Rieth József: Anyagvilág - Háttérismeret

Pásztor Gabriella: Hol van a szuperszimmetria?

Tartalomjegyzékhez < Világképem <  (Anyagelőtti, Planck-korszak)     

Szuperszimmetrikus részecskék kísérleti keresése

Napjaink részecskefizikájának legnagyobb kihívást jelentő kérdései között előkelő helyet foglalnak el azok, amelyek a szuperszimmetrikus elméletekkel kapcsolatosak. A következőkben erről az izgalmas kihívásról ejtünk szót egy kísérleti fizikus nézőpontjából.

A részecskék változatos világa

1. táblázat. A Standard Modell részecskéi és szuperszimmetrikus partnereik.

l jelöli a három lepton családot (e, mm, tt), q pedig a hat lehetséges

kvarkot (d, u, s, c, b, t). Az L (left) és R (right) indexek a részecske

bal- illetve jobbkezes voltára1 utalnak. A szuperszimmetrikus

részecskék elnevezése a következő módon történik: a fermionok skalár

(nulla spinű) partnerei az „s-" előtagot, a bozonok fermion partnerei

pedig az „-ínó" utótagot kapják. A szuperszimmetrikus részecskék

rövid jelölésben egy hullámvonalat kapnak.

Az azonos töltéssel és spinnel rendelkező

állapotok keveredhetnek.

A keveredés eredményeként kialakuló

tömeg sajátállapotokat zárójelben adtuk meg.

A részecskefizika Standard Modellje, amelyről bővebben Horváth Dezső cikkében olvashatnak, jól leírja az anyagi világ alapvető szerkezetét és az anyag kölcsönhatásait. Az elmélet szerint az anyagrészecskék, a kvarkok és leptonok három családba rendeződnek, és köztük a kölcsönhatásokat a mértékbozonok közvetítik. Már a Standard Modell elemi részecskéi -- azaz a töltött és semleges leptonok, a kvarkok, a mértékbozonok és a misztikus Higgs-részecske, amelyről Szillási Zoltán írása szól -- is igen sokfélék. A változatosságot azonban még tovább növelik azon elméletek, amelyek az előttünk álló, a Standard Modell által meg nem válaszolt és Cynolter Gábor cikkében már felvázolt kérdéseket egy új szimmetria, a szuperszimmetria feltételezésével kísérlik megválaszolni. 1

A szimmetriák központi jelentőségűek a fizikában. A szuperszimmetria, amely a részecskefizika hagyományos, 4 dimenziós kvantumtérelméleti leírásában a lehetséges legtágabb szimmetria, összeköti az anyagrészecskéket (a feles spinű fermionokat) a kölcsönhatások közvetítő részecskéivel (az egész spinű bozonokkal), és eközben új, szuperszimmetrikus részecskék bevezetését követeli meg a szimmetria kiteljesítéséhez.

A legegyszerűbb szuperszimmetrikus elmélet, a Minimális Szuperszimmetrikus Standard Modell, a Standard Modell minden részecskéjéhez egy szuperszimmetrikus részecskét, szuperpartnert rendel (1. táblázat). A töltött leptonok szuperpartnerei a töltött skalár leptonok vagy röviden sleptonok (például a jól ismert elektron társát skalár elektronnak vagy selektronnak nevezzük), a neutrínóké a sneutrínók, a kvarkoké a skvarkok. A másik oldalról az elektrogyenge mértékbozonok (a foton, a Z- és W-bozonok) valamint a Higgs-bozonok partnerei a gaugínók 2 (ejtsd: gédzsínók), amelyeket töltésük alapján megkülönböztetve chargínóknak 3 (ejtsd: csardzsínók) vagy neutralínóknak nevezünk, az erős kölcsönhatás színes gluonjaié pedig gluínók.

A figyelmes olvasónak szemet szúrhat egy eltérés. A Standard Modellen túl című cikkben a szuperpartnerek felsorolásánál a következők szerepelnek: fotínók, zínó, wínó és higgsínó, ehelyütt pedig chargínókat és neutralínókat emlegettünk. A látszólagos ellentmondás feloldása a keveredés jelenségében rejlik, amelyről a Standard Modellt tárgyaló írásban már olvashattak. A természetben (reményeink szerint) megfigyelhető részecskék azok, amelyek meghatározott tömeggel rendelkező állapotoknak felelnek meg. E tömeg-sajátállapotok(chargínók és neutralínók) a szuperpartner (azaz a fotínó, zínó, wínó és higgsínó) terek keveredéséből állnak elő.

Egy pillanatra vissza kell térnünk a Higgs-bozonok rejtélyéhez. A Standard Modellben az, hogy az elemi részecskék tömeget kapjanak, csupán egyetlen semleges Higgs-bozon létezését igényli. A szuperszimmetria feltételezése azonban az elméletben fellépő Higgs-bozonok számának növekedését eredményezi: az elmélet három semleges (h0, H0, A0) és két töltött (H+, H-) Higgs-bozon létét jósolja.

