Forrás: Új Világtudat | 2017.11.21.

Egy új kvantumfizika?

A huszadik század folyamán a kvantumfizikusok darabjaira szedték a fizika egyesített elméletét, amelyet Einstein relativitáselmélete kínált. A nagy dolgok fizikáját a gravitáció irányította, de csak a kvantumfizika tudta leírni a kis objektumok megfigyeléseit. Azóta a gravitáció és a másik három alapvető erő közötti elméleti kötélhúzás folytatódott, miközben a fizikusok megpróbálták kiterjeszteni a gravitációt vagy a kvantumfizikát, hogy azok is alapvetőbbek legyenek.

A Nagy Hadronütköztető legújabb mérései eltérést mutatnak a Standard Modell előrejelzéseihez képest, amelyek az univerzum teljesen új területeire utalnak, melyeket a kvantumfizika ír le. Bár az ilyen anomáliák megerősítésére ismételt vizsgálatokra van szükség, ez a megerősítés a részecskefizika legalapvetőbb leírásában fordulópontot jelentene.

A kvantumfizikusok egy nemrégiben megjelent tanulmányban azt találták, hogy a mezonok gyakran nem bomlanak le kaon és müon részecskékké, ami elég gyakori a Standard Modell jóslatai szerint. A szerzők egyetértenek abban, hogy a Nagy Hadronütköztető (LHC) erejének növelése újfajta részecskék felfedezéshez vezethet, amelyek felelősek az eltérésért. Bár az adatok vagy az elmélet hibái is okozhatják az eltérést az új részecske helyett, egy továbbfejlesztett LHC bizonyítékkal szolgálhat majd a fizika élvonalában lévő számos projekt során. (1)

A Standard Modell

A Standard Modell a kvantumfizika jól bevált alapelmélete, amely leírja a négy alapvető erőt, amelyekről úgy vélik, hogy azok irányítják a fizikai valóságunkat. A kvantum részecskék két alaptípusa fordul elő, ezek a kvarkok és a leptonok. A kvarkok különböző kombinációkban kötődnek egymáshoz, hogy olyan részecskéket hozzanak létre, mint a protonok és a neutronok. A protonokat, a neutronokat és az elektronokat úgy ismerjük, mint az atomok építőkövei.

A "lepton család" az elektron nehezebb változatának jellemzőivel rendelkezik - mint a müon -, és a kvarkok több száz más összetett részecskévé is képesek összeolvadni. Ezek közül kettő az alsó és a kaon mezonok, melyek úgy tűnik, hogy bűnösök ebben a kvantum rejtélyben. Az alsó mezon (B) egy kaon mezonra bomlik (K), amelyet egy müon (mu-) és egy anti-müon (mu+) részecske kísér.

Az anomália

Egy 2,5-es szigma varianciát találtak, vagy egy 1 a 80-hoz valószínűséget, "ami azt jelenti, hogy váratlan hatások hiányában, vagyis az új fizikában, az eloszlás sokkal deviánsabb, mint amit megfigyeltek az idő 1,25 százalékában," - mondta Spencer Klein professzor, a Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratórium vezető kutatója, aki nem vett részt a tanulmányban.

Ez azt jelenti, hogy az LHC proton ütközéses vizsgálatai során a mezonok furcsa kvarkokká történő bomlásának gyakorisága kissé elmarad a várttól. "A feszültséget itt 2,5-es szigma jelenti (vagy a standard eltérés a normál bomlási sebességtől), vagy az adatok illetve az elmélet eltérése, vagy van valami, ami túlmutat a Standard Modellen," - mondta Klein. - "Azt mondanám, naiv módon, az első kettő közül az egyik helyes."

A Standard Modell kiterjesztése

Statisztikai vagy elméleti hibák hiányában Dr. Tevong You, a tanulmány társszerzője azt gyanítja, hogy az anomáliák teljesen új részecskék, az úgynevezett leptokvarkok vagy elsődleges Z részecskék jelenlétére utalhatnak. Az alsó mezonok között az új részecskék kvantum gerjesztése zavarhatja a normális bomlási gyakoriságot. A tanulmányban a kutatók arra a következtetésre jutottak, hogy egy korszerűsített LHC megerősítheti az új részecskék létezését, és jelentősen frissítheti a Standard Modellt a folyamat során.

