Az anyagi világ létezését a következőképpen is megfogalmazhatjuk: a megfigyelhető világegyetemben csak anyagot találunk, antianyagot nem, tehát aszimmetria áll fenn az anyag és az antianyag között.
Már a science fiction irodalomból is tudjuk, hogy anyag- és antianyag-részecskék egymás közelébe kerülve megsemmisülnek, és nagy energiájú fotonsugárzás keletkezik. Szimmetrikus világegyetemben az ősrobbanás után a keletkezett anyagrészecskék száma megegyezne az antianyag-részecskék számával, azok egymást kölcsönösen megsemmisítenék, és a világegyetem semmi másból nem állna, csak sugárzásból. Ez az elképzelés ellentmondásban van a mai megfigyelésekkel, amelyek szerint igenis létezik anyagi világ, létezik az előadó, és létezik a hallgatóság is. Ebből azt a következtetést vonhatjuk le, hogy az ősrobbanás után valamivel több anyagrészecske volt, mint antianyag-részecske. A pontos számítások azt mutatják, hogy minden milliárd antirészecskére egymilliárd és egy részecskét találtunk volna a korai univerzumban. A kölcsönös megsemmisülés után ez a kicsiny többlet megmaradt, és ezt látjuk ma mint az anyagi világot. Az elméleti részecskefizika egyik alapkérdése tehát az, hogyan lehet ezt a rendkívül kicsiny anyagtöbbletet a korai univerzum történetében dinamikus módon előállítani.
Ahogy említettem, akármilyen messzire nézünk is, mindig csak anyagrészecskékkel találkozunk. A Földön rendkívül kevés antianyag van, pontosabban szólva a Chicago melletti Fermilabban (Fermi National Accelerator Laboratory, részecskefizikára szakosodott laboratórium – A szerk.) találjuk a legtöbbet, ott sem túl sokat, csupán mintegy századmilliárdod grammot. Ezt a kicsiny mennyiséget kísérleti célokra állították elő. A Hold is anyagból áll. A legjobb bizonyíték erre az, hogy Neil Armstrong túlélte első híres lépését, és képes volt második lépést is tenni. Ha még messzebbre tekintünk, akkor a kozmikus sugárzásban tízezred arányban találunk antirészecskéket. Ezek az antirészecskék azonban a légkörben generált másodlagos részecskék. Ha egy kozmikus sugárzás az atmoszféránkba érkezik, óriási energiája számos másodlagos részecskét kelt. Ezek között a várakozásoknak megfelelően találunk antianyagot is. De a hozzánk érkező sugárzásban is megtalálható az anyag–antianyag aszimmetria, hiszen elsődleges részecskeként csak anyag ér el hozzánk.
A világ anyagaszimmetriáját vizsgálva a legpontosabb kísérlet az úgynevezett kozmikus diffúz gamma-sugárzás mérésén alapul. Ha anyag és antianyag domének egymás közelébe kerülnének, a szétsugárzás következtében tipikus gamma-sugarakat bocsátanának ki. Méréseinkben ilyen sugárzást nem találunk. Ezt a kísérletet úgy kell értelmezni, mint bizonyítékot az anyag és az antianyag aszimmetriájára.
Hogyan tudjuk megmagyarázni az anyag és az antianyag között meglévő és megfigyelt aszimmetriát? Erre két lehetőségünk van: a) Elképzelhető, hogy az anyag- és antianyag-részecskék számának előjeles összege a világegyetem fejlődése során végig változatlan maradt, azonban a kezdeti feltételben, az ősrobbanáskor az anyagrészecskék száma valamivel meghaladta az antianyag-részecskékét. b) Egy fizikus számára sokkal vonzóbb az a lehetőség, hogy a ma megfigyelt anyagaszimmetria dinamikus fejlődési folyamat eredménye. A világegyetem az ősrobbanáskor szimmetrikus volt, azonban az azóta eltelt idő során lehetővé vált egy kicsiny anyagtöbblet dinamikus generálása. A továbbiakban ezzel a második forgatókönyvvel foglalkozunk kissé részletesebben.