A szuperszimmetrikus elméletek keretet adhatnak a hagyományos részecskefizikai kölcsönhatások, azaz az elektromágneses, a gyenge és az erős kölcsönhatás, valamint a gravitáció egyesített elméletbe foglalására. A gravitációs kölcsönhatás feltételezett közvetítő részecskéjét gravitonnak(G), szuperpartnerét pedig gravitínónak( G-) nevezzük.

A fentiekből is kitűnik, hogy bár a szuperszimmetria feltételezése elegánsan képes megválaszolni a részecskefizika napjainkban nyitott kérdéseinek jelentős részét, nagy árat követel ezért: az elemi részecskék száma több mint megkétszereződik, és az elmélet paramétereiről még nem is ejtettünk szót...

Variációk egy témára

Ha a szuperszimmetria a természet egzakt, nem sértett szimmetriája lenne, akkor minden ismert részecskéhez tartozna egy vele teljesen azonos tömegű szuperpartner. Mivel azonban mindeddig egyetlen szuperpartnert sem fedeztünk fel, a szuperszimmetriának sérülnie kell, ezzel téve lehetővé, hogy a részecskék és partnereik tömege jelentősen eltérhessen egymástól. A hierarchia probléma1 megoldása a szuperszimmetria-sértés skálájára az elektrogyenge fázisátalakuláshoz közeli energiát kíván.

Az elméleti fizikusok számára a szuperszimmetria-sértés módja okozza a legnagyobb fejtörést. A Higgs-jelenség leírásakor is tárgyalt spontán szimmetriasértés igen közkedvelt és hatékony mechanizmus a részecskefizikában. Szuperszimmetrikus elméletekben azonban legegyszerűbb közvetlen megvalósításával problémák lépnek fel, amelyek kikerülésére hagyományosan feltételezzük, hogy létezik két elkülönülő szektor: egy látható,amely a Standard Modell részecskéket (SM-részecskék) és szuperpartnereiket tartalmazza, és egy rejtett, amelyben a látható szektor részecskéivel nem kölcsönható részecskék találhatók. A szuperszimmetria spontán sérül az elektrogyenge skálánál jelentősen nagyobb energián, a rejtett szektorban, és ennek a hatása jut át valamilyen mechanizmus segítségével a látható szektorba. Innen két út közül szokás választani, amelyek a közvetítő természetében térnek el egymástól: az egyikben a gravitáció(ezeket hívjuk szupergravitációs modelleknek), a másikban pedig a mértékkölcsönhatások játsszák el ezt a szerepet. A két modell, ahogy a későbbiekben látni fogjuk, igen eltérő jóslatokat ad, főképpen a gravitínó tömegére, és ezért kísérleti vizsgálatuk eltérő stratégiát követel.

Egy másik jelentős elágazási pont a mérések optimalizálásánál az R-paritás megmaradásának feltételezése. Az R-paritás egy szorzódó kvantumszám, amely az SM-részecskékre +1, azok szuperpartnereire -1. Amennyiben feltételezzük az R-paritás megmaradását, a szuperszimmetrikus részecskék csak párosan szerepelhetnek a kölcsönhatásokban, azaz csak párban keletkezhetnek. Bomlásuk kaszkád jellegű, amelynek végeredményeként a legkönnyebb szuperszimmetrikus részecske, amely e modellekben szükségszerűen stabil, valamint SM-részecskék keletkeznek. Ezzel ellentétben, ha az R-paritás nem megmaradó kvantumszám, akkor a szuperszimmetrikus részecskék keletkezhetnek egyedül. Mivel a legkönnyebb szuperszimmetrikus részecske sem stabil, ezért pusztán SM-részecskékre bomolhatnak.

Szót kell még ejtenünk ehelyütt a paraméterekről. A szuperszimmetrikus elméletek variánsait vizsgálva további komplikációt jelent a fellépő paraméterek nagy száma, még a „legtakarékosabb" további feltételezések esetén is. A paraméterek értékére nem léteznek jóslatok, ellenben azok nagyban befolyásolják a szuperszimmetrikus részecskék várható tömegét, viselkedését.

A fentiekből talán már látható, hogy nincs könnyű dolga sem az elméleti, sem a kísérleti fizikusoknak: az új, elméleti szempontból kívánatos szimmetria feltételezése után még számtalan lehetőség áll előttünk, amelyek megvalósulhatnak a természetben. A feladatunk az, hogy átgondoltan sorra vegyük a lehetőségeket, megvizsgáljuk, milyen mérhető hatásokra számíthatunk, majd megmérjük azokat. Kísérleti eredményeink gondos értelmezése adhatja csak meg a választ a kérdésekre: Szuperszimmetrikus-e a világ: valóban összeköti-e egy szimmetria az anyagrészecskéket és a kölcsönhatások közvetítő részecskéit, ezzel bizonyos szempontból egyesítve az anyagot és a természetben jelen lévő erőket? Ha így van, akkor hogyan sérül a szuperszimmetria alacsony energiákon, és melyek, mekkorák a természetet leíró alapvető fizikai paraméterek?

