Fizikai Szemle honlap |
Tartalomjegyzék |
Trócsányi Zoltán
Debreceni Egyetem és MTA Atommagkutató Intézete
Az éleslátás alapja a jó felbontás
. Minden ember késztetést érez, hogy ismereteket szerezzen a közvetlenül nem észlelt világról, például a természetben előforduló, de szabad szemmel nem látható mintázatokról. Ennek hagyományos eszköze a fénymikroszkóp, amelynek azonban természetes korlátai vannak, és hagyományos fajtáival mikrométernél kisebb méreteket nem lehet feloldani. A kvantummechanika hőskorának eredménye az a felismerés, hogy a részecskék hullámtermészetet is mutatnak, és minél nagyobb a részecskék energiája, annál rövidebb a hullámhossza. Így elegendően nagy energiára gyorsított részecskékkel a látható fény hullámhosszánál kisebb méretű tárgyak szerkezetét is fel lehet deríteni. Ezen alapszik az elektronmikroszkóp működése, amellyel például a szemünk retinájának nagy felbontású képét is megtekinthetjük. Az elektronok gyorsításának csak a technika szab határt, és a múlt század utolsó harmadának elején már az a merész célkitűzés fogalmazódott meg, hogy nagyenergiájú elektronokkal bombázott protonok szerkezetét a szóródó elektronok szórási képének elemzésével kellene felderíteni. Az ötlet megvalósítóinak Nobel-díjat hozó "SLAC-MIT" kísérletből tudjuk, hogy a protonnak szerkezete van, az elektron a protonban található és jelenleg pontszerűnek ismert alkotórészeken (kvarkokon és gluonokon, összefoglaló néven partonokon) szóródik. Az ilyen mélyen rugalmatlan elektron- proton szórás kicsit felületesen a legnagyobb felbontású mikroszkópnak tekinthető. Valójában a SLAC-MIT kísérletben nem közvetlenül az elektron, hanem az általa kibocsátott nagy energiájú foton került a partonokkal közvetlen kölcsönhatásba. Már ez is mutatta, hogy a mikroszkóp felbontásának a részecskeenergia növelésével való fokozása szintén természetes korlátba ütközik, ugyanis elegendően nagy energia kis térrészre való sűrítésével új részecskéket lehet előállítani Einstein híres felismerése, a tömeg és az energia egyenértékűsége következtében. Az ilyen folyamatok végállapotainak értelmezése teljesen újszerű megközelítést igényel. A részecskék kölcsönhatásait leíró matematikai modell segítségével a lehetséges végállapotok valószínűségeit tudjuk megjósolni és összevetni a tapasztalattal, ezáltal megerősítve vagy kizárva a modellt. A részecske- kölcsönhatások ma ismert legpontosabb modellje, a Standard Modell, háromféle kölcsönhatást, a gyenge, az elektromágneses és az erős kölcsönhatást írja le. Ez a sorrend egyben a kölcsönhatások erősségének a sorrendje is: a mai kísérleteket jellemző energiákon a harmadik mintegy 15-ször erősebb a másik kettőnél. Ennek megfelelően a részecskék ütközésekor az erős kölcsönhatás által vezérelt folyamatok egy nagyságrenddel gyakoribbak, mint az elektrogyenge folyamatok, és így a kísérletek értelmezésének legfontosabb része az erős kölcsönhatás minél pontosabb leírása. A Standard Modell anyagi részecskéi a három fermion részecskecsalád tagjai. Egy család két kvarkból és két leptonból (valamint ezek antirészecskéiből) áll. Például a legkönnyebb családba tartozik a protont és neutront felépítő u és d kvark (p = uud, n = udd), az elektron és neutrínója. A másik két család felépítése hasonló, csak az egyes tagok tömege sokkal nagyobb. A fermionok között bozonok közvetítik a kölcsönhatást: a gyengét a nagy tömegű töltött és semleges gyenge bozonok, az elektromágnesest a semleges foton, az erőset az elektromosan szintén semleges, de színtöltéssel rendelkező nyolc gluon. A korszerű részecskegyorsítók építésének elsősorban az a célja, hogy minél nagyobb energiára gyorsítsuk a részecskéket, és azok ütköztetésével a lehető legnagyobb energiasűrűséget érjük el kis térfogatban, hogy új, a természetben jelenleg nem található részecskéket állítsunk elő és tanulmányozzuk tulajdonságaikat. Az ilyen