Igó-Kemenes Péter
Heidelbergi Egyetem

A részecskefizika jövője az elkövetkező évtizedekre nagy vonalaiban meghatározott. Ez az állítás a legnagyobb mértékben igaz Európában, ahol a Genf melletti Európai Részecskekutató Intézet (CERN) létező és tervezett berendezései meghatározzák a kísérleti kutatások fő irányát. Az Egyesült Államokban más a helyzet: ott ugyanis a nagyenergiájú proton-antiprotón gyorsító (SSC) építésének leállításával komoly űr keletkezett. Tervezik ugyan kisebb méretű részecskefizikai berendezések építését és a már működő laboratóriumok továbbfejlesztését, de az SSC gyorsítóhoz mérhető létesítményről nem beszélhetünk. A kísérleti részecskefizika súlypontja az ezredfordulón áthelyeződik az európai térségbe.

A részecskefizika útja tehát ki van jelölve, mind az alapvető fizikai kérdéseket, mind pedig az ehhez szükséges kísérleti eszközöket illetően. A Standard Modell [1] nagy sikerrel írja le az elemi fermionok és bozonok kölcsönhatására vonatkozó összes kísérleti adatot. Ennek ellenére a Standard Modellben összefoglalt világkép nem tekinthető teljesnek, mindössze egy átfogó elmélet alacsonyenergiájú közelítését kell látnunk benne. Az általánosabb elméletre vonatkozóan sokféle elgondolás létezik, ma a szuperszimmetriában látjuk a legígéretesebb utat. Ha a szuperszimmetriának van reális alapja, akkor új jelenségek megfigyelését várhatjuk az 1 TeV körüli energiaskálán, azaz nem túl messze a jelenleg már működő gyorsítók energiájától.

A kísérleti adatok zömét ma még a CERN-ben működő LEP (Large Electron Positron collider) e⁺ e^- gyorsító szállítja, és ez folytatódni fog az ezredfordulóig. A LEP energiáját fokozatosan növelik, a mai 90 GeV-ről körülbelül 200 GeV-re. Az ezredforduló után Európában a részecskefizikai programot leginkább a Large Hadron Collider (LHC) 14 TeV összenergiájú proton-proton gyorsító fogja meghatározni. Az LHC mellett felépítendő gigantikus kísérleti berendezések képesek lesznek a TeV-es energiatartomány tanulmányozására és a megjósolt új jelenségek felfedezésére. A várakozásnak megfelelően az LHC és a hozzá felépítendő ATLAS és CMS kísérleti berendezések finanszírozását az illetékes európai szervek jóváhagyták.

Az európai kísérleti részecskefizika korántsem korlátozódik az eddig említett CERN-létesítményekre (LEP és LHC). Meg kell említenünk.a Hamburg mellett működő DESY intézet HERA elektron-proton gyorsítóját, ahol a proton belső szerkezetének mélyreható tanulmányozása folyik, a Róma melletti Gran Sasso földalatti laboratóriumában pedig a kozmikus sugárzás tanulmányozásával keresnek magyarázatot a részecskék viselkedésének alapvető kérdéseire. Hamarosan a CERN-i gyorsítókomplexum egyik neutrínó-nyalábja az Alpokon keresztül a Gran Sasso laboratóriumot célozza majd meg, ami lehetővé teszi a neutrínó esetjeges nem-zérus tömegével kapcsolatos oszcilláció megfigyelését. Nem szabad megfeledkeznünk a CERN nehézion-programjáról, a nagyszabású neutrínó-vizsgálatokról, vagy az NA48 kísérletről sem, ahol a bomlás igen pontos mérésével tanulmányozzák a CP-szimmetria sérülését az elektrogyenge kölcsönhatásban. E rövid felsorolás csak a legkiemelkedőbb kísérletekre szorítkozik, és azt szeretné érzékeltetni, hogy a tervezett LHC létesítmény grandiózus méretei ellenére sem válik az európai részecskefizika túlságosan monolitikussá. A felsorolt berendezések az ezredfordulón túl is működni fognak, és hozzájárulnak a részecskefizika többirányú megvilágításához.

Különösen jó érzés számunkra, hogy Magyarország felismerte az európai nagy kísérleti együttműködések fontosságát, a bennük rejlő tudományos lehetőségeket és több ma is folyó, illetve a jövőben induló együttműködéshez csatlakozott: többek között két LEP kísérlethez; a nehézion-programhoz és az LHC gyorsítónál épülő CMS (Compact Muon Soleonid) kísérlethez.