A továbbiakban, építve a Higgs-bozonok kereséséről szóló cikk bevezetőjére a részecskegyorsítókról és detektorokról, közelebbről megvizsgáljuk néhány példán keresztül, hogyan próbáljuk megtalálni a szuperszimmetrikus részecskéket, amelyek felfedezése megdönthetetlen kísérleti bizonyítékul szolgálna mindannyiunk várakozására, hogy a Standard Modellen túl egy új, elméleti szempontból kielégítőbb modell vár ránk.

Modellről modellre: egy részecske nyomában 4

Minden részecskekeresés megtervezésekor válaszolnunk kell néhány alapvető kérdésre.

Adott az eszköz, amellyel dolgozni szándékozunk, esetünkben egy részecskeütköztető mellett felépített detektor. Az első kérdés: A gyorsító által szolgáltatott részecskék kölcsönhatásakor keletkezhet- e a keresett részecske, s ha igen, akkor milyen folyamato(ko)n keresztül és milyen gyakorisággal?

Amennyiben kitaláltuk a keletkezés módját, a következő lépés: Hogyan fog a keletkezett új részecske viselkedni? Stabil avagy annak tekinthető, mivel élettartama hosszabb, mint az az idő, ami alatt elhagyja a detektor térfogatát? Milyen nyomot hagy a detektorunkban, esetleg láthatatlanul távozik? Ha elbomlik más részecskékre, mikor teszi ezt: azonnal elbomlik, esetleg csak egy kis út megtétele után? Milyen részecskékre bomlik el?

1. ábra. Smüonpárok keletkezése elektron-pozitron ütközésben

Rajzoljunk kölcsönhatásokat! A részecskefizikában a lejátszódó folyamatok ábrázolására Feynman-diagramokat használunk. Példaként tekintsük az 1. ábrát, ahol a jól ismert elektron nehezebb társa, a müon szuperpartnerének keletkezése látható egy elektron-pozitron ütköztetőben. A Feynman-diagramokon az idő balról jobbra folyik, azaz jelen esetben a történések egymásutánja a következő: egy felgyorsított elektron és pozitron (az elektron antirészecskéje) találkozik és kölcsönhatásuk eredményeként egy virtuális foton vagy egy Z-bozon keletkezik, amely ezután elbomlik egy pozitív és egy negatív smüonra. Szokásosan a fermionokat folytonos, a Standard Modell elektrogyenge szektorának vektorbozonjait hullámos, a gluonokat feltekeredő, a többi bozont pedig szaggatott vonallal jelöljük. A fermion vonalakon a nyilak iránya mondja meg, hogy részecskét avagy antirészecskét jelölnek-e: a részecskék esetén az idő folyásával egyező, antirészecskéknél azzal ellentétes irányba mutatnak. A vonalak találkozási pontjait vertexeknek nevezzük, és egy csatolási állandóval jellemezzük, amely a kölcsönhatás erősségére jellemző. Érdekes megemlíteni, hogy a Feynman-diagramok nem pusztán a részecskék kölcsönhatásának szemléltetésére szolgálnak: segítségükkel egyszerű szabályok alapján felírható a fizikai folyamatok hatáskeresztmetszete (vagy valószínűsége, gyakorisága).

A fenti kérdések megválaszolása után már képet alkothatunk arról, mit is keresünk a gyakorlatban... Vegyünk egy példát! Tegyük fel, hogy a jól ismert elektron nehezebb társa, a müon szuperpartnerét keressük egy elektron-pozitron ütköztető mellett. Smüonok párban keletkezhetnek egy virtuális 5 foton vagy Z-bozon keletkezésén keresztül, ahogy azt az 1. ábra mutatja. (A virtuális részecskék nem figyelhetők meg közvetlenül, szinte azonnal - az energiára és időre vonatkozó Heisenberg-féle határozatlansági relációból megbecsülhető élettartamuk lejárta után - elbomolnak más részecskékre.)

Szupergravitációs, R-paritás-őrző modellekben a legkönnyebb szuperszimmetrikus részecske, amely - mint már tudjuk - stabil, általában a legkönnyebb neutralínó 6 . A kozmológiai megfigyelések nem valószínűsítik azokat a paramétertartományokat, ahol a legkönnyebb szuperszimmetrikus részecske elektromosan töltött, pl. a chargínó vagy a top-squark (röviden stop).A neutralínó egy semleges részecske, amely nem hagy nyomot a detektorban, így impulzusát, energiáját nem tudjuk közvetlenül mérni. Ezért a kijövő (az ütközésben keletkező) részecskék detektorban mért teljes energiája kisebb lesz, mint a bejövő részecskék (példánkban az összeütköző elektron és pozitron) energiája. Ezekben a modellekben tehát a szuperszimmetrikus részecskék keletkezését a végállapot jelentős energiahiánya kíséri.

