1. ábra Az anyag legelemibb összetevői, ahogy ma ismerjük.

Több tény azt sugallja, hogy igen. Naívan erre következtethetünk már abból a tényből is, hogy számuk az évek során egyre növekszik. Mint az 1. ábra mutatja, jelenleg 3 családját ismerjük mind a kvarkoknak, mind a leptonoknak. Léteznek-e további családok vagy csupán ez a három? Talán meglepő, hogy erre a kérdésre hamarosan választ tudunk adni.¹ Egy sokkal alapvetőbb és nehezebben megválaszolható kérdés: Miért van éppen ennyi részecskecsalád? ami ugyanaz, mint Pauli híres kérdése a müonnal kapcsolatban: Ki rendelte ezt meg? Erre a kérdésre valószínűleg a preonok felfedezése adna csak kielégítő választ.

A másik fundamentálisan fontos kérdés az anyag kölcsönhatására vonatkozik: visszavezethető-e az ismert négy kölcsönhatás: gravitáció, elektromágnesség, gyenge- és magkölcsönhatás egyetlen alapvető kölcsönhatásra? Ha ma még nem ismert ez a mindent egybefoglaló elmélet, a kölcsönhatások egyesítésének vezérelveit sikerült - úgy tűnik - az elmúlt évek során felfedezni. Az első: az anyagot leíró térelmélet lokálisan szimmetrikus. Itt a hangsúly azon van, hogy a szimmetria transzformációk a téridő különböző pontjaiban különbözők lehetnek. Ez a tény megszabja a kölcsönhatások alakját, nevezetesen a kölcsönhatást zérus tömegű vektormezonok közvetítik. A gravitációt kivéve ma már ismerjük mindegyik kölcsönhatás közvetítőjét, a legutóbbi évek nagy sikere éppen a gyenge közvetítő kvantumok, a W^± és Z⁰ részecskék felfedezése volt. Ezek tömege azonban messze nem zérus, ellenkezőleg, minden eddig ismert részecskénél nehezebbek, a protonnál pl. százszor súlyosabbak. Már innen is kitűnik, hogy a lokális szimmetria nem lehet tökéletes. Ezt támasztja alá az is, hogy a négy kölcsönhatás szimmetriája különböző. Az egységes kölcsönhatás szimmetriájának tehát törvényszerűen meg kell sérülnie. Az egyesítés második vezérelve az, hogy a szimmetria megsérülése spontán, ami alatt azt értik, hogy az elmélet maga szimmetrikus, léteznek azonban bizonyos fizikai állapotok, amelyek nem. Ez az az elv, amelynek segítségével az elmélet renormalizálható marad, vagyis fizikailag értelmes jóslatokra alkalmas. A probléma az, hogy a szimmetriát sértő fizikai állapotokat, az ún. Higgs-részecskéket eddig még nem sikerült kimutatni. Ennek valószínű oka az, hogy tömegük esetleg túl nagy, talán a protonénál több százszor is nagyobb. A soron következő részecskefizikai kísérletek egyik legfontosabb célja ezeknek a részecskéknek a megtalálása.

A kölcsönhatások egyesítésére vonatkozó mindeddig legsikeresebb próbálkozás az ún. Standard Modell, amely egységbe fogja az elektromágneses és gyenge kölcsönhatásokat. Eddig minden kísérleti próbát kiállt, de ezek sora még távolról sem tekinthető befejezettnek. A modell feltételezi, hogy mind a kvarkoknak, mind a leptonoknak 3 családja létezik (l.1. ábra). Ezeknek két tagja a t-kvark és a még felfedezésre vár. Az elmélet szerint a lepton-családok között nincsen átmenet, és a kvark-családok között is tíltottak a felső ill. alsó szinten lévő elemek között az átmenetek. A leptonok és kvarkok között szintén nem lehet átmenet, amire mindeddig a legjobb kísérleti bizonyíték, hogy a proton stabil, élettartama nagyobb mint 1032 év. A jelenlegi és jövő részecskefizikai kísérletek egyik központi feladata ezeknek az átmeneteknek nagypontosságú kísérleti megmérése. A Standard Modell által megtíltott átmenetek esetleges felfedezése útmutatót adhat kezünkbe, hogyan lehet az elméletet a magkölcsönhatással és gravitációval kiegészíteni. A megengedett átmenetek amplitúdóinak nagypontosságú meghatározása megoldhat egy 1964 óta fennálló rejtélyt is: honnan ered a kombinált töltésparitás-paritás (CP) szimmetriának parányi megsérülése? Az egyik, manapság a legvalószínűbbnek tűnő magyarázat az, hogy az említett átmeneti amplitúdók némelyike komplex.

