2012-ben végre eldőlhet: valóban létezik-e az elemi részecskék tömegéért felelős Higgs-bozon, vagyis helytálló-e a részecskefizika standard modellje.

A fizikusok jelenlegi ismeretei alapján a világegyetem, így benne az ember is, kisszámú elemi részecskéből épül fel.  

Peter Higgs

angol fizikus, 1960-ban gondolta ki a róla elnevezett Higgs-bozont. Ez egy olyan feltételezett részecske, amely a többi részecske tömegéért felel. Egyetlen probléma van vele csupán: máig nem sikerült megfigyelni.

A Standard Modell - a részecskék világának leírására az elmúlt évtizedekben fokozatosan kiépült átfogó elmélet - szerint a világ kvarkokból, leptonokból és a köztük ható erőkből áll. A Standard Modell a természet négy alapvető kölcsönhatása közül egyedül a gravitációt (tömegvonzást) nem tartalmazza.

A Standard Modell alapján tett előrejelzések mindeddig beigazolódtak. Mégis, a modellnek vannak hiányosságai: például nem lehet belőle kiszámítani a részecskék tömegét, sem a kölcsönhatások erősségét. Ebből a szempontból alapvető jelentőségű a Higgs-bozon, amely nem egy a sok részecske közül, hanem egyenesen a modern fizika "Szent Grálja". Ha sikerülne megtalálni, az bizonyítaná a Standard Modell érvényét. Vannak azonban arra utaló jelek is, hogy a Standard Modell mögött egy egységes, mélyebb elmélet húzódik meg.

Feltételezések szerint a Higgs-térben mozogva nyernek az elemi részecskék tömeget, s e térben keletkezik a Higgs-részecske. A Higgs-tér alapvetően más jellemzőkkel bír, mint a többi fizikai jelenség: nem anyag, nem erő, és egyenletesen tölti ki a teret.

A Nagy Hadronütköztető (LHC, CERN) egyik fő célja: kísérletileg kimutatni a Higgs-bozont, ezt a megjósolt részecskét. Ha ez mégsem sikerülne, az komoly lendületet adhatna a Standard Modellen túli fizikai elméleteknek. Az LHC-n belül két óriási detektor - az ATLAS és a CMS - épült elsősorban a Higgs-bozon kimutatására. A CMS egyetlen mágnest tartalmaz, a világ legnagyobbikát, melynek belső átmérője 6 méter, és körülötte kétszer annyi vas található, mint a párizsi Eiffel-toronyban. A CMS-t már nagyrészt a felszínen összerakták, majd 2000 tonnás darabokban engedték le az LHC földalatti barlangjába. Az ATLAS egyik mágnesét egy másik óriási mágnes veszi körül, és eleve a föld alatt építették fel.

Az ATLAS és a CMS kísérletek a világ több tucat országából egyenként 3000 részecskefizikust foglalkoztatnak. Magyarország a CMS-együttműködés alapító tagjai között van: az ATOMKI, a KFKI RMKI, az Eötvös Loránd Tudományegyetem és a Debreceni Egyetem kutatói és hallgatói vesznek részt benne.

2011-ben a CERN kutatóinak a 2010-esnél 1000-szer több adatot sikerült elemezniük, ezáltal nagy mértékben leszűkítették a várt részecske lehetséges tömegtartományát. A 2011. nyaráig vizsgált adatok alapján a fizikusok 114 és 141 GeV (elektronvolt: energia-mértékegység, a részecskefizika ebben adja meg a részecskék tömegét) közt valószínűsítették. Az LHC 2011-ben messze a várakozások fölött teljesített, az eredetileg remélt adatmennyiség csaknem hatszorosát produkálta. Az adatok előzetes elemzése tovább szűkítette a tömegtartományt, amelyben a Higgs-részecske előfordulhat. Ha a Higgs-bozon létezik, akkor az ATLAS mérése alapján a 116-130 GeV, míg a CMS mérései szerint a 115-127 GeV tömegtartományban található. Ezen új eredmények ígéretesek, ám még mindig nem bizonyítják a Higgs-részecske létét.

Fabiola Gianotti az ATLAS kísérletek szóvivője:

A Higgs-bozon legnagyobb valószínűségű tömegrégióját 116-130 GeV közé korlátoztuk. Az elmúlt hetekben a 125 GeV körüli tartományban érdekes eseménytöbbletet kezdtünk tapasztalni. Lehet, hogy ez egy fluktuáció miatt alakult ki, de sokkal érdekesebb jelenség is állhat mögötte. A kutatás e szakaszában még korai volna bármilyen következtetést levonni.

Guido Tonelli, a CMS kísérlet szóvivője:

Nem tudjuk kizárni a standard modellbeli Higgs-bozon jelenlétét egy mérsékelt eseménytöbblet miatt 115 és 127 GeV között: ez elég következetesen, 5 egymást követő, egymástól független csatornában is jelentkezett. E többlet 124 GeV és az ez alatti tartományban leginkább a standard modellbeli Higgs-bozonnal magyarázható, de ez statisztikailag még nem elég szignifikáns ahhoz, hogy bármilyen más következtetést levonjunk. Amit ma látunk, az magyarázható a háttéresemények véletlenszerű váltakozásával, de akár a Higgs-bozon jelenlétével is.

Ma még nehéz eldönteni, hogy ebben az alacsony tömegtartományban a Higgs-bozon létezését állító vagy tagadó hipotézis-e a helytálló. Ami biztató, hogy mindkét független mérés talált a 125 GeV körüli régióban egy enyhe eseménytöbbletet, s ez megakadályozta, hogy a Higgs-bozon létezését végleg kizárják. Bár ezt az eseménytöbbletet véletlen háttér-fluktuáció is okozhatja, a CERN fizikusai 2012-ben a várhatóan birtokukba kerülő mind több és több mérési adat segítségével pontosabban meg tudják majd határozni, mi is állhat a háttérben. A Higgs-bozon utáni hajtóvadászat a végéhez látszik közeledni: egy éven belül eldőlhet, hogy a fizikai világot leíró elmélet nélkülözhetetlen részecskéje valóban létezik-e.

Higgs and Bunraku

In the "Bunraku" (classical Japanese puppet theater) puppets are manipulated by human operators in black suits and hoods, which make them invisible.

The Higgs field in the universe is considered to act somewhat in a similar way as such an operator: It fills the entire universe and creates the mass of elementary particles (mass is a physics term of the concept which is often called "weight" in non-technical language). In a conventional sense, it is totally invisible.