2. ábra. Szimulált smüonpár esemény 189 GeV tömegközépponti energián,

ahogy a detektorban észlelnénk, két különböző nézetből.

A Monte Carlo-számítás elvégzésekor feltételeztük,

hogy a smüon tömege 90 GeV és a bomlásakor keletkező neutralínóé 85 GeV.

Térjünk vissza a példánkban keletkező smüonok bomlásához. A fenti modell szerint egy smüon bomlásakor egy neutralínó és egy müon keletkezik, a végállapotban két neutralínót és két müont eredményezve. A neutralínók észlelés nélkül távoznak a detektorból, a müonok azonban jellegzetes nyomot hagynak. A 2. ábrán egy Monte Carlo-programmal szimulált smüonpár esemény látható két különböző nézetben, ahogy a detektorban észlelnénk. A részecskeütköztetők mellett épített detektorok legtöbbször hengerszimmetrikusak és réteges felépítésűek. A 2. ábra bal oldalán a smüonpár esemény a beérkező elektronnyaláb irányából látható. A körök a különböző detektorelemeket szemléltetik. Az ábra közepéből induló vonalak a müonok nyomát mutatják a nyomkövető detektorban. A következő rétegekben látható „kockák" a kaloriméterekben leadott energiával arányosak, a nyilak pedig a legkülső müondetektorban észlelt beütésekre utalnak. Az ábra jobb oldalán az esemény az előzőre merőlegesen, oldalról látható.

Véletlenszámok a tudomány szolgálatában

A részecskefizikában használt berendezések, mérések tervezésekor, illetve később, az összegyűjtött adatok feldolgozásakor az egyik legfontosabb eszköz a Monte Carlo-szimuláció. A Monte Carlo-módszer igen széles körben (a pénzügyi élettől a bonyolult rendszerek kockázatanalízisén át az alaptudományokig) alkalmazott numerikus eljárás, amely véletlenszámok generálásán alapul. Az elnevezés -- a szerencsejátéko(so)k városa -- a statisztikus szimuláció és a szerencsejátékok közti hasonlóságra utal. Egy fizikai (matematikai) rendszer gyakran jellemezhető valószínűség- eloszlásokkal. Ha ismerjük ezeket az eloszlásokat, a Monte Carlo-szimuláció azonnal elvégezhető véletlen mintavételezéssel. A mintavételezést sokszor elvégezve kiátlagolhatjuk a kapott eredményeket, és megbecsülhetjük az átlag hibáját. Megválaszolhatjuk a kérdést, hogy az adott mennyiség az esetek milyen hányadában halad meg egy adott értéket, esik egy ismert intervallumba... Szemléltetésül nézzük meg, hogyan készülhet egy szimulált smüonpár esemény. Első lépésként feltételezéseket kell tennünk az elmélet paramétereire, hiszen ezek határozzák meg, mekkora lesz a smüon tömege, lejátszódhat-e az adott folyamat, és ha igen, akkor milyen valószínűséggel. Ezután már valóban hozzákezdhetünk a feladathoz. Példánkban a beérkező elektron és pozitron energiája megegyezik a nyalábenergiával, impulzusuk azonos nagyságú, de ellenkező irányú, így az energia- és impulzusmegmaradás törvénye szerint a virtuális foton vagy Z-bozon nyugalomban, kétszeres nyalábenergiával keletkezik. Az elmélet paramétereinek ismeretében meghatározhatjuk annak a valószínűségét, hogy a közbenső bozon egy smüonpárra bomlik el. Tegyük fel, hogy Fortuna és a véletlenszám-generátor kegyeltjei vagyunk, és valóban egy smüonpár jön létre az eseményünkben. (Ha nem így történne, akkor addig próbálkozunk, amíg ránk nem mosolyog a szerencse.) Ismerve a smüonok tömegét (a pozitív és a negatív töltésű smüon tömege megegyezik, hiszen egymás antirészecskéi), kiszámolhatjuk energiájukat és impulzusuk nagyságát. Azonban impulzusuk irányát egy valószínűség-eloszlás írja „csak" le, így ismét szükségünk van egy véletlenszámra, amely megmondja nekünk, az adott eseményben merre is menjenek a részecskék. A következő lépés a smüonok elbomlasztása, amelyet az előzőekhez hasonlóan végzünk el. Ha ezzel készen vagyunk, akkor már ismerjük a végállapotban lévő részecskéket, és a feladatunk e részecskék és a detektor anyaga közti kölcsönhatás leírása lesz, szintén valószínűség-eloszlások és véletlenszámok segítségével. A Monte Carlo-módszer legnagyobb előnye, hogy nincs szükség a sokszor igen bonyolult rendszer analitikus vagy hagyományos numerikus módszerekkel történő megoldására, hanem „csupán" véletlenszámok gyors és hatékony generálásával megválaszolhatók a feltett kérdések, megoldható a probléma.

