diadalmas bejelentés követte 2012 nyarán, amikor az újabb adatokkal mindkét kísérletnél elérte a megállapodás szerinti felfedezési küszöböt, az 5σ többletet. Izgatottan vártuk tehát a 2016-os LHC-adatokat, megerősítik-e az X részecske létezését.

Miért hozta lázba a fizikusokat az új részecske?

Jogos a kérdés, miért az izgalom, új részecske, na bumm! Csakhogy ez az X részecske rettenetesen kilógott a standard modell keretei közül. Egy 750 GeV tömegű, Higgs-bozonhoz hasonló X részecske nagyon sokféleképpen elbomolhat. Ez már a sokkal könnyebb Higgs-bozonra is igaz volt, és nagyobb tömegű részecske bomlásánál sokkal több lehetőség nyílik más bomlási módok megnyilvánulására. Először a Higgs-bozon megfigyelésére is három, majd később még több bomlási módozatot vizsgáltunk. Az X részecske azonban látszólag csak a legvalószínűtlenebb, két nagyenergiás gamma-fotonra akart bomlani, a sokkal nagyobb valószínűségű bomlási csatornák nagyobb tömegű részecskékkel üresen maradtak nála. Ez tette a 2015-ös halvány megfigyelést annyira izgalmassá, hogy közzététele után néhány hónapon belül több száz elméleti fizikai publikáció fejtegette, vajon miről lehet szó.

A CMS detektor az LHC-ben Forrás: CERN

A vizsgálat módszere a következő volt. Feltételezünk egy részecsketömeget és bomlási élettartamot, szimuláljuk a különböző lehetséges bomlásokat (a keletkező részecskéket átengedve a detektorszimuláción), és az eredményt összehasonlítjuk az észleléssel. Két gamma-fotonra csak S=0 vagy S=2-es perdületű, elektromosan semleges részecske tud bomlani. A 2015-ben gyűjtött teljes adathalmaz elemzése után 2016. június 16-án az ATLAS kísérlet azt közölte (egy 2861 szerzős cikkben!), hogy a kétfotonos csatornában 750 GeV körüli tömeggel 3,8σ többletet látnak S=0 és 3,9σ többletet S=2 feltételezéssel. A CMS kísérlet is látott többletet a 2015-ös adatokban, egészen közel, 760 GeV-nél, de valamivel kisebb jelentőséggel, csak 3,4σ-val. A megdöbbentő az volt, hogy, mint már említettük, a többi lehetséges és sokkal valószínűbb bomlási csatorna semmit nem mutatott.

Nagy izgalommal vártuk tehát az LHC 2016-os újraindulását, amely a 2015-ösnél sokkal nagyobb adathalmazt ígért, és július végére már a tavalyi adatmennyiség ötszörösével szolgált. Ilyenkor az egymással versengő csoportok adatelemzését a korábbi adatokon és szimulációkon szabad csak finomítani, az új adatokhoz egy bizonyos időpontig nem szabad nyúlni, és csak a már előre elfogadott módszerek eredményeit vesszük figyelembe (ezt vak elemzésnek hívjuk).

Lehangoló vagy megnyugtató eredmények?

Mindkét kísérlet 2016 legnagyobb részecskefizikai konferenciájára, a Chicagóban most zajló (2016. augusztus 4–10.), sok ezer résztvevős ICHEP-re időzítette legújabb eredményeit. A CMS-kísérlet már nyilvánosságra is hozta őket, és az eredmények egyrészt lehangolóak, másrészt igencsak biztatóak. Az új adatok csökkentették az X részecske megfigyelésének jelentőségét: a 2015-ös adathalmaz sokszorosának analízisével a 750 GeV-es többlet lecsúszott az észlelhetőségi szint alá, 2σ környékére.

Ez egyrészt lehangoló, hiszen szinte az évszázad részecskefizikai felfedezése lett volna, ha a standard modellnek ennyire ellentmondó jelenséget találunk. Ugyanakkor megnyugtató, hogy mégis jól ismerjük világunkat, és a standard modell továbbra is időtállónak bizonyult. Az ATLAS kísérlet teljesen azonos eredményre jutott: statisztikus ingadozás volt a 750 GeV-es többlet, semmi más. Ilyen jelenséget már többször láttunk, és ez egyáltalán nem jelent mérési hibát. Újabb adalék ahhoz, hogy óvatosan kell kezelnünk a megrázó új felfedezéseket.

Az ICHEP konferencia ugyanakkor hihetetlen mennyiségű új adatot közöl: a négy nagy LHC-kísérlet több száz új eredményt küldött be előadásra.

Összegezve: sajnos még mindig nem látjuk jelét a standard modell egyetlen kiterjesztésének sem: az olyannyira szimpatikus szuperszimmetriának, a világegyetem sötét anyagát hordozó részecskéknek, a kezdetben olyan ijesztően hangzó mikroszkópikus fekete lyukaknak és a gravitációs kölcsönhatást esetleg közvetítő graviton részecskének sem. Ugyanakkor egyre jobban pontosítjuk a világra vonatkozó tudásunkat.