A Standard Modell energia skálája a ~100 GeV-es tartomány: ebbe a nagyságrendbe esnek a gyenge közvetítő vektorok tömeg értékei, és a szimmetria sértő Higgs részecske tömege is várhatóan ilyen értékű. Az elméleti kutatások arra a meglepő eredményre vezettek, hogy egy olyan kölcsönhatásnak az energia skálája, amely a Standard Modellhez hozzá tudja venni a magkölcsönhatásokat is, az előzőhöz képest 13 nagyságrenddel nagyobb! Az ehhez tartozó közvetítő és szimmetria sértő részecskék tömege várhatóan 15 nagyságrenddel nehezebb, mint a proton. Kérdés hogyan lehet az elméletet stabillá tenni, ahol az energia skálák óriási mértékben különböznek egymástól? A legsikeresebb próbálkozások eddig teljesen ismeretlen részecske világ, az ú.n. szuperszimmetrikus (SUSY) részecskék létezését jósolják. Sokan hisznek abban, hogy a SUSY részecskék segítségével sikerül az egyesítésbe bevonni a gravitációs kölcsönhatást is. Természetesen ahhoz, hogy valami remény legyen e kérdések megválaszolására mindenekelőtt túl kell lépni a 100 GeV-es energiahatáron.

A feltett kérdések megválaszolására a legcélravezetőbb módszer a kvarkok és leptonok nagy energiájú és nagy intenzitású ütköztetése. Ehhez a részecskegyorsítók újabb generációjára van szükség.

Gyorsítani csak stabil részecskéket lehet, e célra tehát csak néhány típus alkalmas, lényegében a proton (antiproton) és az elektron (pozitron). A jövő gyorsítói is ennek megfelelően az alábbi csoportokra oszthatók:

ütköző nyalábok: csaknem minden fent felvetett kérdés megválaszolásában illetékes eszköz, hátránya, hogy energiában korlátozott.

pp ütköző nyalábok: segítségükkel valósíthatók meg a legnagyobb energiájú ütközések. Az ütközések azonban nem "tiszták", mert a protonban egyidejűleg több elemi összetevő (kvark és gluon) foglal helyet.

ütköző nyalábok: kíválóan alkalmasak belsőstruktúrák "kitapogatására" . A befutó elektron egy közvetítő kvantumot (fotont vagy W, Z részecskét) bocsát ki, amely szondázza a szembefutó kvarkot. (Ezzel a módszerrel fedezték fel a 70-es években a kvarkokat a nukleonon belül.) Minél nagyobb a kibocsátott szonda tömege (Q²), annál parányibb struktúrák letapogatására alkalmas a gyorsító.

Az alábbi táblázatban látható néhány fontos, jelenleg működő illetve tervezett gyorsító listája. Még javában működik a CERN proton-antiproton tárológyűrűje, amellyel nemrég az első W-t és Z⁰-t felfedezték, de már tervezés vagy megépítés alatt állnak olyan gyorsítók, amelyek energiája a CERN úttörő gépét több nagyságrenddel felülmúlják. A rendelkezésre álló nagy energia révén egyedülálló esélyük van arra, hogy a t-kvarkot (t) vagy Higgs részecskéket (H) kimutassák (ha ezek tömege nagyobb, mint az gyorsítók által elérhető energia), de mindenképpen egyedül alkalmasak arra, hogy a 100 GeV-es energia-skálán túl adjanak bepillantást az elemi részek világába (...).

