A mai részecskefizikában igen nagy és bonyolult detektorokat használunk. Ennek egyik oka az, hogy a tudományterület manapság rengeteg kérdést vet fel, s ha minden egyes probléma megoldására új (bár a feladathoz tökéletesen megépített) detektort terveznénk, ez a mai (nem kis!) költségek sokszorosára rúgva, s ráadásul a helyigénye is óriási. A másik ok, hogy az egyedi, manapság érdekes folyamatok hatáskeresztmetszete¹ olyan kicsi, hogy ha egyszerre csak egy problémára koncentrálnánk, a kutatások akár több évtizedig is eltartanának.

Mindemellett meg kell még említenünk, hogy a ma érdekes folyamatok olyan hatalmas energián játszódnak le, aminek elõállításához hatalmas gyorsítókat kell építeni². E gyorsítók mérete kilométeres nagyságrendû, energiafogyasztása pedig összemérhetõ egy Debrecen méretû városéval.

A világ ma legnagyobb nemzetközi együttmûködése a jelenleg húsz tagországot (beleértve hazánkat is) tömörítõ, genfi székhelyû CERN. Itt található a 27 kilométer kerületû Large Electron Positron Collider (LEP, Nagy Elektron-Pozitron Ütköztetõ), melyen négy nagy kísérlet is folyik.

Az elmondottak alapján érthetõ, hogy a modern kísérleti részecskefizika szakított az évszázadokig tartó „hagyományokkal", kilépett az „elefántcsonttoronyból". Nem ritkaság ma már, hogy akár ezer fizikus is együtt dolgozik ugyanazon a témán³.
 

Ezen kis kitérõ után essen szó bõvebben a kutatáshoz használt detektorokról. A kísérletek célja, hogy az adott folyamatok különbözõ fizikai paramétereit meghatározzuk. A még nem látott mechanizmusoknál (amelyeket az elméletek megjósolnak) pedig az a feladat, hogy az adott folyamatot megtaláljuk. Mindkét esetben azonosítani kell a folyamatokban résztvevõ, megfigyelhetõ⁴ részecskéket. A részecske-azonosításhoz ismerni kell a szóban forgó részecske impulzusát, pályáját és energiáját (1. ábra).

1. ábra. Általános célra tervezett részecskefizikai detektor. Adetektor „hagymahéjszerûen" épül fel. Legbelül találhatók a töltött részecskék pályáját meghatározó aldetektorok (szilíciumdetektor és vertexdetektor). Ezt követik az elektromágneses-, majd hadron-kaloriméterek. Végül, a legkülsõ héjon találhatók a müonkamrák. A detektort egy szolenoid mágneses terébe építették, amely segítségével a részecskepályák görbületébõl a töltött részecskék impulzusa meghatározható

Köztudott, hogy mágneses térben a töltött részecskék a részecske töltésétõl, impulzusától és a mágneses tér erõsségétõl függõ körpályán mozognak. Ezt kihasználva a detektorok általában a szolenoid mágneses terében vannak. Így - a mágneses tér mértékét pontról pontra ismerve - a részecske impulzusa meghatározható pályaelemeinek mérésével⁵. Ennek érdekében a detektorok legbelsõ részén általában olyan detektorelemek helyezkednek el, amelyek a töltött részecskék pályáját nagy pontossággal (néhány mikrométer) határozzák meg.

A részecskék két nagy kategóriába oszthatók energiájuk mérésének módja szerint: elektromágnesesen és hadronikusan kölcsönhatókra. Az elektromágnesesen kölcsönhatók - az energia mérésére szolgáló eszközben, a kaloriméterben - alapvetõen az alábbi folyamattal veszítik el energiájukat. Tegyük fel, hogy a bejövõ részecske egy elektron. Ez elektromágnesesen kölcsönhat a kaloriméterben levõ atommagokkal. Ennek eredményeképpen kisugároz egy fotont (így energiája csökken). A kirepülõ foton szintén a kalorimétert alkotó atomok magjainak terében egy elektronra és egy pozitronra esik szét. Ez a folyamat a párkeltés.Ha az eredeti elektron és a másodlagos elektron energiája megengedi, újabb fotonok keletkezhetnek. A folyamat zápor kialakulásához vezet, amit az átlátszó kristályokból készült kaloriméter felvillanással jelez. Ennek nagysága és egyéb paraméterei a bejövõ részecske energiájáról árulkodnak.