A kvantumfizikában a részecskék energiaszintjei csak meghatározottak, kvantáltak lehetnek. Például a hidrogénatomban az atommag körül az elektronfelhő csak bizonyos formákat vehet fel, pályákra léphet, amelyeknek meghatározott az energiaszintjük. Midőn a hidrogénatom átmegy két állapot között, elektromágneses sugárzást bocsát ki. A kvantumtérelméletben a mezők rezgései is kvantáltak. Persze ezek a kvantumok, amelyeknek különböző tulajdonságaik lehetnek, haladnak közben. Kézenfekvő az ilyen tulajdonságokkal rendelkező, haladó csomagokat részecskeként interpretálni. Így lesz a kvantumtérelméletből részecskefizika.
A kvantumtérelmélet egyenleteit bizonyos értelemben igen egyszerűen kapjuk meg. A kölcsönhatások teljes megadásához csak két, látszólag triviális feltétel szükséges: szimmetria és belső ellentmondás-mentesség. Mit értünk szimmetrián? Azt, hogy az egyenletek bizonyos változtatás után ugyanolyanok maradnak. Ha például a tükör elé állunk, akkor az arcunk ugyanolyan, mint nem tükör előtt. Ilyen és hasonló változtatásokra kell hogy változatlanok maradjanak az egyenletek. A legkevesebb, amit elvárhatunk a tudóstól, hogy egy elmélet ne kerüljön ellentmondásba önmagával. A csodálatos az, hogy ezzel a két egyszerűnek tűnő feltétellel néhány olyan egyenletet kapunk, amelyek lényegében a világ összes kísérletével, jelenségével összhangban vannak, a legkisebb alkotórésztől kezdve a tranzisztorokat használó mobiltelefonokon és a napműködésen keresztül egészen az univerzum tágulásáig.
Nézzünk egy konkrét példát, az elektron mágneses momentumát. Ezt a mennyiséget úgy kapjuk, hogy az elektront mágneses térbe helyezzük, kibillentjük, és megnézzük, hogyan billen vissza. A fenti két elv alkalmazásával a tudomány példa nélkül álló sikerével kerülünk szembe. Az elektron mágneses momentumát 11 tizedesjegyre meg lehet mérni, és ami az elméleti fizikus számára még érdekesebb, 11 tizedesjegyre ki lehet számolni. Ez a két eredmény hibahatáron belül megegyezik. Olyan pontosság ez, mintha valaki fantasztikus eljárással ki tudná számítani, hogy ezt a terhelést még kibírja a Lánchíd, de egy milligrammal többet már nem. Nehéz kísérlet lenne. De még nehezebb elképzelni, hogy valaki pusztán szimmetriaelvekből kiindulva – a Lánchíd pesti oldala ugyanolyan, mint a budai, a jobb és a bal oldal is egyforma –, nos, mindössze ennyi információ alapján milligrammra pontosan megmondja, hogy mikor szakad le a híd.
Az anyagaszimmetria keltéséhez Szaharov három szükséges feltételt állított fel. Egyrészt kellett hogy létezzenek anyagszámsértő folyamatok, ha nem lettek volna, akkor az összanyagszám nulla marad. A másik feltétel kissé bonyolultabb, tértükrözéssel, töltéstükrözéssel és szimmetriasértéssel kapcsolatos. A harmadik feltétel: a termikus egyensúlyból lépjen ki az univerzum. Ugyanis egyensúlyban a különböző mennyiségek, így az anyagszám is állandó. Ha nulla volt, akkor annyi is maradt.
Nézzünk egy egyszerű analógiát anyag–antianyag keltésre. A példa távolinak tűnik, de meglepően sok hasonlóságot mutat a részecskefizikai számolással.
Képzeljünk el egy bankot, amelynek csak adósai vannak, 1, 2, 3 stb. forinttal. Ezeket az intézmény 1-eskének, 2-eskének, 3-askának stb. nevezi, így tartja őket nyilván. Ezért nem is engedi, hogy két ügyfélnek ugyanannyi adóssága legyen, mert akkor nem tudná megkülönböztetni őket. Nem engedi be a nullás ügyfeleket sem, mert miért kellene nekik bank. Tegyük fel, hogy 1-eske rendezi tartozását, és betesz 2 forintot. Így felkerül az 2-es szintre, miközben megürül az 1-es szint. Az 1-es szintet értelmezzük részecskeként, az 1-es hiányát antirészecskeként. A korai világegyetemben nagyon magas hőmérséklet uralkodott, és a 2 forint mint energia ebből származott. Nyilvánvaló, hogy ezen a módon ha egy részecske keletkezik, akkor létrejön egy antirészecske is, tehát a számuk megegyezik.
