Jim Baggott a Higgs: The Invention and Discovery of the ‘God Particle’ című könyv szerzője és szabadúszó tudományos író. A Readingi Egyetem kémia tanára volt, de otthagyta, hogy üzleti pályára lépjen, ahol először a Shell International Petroleum Company-nál, majd független üzleti tanácsadóként és trénerként dolgozott. Számos könyve között szerepel az Atomic: The First War of Physics (Icon, 2009), Beyond Measure: Modern Physics, Philosophy and the Meaning of Quantum Theory (OUP, 2003), A Beginner’s Guide to Reality (Penguin, 2005) és A Quantum Story: A History in 40 Moments (OUP, 2010).

Olvassa el az új könyvének megjelenését ünneplő blogbejegyzéseinek gyűjteményét az OUPblogon.

2012. július 4-én a CERN genfi Nagy Hadronütköztető (LHC) létesítményének tudósai bejelentették egy új elemi részecske felfedezését, amely szerintük megfelel a régóta keresett Higgs-bozonnak, más néven az “isteni részecskének”. Az anyag – minden, ami a látható világegyetemünkben van, és minden, ami mi vagyunk – alapvető természetének megértése óriási ugrás előtt áll.

Szóval, mi az a Higgs-bozon, és miért nevezik “isteni részecskének”? Jim Baggott tudományos író, akinek Higgs: Az “isteni részecske” feltalálása és felfedezése című könyve ad néhány ilyen választ.

Tudjuk, hogy a fizikai világegyetem elemi anyagrészecskékből (például elektronokból és kvarkokból) és a köztük lévő erőket közvetítő részecskékből (például fotonokból) épül fel. Az anyagrészecskéknek fizikai tulajdonságaik vannak, amelyeket fermionoknak minősítünk. Az erőrészecskék bozonok.

A kvantumtérelméletben ezeket a részecskéket a téren átívelő, láthatatlan energia-“mezők” formájában ábrázolják. Gondoljatok a mágnesekkel játszott gyermekkori élményeitekre. Ahogy két rúdmágnes északi pólusát egymáshoz nyomod, érzed, hogy a köztük lévő ellenállás egyre erősebbé válik. Ez két láthatatlan, de mégis nagyon is valóságos mágneses mező kölcsönhatásának eredménye. Az ellenállás erejét, amit a mágnesek egymáshoz nyomása közben tapasztalsz, a közöttük áthaladó láthatatlan (vagy “virtuális”) fotonok hordozzák.

Az anyag és az erő részecskéit ezután e különböző típusú mezők alapvető zavarásaként értelmezzük. Azt mondjuk, hogy ezek a zavarok a mezők “kvantumai”. Az elektron az elektronmező kvantuma. A foton az elektromágneses mező kvantuma, és így tovább.

Az 1960-as évek közepén a kvantumtérelméletek viszonylag népszerűtlenek voltak az elméletalkotók körében. Úgy tűnt, hogy ezek az elméletek azt sugallták, hogy az erőhordozóknak mind tömeg nélküli részecskéknek kellene lenniük. Ennek kevés értelme volt. Az ilyen következtetés rendben van a foton esetében, amely az elektromágneses erő hordozója, és valóban tömeg nélküli. De úgy vélték, hogy a gyenge magerő hordozóinak, amelyek a radioaktivitás bizonyos fajtáiért felelősek, nagy, tömeges részecskéknek kell lenniük. Honnan származik tehát ezeknek a részecskéknek a tömege?

1964-ben négy kutatási cikk jelent meg, amelyek megoldást javasoltak. Mi van, ha – javasolták ezek az írások – a világegyetemet egy másfajta energiamező hatja át, amelyik mutat (irányt szab a térben), de nem nyomja vagy húzza? Bizonyos erő részecskék kölcsönhatásba léphetnek ezzel a mezővel, és ezáltal tömeget nyerhetnek. A fotonok érintetlenül száguldanának át a mezőn.

Az egyik ilyen dolgozat, Peter Higgs angol teoretikusé, tartalmazott egy lábjegyzetet, amely arra utal, hogy egy ilyen mezőben egy alapvető zavar is várható; a mező egy kvantuma. 1967-ben Steven Weinberg (és később Abdus Salam) ezt a mechanizmust használta fel egy olyan elmélet kidolgozására, amely egyesítette az elektromágneses és a gyenge magerőt. Weinberg képes volt megjósolni a gyenge magerő hordozóinak – a W- és Z-bozonoknak – a tömegét. Ezeket a részecskéket körülbelül 16 évvel később találták meg a CERN-ben, és tömegük nagyon közel volt Weinberg eredeti jóslataihoz.

Körülbelül 1972-re az új mezőt a legtöbb fizikus Higgs-mezőnek nevezte, és annak térkvantumát Higgs-bozonnak. A “Higgs-mechanizmus” kulcsfontosságú összetevője lett annak, amit később a részecskefizika standard modelljeként ismertek.

A Higgs-mezőt azért találták ki, hogy megmagyarázza, hogyan szerezhetnek tömeget az egyébként tömeg nélküli erőrészecskék, de hamarosan nyilvánvalóvá vált, hogy valami nagyon hasonló felelős az anyagrészecskék tömegéért is.

Az, ahogyan a Higgs-mező kölcsönhatásba lép az egyébként tömeg nélküli bozonmezőkkel és a tömeg nélküli fermionmezőkkel, nem ugyanaz (ez utóbbit Yukawa kölcsönhatásnak nevezik, Hideki Yukawa japán fizikusról elnevezve). Mindazonáltal a Higgs-mezőnek egyértelműen alapvetően fontos szerepe van. Nélküle mind az anyagnak, mind az erő részecskéknek nem lenne tömege. A tömeget nem lehetne felépíteni, és a látható világegyetemünkben semmi sem lehetne.”

Az Istenrészecske című népszerű könyvében: If the Universe is the Answer, What is the Question? című, először 1993-ban megjelent könyvében Leon Lederman amerikai fizikus (Dick Teresivel közösen írva) elmagyarázta, miért választotta ezt a címet:

Ez a bozon annyira központi jelentőségű a fizika mai állása szempontjából, annyira kulcsfontosságú az anyag szerkezetének végső megértéséhez, mégis annyira megfoghatatlan, hogy becenevet adtam neki: az Isten-részecske. Miért Isten-részecske? Két okból. Az egyik, hogy a kiadó nem engedte, hogy Istenverte Részecskének nevezzük, bár ez talán megfelelőbb cím lenne, tekintve gonosz természetét és az általa okozott költségeket. Kettő pedig, hogy van egyfajta kapcsolat egy másik, sokkal régebbi könyvvel…

Lederman a továbbiakban a Teremtés könyvéből idézett egy részt.

Ezt a becenevet a népszerű tudományos írók és újságírók továbbra is széles körben használják. Ez egy olyan elnevezés, amely megragadt. Úgy tűnik, a legtöbb fizikusnak nem tetszik, mivel szerintük eltúlozza a Higgs-bozon jelentőségét (a Higgs-mező a kulcs). Az Életem bozonként című személyes memoárjában Peter Higgs elmagyarázta, hogy a régóta keresett részecske hogyan kapta a nevét, és úgy határozta meg a státuszát, hogy “A fizika legkeresettebb részecskéje.”

“Isten” vagy “legkeresettebb”, ez egy olyan részecske, amelyet a fizikusok minden bizonnyal kétségbeesetten kerestek. A kérdés már csak az, hogy Peter Higgs munkáját más módon, esetleg Nobel-díjjal is elismerik-e?