Tudomány a jövő megmentői

Nobel-díjat érhet a magyar fizikusok új részecske utáni vadászata

Egy 2016-ban és egy 2019-ben publikált tanulmány miatt a nemzetközi fizikusközösség és a világsajtó is felfigyelt a debreceni Atommagkutató Intézetben folyó munkára. Krasznahorkay Attila atommagfizikus és kollégái kísérleteikkel nemcsak a tudományág fejlődéséhez járulhatnak nagyban hozzá, hanem a jövő magyar fizikusai számára is reményt adhatnak az itthoni kutatások sikerére.
Korábban a témában:

2019 őszén a világsajtót is körbejárta Krasznahorkay Attiláék eredménye: az Atommagkutató Intézet (Atomki) szakértői 2016 után ismét kimutattak egy általuk korábban bevezetett részecskét. Sokan, köztük neves fizikusok is, lehetséges Nobel-díjat kiáltottak, Krasznahorkay Attila azonban ennél jóval óvatosabb.

Bakonszegtől Oszakáig

Krasznahorkay Attila a Hajdú-Bihar megyei Bakonszegen született, és a debreceni egyetemen kezdte meg felsőfokú tanulmányait. Már ekkor, a diákköri munka keretében bekapcsolódott az Atommagkutató Intézet projektjeibe, így a korszak legmodernebb műszereivel dolgozhatott. Az egyetemet követően 1978-ban az Atomkiba került, itt többek közt elektron-pozitron párokat vizsgált – hasonlóval foglalkozik ma is.

A magszerkezeti kutatások egyik nemzetközi központja ekkor a finnországi Jyväskyläben volt, első nyugati útjaként, egy kiküldetés során néhány hetet itt tölthetett el. Finnországban viszonylag kisenergiás, 1–2 millió elektronvoltos gerjesztésienergia-tartományban folytatott kísérleteket. Posztdoktori ösztöndíjjal aztán a hollandiai Groningenbe került, itt kezdte el nagyenergiás átmenetekre (óriásrezonanciákra) vonatkozó kutatásait, melyek azóta is a tudományos figyelem középpontjában állnak.

Dr. Krasznahorkay Attila Fotó: Mohos Márton/24.hu

Hollandiának még egy fontos szerep jutott későbbi, komoly érdeklődést kiváltó eredményeiben: itt ismerkedett meg az azóta elhunyt Fokke de Boerral.

Hazatérte után egy Hollandiából ajándékba kapott mágneses spektrométer segítségével kollégáival elsőként figyelt meg erősen deformált állapotokat a maghasadás előtt az Atomkiben. A projekt közel tíz éven át folytatódott, többek közt a müncheni Ludwig-Maximilians Egyetemmel együttműködve – ez idő alatt 3 PhD-értekezés született belőle. Ezek az eredmények megerősítették abban, hogy itthon is lehet nemzetközi érdeklődésre számot tartó magfizikai eredményeket elérni. Ezzel párhuzamosan elkezdte az atommag- és részecskefizika oktatását is először a szegedi egyetemen, majd a debreceni egyetemen. Oktatási tevékenységét 2005-ben címzetes egyetemi tanári kinevezéssel ismerte el a szegedi intézmény.

A japán Oszakába már egy évre érkezett vendégkutatóként, vendégprofesszorként, itt kellemes helyzet fogadta: szabad kezet kapott a kutatások terén.

Mondanom sem kell, ez volt az egyik legtermékenyebb évem

– nyilatkozta a 24.hu-nak a szakértő, hozzátéve, hogy vizsgálatai fókuszában ekkoriban a tiszta neutronanyag, a neutronbőr állt. A neutronok eloszlása az atommagban túlnyúlik a protonokén, a kettő közötti sugárkülönbség a neutronbőr. Külföldi tapasztalatai és kutatási területei mind nagy hatást gyakoroltak későbbi munkájára.

Fotó: Mohos Márton/24.hu

2001-ben megkapta akadémiai doktori címét, ami az oszakaihoz hasonló helyzetet teremtett itthon: komoly kutatási szabadsággal dolgozhatott. Először folytatta a nagy nemzetközi tudománnyal, így az óriásrezonanciákkal és neutronbőrrel kapcsolatos külföldi kísérleteket, amiből újabb két PhD-értekezés született, de hamarosan elkezdte a Fokke de Boer által inspirált téma kutatását is. Ennek fő motivációja az volt, hogy ezeket a méréseket az Atomkiben is el lehetett végezni.