Mindeddig feltételeztük, hogy az R-paritás megmarad, azaz a folyamatokban a szuperszimmetrikus részecskék párosan szerepelhetnek csak. Mivel azonban az R-paritás megmaradására nincs sem elméleti, sem kísérleti bizonyíték, igen fontos az R-paritás-sértő folyamatok tanulmányozása is, különösen ha tekintetbe vesszük azt, hogy bizonyos R-paritás-sértő bomlások valószínűsége vetekedhet a hagyományos R-paritás-őrző módusokéval.

Mi történhet vajon az előző oldalakon már közelről megismert smüonokkal R-paritás-sértést megengedő elméletekben?

3. ábra. Szimulált smüonpár esemény R-paritás-sértést

megengedő modellben  189 GeV tömegközépponti energián,

ahogy a detektorban észlelnénk, két különböző nézetből.

A Monte Carlo-számítás elvégzésekor feltételeztük,

hogy a smüon tömege 94 GeV és a bomlásakor keletkező,

kvarkokra bomló neutralínóé 89 GeV.

Ha a smüon nehezebb, mint a neutralínó, akkor ebben az esetben is elbomolhat egy neutralínóra és egy müonra. Azonban ez esetben semmi sem garantálja, hogy a neutralínó stabil részecske legyen 7, elbomolhat ismert SM-részecskékre, amelyek (a neutrínó kivételével) kölcsönhatásba lépnek a detektor anyagával. Egy ilyen folyamat Monte Carlo-szimulációja látható a 3. ábrán. A két nyíllal jelzett müonnyom mellett most megjelennek a neutralínó bomlásából származó részecskék is, amelyek jóval bonyolultabbá teszik a végállapotot.

A fenti bomláson kívül teljesen új lehetőségek is állnak smüonunk előtt: elbomolhat két SM-fermionra, például két leptonra, egy leptonra és egy kvarkra vagy két kvarkra. Ha mindkét smüon kvarkokra bomlik, a végállapotban a kvarkok hadronizációjából keletkező négy részecskezáport1észlelhetnénk detektorunkkal.

A bevezetésben szót ejtettünk még azon modellekről, amelyekben a szuperszimmetria-sértést mértékkölcsönhatások közvetítik a rejtett szektorból a láthatóba. Ezeket a modelleket az angol elnevezés (Gauge Mediated Supersymmetry Breaking) rövidítését használva GMSB-vel jelöljük. GMSB-modellekben a legkönnyebb szuperszimmetrikus részecske a gravitínó, és a második legkönnyebb részecske - amely fontos szerepet játszik a kísérleti keresésben - vagy az egyik neutralínó vagy a stau.

A teljesség kedvéért vessünk ismét egy pillantást a smüonpár eseményekre. GMSB-modellekben a smüonok bizonyos feltételek teljesülése esetén szintén elbomolhatnak egy neutralínóra és egy müonra. A keletkező neutralínó lehet hosszú élettartamú, ekkor a 2. ábrán láthatóhoz hasonló végállapotot kapunk; vagy elbomolhat egy gravitínóra és egy fotonra. Mivel a gravitínó semleges, a detektort nyom nélkül elhagyó részecske, a detektorunkkal ebben az esetben két müont és két fotont észlelnénk, valamint energiahiányt tapasztalnánk. A smüon előtt álló másik út, hogy egy gravitínóra és egy müonra bomoljon el, és ismét a 2. ábrán láthatóhoz hasonló végállapotot eredményezne. Tovább bonyolíthatja a képet, hogy a smüon élettartamának függvényében a bomlás esetleg csak a detektor külső részében történik meg, és ekkor egy megtört nyomot láthatunk, vagy akár a detektoron kívül is végbe mehet, két darab, egy egyenesbe eső, erősen ionizáló nyomot adva.

Mit tanulhattunk a fenti példákból?

4. ábra. Smüonok keletkezése és bomlása elektron-pozitron ütközésben,

különböző szuperszimmetrikus modellekben:

a) R-paritás-őrző szupergravitációs modell;

b) R-paritás-sértő szupergravitációs modell

- neutralínón keresztüli közvetett bomlás;

c) R-paritás-sértő szupergravitációs modell

- közvetlen bomlás a Standard Modell fermionjai;

d) GMSB-modell - neutralínón keresztüli közvetett bomlás;

e) GMSB-modell - közvetlen bomlás gravitínóra és müonra.

Az ábrákon fi-vel a Standard Modell fermionjai

(kvarkokat és/vagy leptonokat) jelöltünk.

Egy keresett részecske különböző modellekben, illetve egy kiválasztott modell különböző paramétertartományaiban igen különböző módon viselkedhet (példáinkat a 4. ábrán foglaltuk össze). Szerencsére egy adott modell adott paraméterei esetén - elméleti fizikus kollégáink munkájának hála - elég pontos jóslatok állnak rendelkezésünkre, amelyek alapján méréseink megtervezhetők, optimalizálhatók. Szisztematikusan, ám minden újra nyitott szemmel kell dolgoznunk: modelljeink közül csupán egyetlen valósulhat meg a természetben, és még az elméletek e gazdagságában sem lehetünk biztosak abban, hogy már köztük van az igazi.