A Standard Modell (SM) legnagyobb sikerei közé sorolható a 80-as évek elején a W^± és Z⁰-bozonok felfedezése az elméletileg előre jelzett tömegekkel. A siker ellenére már akkor nyilvánvaló volt, hogy az SM nem jelentheti a végső szót a részecskefizikában, hiszen több alapvető kérdésre a modellnek nincsen válasza. Nem tud például magyarázatot adni a fermionok tömegspektrumára, vagy a fermionok családokra tagozódására (táblázat).

Az SM szerint az elemi fermionok és bozonok nyugalmi tömege elemi skalárterekkel kölcsönhatásban keletkezik (Higgs-mechanizmus [2]). A Higgs-mechanizmus magával vonja egy semleges töltésű skaláris részecske létezését, a Higgs-bozonét, amelynek tömege néhányszáz GeV alatt várható. Ezt a részecskét azonban még nem sikerült felfedezni (a Higgs-bozon tömegének kísérleti alsó határa 65 GeV).

Az SM keretein belül megoldhatatlan problémát jelent az energiaskálák kérdése is, nevezetesen, hogy miért csak 100 GeV az elektro-gyenge kölcsönhatás energiaskálája, amikor az elemi kölcsönhatások egyesített skálája, a mérési adatok extrapolálása szerint, 10¹⁶ és 10¹⁸ GeV között várható. Az SM fegyvertárában nem található olyan mechanizmus, amely a természetes kvantumfluktuációkat megfékezve, alacsonyan tartaná az elektro-gyenge kölcsönhatás közvetítőinek, a W^± és Z⁰-bozonok tömegét.

Éppen ezt a célt szolgálja a szuperszimmetria (SUSY) bevezetése. Itt azonnal le kell szögeznünk, hogy az elméleti fizika leltárában sokmásféle elképzelés is található, amely lényegében ugyanezt a célt szolgálja. Viszont a SUSY kínálja az egyetlen részletesen kidolgozott mechanizmust, amely egyúttal lehetséges útmutatást ad az energiaskálák kérdésének megoldására és osztja az SM sikerét a mérési adatok hűséges leírásában. Ennek köszönhető, hogy manapság egyre inkább a SUSY elmélet legtakarékosabb (azaz legkevesebb szabad paraméterrel rendelkező) változata, a Minimális Szuperszimmetrikus Standard Modell (MSSM) tekinthető a részecskefizika új standardjának.

Amennyiben elvárjuk, hogy az MSSM betöltse rendeltetését, vagyis megfékezze a kvantumfluktuációkat, szükségszerű, hogy a vele járó új elemi részecskék (újabb Higgs-bozonok és a szokványos részecskék szuperszimmetrikus partnerei) legalább egy részének a tömege az elektro-gyenge kölcsönhatás energiaskálájának közelében, mindenképp 1 TeV alatt, esetleg már 100 GeV környékén legyen. Ez az érvelés ösztönzi többek között a LEP gyorsító-energiájának növelését és az új proton-proton gyorsítónak, az LHC-nek a megépítését is. Természetesen mindkét gyorsító érzékeny új jelenségek megfigyelésére, még akkor is, ha azok történetesen nem az MSSM előrejelzésének megfelelően jelentkeznek.

A LEP e⁺e^- gyorsító kísérleti programjának fő célja a gyenge kölcsönhatás közvetítőinek, a Z⁰ és W^± mértékbozonok tulajdonságainak pontos megmérése. Emellett igen fontos irányvonala esetleges új jelenségek, a minimális SM-ből kimutató részecskék vagy kölcsönhatások megfigyelése. Mindkét irány lényegében egy célt szolgál, nevezetesen az SM-en túli új fizika fejfedezését.

