„A fizika mindig is kihívás volt számomra”

A Lendület Program keretében alapított kutatócsoportot az ELTE Fizikai Intézetében. Milyen új lehetőségek tárulnak így fel a kutatásban és a képzésben?
A Lendület program támogatásával csoportunk – és ezzel az ELTE – az Európai Nukleáris Kutatási Szervezet (CERN) Nagy Hadronütköztetője (LHC) által keltett, a világon a legmagasabb energiájú proton-proton és nehézion ütközéseket vizsgáló Kompakt Müon Szolenoid (CMS) nemzetközi együttműködés hivatalos tagja lett. Ezzel megnyílt előttünk és az érdeklődő diákok előtt a lehetőség, hogy a világ vezető részecskefizikai kutatóintézetében, a Nobel-díjat érő Higgs-bozont felfedező nemzetközi együttműködés aktív tagjai legyünk. Az LHC rekord energiájú és nagy statisztikájú adatait vizsgálva keresünk válaszokat számos alapvető és izgalmas kérdésre: Mi a Világegyetemet kitöltő sötét anyag? Vannak eddig sosem látott elemi részecskék, új kölcsönhatások, további szimmetriák? Léteznek-e az erős kölcsönhatás ragasztójából, gluonokból álló egzotikus kötött állapotok, gluonlabdák? Milyen tulajdonságai vannak az Ősrobbanás után néhány milliomod másodperccel létező forró és sűrű kvarkanyagnak?

A CMS Együttműködés adataiban bányászva a részecskefizika legidőszerűbb problémáit feszegetjük.

A mérőberendezés csúcstechnológiát használ, a fejlesztések a mérnöki tudás határát terjesztik ki. A kutatók és a diákok bekapcsolódhatnak, aktívan hozzájárulhatnak a kísérlet továbbfejlesztéséhez, érzékenységének, teljesítményének optimalizálásához. Nemzetközi környezetben, öt kontinens 44 országa több mint 200 intézményének kutatóival dolgozhatnak együtt. Ezzel nem csak egyedülálló tudományos és technológiai ismereteket szereznek, de különleges emberi tapasztalattal is gazdagodnak.

Ezt megelőzően a CERN genfi központjában kutatott évekig, és közreműködött az LHC tervezésében is. Egy ilyen hatalmas detektorrendszer megtervezése és létrehozása több éves munka: Ön melyik fázisban vett részt?
Az LHC-kísérletek tervezése még a ’90-es évek elején kezdődött. Én 2000-ben csatlakoztam a CMS kísérlethez, ahol eleinte a belső szilíciumcsík nyomkövetődetektor kiolvasóelektronikája terveinek ellenőrzésén, a detektormodul prototípusainak karakterizálásán dolgoztam. Amikor a kiolvasóelektronikai elemek tömeges gyártása elindult a CERN-ben, én programoztam az összeszerelő-robotot, segítettem a robothoz szükséges eszközök tervezésében, és felelős voltam a munka megszervezéséért, a minőségbiztosításért, a tisztaszobában dolgozó technikusok munkájáért.

2008-ban kísérletet váltottam, átmentem az ATLAS Együttműködéshez, így az LHC indulását már ott köszöntöttem. A detektor beüzemelésekor elsősorban az elektronok és fotonok rekonstrukciójának optimalizálásában, majd a rögzítendő adatok gyors kiválasztásáért felelős trigger-rendszer működtetésében, minőségének javításában vettem részt. Ez a kísérlet lelke, az első lépés az adatok feldolgozása és a belőlük születő fizikai eredmények felé. Ezért is csatlakoztam ismét a trigger munkacsoporthoz, amikor 2015-ben visszatértem a CMS-kísérlethez. Az LHC fejlesztése azonban még most sem ért véget.

A gyorsító nagy intenzitású továbbfejlesztése, a HL-LHC 2025 környékén fog elindulni, működésének végére a jelenlegi adatmennyiség mintegy harmincszorosa áll majd rendelkezésünkre, az eddiginél jóval pontosabb méréseket téve lehetővé. A detektort természetesen szintén fel kell készíteni a nagymennyiségű adatok pontos mérésére, és ebből csoportunk is kiveszi majd a részét, elsősorban az adatmennyiség mérését szolgáló rendszer fejlesztésével.

A Standard Modell utolsó hiányzó láncszemének, a Higgs-bozonnak a felfedezése milyen további új kérdéseket vetett fel a részecskefizika területén?
A Higgs-bozon felfedezésével megtaláltuk a részecskefizika Standard Modelljének utolsó hiányzó elemét. Azonban további pontos mérések szükségesek ahhoz, hogy eldönthessük vajon a felfedezett részecske minden tulajdonsága megegyezik-e a modell által jósoltakkal. Ez azért fontos, mivel

sok jel – például a titokzatos sötét anyag jelenléte a Világegyetemben – arra utal, hogy a Standard Modell nem a végső elmélet a részecskefizikában.