A keresés hétköznapjai

Van egy elméletünk, ennek segítségével ismerjük a jóslatokat arra, milyen részecskék jelenhetnek meg, és azok hogyan viselkednek detektorunkban. A feladatunk: megtalálni őket, ha valóban léteznek és a várakozásunknak megfelelőek, avagy minél pontosabb megszorításokat adni a modellre, a lehetséges paramétertartományokra, ha keresésünk negatív eredményt ad.

Ahogy már említettük, méréseinket, adataink feldolgozását Monte Carlo-szimulációk segítségével optimalizáljuk. Miután képet kaptunk arról, hogy a keresett folyamat, továbbiakban a jel, milyen tulajdonságokkal rendelkezik, számba kell vennünk, hogy milyen más fizikai folyamatok adhatnak ehhez hasonló végállapotokat. Ezeket a mérésünk szempontjából zavaró eseményeket nevezzük háttérnek.

A jel- és a háttéresemények részletes összehasonlítása segít a megfelelő válogatási kritériumok megállapításához 8, amelyek segítségével eldobhatjuk a háttér, és kiválaszthatjuk a jel eseményeit, amennyiben azok valóban jelen vannak. A kiválogatás után a szimulációkból ismerjük a még megmaradó háttéresemények várható számát, valamint azt, hogy milyen hatásfokkal vagyunk képesek kiválasztani a jeleseményeket, és ez utóbbinak a segítségével egy adott modell keretében kiszámolhatjuk a jelesemények várható számát is.

5. ábra. Példaként megmutatjuk két azonos skalár részecske 4. c ábrához hasonló bomlását feltételező, végállapotban négy részecskezáport tartalmazó események kiválogatásának eredményét 189 GeV tömegközépponti energián. A vízszintes tengelyen a feltételezett skalárrészecske tömegét ábrázoltuk a részecskezáporok mért négyesimpulzusából számolva, míg a függőleges tengelyen az 1,5 GeV-es tömegtartományokban észlelt események számát. A pontok a hibákkal a kísérleti adatokra vonatkoznak, a fehér és a sötétszürke hisztogramok a Standard Modell különböző folyamataiból eredő, Monte Carlo-szimulációk segítségével becsült hátteret mutatják, míg a világosszürke hisztogrampárban keletkező 65 GeV tömegű részecskék jelenléte esetén várható többletet mutatja egy lehetséges paraméterkombináció esetén. Erről az ábráról szabad szemmel is megjósolható, a statisztikai módszerek segítségével pontosan megkapható eredmény, hogy a kísérleti adatok ez esetben a „csak háttér" feltételezést támogatják.

E ponton nyúlunk a detektorunk által gyűjtött adatokhoz, végrehajtva azon a Monte Carlo-szimuláció segítségével kidolgozott eseményválogatást. Ha a kapott eredmény (lásd példaként az 5.ábrát) konzisztens 9 a „jel + háttér" feltételezéssel, akkor egy új felfedezés kapujába értünk; ha azonban az észlelt események a „csak háttér" feltételezést támasztják alá, akkor ez a sokszor negatívnak nevezett eredmény nyújt lehetőséget arra, hogy korlátokat határozzunk meg a modell paramétereire.

Ahogy talán már sejthető, a munka még nem ért véget: mindeddig nem fedeztünk fel egyetlen Standard Modellen túli részecskét sem, azaz nem találtuk meg a közvetlen kísérleti bizonyítékot arra, hogy világunk gazdagabb a Standard Modell által leírtaknál. A hátralévő néhány sorban megpróbálom (a terület szerteágazó volta miatt) a teljesség igénye nélkül összefoglalni az eddigi méréseket és röviden felvázolni az előttünk álló lehetőségeket.

Ahol most tartunk

Napjainkban elsősorban három nagy gyorsító segítségével 10 kutatják új részecskék keletkezését.

Elsőként a Genf mellett működő Európai Részecskefizikai Laboratórium (CERN) 200 GeV tömegközépponti energiát meghaladó elektron-pozitron ütköztetőjéről, a LEP-ről ejtünk szót. Az elektron-pozitron ütközés tiszta környezete igen jó lehetőséget teremt szinte minden szuperpartner keresésére. Az elmúlt évek során mind az adott modelleket megcélzó, mind a végállapotok topológiájából kiinduló (több-kevésbé) modellfüggetlen analízisek is születtek. A LEP eredményei alapján a legtöbb szuperszimmetrikus részecske tömegére a Z-bozon tömege körüli alsó határt állapítottunk meg, igaz, gyakorta csak bizonyos mellékfeltételek teljesülése esetén. Jelenleg a leggyengébb korlátok a sneutrínók és a legkönnyebb neutralínó tömegére állnak fenn.