Z, W, t, Hg, q, b, c, s, r: a Standard Modell ellenőrzése, ... Túl a Standard Modellen, CP: a CP-sértés vizsgálata,...: a KFKI és ATOMKI fizikusainak részvételével

A proton-lepton ütköző nyaláboknál feltüntettük annak a CERN-kísérletnek (Európai Müonegyüttműködés) paramétereit is, amelynek segítségével nemrégen még a proton kvark-gluon szerkezetét tanulmányoztuk, hogy szembeszökővé tegyük azt a hatalmas lépést, amelyet a jövőre működésbe kezdő HERA gyűrű jelent. Ez a gép a közvetítő kvantumok nagy tömege révén talán képes lesz felfedni, hogy a kvarkok is esetleg összetett részecskék.

Az elektron-pozitron ütköztetők a legalkalmasabb eszközök a Standard Modell nagypontosságú ellenőrzésére, ui. igen nagyszámú "tiszta" ütközés hozható segítségükkel létre. Joggal szokás őket "részecskegyár" névvel illetni. A legnagyobb energián működtetett ún. LEP (Large Electron Positron) gyűrű a CERN-ben e napokban kezdte meg működését, és évente több millió Z⁰ részecskét fog előállítani. Hatásosságára misem jellemzőbb, hogy az augusztus elején három napig tartó próba üzem alatt annyi Z⁰-t sikerült segítségével megfigyelni; mint ezt megelőzően öt éven keresztül a proton-antiproton tároló gyűrűn. Ha a t-kvark vagy a Higgs-részecske tömege a 100 GeV értéket nem sokkal haladja meg, a LEP segítségével nemcsak előállíthatjuk őket, hanem keletkezési mechanizmusuk is részletesen tanulmányozható lesz. Hasonlóan, a ~10GeV összenergiájú elektron-pozitron ütközések a b-kvarkok "gyárának" tekinthető, évente 100 milliós számban lehet majd őket kelteni. Ez a gép lesz a legalkalmasabb az említett CP-sértés mechanizmusának felderítésére.

A táblázat utolsó sora egy nem-gyorsítós részecske gyárat említ meg: a világ egyik legnagyobb fluxusú neutrinó termelője a bugey-i (energia-termelő) reaktor. A másodpercenként néhányszor 10³⁰ neutrinót előállító reaktor mellett tanulmányozzuk, hogy létezik-e az 1. ábrán feltüntetett neutrinók között a Standard Modell által megtíltott (vízszintes irányú) átmenet.

Annak ellenére, hogy az említett eszközök mind külföldi kutató központokban vannak (ill. lesznek), a hazai fizikusok (a KFKI és ATOMKI munkatársai) jelentős számban folytatnak segítségükkel kutatásokat. Az ilyen módon definiált "magyar részvételt" jelképezi a kis zászló a megfelelő . gyorsítóknál. Kiemelendő példája ennek a részvételnek az L3-együttműködés (2. ábra), amely egyike a LEP tároló gyűrűn végzendő nagy kísérletnek. A résztvevő laboratóriumok igen nagy száma világosan mutatja azt az óriási anyagi és intellektuális erőfeszítést, amely nélkül a részecske fizika jövő kísérletei elképzelhetetlenek.

A táblázatban látható évszámok arra is utalnak, hogy a felsorolt kérdésekre várhatóan mikor kaphatunk válaszokat. Érdekes, hogy a Standard Modell már az 1979-es vándorgyűlés idején a jelenlegi formában ismert volt, azóta egyetlen kísérleti tény sem tette szükségessé módosítását. Jóslatai mindeddig beigazolódtak, amelyek közül ismét csak kiemelendő a gyenge közvetítő részecskék azóta történt kísérleti kimutatása. Valószínű, hogy a következő néhány évben még tovább fog tartani a Modell diadalmenete, elsősorban az elektron-pozitron tároló gyűrűknek köszönhetően. Igazi újdonság csak ezután várható, amikor a proton-proton ütköztetők segítségével betekinthetünk a 100 GeV-en túli energia tartományba, ahol az elméleti jóslatok messze nem állnak ilyen szilárd talajon. Remélhetőleg lesz tehát miről beszélni a következő vándorgyűléseken, de legkésőbb 1999-ben!

_____________________