A hadron-kaloriméterekben a részecskék energiájukat a rendszerint nagy rendszámú elemekbõl (például uránium) felépülõ kaloriméter-anyaggal történõ magreakciók formájában adják le. A hadron-kaloriméterek egyik típusa az úgynevezett mintavevõ.Ebben a típusban egymással váltakozva helyezkednek el a nagy rendszámú rétegek és a szcintillátorok⁶. Durván fogalmazva, a szcintillátor akkor ad jelet, ha az elõtte levõ rétegen át tudott hatolni a részecske. Így információ kapható a részecske energiájáról.

A leírt energiamérésen kívül a kaloriméterek a részecske becsapódásának helyét is mérik azzal, hogy nem egy tömbben készülnek, hanem „téglaszerûen" fedik le a rendelkezésükre álló helyet. Persze tudnunk kell, hogy ez a helyzetmeghatározás nagyságrendekkel pontatlanabb, mint a kimondottan erre a célra épülõ detektoroké. Amíg a helyzetmeghatározó detektorok csak a töltött részecskék pályáját tudják mérni, addig a kaloriméterek helyinformációt adnak a semleges részecskékrõl is.

A részecskék azonosításakor még két fontos részecsketípusról beszélnünk kell. Az egyik a müon. Ez azért olyan kivételes, mert áthatolóképessége nagy, azaz gyakorlatilag csekély energiaveszteséggel képes keresztülhatolni az egész detektoron. Szerencsére, töltött részecske lévén pályája meghatározható. Mérésére általában a detektorok legkülsõ „héján" is elhelyeznek (esetenként több) helyzetmeghatározó detektort. Ezek már csak a müonokat érzékelik, mert a többi töltött részecske már a detektor belsõbb rétegeiben elnyelõdik (így mérhetõ az energiája). A másik különleges részecske⁷ a neutrínó.A neutrínó különlegessége abban áll, hogy csak nagyon gyengén képes kölcsönhatni az anyaggal. Meghökkentõ, hogy a neutrínó képes úgy keresztülhatolni a teljes Földön, hogy közben nem veszít energiát, így észlelése és fõleg energiamérése az általános célú detektoroknál reménytelen⁸. Aneutrínókat a már ismertetett kísérletek indirekten mutatják ki. Világunkban az egyik legérvényesebb törvénypár az energia- és az impulzusmegmaradás törvénye. Ezek azt mondják ki, hogy egy zárt rendszer (a részecskék ütközése a gyorsító belsejében annak tekinthetõ) energiája és összimpulzusa a rendszer komponenseinek reakciója elõtt és után is azonos. Összehasonlítva a részecskefizikai folyamat elõtti részecskék energiáját és összimpulzusát a folyamat után megfigyelhetõ részecskék energiájával és impulzusával, megkapható azoknak a részecskéknek az energiája és impulzusa, amelyek nem hagytak semmiféle információt a detektorban.

Mivel még senki sem látott Higgs-bozont, nem tudjuk megmondani, hogy az egy Higgs-bozonos Standard Modell helyes leírást ad-e. Ezért az elméleti fizikusok - mintegy elõre gondolkodva - olyan modelleket is alkottak, amelyekben több Higgs-bozon is van. Ezek egyike az úgynevezettkét-dublett kiterjesztésû Standard Modell.Ebben azonban már nem egy, hanem öt Higgs-bozon létezik, ezek közül három (H, h, A) semleges, míg kettõ (H⁺, H^-) töltött. Például a ma oly divatos Minimális Szuperszimmetrikus Standard Modellben¹² is az öt Higgs-bozonos mechanizmus nyomait kutatjuk.