A LEP mellett felépített négy kísérleti berendezés, ALEPH, DELPHI, L3 és OPAL, a modern fizikai kutatás legkorszerűbb eszközeivel, 1989 óta mostanáig a Z⁰-bozon keletkezését és bomlását tanulmányozta. Az elektronok és pozitronok ütközési energiája ezért a Z⁰-bozon tömegére (91,2 GeV) volt beállítva. A négy kísérlet együttesen több, mint 15 millió Z⁰-bomlást észlelt és elemzett. A LEP mérési eredményei közül a következőket emelhetjük ki:

• A Z⁰-bozon tulajdonságainak (hatáskeresztmetszet, bomlási szélesség, a leptonokra és hadronokra történő bomlás elágazási arányai, aszimmetriák, spin-polarizációk) pontos mérése és összehasonlítása az SM előrejelzésével. Valamennyi mérés igazolja az SM-et. Kizárólag a bomlás elágazási arányában érzékelhető némi eltérés, amelyet azonban korai lenne még valamiféle új fizika jelének tekinteni.

• Ugyanezek a mérési eredmények a kis tömegű neutrínó-fajták számát 3-ban állapítják meg, kizárva az SM keretein belül további fermion-családok létezését. (Az SM szerint, elméleti megfontolások alapján, a könnyű-neutrínós leptonpárok és kvarkpárok számának azonosnak kell lennie.)

• A sugárzási korrekciók miatt a Z⁰-bozon mérhető adatai meglehetősen érzékenyek a top-kvark és kisebb mértékben a Higgs-bozon tömegére. Egy globális paraméter-illesztés, amely a LEP-mérések mellett figyelembe vette a mélyen rugalmatlan leptonszórás eredményeit is, a top-kvark tömegére a következő legvalószínűbb értéket adta [3]: m_t = GeV/c², tökéletes összhangban a direkt mérés eredményével [4]: m_t = 180 ± 15 GeV/c². E két adat egybeesése is az SM-et igazolja, mégpedig a sugárzási korrekciók magasabb fokán.

• A Higgs-bozon tömegére a fenti illesztés kevésbé érzékeny. Az 1. ábra az illesztés jóságát ( -eloszlását) mutatja a Higgs-tömeg függvényében, a top-kvark tömegének különböző értékeire 150 és 195 GeV/c² között. A legvalószínűbb érték, m_H = GeV/c² (1 standard eltérésen belül), könnyű Higgs-bozonra utal, amely esetleg még a LEP gyorsító későbbi, nagyobb energiájú fázisában (LEP-200) megfigyelhető lesz. Meg kell jegyeznünk viszont, hogy az illesztés kétszeres szóráson belül igen gyengén, csak 700 GeV/c² alá korlátozza a Higgs-bozon tömegét.

• Az új részecskék felfedezésére fordított komoly erőfeszítések eddig nem hoztak pozitív eredményt. A részecskék feltételezett szuperszimmetrikus partnerei a Z⁰-bozon bomlásában nem jelentkeztek. Nem figyeltünk meg további lepton- és kvark-családokhoz tartozó részecskéket, és nem észleltünk jelzést az SM alapvető elemi részecskéinek esetleges összetett jellegére sem. A Z⁰-bozon bomlásainak nagyon kis része, legfeljebb három ezreléke fér össze olyan bomlási csatornákkal, amelyek az SM keretein túllépnek.

Az SM ilyen mértékű sikeré a Z⁰-bozon bomlásának leírásában az érdeklődést a magasabb energiatartományok felé tolja, ahol a legkisebb tömegű szuperszimmetrikus részecskék várhatók. A LEP gyorsító energiáját még 1995 vége előtt 140 GeV-re és 1996-ban 160 GeV-re növelik, majd 1998-ban fokozatosan a 190 és 200 GeV közötti maximális értékre. Ott már komoly esély kínálkozik akár az SM Higgs-bozonjának, akár az MSSM Higgs-bozonjai közül a legkönnyebbek (h⁰, A⁰) felfedezésére. Továbbá ebben az energiatartományban várható néhány a SUSY partner-részecskék közül is.

A LEP energiájának megduplázásával mód nyílik a W^±-bozonok keletkezésének és bomlásának részletes tanulmányozására is. A W^±-bozon tömege az SM (és éppítgy a SUSY modellek) egyik alapvető paramétere, amelynek ezrelékes pontosságú megmérése a modellek fontos ellenőrzése. A mértékbozonok hármas csatolásának (ZWW, ) erőssége az SM keretein belül meghatározza a W^±-bozon keletkezési hatáskeresztmetszetét; ennek százalékos pontosságú megmérése feltárhat az SM keretein túlmutató anomáliákat.

Mindezt összevetve megállapíthatjuk, hogy a LEP gyorsító még az ezredforduló előtt komoly esélyt kínál az SM-től eltérő esetleges új fizika felfedezésére.