Képzeljünk el egy számítógépes bűnözőt, egy hackert, aki az 1-es szinten áll. A következő számlacserés trükköt eszeli ki: a számítógépen keresztül felteszi magát 2-eskének, de hogy ne ürüljön meg az 1-es, ezért odateszi 2-eskét, 2-eske helyére 3-askát és így tovább. Ha a bank csak arra gondol, hogy pénzforgalom nem volt, és minden adósa a helyén van, akkor bizony pórul jár. Ezt a trükköt csak azért lehetett megcsinálni, mert végtelen sok adós volt. (Persze ilyen bank nincs, azért hozhattam ezt a példát anélkül, hogy attól tartanék, felbujtási ügybe keveredem). Összegezve: a részecskefizikai analógia szerint egy részecske keletkezett.
De lehet, hogy az 1-es számú hacker csak szeretne lekerülni az adóslistáról. Kicseréli az 1-est a 2-essel, de hogy ott ne legyenek ketten, a 2-est kicseréli a 3-assal és így tovább. Végeredményben az 1-es szint megürült. Ebben az esetben egy antirészecske keletkezett.
A világegyetemben is történhet ilyen különös átrendeződés, amely csak anyagot kelt. Ehhez át kell haladni egy energiagáton. A korai világegyetem nagyon meleg, energia van bőven a rendszerben, át tud menni a gáton, és a részecske keltése sem probléma energiaszempontból. A gát tetejét szfaleronnak hívjuk, amely egy-egy ilyen átmenet után fermionokból keletkezik. Leptonokból is, barionokból is létrejön egy-egy. Mivel együtt keletkeznek, a különbségük állandó marad, így eleget tettünk Szaharov első feltételének.
Térjünk vissza a banki hasonlathoz! Elképzelhető, hogy számos hacker próbálkozik. Az egyik fölfele rendezi át az ügyfelek listáját, utána egy másik lefele. Ahelyett hogy mind a ketten nyernének, egyiküknek sem sikerül. A lista ugyanolyan lesz, mint eredetileg volt. Ahhoz, hogy a hackelés eredményes legyen, egyik irányt kell választaniuk. A részecskefizikában ilyen különbséget tesznek az elektrogyenge folyamatok pozitív és negatív töltés, illetve jobb és bal között, így azokkal Szaharov második feltétele is kielégíthető.
Nézzük a harmadik feltételt: a világegyetemnek nem szabad termikus egyensúlyban lennie. Szerencsére a korai univerzum gyorsan tágult. Hogy mi is történt, azt leginkább az effektív potenciál segítségével írhatjuk le. Ez a görbe a rendszer energiáját mutatja attól függően, hogy mekkora egy mezőnek, az úgynevezett Higgs-mezőnek az értéke. A rendszer persze szeretne, akárcsak egy golyó, a minimumba jutni. Nagyon magas hőmérsékleten (kritikus hőmérséklet fölött) csak egy szimmetrikus minimum van. A rendszer a szimmetrikus fázisban található. Ahogy a korai világegyetem tágul, és ennek következtében lehűl, fellép egy második, úgynevezett sérült minimum. A kritikusnak nevezett hőmérsékletnél két minimumot találunk, amelyeknek az energiája megegyezik. Később a szimmetrikus fázis nem stabil, és egy fázisátmenetet észlelünk a szimmetrikus fázisból a sérült fázisba, amely nagyon hasonlít a vízgőz lecsapódására vagy egy túlhűtött folyadék megfagyására. A rendszer a hideg fázis felé közeledik. A túlhűtött rendszerben cseppecskék jelennek meg, de a felületi feszültség miatt energetikailag nem kedvezőek a kis cseppek. Túl kicsi az új fázis térfogattal (a sugár köbével) arányos energianyeresége a felületi feszültség energiaveszteségéhez képest, amely a felülettel (a sugár négyzetével) arányos. A kicsi cseppek eltűnnek, de a nagyok nőnek, és betöltik az egész univerzumot.