Elméleti előrejelzés volt, hogy az atommagfizikában, atommagátmenetekben is meg lehetne figyelni egy új könnyű részecskét. Nagy hírű fizikusok, így Weinberg, előre jeleztek egy úgynevezett axiont. Akkor úgy tűnt, hogy Németországban, Darmstadtban sikerült is megfigyelni egy viszonylag kis tömegű részecskét, sajnos azonban kiderült róla, hogy technikai hiba volt. Ez rányomta a bélyegét az ilyen jellegű kutatásokra, ami jelenleg is érzékelteti hatását: a magfizikusok manapság is borzasztóan óvatosak azzal kapcsolatban, ha valaki új részecske felfedezéséről beszél

– mondta a kutató.

De Boer újra felvetette az azonosítatlan részecske kérdését, igaz, nagyobb tömeggel, sőt sikerült is utalásokat találnia egy ilyen részecske keletkezésére. Krasznahorkay Attila utóbb ezt a vonalat vitte tovább Magyarországon, de ekkor már sokkal érzékenyebb spektrométerek építésével.

Vadászat egy új részecskére

A kutatásban az igazi fordulatot 2012 hozta el, a szakértő az előzetes eredményeket egy Frascatiban megrendezett nemzetközi konferencián ismertette, melynek központi témája a sötét anyag és a sötét foton volt. A sötét anyag napjaink fizikájának egyik nagy talánya: egy olyan anyag, amely egyelőre közvetlenül nem figyelhető meg, gravitációs hatásai viszont csillagászati módszerekkel jól mérhetők. A sötét anyag szerkezete nem ismert, de elméleti fizikusok azt feltételezik, hogy a fényhez hasonlóan rendelkeznie kell egy olyan részecskével, ami a kölcsönhatásokat közvetíti – ezt nevezik sötét fotonnak.

Krasznahorkay Attila szerint 2012-ben már sejteni lehetett a részecske bizonyos tulajdonságait, így például a tömegét. A frascati konferenciára egy halvány kísérleti eredménnyel érkezett, az elektron-pozitron párok szögkorrelációjában 140 foknál sikerült megfigyelniük egy anomáliát, amit egy új részecske keletkezésével és elbomlásával magyaráztak.

Az adatok így is felkeltették az elméleti fizikusok érdeklődését, többen arra kérték a magyar kutatókat, hogy folytassák a projektet, végezzenek pontosabb méréseket.

A csapat ezt követően néhány évig tovább kísérletezett, ehhez saját építésű berendezéseket használtak. A kutatók a berillium 8-as izotópját gerjesztették, majd azt figyelték meg, hogy elektron-pozitron párok kibocsátásával miként tér vissza alapállapotába. Eredményeiket 2016-ban publikálták, a megfigyelt részecske tulajdonságai ugyanakkor kissé eltértek a sötét fotonra vonatkozó előrejelzéstől.

Egy amerikai elméleti fizikus, Jonathan Feng azonban éppen ennek örült, és kijelentette, hogy a magyar kutatók nem a sötét fotont, hanem az ötödik kölcsönhatást közvetítő részecskét mutathatták ki. A kísérleti adatokból azt is megállapította, hogy a részecske inkább a neutronhoz és nem a protonhoz kapcsolódhat – éppen ezért protonfóbiásnak nevezte el a kölcsönhatást. Az igazi sajtóvisszhangot Feng publikációja hozta el, ez persze egyáltalán nem kisebbíti a magyar csapat érdemeit.

Alapvető kölcsönhatások

A fizikában a részecskék kölcsönhatásait alapvető kölcsönhatásoknak nevezik. Egyelőre négy ilyen ismert: az erős, az elektromágneses, a gyenge és a gravitációs, ezeket mind más-más részecskék közvetítik. Feng a magyar csapat eredményeire alapozva jutott arra, hogy egy ötödik alapvető kölcsönhatás részecskéjét észlelhették.

2017-ben Krasznahorkay Attiláék új részecskegyorsítót kaptak, újabb kísérletekbe kezdtek, a nagyobb megbízhatóság kedvéért a detektorokat is kicserélték, az adatgyűjtő rendszert pedig felújították. A projektben komoly segítséget jelentett a kutató fia, Ifj. Krasznahorkay Attila, aki a CERN-ben dolgozik, és az ötletek mellett szoftverekkel is hozzá tudott járulni a rendszer fejlesztéséhez.

Fotó: Mohos Márton/24.hu

A kutatók így ismételték meg a méréseket, és egyezést találtak a 2016-os eredményekkel. 2019 a sajtóvisszhang újabb hullámát hozta el, ekkor lényegileg a korábbi kísérletet ismételték meg a hélium 4-es izotópjával, még nagyobb atommagátmeneti energiával. Az anomáliát ezúttal kisebb szögnél, 115 foknál kapták el, és arra jutottak, hogy ismét a korábban megfigyelt részecskére bukkantak.

Hogyan is kell elképzelni a kísérletet? Krasznahorkay szerint az atommagátmenet energiája (nagyon ritkán, minden milliomodik gamma sugárzás után) egy új részecske létrejöttére fordítódik, a maradékból kinetikus energia lesz – ez határozza meg a sebességét. Ha a részecske álló helyzetben bomlik le, 180 fokos szögben lép ki az elektron és a pozitron, ha viszont mozog, minél nagyobb a sebessége, úgy csökken a detektálás szöge.