kísérletek legszebb példái a múlt század utolsó évtizedében működtetett LEP-gyorsító kísérletei. A LEP-gyorsítón elektron-pozitron ütközéseket végeztek eleinte 91,2 GeV tömegközépponti energián, majd nagyobb energiákon, elérve a 209 GeV-et is. A 91,2 GeV arról nevezetes, hogy ez az álló Z0 részecske energiája. Mintegy 17 millió Z0 előállítása révén nagy pontossággal sikerült igazolni a Standard Modell elméleti jóslatait. Például az elektron-pozitron szétsugárzás teljes hatáskeresztmetszetének elméleti jóslata meggyőzően egyezik a különböző kísérletekben mért értékekkel (1. ábra). A kísérletek egyik központi kérdésköre volt az erős kölcsönhatás elméleti modelljének, a kvantum-színdinamikának (QCD) a kísérleti ellenőrzése. A QCD nem-ábeli, SU(N), mértékelmélet. (Emlékeztetőül: az elektrodinamika ábeli, U(1), mértékelmélet.) Az ilyen elméletek egyik érdekes jóslata, hogy a részecskék közötti kölcsönhatás erősségét szabályozó csatolási paraméter nem állandó. A QCD csatolása annál kisebb, minél nagyobb az ütközésben résztvevő részecskék energiája. Ennek az aszimptotikus szabadságnak nevezett jelenségnek 1973-ban történt felismeréséért kapta Gross, Wilczek és Politzer a 2004. évi fizikai Nobel-díjat. Azért éppen 2004-ben, mert a jelenség kísérleti igazolására akkorra gyűlt össze elegendően meggyőző kísérleti tapasztalat (2. ábra). Az aszimptotikus szabadságlehetővé teszi, hogy perturbatív leírásmódot használjunk, amelyben a kölcsönhatást a csatolás szerinti sorfejtés segítségével vesszük figyelembe. A perturbációszámítás része az egyetemi bevezető kvantummechanika tananyagnak, és aki azt jól megtanulta úgy gondolhatja, hogy ez egy jól megértett, "lezárt" témakör. Nos a QCD esetében ez távolról sincs így. Hogy miért nem, a nagyenergiájú elektron-pozitron ütközések példáján mutatom be. A Z0 részecske tömegének megfelelő tömegközépponti energián működő LEP-en az elektron és pozitron ütközése során nagy valószínűséggel Z0 keletkezik. Hamar elbomlik, fermionpár keletkezik belőle, az esetek 60%-ában kvark-antikvark pár. A kvarkok egymáshoz nagyon közel, nagy energiával keletkeznek, és így aszimptotikusan szabadon mozognak - használható a folyamat leírására a perturbatív QCD. Igaz ugyan, hogy az egymástól távolodó kvarkok között egyre nagyobb "szín"-erő hat, és az így felhalmozódó térenergia ahhoz vezet, hogy új részecskék keletkeznek, az észlelő-berendezésekben már nem az eredeti két kvarkot látjuk, hanem részecskék záporát (hadronzáport). A folyamat azonban emlékét őrzi a kezdeti két kvark által szállított lendületnek és perturbációszámítással meglehet jósolni a két hadronzáport tartalmazó események valószínűségét. Találtak három hadronzáport tartalmazó eseményeket is, amelyeket úgy lehet értelmezni, hogy a kezdeti két kvarkkal együtt egy gluon is keletkezett (3. ábra ). A QCD-ben a perturbatív leírás első bonyodalma éppen a csatolás változása. Ha a végállapotokat nem osztályozzuk a hadronzáporok száma szerint, csupán leszámoljuk a hadronikus végállapotokat, akkor a teljes hadronikus hatáskeresztmetszetet mérhetjük meg. A perturbációszámítással kiszámított teljes hatáskeresztmetszet tükrözi a csatolás változását, a jóslat függ attól, mekkora energián vesszük a csatolást. Igen ám, csakhogy ez az energia nem mérhető, ezért a jóslatunk nem használható jóslat. A nemfizikai paramétertől való függést nevezzük renormálási skálafüggésnek. Szerencsére a perturbációszámítás egy másik tulajdonsága segítségünkre siet. Belátható, hogy a perturbációszámítás egyes rendjeiben a µ renormálási skálától való függés eggyel mindig magasabb rendű, mint a számítás adott rendje. Például, ha az R fizikai mennyiséget a perturbáció nagyságát jellemző
s csatolás
m-edik rendjében számítjuk ki, akkor a skálafüggés
nagyságrendje m+1-ed rendű:

= 3/4,
adjungált ábrázolásban
= 2. A megfelelő
értékek QCD-ben (SU(3))
= 4/3,
= 3.)