A számításokban van egy ismeretlen adat, a Higgs-mezőhöz tartozó részecske tömege. Ezt kísérletileg még sajnos nem találták meg, de tudjuk, hogy nehezebb, mint száz proton.
Láttuk, hogy sikeres anyaggeneráláshoz különbséget kell tennünk pozitív-negatív, jobb-bal között. A cseppek falában lévő részecskék érzik a különbséget jobb és bal között, a két fázis nagyon más. A kialakult új fázis részecskéi számára a bal és a jobb oldalon is ugyanaz van. Ha sikerült is – mondjuk a buborékok falában – anyagaszimmetriát generálnunk, vigyáznunk kell, nehogy úgy járjunk, mint az egyszeri hackerek, akik ha nem tudják az irányt, ide-oda történő átrendezéseikkel még a korábbi nyereséget is lenullázzák. Arra van szükség, hogy állítsuk le ezeket az átrendezéseket, szfaleronátmeneteket. Ehhez az szükséges, hogy elég hideg legyen a rendszer, ne legyen elég energiája a gáton való átmenetekhez. A gát annál magasabb, minél nagyobb a Higgs-tér ugrása a fázisátmenet során. Ha a rendszer elég hideg, a hőmérséklet kisebb, mint az ugrás, akkor a gáton nem lehet átjutni, amennyi anyagaszimmetria keletkezett, annyi meg is marad. Ha a rendszer a fázisátmenetkor meleg, a hőmérséklet nagyobb, mint az ugrás, akkor úgy járunk, mint a hackerek: még ha sikerült is – mondjuk a falban – anyagaszimmetriát keltenünk, eltüntetjük.
A folyamatot lényegében a felületi feszültség és a Higgs-tér ugrásának a nagysága irányítja. Rácstérelméleti vizsgálatok, szuperszámítógépek segítségével sikerült is meghatározni a forró elektrogyenge plazma fázisdiagramját, amelyen két fázist különböztethetünk meg. A szimmetrikus, magas hőmérsékletű fázist és az alacsony hőmérsékletű Higgs-fázist. A kettő közötti elsőrendű fázisátmenet bizonyos Higgs-tömegnél nagyobb Higgs-tömegek esetében már nem mehet végbe: ez az érték a 72-szerese a proton tömegének, és kísérletileg tudjuk, hogy a valódi érték sokkal nagyobb. Ez egyben azt is jelenti, a barionaszimmetria nem alakulhatott ki a standard elektrogyenge elméletben.
Azaz csak az ezen az elméleten túli elméletek tudják megalapozni a világ létezésére vonatkozó elképzeléseinket. Lehetséges, hogy több Higgs-bozonra van szükség, de lehet, hogy csak más típusú anyagszámsértő folyamatok jelenléte oldja meg a problémát.
Ez nagyon fontos eredmény. Bár az elmélet szinte minden kísérletet megmagyaráz sokszor fantasztikus, 11 tizedesjegy pontossággal, mégsem írja le teljesen a valóságot. Kiderül viszont, hogy az elméletet milyen irányba kell kiterjeszteni. Ez nagyon jó jel a fizikában: hasonló tapasztalatok vezettek annak idején a relativitáselmélethez vagy a kvantummechanikához.
A fenti szöveg a március 21-én elhangzott előadás rövidített változata. Megtekinthető április 2-án (szombaton) 9.40-kor a Duna Televízió és 3-án (vasárnap) 13.10-kor az MTV, valamint 23 órakor az M 2 műsorán. A következő előadást – a húsvéti szünet után – április 4-én 19.30-kor a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Kozma László termében (Budapest XI., Magyar tudósok körútja 2.) Sótonyi Péter Tamás tartja Az állatok mozgásának elemzése címmel. A részvétel ingyenes, az előadások teljes szövegét a hozzászólásokkal és a vitával együtt a www.mindentudas.hu weblapon találják meg az érdeklődők.
origo.hu
Fontos, új funkcióval bővül a KRÉTA