1. ábra. Globális paraméterillesztés eredménye az SM keretein belül: az illesztés -eloszlása a Higgs-bozon tömegének függvényében, a top-kvark különböző tömeg-értékei mellett. Az illesztett paraméterek száma 15.

A tervek szerint a LEP alagútjába, az ezredforduló első éveiben, egy 14 TeV energiájú proton-proton-gyorsító kerül. A több milliárd svájci frank költségű létesítmény finanszírozását elsősorban a CERN tagállamai vállalták, de több olyan ország is hozzájárul a költségekhez, amely nem tagállam: az Egyesült Államok, Japán, Kína, Oroszország, Kanada és Izrael. Az LHC első proton-proton-ütközései 2004-ben várhatók

A TeV nagyságrendű tömegskála vizsgálatára két nagyméretű LHC-detektor épül, az ATLAS és a CMS. A két kísérlet egyenként mintegy félmilliárd svájci frank értékű és 1500-1500 fizikus együttműködésén alapul. A szimulációs munkák azt mutatják, hogy ezek a kísérletek képesek lesznek az új részecskék felkutatását ott folytatni a tömegskálán, ahol a LEP gyorsító kifogy az energiából, egészen 1 TeV/c²-ig, sőt néhány esetben azon is túl.

A kutatási programban első helyen a Higgs-bozonok keresése áll, amely roppant technikai kihívást jelent, mind a detektorelemek tér-, idő- és energiafeloldó-képességét illetően, mind pedig az adatgyűjtés és -feldolgozás terén. A 25 nanoszekundumos időintervallumban ütköző protonnyalábok 100 Hz-es frekvenciával gyártják az érdekesnek tekinthető eseményeket, amelyeknek egytizede kerül a szűrés után további elemzés céljából regisztrálásra. A feladat nehézségét fokozza, hogy - az elméleti becslések szerint - a proton-proton ütközéseknek csak egy igen kis hányadában (10^-12-ed részében) keletkezik Higgs-bozon. Az esetleges felfedezéshez szükséges adatmennyiséget ezért csak többéves folytonos méréssel lehet elérni.

A tudományos program természetesen nem merül ki a Higgs-bozonok keresésével. Az LHC gyorsító nyújt először lehetőséget a top-kvark nagy mennyiségű előállítására és jellemzőinek (tömeg, spin, paritás, csatolások) részletes tanulmányozására. Fontos helyen szerepel a SUSY által posztulált részecskék (skaláris leptonok, kvarkok és bozonok) spektrumának feltárása, szem előtt tartva, természetesen, hogy az új fizika más formákban is jelentkezhet, mint amit a SUSY elmélet jelez.

Az LHC gyorsító két további ütközőpontjában helyezkedik majd el egyrészt az ALICE kísérlet, amely nehéz ionok

(kalcium, ólom) ütközéseiben kívánja meglelni a kvarkgluon-plazma anyagállapot jeleit, másrészt pedig az LHC-B kísérlet, amely a CP szimmetria sérülését hivatott nagy pontossággal megmérni a rendszerben.

Nagy általánosságban beszélve, az LHC gyorsító kísérleti programja sokkal inkább új részecskék felfedezésére irányul, mint egyes paraméterek precíz mérésére. Tehát a nagy pontosságú e⁺ e^- kísérleteket ideiglenesen a lehetséges felfedezések korszaka váltja fel. Ennek tudatában és a LEP-program nagy sikerére alapozva, egyre határozottabban körvonalazódnak a tervek egy újabb e⁺ e^- gyorsítóra, amelynek energiáját a kezdeti 400-500 GeV-ről idővel akár 2 TeV-ig is lehetne növelni. Egy ilyen gyorsító felfedezési potenciálja összemérhető az LHC lehetőségeivel, miközben az e⁺ e^- gyorsítókra jellemző pontossággal és részletességgel végezné a felfedezett részecskék tulajdonságainak vizsgálatát.

Ennek tudatában világszerte halad a technikai megoldások elemzése és a lehetséges tudományos program tárgyalása [5]. A sugárzási veszteségekre való tekintettel ez a gyorsító már nem lehet kör alakú, egy nagy ismétlési frekvenciájú lineáris gyorsító jöhet csak szóba (2. ábra). Ilyen berendezés megépítésére világszerte igen erős az érdeklődés, kiváltképpen Japánban, az Egyesült Államokban, Oroszországban és Európa nagy intézeteiben (DESY, CERN, Saclay). Az említett helyeken komoly fejlesztési munka folyik ebben az irányban.