A CERN LEP gyorsítóján két magyar tudóscsoport is foglalkozik a Higgs-bozonok kutatásával. A Debreceni Egyetem munkacsoportja Baksay Lászlóvezetésével az L3 nevû detektoron dolgozik, az 1995-tõl gyûjtött adatokat elemezik és rajtuk a Standard Modell két dublettkiterjesztésében megjelenõ töltött Higgs-bozonokat keresnek. A másik csoport Horváth Dezsõ vezetésével az OPAL detektoron keres Higgsbozonokat. Mindkét csoport három éve dolgozik a CERN-ben, és dacára annak, hogy még mindig ugyanazt a részecskét keresik, éppen a fent említett okok miatt állandóan van munkájuk.

A Higgs-bozonok keletkezése nagymértékben függ az elérhetõ energiától. Általánosan fogalmazva, Higgs-bozon akkor keletkezhet egy számára megengedett¹³ folyamatban, ha a keletkezésére fordítható energia legalább egyenlõ a Higgsbozon nyugalmi tömegével.

A jelenlegi gyorsítókkal elérhetõ energiákon a Higgs-bozonok nem tudnak W-, vagy Z-párokba bomlani, illetve a kvantummechanika miatt tudnak, de ennek a valószínûsége rendkívül kicsi. Azt a megállapítást tehetjük tehát, hogy ha a Higgs leptonikusan bomlik, akkor ezt tau-részecskébe (t) teszi. Persze, ekkor sem egy tauba bomlik, hanem rögtön kettõbe, mert ennek a bomlásnak is meg kell felelnie egyrészt a töltésmegmaradás törvényének, másrészt az úgynevezett leptonszám- megmaradás törvényének. Így tehát a várt bomlási mód: H®t⁺t^- (3. ábra).

3. ábra. A Standard Modell Higgs-bozon bomlási folyamatainak hatáskeresztmetszetei a Higgs-bozon tömegének függvényében. Az ábrán látható, hogy azon a Higgs-bozon tömegtartományon, amelyen kísérleteink érzékenyek (m_H < 110 GeV), a Higgs-bozon fõleg b kvarkpárokba, illetve t⁺t^- leptonpárokba bomlik

Nézzük most a Higgsek hadronikus bomlását. Tudjuk, hogy a hat kvark tömege igencsak eltérõ¹⁵. Így az elõbbiekben vázolt tömeghez kötõdés miatt csak a két legnehezebb kvark, a b- és a t-kvark jöhet igazán számításba. A t tömegérõl azonban tudjuk, hogy az kb. 174 GeV, ami igencsak több, mint amekkora Higgseket mi a gyorsítóinkkal egyáltalán létre tudnánk hozni. Marad tehát a b-kvark. Az utána tömegben következõ c-kvarkba bomlás valószínûsége már olyan kicsi, hogy azt nem is vizsgálják. Természetesen a Higgs itt sem b-kvarkba bomlik, mert akkor a töltésmegmaradás mellett sok más megmaradási törvény sérülne. Például a színsem maradna meg, azaz mivel a Higgs-nek nincs színe, a b-nek pedig okvetlenül kell legyen, a b-be való bomlásnál a kezdeti szín (semleges) természetesen nem lenne azonos a bomlás utáni színnel. Egy semleges részecske bomlásánál ilyenkor tehát az a legkedvezõbb, ha egy részecskébe, plusz annak antirészecskéjébe bomlik. Jelen esetben ez úgy néz ki, hogy H ® b¹⁶. Így minden megmaradási törvény teljesül.

Nézzük most a töltött Higgs-bozont. Töltése vagy -1, vagy +1 (attól függõen, hogy részecskérõl vagy antirészecskérõl beszélünk). Így nem bomolhat ugyanazon részecskébe és antirészecskébe egyszerre, de egy kvarkba és a kvarktáblázatban alatta (vagy fölötte, attól függõen, hogy az adott kvark hol helyezkedik el) levõre igen. Azaz, ha mondjuk a H⁺ egy c-kvarkba bomlana, akkor választhatna magának „partnert" a d-, s-, illetve a b-kvarkok közül. A részecskeállapotok keveredését¹⁷ figyelembe véve azonban azt kapjuk, hogy a párba állás a b-és a d-kvarkkokkal sokkal kevésbé várható, mint az s-kvarkkal. Ha ezt még a tömeghez csatolással is összevetjük, azt kapjuk, hogy a mai gyorsítóenergiákon a töltött Higgs-bozonok keresésénél elég csak a H®c, vagy H®s¹⁸ hadronikus bomlásokat figyelni.