Bár a LEP-kísérletek a modellek és azok paramétereinek igen széles skáláját képesek vizsgálni, az általuk elérhető legnagyobb részecsketömegek nem vehetik fel a versenyt a Chicago közelében működő Tevatron proton-antiproton gyorsítónál tanulmányozhatókéval. A CDF és D0 kísérletek 1,8 TeV tömegközépponti energián 11 gyűjtött adatait mind szupergravitációs, mind GMSB-modellek keretében vizsgálták.

6. ábra. A Tevatron gyorsító mellett működő CDF detektorral észlelt proton-antiproton ütközés. A bal oldalon a nyaláb irányából nézve láthatóak a detektorban észlelt beütések, míg a jobb oldalon az elektromágneses kaloriméter „kiterített" képén látható az észlelt transzverzális energia nagysága. Mindkét ábrázolási módban jól látható az „érdekes" folyamatból származó négy nagy energiájú részecske mellett megjelenő sok egyéb részecske.

A hadron ütköztetők „zavaros" eseményei 12 (6. ábra)csak bizonyos típusú végállapotok vizsgálatát teszik lehetővé. A klasszikus analízisek nagy transzverzális 13 energiájú objektumokat (fotonokat, leptonokat, hadronzáporokat vagy éppen hiányzó energiát) követelnek meg. A legfontosabb eredményeiket a skvarkok (főként a stop), a gluínó és a gaugínó keltésének vizsgálata adja.

A hamburgi DESY kutatóközpont elektron-proton ütköztetője, a HERA, 320 GeV tömegközépponti energián működik és egyedülálló nyalábkombinációjának hála egyes csatornák (például R-paritás-őrző modellekben egy selektron és egy skvark együttes keletkezése eq ® ~e ~q, vagy R-paritás-sértő modellekben egy skvark keletkezése eq ®~q) hatékony vizsgálatára ad módot.

A felsorolt keresések egyike sem mutatott ki határozott eltérést a Standard Modell várakozásaitól, így „csupán" határokat tudtunk megállapítani az elméletek paramétereire. A hagyományos szuperszimmetrikus elméletek „minimalista" változatai erősen korlátok közé szorítottak, ám általánosságban a szuperszimmetria még a már elérhető kinematikus tartományban is rejtőzhet.

Amit a jövő tartogat

A CERN LEP gyorsítója 12 év után idén fejezi be működését, elérve legmagasabb tömegközépponti energiáját, mintegy 210 GeV-et. Talán kevesen számítanak már meglepetésekre, de a tudománytörténet tanulsága és sokunk reménye szerint még az utolsó nekifutás adatainak feldolgozása is meghozhatja az első sorsdöntő eredményeket.

A LEP-től a stafétabotot 14 a Chicago közelében működő 2 TeV energiájú proton-antiproton gyorsító, a Tevatron 2001-ben kezdődő új mérési szakasza veszi át, amely jelentősen átépített, még nagyobb érzékenységű detektoraival, valamint a következő években várható nagy luminozitásával jó esélyekkel indul a nemes versengésben az elsőként felfedezett, nem SM-részecskéért.

Amennyiben sem a LEP, sem a Tevatron nem hozza meg a várva várt áttörést, 2005-ben a CERN LHC (Large Hadron Collider) gyorsítóján a sor. Ez a 14 TeV tömegközépponti energiájú gyorsító lesz az évtized részecskefizikai berendezése, amely végleg tisztázhatja az elektrogyenge szimmetriasértés körüli kérdéseket: léteznek- e Higgs-bozonok, és ha igen, milyenek? Valamint választ adhat arra is: szuperszimmetrikus-e a természet? Ugyanis ha a szuperszimmetria a válasz a hierarchiaproblémára, akkor az 1 TeV skála környékén meg kell találnunk az első szuperpartnereket.

Izgalmas és - akár pozitív, akár negatív válaszokat kapunk kérdéseinkre - mindenképpen sorsdöntő évek állnak előttünk. Könnyen előfordulhat, hogy az első új részecskét egy ma még csak a fizikát tanuló diák „látja" meg majd számítógépe képernyőjén.

Mi is ott lehetünk

A Standard Modellen túli fizika kísérleti keresésében magyar diákok, fizikusok is évek óta részt vesznek 15 a CERN LEP gyorsítója mellett működő két nagy nemzetközi együttműködés, az L3- és az OPAL-kísérletek keretében 16. Bár a LEP gyorsító idén befejezi működését, hogy átadja helyét az új, nagy reményekre jogosító LHC-nek, a lehetőség továbbra is a miénk. Magyarország CERN tagsága, és az a tény, hogy aktív részesei vagyunk az LHC CMS (Compact Muon Solenoid) detektora előkészítési, fejlesztési, építési munkálatainak, biztosítja számunkra, hogy kutatásainkat a következő évtized egyik részecskefizikai csúcskísérletében folytathassuk.