Csupán technikai szempontból nézve, a fenti lineáris gyorsító megépítése nem ütközik felülmúlhatatlan akadályokba. Adott politikai döntés és anyagi lehetőségek mellett egy 500 GeV energiájú e⁺ e^- gyorsító esetleg már 2006-tól kezdve, vagyis az LHC-val párhuzamosan működhetne. A tudományos program részeként a következő témák jöhetnek szóba:

• a top-kvark tömegének és további tulajdonságainak (kvantumszámok, csatolások más fermionokhoz és a Higgs-térhez) nagy pontosságú mérése [6];

• (SM vagy SUSY) Higgs-bozonok keltése és tanulmányozása olyan paraméterértékeknél, amelyek a LEPés LHC-méréseknél nehezen hozzáférhetőek. A Higgs-bozonok alapvető tulajdonságainak pontos mérése [7];

2. ábra. Egy nagyenergiájú e⁺ e^- lineáris gyorsító sematikus ábrázolása. A fő gyorsító karok elképzelt hossza, 500 GeV-es összenergia mellett, egyenként körülbelül 25 km.

• a felfedezésen túlmenően a SUSY részecskék tulajdonságainak és tömegük egymáshoz való viszonyának tanulmányozása, a SUSY elmélet paramétereinek behatárolása.

Egy lineáris e⁺ e^- gyorsító könnyen átalakítható e- és - fotonütköztető gyorsítóra. Ha a gyorsított elektron- illetve pozitron-nyalábokról lézersugarakat szóratunk, a szóró részecskék energiájuk 80%-ig terjedő hányadát a -sugárnak adják át. Az ily módon nyert fotonnyalábok polarizációs állapota az elektron-, pozitron- és lézer-nyaláb polarizációjával tetszés szerint befolyásolható. Ez a flexibilitás elsősorban ritka vagy anomális események tanulmányozásánál előnyös.

Mindent összevetve, megalapozott optimizmussal nézhetünk Európában a részecskefizika jövője felé, hiszen adott az út az új évezred első évtizedeire. A nagy gazdasági terhekkel járó beruházások biztosítottnak látszanak.

A 100 GeV/c²-től 1 TeV/c²-ig terjedő tömegtartomány fizikai szempontból igen ígéretes, a már működő vagy tervezett és elfogadott gyorsítók és kísérletek képesek e tartomány megfelelő lefedésére.

A meghatározó létesítmények (LEP, LHC) mellett az ezredfordulón túl is működnek másfajta, kisebb méretű mérőberendezések, amelyek gondoskodnak az európai részecskefizikai program sokrétűségéről és többirányú fejlődéséről.

Irodalom

1. S. WEINBERG - Phys. Rev. Lett. 19(1967) 1264; A. SALAM - Proc. of the 8^th Nobel Symposium, szerk.: N. Svartholm Almquist and Wiksell, Stockholm, (1968) 367; S. GLASHOW - Nucl. Phys B22 (1961) 579.
2. P.W. HIGGS - Phys. Lett. 12 (1964) 132; Phys. Rev. Lett. 13 (1964) 508; Phys. Rev. 145 (1966) 1156.
3. J. ELLIS, E. LISI, G. FOGLI - magánközlemény, 1995 júliusa.
4. F. ABE ÉS MTÁRSAI: CDF Collaboration - Phys. Rev. D50 (1994) 2966; Phys. Lett. 74 (1995) 2626; S. ABACHI ÉS MTÁRSAI: D0 Collaboration - Phys. Rev. Lett. 74 (1995) 2632.
5. Proceedings of the Workshop on Physics and Experiments with Linear e⁺ e^- Colliders - Waikoloa, Hawaii, 26-30 April 1993.
6. P. IGO-KEMENES: Top Quark Physics at a Next e⁺ e^- Linear Collider: Experimental Considerations - lásd [5], Vol. I, p. 95.
7. P. IGO-KEMENES: Higgs Bosons at a Future e⁺ e^- Linear Collider Proc. International Europhysics Conference on High Energy Physics, Brussels, July 27 - August 2, 1995; és az ott felsorolt irodalom.