2012 július 4-én az Európai Nukleáris Kutatási Szervezet ATLAS (A Toroidal Lhc ApparatuS) és CMS (Compact Muon Solenoid) kísérleteinek résztvevői nagy jelentőségű, bár nem teljesen meglepetésszerű bejelentést tettek: ekkor hozták hivatalosan is nyilvánosságra, hogy nagy valószínűséggel bizonyítékot találtak a régóta keresett Higgs-bozon létezésére. A kutatók óvatosan fogalmaztak az eredményekkel kapcsolatban, nem állították, hogy minden kétséget kizáróan meglenne a Higgs-részecske, csak azt, hogy a Nagy Hadronütköztetőben végzett kísérletek adatai olyan részecske jelenlétére utalnak, amely konzisztens a Higgs-bozon előrejelzett jellemzőivel.

Az eseményen részt vett a brit elméleti fizikus, Peter Higgs is, aki 1964-ben először jósolta meg az akkor még csak teoretikus, később róla elnevezett részecske létezését, amelyet a korábban általa, valamint, tőle függetlenül, Francois Englert és Robert Brout, és kicsivel később pedig Tom Kibble, Gerald Guralnik és Carl Richard Hagen által is javasolt mechanizmus működéshez szükségesnek vélt.

A mechanizmus ad magyarázatot arra a kérdésre, hogy a világot felépítő elemeknek miért van tömege: ez a szimmetriatörésen alapuló Brout-Englert-Higgs-mechanizmus, ami a Higgs-mezővel való kölcsönhatás révén hozza létre a részecskék tömegét. A láthatatlan Higgs-tér, ami közvetlenül az ősrobbanás után keletkezhetett, mindenhol megtalálható az univerzumban, és a benne mozgó részecskék, a Higgs-bozon közvetítésével, különböző tömeget nyernek általa: minél nagyobb az interakció mértéke, annál nagyobb lesz a tömeg is.

"A Higgs-bozon a látható megvalósulása a Higgs-térnek, hasonlóan a tenger felszínén keletkező hullámhoz."

- magyarázza a CERN leírása.

Az ATLAS és a CMS kísérletekben detektált részecske tömege nagyjából 125 GeV/c2 (gigaelektronvolt), amit később pontosítottak 125,35 GeV-re a CMS fizikusai. A méréseket a részecske bomlásának megfigyelésével sikerült elvégezni, mivel a Higgs-bozon instabil és folyamatosan könnyebb alkotóelemekre bomlik, méghozzá nagyon gyorsan: miután proton-proton ütközésekkel létrehozzák a részecskegyorsítóban, a másodperc milliárdod részének billiomod részéig él csak. A tömegét tehát sikerült precízen meghatározni, de ez nem válaszolta meg a nagy kérdést, amit a felfedezése óta kutatnak a tudósok, vagyis hogy miért ilyen könnyű a Higgs-bozon?

Elméletileg ugyanis a részecske tömegének jelentősen nagyobbnak kellene lennie a többi szubatomi elemmel, köztük a legnehezebbel, a 172 GeV/ c2 tömegű top kvarkkal való interakciójából kiindulva, amely kölcsönhatást egyébként magyar fizikusok (az MTA–ELTE "Lendület" CMS Részecske- és Magfizikai Kutatócsoportjának tagjai) részvételével zajló kísérletekben 2018-ban már sikerült közelebbről megfigyelni. Arra, hogy mi lehet a teóriák szerint szükségképpen nagyobb, de a megfigyelések alapján, a valóságban jóval kisebb tömeg közötti különbség oka, már számos lehetséges magyarázat született, többek között a szuperszimmetria elmélete, vagy egy új típusú, hipotetikus top kvark lehetséges jelenléte, amelynek bomlása során más elemek is létrejöhetnek, mint a hagyományos top kvarkok bomlásakor, például egy Higgs-bozon és egy top kvark páros is.

"A Higgs-bozon tömegének "természetes" értéke 10^16-10^18 GeV kellene, hogy legyen, és a tény, hogy a valódi tömege annyival kisebb, a finomhangolás jele.

Ahhoz hasonló, mintha találnánk két embert olyan pontosan megegyező súllyal, hogy ki tudnának egyensúlyozni egy libikókát egészen egy proton sugarán belüli precizitással. Ehhez vagy nagyon szerencsésnek kellene lenni, vagy ennél mélyebb okok húzódnak meg a háttérben." - írta Yonatan Frederick Khan, az Illinoisi Egyetem sötét anyag kutatással foglalkozó elméleti fizikusa.

A legújabb modell, amelyet a CERN részecskefizikusa, Daniele Teresi és a Paris-Saclay Egyetem kutatója, Raffaele Tito alkotott meg, a multiverzumok segítségével magyarázza a rejtélyt, és egyúttal választ próbál adni más homályosabb kérdéseire is a részecskefizikának, például az anyag és az antianyag erős kölcsönhatásainak sajátosságait is igyekszik tisztázni. A teória szerint az ősrobbanás után nem csak egy, hanem számos univerzum létezett egy rövid ideig, és ezeknek a világoknak mindegyike tartalmazott Higgs-bozon részecskéket: bizonyos régiókban nagyobb tömegű bozonokat, míg máshol kisebb tömegűeket, vagy akár egészen könnyűeket.

A kutatók a szimulációk alapján kiszámolták, hogy az idő elteltével az univerzumok azon részei, ahol a nagyobb tömegű bozonok tartózkodtak, elvesztették stabilitásukat és összeomlottak, méghozzá már tíz a mínusz ötödiken másodperc leforgása alatt. Az összeroppanásnak nevezett folyamat végül elpusztította a multiverzumokat, csak egy maradt meg épségben, az amelyik a legkisebb tömegű Higgs-bozont foglalta magában. A könnyű bozon mellett egy másik faktor is szerepet játszott abban, hogy ez az univerzum elkerülhette az összeroppanást: az anyag és antianyag erős kölcsönhatásainak szimmetriája.

Az Amerikai Fizikai Társaságnak a tanulmányról beszámoló jelentése szerint a kutatók remélik, hogy a jövőben a javasolt modell tesztelésére is nyílik alkalom vagy a sötét anyaggal, vagy a hadronokkal kapcsolatos vizsgálatok során. Hasonló multiverzum teória már korábban is napvilágot látott szintén a Higgs-bozon tömegével összefüggő megválaszolatlan kérdések miatt: 2013-ban Nima Arkani-Hamed elméleti fizikus a Columbia Egyetemen tartott előadásában vetette fel, hogy az univerzum esetleg "természetellenes", vagyis nem egészen úgy működik, mint ahogy Einstein lefestette.

A természetellenes elmélet szerint az életet lehetővé tevő, alapvető, állandó szabályosságok létrejötte, amit megfigyelhetünk magunk körül, rendkívül valószínűtlen, az pedig, hogy mégis ezek alapján működik a világunk azt jelenti, hogy számtalan másik univerzumnak is léteznie kell, amelyek felépítése a miénktől eltér. Másképp nehéz lenne megmagyarázni azt a véletlen szerencsét, hogy éppen egy ilyen szabályos univerzum keletkezett az ősrobbanás után.

Bár a multiverzum teóriát nehezen lehetne tesztelni, de a Higgs-bozon alaposabb megfigyelésére és a vele kapcsolatos kérdések tisztázására irányuló kutatások tovább zajlanak, többek között a megújuló Nagy Hadronütköztetőben is, amely idén kezdi meg működését.

(Fotó: CERN, ATLAS, Maximilien Brice/Laurent Egli/CERN, Getty Images/bestdesigns)