A töltött Higgs hadronikus bomlási lehetõsége mellett még leptonikusan is elbomolhat. Ekkor - a már fentebb részletezett okok miatt - a legkedvezõbb az, ha a tau-részecskébe bomlik. Ekkor a töltés megmarad, de ha a töltött Higgs csak egyetlenegy taura bomlana, akkor a leptonszám-megmaradás sérülne. Kell tehát valami, ami ellentétes elõjelû leptonszámot hordoz, de ugyanakkor semleges. Szerencsére a természetben létezik egy részecske és ez a tau-neutrínó(n_t). Tehát a töltött Higgs-bozon egy t-részecskére és annak antineutrínójára bomlik, azaz a várt bomlási kép: H⁺ ®t⁺, illetve H^- ® t^-.

Figyelembe kell vennünk még azt is, hogy szabad kvarkok a természetben nem léteznek; a kvarkok a színkölcsönhatás különlegessége miatt „felöltöznek". Ez azért van így, mert a kvarkok közötti erõs (szín-) kölcsönhatást közvetítõ részecskék, a gluonok nemcsak a kvarkokkal hatnak kölcsön, hanem egymással is (ebben nagyon különböznek az elektromágneses kölcsönhatást közvetítõ fotontól, amely magával nem hat kölcsön, csak az elektromos töltéssel). Ezért a két kvark között ható kölcsönhatást ábrázoló „gluon-erõtér"¹⁹ nem tölti ki a teljes teret úgy, ahogy az elektromágneses kölcsönhatásnál, hanem a két kvarkot összekötõ „fonallá" húzódik össze. Az összehúzódást a gluonok közötti kölcsönhatás okozza. Ezzel ez a „gluonfonál" úgy kezd viselkedni, mintha rúgó volna: a két kvark között a vonzóerõ annál nagyobb lesz, mennél jobban szét akarjuk õket húzni. A széthúzás során befektetett energia (ez a maguktól szétrepülõ kvarkoknál a mozgási energia csökkenésével fedezõdik) elõbb-utóbb akkora lesz, hogy az már elegendõ egy kvark-antikvark pár keltéséhez. Ez energetikailag jobban favorizált, mint a gluonfonál további „nyúlása". Ekkor a gluonfonál elszakad, és két kvarkpár jön létre. Ha a mozgási energia még mindig elég nagy, a folyamat egészen addig ismétlõdik, amíg csak lehet, csak most már az „új" kvarkpárok „szakadnak szét". Ezt a folyamatot hívják a fizikusok fragmentációnak, aminek eredménye sok, közel egy irányba, az eredeti kvark mozgásának irányába repülõ hadron lesz. Az így kialakuló rendszert hívjuk hadronzápornak²⁰, mely azonosítása így nagyon fontos a kísérletezõnek. A kutató számára a másik lényeges dolog, hogy a semleges Higgs-bozonok bomlásánál a kvarkok közül a b-kvark van jelen. Ez a kvark ugyanis csak a nála könnyebb kvarkokba bomolhat, és azt csak gyenge-bomlássalteheti.

Így a b-kvarkot tartalmazó mezonok csak lassan (pikoszekundum körüli idõ alatt) bomlanak el. Ez viszont elegendõ arra, hogy a mezon egy-két milliméterrel a keletkezési helyétõl (ami egybeesik az elektron-pozitron megsemmisülés helyével) eltávolodjon²¹. Ha az eseményekben megjelenõ egyedi részecskepályákat az arra alkalmas számítógépes programmal láthatóvá tesszük, a képen úgy látszik, hogy a bkvarkot tartalmazó hadronzáport alkotó részecskék között lesz olyan, ami nem az elektron-pozitron megsemmisülés helyébõl ered, hanem ebbõl a pontból. Ez a pont pedig a mai érzékeny helyzetmérõ detektorokkal kimérhetõ. Az eljárást b-címkézésnek nevezik.