Nagyon szoros kapcsolat van az átmenet energiája, a részecske tömege és a kilépési szög között

– tette hozzá.

A 2019-ben bemutatott eredményekre ismét ráharaptak az elméleti fizikusok, Krasznahorkay Attilát több nemzetközi konferenciára, így Southamptonba és Velencébe is meghívták, és egy PhD-hallgató is jelentkezett a témára.

Mi a jelentősége?

Sokan, köztük maga Feng is kijelentette, hogy az eredmények megismétlésével akár Nobel-díjat érő felfedezés is születhet. Krasznahorkay Attila ugyanakkor jóval óvatosabb ezen a téren:

A Nobel-díjról mindenki tudja, hogy egy nagyon hosszú procedúra eredménye. Ez egy szikra lehet ahhoz, hogy valamikor egyszer talán majd erről is szó lehessen.

Az eredményeket még független csoportoknak is felül kell vizsgálniuk, ha a magyar szakértők számára minden kedvezően alakul, akkor is minimum öt évbe telhet, mire tudományos konszenzus születhet. Az elméleti fizikusok jelenleg is azon dolgoznak, hogy felmérjék az új részecske esetleges hatásait, a témában már több tanulmány is megjelent. Ha igazolódik a felfedezés, az a fizika számos területére hathat, kezdve az atomfizikától egészen a neutroncsillagok szerkezetének megértéséig. Az új részecske alapján ráadásul újabb becslést adhatnak a sötét foton tömegére is.

A történetnek ugyanakkor más kimenetele is lehet. Az elméleti fizikusok a részecskefizika standard modelljét is kiegészíthetik oly módon, hogy értelmezni tudják az észlelést. „Korábban a Higgs-bozonról is úgy hitték, hogy a standard modell megkoronázása, hogy azonosításával már minden érthetővé válik az anyaggal kapcsolatban. Az asztrofizikusok ennek az elképzelésnek tettek keresztbe a sötét anyaggal, melyet a standard modell egyszerűen nem tud értelmezni. Hogy az új részecske végül kapcsolódik-e a sötét anyaghoz vagy nem, az a jövő zenéje” – mondta Krasznahorkay Attila.

Az már most megállapítható, hogy a debreceni eredmények kedvezően hatottak a hazai fizikustársadalomra: az Atomki csapata az utóbbi időkben rengeteg megkeresést kap külföldről. Egyelőre főként részecskefizikusok érdeklődnek, illetve terveznek új kísérleteket, hiszen a korábban említett axionos sikertelenség még ma is érezteti hatását a magfizikusok körében.

Fotó: Mohos Márton/24.hu

További probléma a magfizikusoknak, hogy túl nagy energiáról és nagyon ritka eseményekről van szó, melyeknek detektálásához nincsenek jó berendezéseik. „Tulajdonképpen senki földje, amivel elkezdtünk foglalkozni: a magfizikusoknak túl nagy, a részecskefizikusoknak túl kicsi. Ez is hátráltatja a kísérleti kutatást” – állapította meg a kutató.

A vizsgálatok fellendülése mellett egy ilyen felfedezés a hazai fizikusképzésre is hathat.

Krasznahorkay Attila tapasztalatai alapján egyre kevesebb jó képességű fizikusjelölt folytatja Magyarországon tanulmányait, a kimagasló projektek ugyanakkor változtathatnak ezen. A világhírű kísérletnek már most van eredménye: a közelmúltban az Atomkiban fejezte be diplomamunkáját két külföldi fizikus – az egyiket máris felvették PhD-hallgatónak a New York-i Egyetemre. Hamarosan elkezdi a munkáját Debrecenben egy külföldi posztdoktori kutató is, Krasznahorkay Attila szerint éppen projektjük jelentette számára a motivációt. A szakértő bízik benne, hogy az elkövetkező generációk folytatni akarják, illetve tudják majd a vizsgálatokat, hiszen egyelőre még csak a kutatás elején járnak.

Kiemelt kép: Mohos Márton/24.hu

Ajánlott videó mutasd mind

Ha kommentelni, beszélgetni, vitatkozni szeretnél, vagy csak megosztanád a véleményedet másokkal, a 24.hu Facebook-oldalán teheted meg. Ha bővebben olvasnál az okokról, itt találsz válaszokat.

A cikkhez ide kattintva szólhatsz hozzá.
Nézd meg a legfrissebb cikkeinket a címlapon!
24-logo

Engedélyezi, hogy a 24.hu értesítéseket
küldjön Önnek a kiemelt hírekről?
Az értesítések bármikor kikapcsolhatók
a böngésző beállításaiban.