Holográfia a részecskefizikában
Bajnok Zoltánt, az MTA-ELTE Elméleti Fizikai Kutatócsoport tudományos tanácsadóját abból az alkalomból kérdeztük, hogy elnyerte az MTA Fizikai Díját és hamarosan új kutatócsoportot alakít a Lendület program keretében az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpontban.
Fizikai díjat kapott, ám, ha jól gondolom, a kvantumtérelmélettel kapcsolatos kutatásai nagyon erős matematikai jártasságot feltételeznek. Hol van a matematika és a fizika határa ezen a területen?
A kvantumtérelmélet erős matematikai eszköztárat használ. Tudományterületemen a fizikának és a matematikának nincs jól meghatározott választóvonala. Fizikai kutatásaink sokszor vezetnek új matematikai struktúrák megjelenéséhez, azok mind részletesebb kidolgozására ösztönözve a matematikusokat. Én jelenleg egzaktul megoldható rendszereket vizsgálok, melyekhez algebrára és komplex analízisre van szükségem.
Milyen konkrét eredményeit ismerte el az MTA Fizikai Tudomány Osztálya a most odaítélt díjjal?
Világunk négy alapvető kölcsönhatásának, az erős, a gyenge, az elektromágneses és a gravitációs kölcsönhatásnak a relativitáselmélettel összhangban lévő kvantumos leírása régóta foglalkoztatja a kutatókat. A kvantumelmélet a relativitáselmélettel összekapcsolva kikényszeríti, hogy a kölcsönhatásokat részecskék kicserélődéseként írjuk le. Az elektromágneses kölcsönhatás részecskéje a foton, az erős kölcsönhatásé a gluonok, míg a gyenge kölcsönhatásé a W és Z bozonok. A gravitációs kölcsönhatás kvantumos leírása a mai napig várat magára, ez korunk egyik nagy kihívása. Az utóbbi években sikerült olyan ötdimenziós gravitációs elméletet találni, mely sejthetően ekvivalens egy, az ezen tér négydimenziós peremén lévő gluonikus elmélettel. Ez a holografikus kapcsolat lehetővé tenné mind a kvantum-gravitáció, mind pedig az erősen kölcsönható gluonok kvantitatív vizsgálatát. Az elmúlt pár évben kollegáimmal sikerült ezt a nagy horderejű sejtést egzakt számításokkal megtámogatnunk (erről itt olvashatnak részletesebben). Az alapvető kölcsönhatások kvantummechanikai leírása azonban még rengeteg feladatot ad a kutatóknak, egyebek között a matematikai eszköztár kidolgozása terén is. Van olyan, a további kutatások szempontjából meghatározó matematikai probléma (a Yang-Mills elmélet tömegrése), amelynek bizonyítója egymillió dolláros jutalomra számíthat!
A természettudományok iránt érdeklődők körében nagy figyelem övezi a részecskefizikai kutatások újdonságait, különösen a nagy részecskegyorsítókban várható, a világegyetem építőköveivel és eredetével kapcsolatos felfedezéseket. Az MTA-ELTE Elméleti Fizikai Kutatócsoportja mennyiben járul hozzá az eredmények értelmezéséhez?
A természet elemi építőköveinek fizikai elmélete a kvantumtérelmélet. Ezt használjuk az elektronok viselkedésének leírására a kondenzált anyagok fizikájában csakúgy, mint a protonok ütközési kísérleteinek megjósolására a genfi Nagy Hadronütköztetőben (CERN). Kutatócsoportunk tradicionálisan foglalkozik mind elvi kvantumtérelméleti vizsgálatokkal, mind pedig azok részecskefizikai alkalmazásaival. A részecskefizika Standard Modellje rendkívül sikeresen írja le a nagyenergiás kísérleteket, habár a spontán szimmetriasértésért felelős Higgs bozont máig sem sikerült felfedezni. Kollegáim olyan alternatív elméleteken dolgoznak, melyek a Higgs bozont más részecskék kötött állapotaként képzelik el, számításaikat rendszeresen összevetve a gyorsítóbeli eredményekkel.
Milyen kutatási programmal nyerte el a kutatócsoport az MTA támogatását, milyen eredmények elérését tűzték célul?
A nagy hagyományokkal rendelkező Novobátzky-iskola részecske- és statisztikus fizikai témáinak folytatása mellett új témák indítását is terveztük: a húrelmélet és az alacsony dimenziós egzaktul megoldható modellek technikáinak kondenzált anyagokra történő alkalmazását, az erős fluktuációkat mutató klimatológiai folyamatok általános tulajdonságainak felderítését, valamint az extrém statisztikák és a rendezetlen rendszerek térelméleti megközelítésének egyesítését. Erősíteni kívánjuk a kísérleti kutatásokkal való kapcsolatot: a CERN-eredményeken kívül támaszkodni szeretnénk a hideg atomok és a környezeti áramlások területén folyó kísérletek adataira is.
A közelmúltban Ön is bekerült a 37 kiváló fiatal közé, akik az MTA Lendület programja keretében kutatócsoportot alapíthatnak. „Lendületes” kutatócsoportját azonban már nem az ELTE keretében hozza létre. Miért döntött így? Megmarad-e a kapcsolata az MTA-ELTE kutatócsoporttal? Milyen témán fog dolgozni új csapatával?
Mint korábban említettem, korunk nagy előrelépése a kvantum-gravitáció megértésében és az erősen kölcsönható rendszerek leírásában az ezen elméleteket összekapcsoló holografikus kapcsolat felfedezése. Csoportommal többek között a holográfiát kiaknázva szeretnénk gravitációelméleti számításokkal jóslatokat mondani az erősen kölcsönható kvark-gluon plazma viselkedésére, ami a Nagy Hadronütköztetőben nehézionok ütközésekor keletkezik. Ennek a munkának természetes közege az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont, hiszen gravitációs csoportjuk mellett mind elméleti, mind pedig kísérleti nehézion-fizikai csoportjaik vannak. Az MTA-ELTE kutatócsoporttal a kapcsolatom nem szűnik meg, ezután is bejárok a szerdai szemináriumokra, konzultálok a csoport tagjaival és megtartom speciális előadásaimat.