----------------------------

PÁSZTOR GABRIELLA (1972), tudományos főmunkatárs az MTA KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézetében (1121 Budapest, Konkoly-Thege Miklós út 29-33). Az ELTE TTK fizikus szakán végzett 1995-ben, PhD-t 1999-ben szerzett az ELTE TTK-n, részecskefizika szakterületen. Kutatási témája töltött Higgs-bozonok és szuperszimmetrikus részecskék keresése volt. Jelenleg a CERN-ben (Geneva 23. CH-1211) dolgozik a most épülő CMS detektor elektronikájának fejlesztésén, valamint az OPAL detektor adatainak feldolgozásával extra dimenziókat feltételező, gravitációs modellek jóslatának ellenőrzésén. E-mail: Gabriella.Pasztor@cern.ch

JEGYZETEK

1 Építünk, ill. hivatkozunk Horváth Dezső, Cynolter Gábor és Szillási Zoltán cikkeinek egyes részeire, így az érdeklődő olvasónak különös figyelmébe ajánljuk ezeket az írásokat.

2. A mérték szó angol megfelelőjéből (gauge) képzett szó, amelyet magyarra mértékínóként fordíthatnánk.

3. A töltés szó angol megfelelőjéből (charge) képzett szó, amelyet magyarra töltínóként fordíthatnánk.

4. A továbbiakban csupán olyan kísérletekről, mérésekről ejtünk szót, amelyek nagy energiájú részecskegyorsítók segítségével folynak, és amelyek új részecskék közvetlen kimutatását tűzték ki célul. Mind maguk a gyorsítók, mind a mellettük felépülő nagy detektorok tervezése és megépítése fizikusok és mérnökök százainak hosszú évekig tartó közös munkájának a gyümölcse. E nehéz, de izgalmas folyamat felvázolása kívül esik cikkünk lehetőségein, annyit azonban meg kell említenünk, hogy egy új berendezés alapötletének felvetésétől a részletek aprólékos kidolgozásáig a fizikusok szeme előtt a vizsgálandó legfontosabb fizikai folyamatokra való érzékenység és a későbbi minél szélesebb körű alkalmazhatóság lebeg.

5. Virtuálisnak nevezünk egy részecskét, ha az nem a tömeghéjon keletkezik, vagyis négyes-impulzusából számolható tömege nem egyezik meg a részecskét jellemző tömeggel (például egy virtuális foton tömegére nullától különböző értéket kapnánk).

6. Egyes paraméter-tartományokban a legkönnyebb szuperszimmetrikus részecske az egyik sneutrínó.

7. Pontosabban szólva, az R-paritás-sértő vertexekhez tartozó csatolások értékének függvénye a szuperszimmetrikus részecskék (jelen esetben a neutralínó) élettartama. Kellően nagy, ám más mérések (pl. a proton-bomlás vizsgálata) által még nem kizárt értékeket véve a szuperszimmetrikus részecskék elbomlanak a detektor térfogatában.

8. Egy ilyen kritérium lehet például az eseményben található részecskék számának, a detektorban észlelt teljes energia nagyságának vagy a napjainkban igen közkedvelt mesterséges ideghálózatok segítségével több jellemző fizikai mennyiség kombinációjaként kapott érték korlátozása.

9. Ennek a kérdésnek az eldöntésére a valószínűség-számítás módszereit hívjuk segítségül.

10. Nem fontosságuk, csupán a cikk kereteinek szűkössége miatt nem ejtünk szót azokról a kísérletekről, amelyekben egy céltárgyat bombáznak felgyorsított részecskenyalábbal.

11. Proton-antiproton ütközésekben nem áll a teljes tömegközépponti energia rendelkezésre új részecskék keltésére, mivel a proton ill. az antiproton összetett részecske és energiája megoszlik az őt felépítő kvarkok között.

12. Gondoljunk csak arra, hogy az esetlegesen megjelenő szuperszimmetrikus részecskék jó esetben is csak a proton ill. az antiproton egyetlen kvarkját használják el, így ennek maradéka detektorunkban megjelenve elrejtheti előlünk az érdekes folyamatot, az új részecske keletkezését.

13. A nyaláb irányára merőleges vetületben számolt.

14. Ahogy az előző szakaszban megemlítettük, a Tevatron már eddig is számos értékes eredményt adott a részecskefizikának.

15. A kutatásokat az Országos Tudományos Kutatási Alap az OTKA F023259, T019181, T023793, T024011 és T029328 számú szerződések alapján támogatja.

16. A szerző maga is e témakörben, töltött Higgs-bozonok és szuperszimmetrikus részecskék R-paritássértő bomlásainak kereséséről írta PhD-értekezését az OPAL detektor adatainak felhasználásával. esemény

Tartalomjegyzékhez < Világképem <  Anyagelőtti     

--------------------

http://www.sulinet.hu/termeszetvilaga/archiv/2000/0015/08.html