Így keresik a világegyetem szabálykönyvének hiányzó lapjait

Tudománykommunikációs VersenyLezárult az ELTE 2026-os VIII. Tudománykommunikációs Versenye. A National Geographic magazin online felületén a pályázat legjobb cikkeit és videóit közöljük. A sorozat eddig megjelent részei itt érhetők el.

Minden tudományterületnek megvan a maga szabálykönyve. A részecskefizikáé az úgynevezett standard modell, egy meglehetősen tömör, egyenletekből és kísérleti eredményekből gyűjtemény, amely képes leírni a világegyetem minden ismert jelenségét a legkisebb mozgó elemeitől egészen a köztük lévő hatalmas léptékekig. Tizenhét elemi részecske és három kölcsönhatás (a gravitáció kivételével), valamint – ami egészen figyelemreméltó – mindössze három részecske (a felkvark, a lekvark és az elektron) épít fel szinte mindent, amit magunk körül látunk: a reggeli kávéscsészénket, a távoli hegyeket, sőt minket, embereket is.

A több mint ötven év alatt fokozatosan kialakított szabálykönyv elképesztően jól működik. Minden gondosan elvégzett, a tesztelésére elvégzett mérés azt mutatta, hogy az előrejelzései helyesek – gyakran egymilliomodnyi pontosságú.

A szabálykönyv azonban nem teljes. Semmit sem mond olyan makacs rejtélyekről, mint a sötét anyag, amely a kozmoszban ötször nagyobb tömegű a közönséges anyagnál. Arra sem ad magyarázatot, hogy miért áll szinte kizárólag anyagból a világegyetem, miközben az ősrobbanásnak azonos mennyiségű anyagot és antianyagot kellett létrehoznia. Biztosak lehetünk benne, hogy a szabálykönyvnek vannak hiányzó lapjai, csak azt nem tudjuk, hol keressük őket.

A standard modellen túl

Ezen a ponton veszi kezdetét a munkám: olyan jelenségeket keresek, amelyeket a fizikusok ritka bomlásoknak neveznek. Ezek az események egymillióból vagy akár egymilliárd ütközésből mindössze egyszer következnek be.

A standard modell pontosan megjósolja, milyen ritkán kellene előfordulniuk ezeknek az eseményeknek. Ha gondosan megszámoljuk őket, és az eredmény akár csak kis mértékben is eltér a jóslattól, az már hibát jelez a szabálykönyvben, egyben az új típusú fizika létezésére utal.

A standard modell nem teljes, az univerzum egyes jelenségeire nem ad magyarázatot.

Forrás: Pixabay

Az ilyen események létrehozásához a CERN Nagy Hadronütköztetőjét (Large Hadron Collider, LHC) használjuk, amely egy 27 kilométer hosszú gyorsítógyűrű a francia–svájci határ alatt, ahol a protonokat csaknem fénysebességre gyorsítva ütköztetik. Az LHCb a CERN négy nagy kísérletének egyike, az ELTE pedig a részt vevő intézmények közé tartozik.

Az LHCb kísérletben másodpercenként negyvenmillió ütközés történik. Ez messze meghaladja azt az adatmennyiséget, amelyet bármely számítógép képes lenne eltárolni. Hogyan észleljük tehát a legritkább eseményeket?

Így segítem az ELTE–LHCb munkáját

A válasz az úgynevezett triggerekben rejlik, ezek rendkívül gyors szűrőrendszerek, amelyek mikroszekundumok alatt döntik el, hogy egy ütközés érdekesnek tűnik-e, vagy elvethető. Nélkülük semmilyen felfedezés nem lenne lehetséges. Az LHCb jelenleg a Run 3 adatgyűjtési időszakának lezárásán dolgozik.

Az ELTE–LHCb kutatócsoport meghatározó tagjaként bekapcsolódtam azoknak a triggereknek a megtervezésébe, amelyek kiválasztják az érdekes eseményeket. Emellett egy rövid élettartamú, szépségkvarkot tartalmazó részecske, az úgynevezett Lambda_b barion (a proton és a neutron közeli rokona) ritka bomlásait is vizsgálom.

A szabálykönyv szerint a természetnek pontosan ugyanúgy kell kezelnie az elektronokat és a müonokat (az elektronok nagyobb tömegű rokonait), az én feladatom pedig annak ellenőrzése, hogy valóban így van-e. Ha akár csekély eltérés is mutatkozna a két részecske kezelésében, az óriási jelentőségű nyom lenne a standard modellen túli részletekkel kapcsolatban.

A standard modell az emberiség egyik legnagyobb tudományos teljesítménye, valahol azonban ott rejtőznek benne a kiskapuk. Ezek egy-egy ritka esemény nyomán történő felkutatása az, amin dolgozunk.

Debashis Sahoo (ELTE TTK), ELTE VIII. Tudománykommunikációs Verseny, cikk kategória 3. helyezett.