Beszéljünk még a Higgs-analízis eszközei között a taurészecske azonosításáról is. Mint az elõbbiekben utaltam rá, a tau-részecske sem stabil. Sajnos gyors bomlása miatt a detektorban nem hagy nyomot. Azonosítása csak a bomlásában keletkezett részecskékkel lehetséges. A tau bomolhat a másik két leptonra, elektronra és müonra, de elbomolhat két vagy három pionra²² is. A tau leptonikus bomlásaiban meg kell jelennie egy tauneutrínónak, és attól függõen, hogy elektronba, vagy müonba bomlik a tau, egy elektron-, vagy egy müon-antineutrínónak is. Szemléletesen leírva: t^-®e^- n_te, vagy  t^-®m^- n_t²³.

Mint már említettem, a neutrínók, és velük a „rájuk ragadt" energia és impulzus megszöknek a detektorból. Hiányukra az elektron-pozitron ütközés után megfigyelt részecskék összimpulzusából és a megfigyelt energiából lehet következtetni. Pontosabban abból, hogy sem az összimpulzus, sem az összenergia nem egyezik meg az ütközés elõtti elektron és pozitron összenergiájával és összimpulzusával. A t-bomlásból származó müonok és elektronok megfigyelése már nem okoz gondot: a müonok impulzusa könnyen mérhetõ a detektorok legkülsõ részén elhelyezett müonkamrákkal, az elektronok impulzusa és energiája pedig általában a detektorban legbelül elhelyezkedõ részecskepálya-mérõ aldetektorral történik. A tau hadronikus bomlásánál kilépõ pionok észlelését úgy oldjuk meg, hogy olyan hadronzáporokat keresünk, ahol rendkívül kevés részecske mozog együtt a hadronzáporban (maximálisan két, három részecskérõl lehet szó).

A LEP az idén befejezi tizenkét évig tartó mûködését. Ez idõ alatt, az elmondottakat is beleértve, számos nagyon szép eredményt adott az emberiség számára, amelyek lehet, hogy egy napon majd hasznosíthatók lesznek. De ha mégsem lenne kézzel fogható hasznuk, az emberiség egyetemes kultúrájában fontos helyet kapnak a minket körülvevõ világról szóló ismereteink között.

Ne feledjük, a Higgs keresését folytatják a világ más gyorsítóinál, így a Fermilab-ban a TEVATRON-nál vagy éppen a CERN-ben, a LEP helyén 2005-ben felépülõ Nagy Hadronütköztetõben( Large Hadron Collider).

Zárszóként meg kell még említenünk, hogy hazánk szerepe a Higgs-kutatásban fontos. Kutatóink tevékenyen résztvesznek a LEP két kísérletében, a leírt eredmények létrehozásában. Munkájukból számtalan szakcikk, több szép doktori disszertáció²⁵ és egyetemi diplomamunka született.

Lapzártával egy idõben érkezett a hír, hogy a CERN-ben 2000. szeptember 5-én tartott, négy LEP-kísérlet összesített adatait ismertetõ elõadáson bejelentették, hogy a Standard Modell Higgs-bozon keresése során eltérést találtak a „csak háttér" hipotézist feltételezõ analízis során. Az eredmények összhangban vannak az elmélettel, ha feltételezzük, hogy a mérések során Higgs-bozon is keletkezett. Azonban a jelenlegi eredmények a kimutathatóság határán vannak, felfedezésnek nem tekinthetõk. Ezért a CERN illetékes bizottsága úgy döntött, hogy a LEP 2000 szeptemberének végére tervezett végleges leállítását egy hónappal elhalasztja. Az egy adott idõben a kísérletek által gyûjtött adatok késõbbi analízise eldöntheti, hogy a fenti analízisek a régóta várt Higgs-bozont mutatták, vagy az eredmények csak a statisztikus fluktuációnak köszönhetõk.