"Forradalmi lenne a világegyetem alapvető megértésében," - mondta Tevong. "A részecskefizika számára ez azt jelentené, hogy lehámozzuk a természet egy újabb rétegét, és folytatjuk az utazást, hogy felfedezzük a legelemibb építőelemeket. Ez hatással lenne a kozmológiára, hiszen az a korai univerzum alapvető elméletének megértésére támaszkodik," - tette hozzá. "A kozmológia és a részecskefizika közötti kölcsönhatás a múltban már eddig is nagyon gyümölcsöző volt. Ami a sötét anyagot illeti, ha ugyanabból az új fizikai szektorból származik, amelyben az elsődleges Z vagy a leptokvark be van ágyazva, akkor felfedezhetjük a jeleit, amikor felfedezzük ezt az új szektort."

A tudás hatalma

Az LHC tudósai eddig olyan jelenségeket és anomáliákat figyeltek meg, amelyek magasabb energiaszinten létező részecskékre utalnak. A fizikusoknak "meg kell erősíteniük a közvetett jeleket, és ez azt jelenti, hogy türelmesnek kell lenniük, míg az LHC kísérletek több adatot gyűjtenek a B- bomlásokra, hogy pontosabb mérést végezhessenek." - mondta Tevong. "Egy másik kísérlet, a Belle II. eredményeként szintén kaphatunk egy független megerősítést, amelyre az elkövetkező néhány évben sor kerülhet. Mindezek után, ha a B-bomlás mérése még mindig nem mutat egyezést a Standard Modell jóslataival, biztosak lehetünk benne, hogy a Standard Modellen túlmutató dolognak kell lennie, ami a leptokvarkok vagy az elsődleges Z részecskék, mint magyarázat irányába mutat," -tette hozzá.

Hogy bizonyítsák a létezésüket, a fizikusoknak arra kell törekedniük, hogy ugyanazon a módon állítsák elő a részecskéket az ütköztetőben, mint az alsó mezonok és a Higgs-bozon esetében, és megfigyeljék azok bomlását.

"Képesnek kell lennünk látni egy leptokvarkot vagy elsődleges Z részecskét az LHC ütközések során,"- mondta Tevong. "Az a tény, hogy eddig még nem láttunk ilyen egzotikus részecskéket az LHC-ben azt jelenti, hogy túl nehezek lehetnek, és több energiára van szükség ahhoz, hogy azokat előállítsuk. Ez az, amit a tanulmányunkban megbecsültünk: a leptokvarkok vagy az elsődleges Z részecskék közvetlen felfedezése a jövőben nagyobb energiával rendelkező ütköztetőkkel lehetséges."

Kvantum ugrás az LHC számára

Új részecskék keresése az LHC-ben nem egy várakozós játék. Az új jelenségek megfigyelésének valószínűsége egyenesen arányos azzal, hogy hány új részecske bukkan fel az ütközések során. "Minél több részecske jelenik meg, annál nagyobb az esély azok megfigyelésére a sok más ütközés során, melyek a háttérben zajlanak," - magyarázta Tevong. Az új részecskék megtalálása ahhoz hasonlít, mint amikor egy tűt keresünk egy szénakazalban; könnyebb megtalálni a tűt, ha a szénakazal tele van vele, szemben azzal, ha csak egy darab van belőle. "Az előállításuk mértéke a részecskék tömegétől és a kapcsolódásuktól függ: a nehezebb részecskékhez több energiára van szükség," - mondta.

Ez az oka annak, hogy Tevong és a tanulmány másik két szerzője, B.C. Allanach és Ben Gripaios az LHC hurok meghosszabbítását javasolják, így csökkentve a részecskék felgyorsításához szükséges mágneses erő mennyiségét, vagy a jelenlegi mágneseket erősebbre kell cserélni.

Tevong szerint a CERN laboratórium a 2030-as évek közepéig a jelenlegi konfigurációjában fogja működtetni az LHC-t. Ezután feljavíthatják az LHC mágneseit, nagyjából megduplázva az erejét. A felerősített mágnesek mellett az alagutat a jelenlegi 27-ről 100 kilométerre hosszabbíthatják. "Az együttes hatás körülbelül hétszer annyi energiát jelentene, mint az LHC," - mondta Tevong. "A befejezés időpontja várhatóan a 2040-es években lenne, bár még túl korai lenne bármilyen értelmes előrejelzést adni."

Ha a leptokvark vagy az elsődleges Z részecske anomáliák megerősítést nyernek, a Standard Modellt meg kell változtatni, mondja Tevong. "Nagyon valószínű, hogy meg kell változtatni az energia léptékét a következő generációs ütköztetők esetében, ami garantálná a választ." - tette hozzá. (2)

(1) - https://arxiv.org/pdf/1710.06363.pdf
(2) - https://futurism.com/measurements-cern-new-physics/