Így a hadronzáporok
gyakorisága és térbeli elhelyezkedésének mennyiségi
jellemzése alapján a csatolás és a színtöltések
egyszerre mérhetőek. Ilyen méréseket a LEP együttműködéseiben
többször is végeztek. Az eredmények
összefoglalását találjuk a 5. ábrán. A mérések nagyon
pontosan megerősítik a QCD-értékeket.
A LEP kísérleti eredményeit a Standard Modellel
nagy pontossággal lehet leírni. Mégsem mondhatjuk,
hogy sikerült a LEP-en a Standard Modellt egyértelműen
igazolni. A Standard Modell ugyanis olyan lokális
mértékelméletre alapul, amelyet a Lagrange-sűrűségben
szereplő, a terek négyzetével arányos tömegtagok
sértenének, ezért azok a kiindulási elméletben
nem szerepelnek (például a QCD Lagrange-sűrűségében
sem). Ugyanakkor tapasztalatból tudjuk, hogy a
részecskéknek van tömegük, amiről az elméletnek
számot kell adni. A Standard Modellben ez a Higgs-mechanizmus
eredménye, aminek lényege, hogy az
elemi részecskék egy egyelőre csak feltételezett skalártérrel,
a Higgs-térrel való kölcsönhatás eredményeként
nyerik tömegüket. (Az összetett részecskék, mint
például az anyagot felépítő proton és neutron, tömegének
túlnyomó részéért a QCD felelős - egyelőre
nem tudjuk milyen módon.) Ha a Higgs-tér létezik,
akkor elő lehet állítani elemi gerjesztését, a nulla
spinű Higgs-részecskét, ha elegendő energiasűrűséget
sikerül előállítani a laboratóriumban. A LEP kísérletei
Higgs-részecskét nem találtak (bár "gyanús" eseményekre
akadtak).
A jelenleg épülő LHC-gyorsító elsődleges célja a
Higgs-részecske laboratóriumi előállítása. Protonok
fognak ütközni 14 TeV tömegközépponti energián.
Ahogy említettem a protonok összetett részecskék,
nagyenergiájú ütközéseik során az elemi kölcsönhatás
a bennük található kvarkok és gluonok között játszódik
le. Ahhoz, hogy ezeket az eseményeket egyáltalán
értelmezni lehessen szintén a QCD-re van szükség. A
QCD-ben a nagyenergiájú részecskeütközések leírásának
leglényegesebb eszköze a faktorizációs tétel (6. ábra).
Eszerint a protonban található partonok közül
egy vesz részt az elemi kölcsönhatásban, amelynek
hatáskeresztmetszetét a perturbatív QCD szabályai
szerint számolhatjuk. A parton a proton (négyes)lendületének
egy bizonyos hányadát viszi az ütközésbe,
amelyet a partonsűrűség-függvény ad meg. A partonsűrűség-
függvény perturbatív módon ugyan nem számolható,
azonban folyamattól független, ezért egy
folyamatban megmérve más folyamatban már használható
a fizikai hatáskeresztmetszet kiszámításához.
Az egyes szórási kísérletek persze különböző energián
történhetnek, ezért szükség van az fi partonsűrűség-
függvény energiafüggésének ismeretére is, ami
azonban perturbatív módon ismét csak megadható fi
és a Pij Altarelli-Parisi-függvények konvolúciójaként,