Ha valóban létezik egy alapvetőbb elmélet, akkor a Higgs-bozon kölcsönhatásai kicsit módosulnak. Sőt az is valószínű, hogy további Higgs-részecskék is felfedezésre várnak. Így van ez a Standard Modell népszerű szuperszimmetrikus kiterjesztésében is, amely minden ismert részecskének egy eddig fel nem fedezett partnert és nem csak egy, hanem legalább öt Higgs-bozont jósol. Ebben a modellben a legkönnyebb partnerrészecske stabil. Ha ezen felül semleges is, akkor kiváló sötétanyag-jelölt.

Az LHC rekord energiájú proton-proton ütközéseiben a szuperszimmetrikus partnerrészecskék – ha valóban léteznek és tömegük kinematikailag elérhető – előállíthatók. Csoportunk, többek között, új szuperszimmetrikus részecskék párkeltését keresi olyan végállapotokban, ahol Higgs-bozonok is keletkeznek az új nehézrészecskék bomlásából.

Egy új részecske felfedezése – az Új Fizika első közvetlen bizonyítékaként – korszakváltó lenne a fizikában.

A CERN nemzetközi együttműködése keretében milyen hazai és külföldi kutatócsoportokkal tud együtt dolgozni az MTA-ELTE Lendület CMS Részecske- és Magfizikai Kutatócsoport?
A CMS Kísérletében Magyarországról az ELTE-n kívül az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont, a Debreceni Egyetem és az MTA ATOMKI vesz részt. Mindhárom intézménnyel együttműködünk. Kiemelném a Wigner FK-val az erős kölcsönhatás kutatásában, a Debreceni Egyetemmel pedig a szuperszimmetria utáni vadászatban való közös munkát. Munkánk során rengeteg külföldi egyetem és kutatóintézet munkatársaival is kapcsolatba kerülünk. A legközvetlenebb kapcsolatunk a CERN, az amerikai Princeton, Northwestern és Kansasi Egyetemek, a brazil UNESP, a német DESY kutatóintézet, az angol Rutherford Appleton Laboratory, a tajvani MCU munkatársaival van.

Az ELTE-n jelenleg milyen kutatásokkal foglalkoznak? Kikkel dolgozik együtt?
Lendület csoportunk az Atomfizikai Tanszéken két fő kutatási irányt vizsgál. Kollégáim, Veres Gábor egyetemi tanár és Csanád Máté docens irányításával az erős kölcsönhatás viselkedését tanulmányozzuk extrém körülmények között. Ez közelebb hozhatja a világegyetem korai időszakában létezett forró és sűrű anyag, a kvark-gluon plazma leírását, illetve eddig nem látott jelenségek, pl. gluonlabdák felfedezéséhez is elvezethet.

A kutatócsoport 

Az általam közvetlenül vezetett kutatások célja a részecskefizika Standard Modelljén túlmutató jelenségek vizsgálata. Ha felnézünk az égre, egy ismeretlen Univerzumba tekintünk. A körülöttünk lévő anyag, illetve energia csupán kis része, 5%-a származik ismert forrásból: az univerzum 27%-a sötét anyag, 68%-a sötét energia. Az LHC proton-proton ütközéseiben

laboratóriumi körülmények között szeretnénk létrehozni a sötét anyagot, amit eddig csupán gravitációs hatása alapján „láttunk” az Univerzumban.

Vajon a sötét anyag új nehézrészecskékből áll, amelyek esetleg az ismert részecskék szuperszimmetrikus partnerei? Egy ilyen felfedezés alapjaiban rázná meg a fizikát.

Természetesen előfordulhat, hogy az új részecskék tömege túl magas, és így nem állíthatjuk őket elő az LHC-n. Ebben az esetben sincs semmi probléma, hiszen az ismert részecskék tulajdonságait, az ismert folyamatok keletkezésének gyakoriságát nagy pontossággal mérve, a közvetlenül el nem érhető jelenségekre is érzékenyek vagyunk ún. kvantumkorrekciókon keresztül. Így lehetett megjósolni például az elektron–pozitron ütközésekben keletkező nehéz W és Z bozonok, a gyenge kölcsönhatás közvetítőrészecskéi tulajdonságait vizsgálva a Higgs-bozon tömegét sok évvel a felfedezése előtt. Az LHC-n pedig ezzel a módszerrel mérjük meg a kölcsönhatásokat közvetítő bozonok közti esetleges anomális csatolásokat.

Középiskolásként matematika tagozatot végzett, kémiából érte el a legnagyobb sikereket tanulmányi versenyeken, mégis a fizikus pályát választotta. Miért váltott?
A fizika mindig is kihívás volt számomra. A természettudományok alapja, amely a legalapvetőbb kérdésekre keresi a választ: hogyan született meg a világunk, hogyan működik. A környezetünkben lejátszódó jelenségek vagy használati tárgyaink működése is mindennap emlékeztet arra, hogy a fizika mindent átsző. A fizika logikus gondolkodást követel, tudnunk kell, mi a fontos, mi az elhanyagolható. Hogyan építhető fel egy konzisztens modell néhány alapvető összefüggésből. Megtanít a problémamegoldásra – igazi intellektuális kaland.

Az örömön kívül, hogy ismét megértettünk valamit, az új felfedezések hatással vannak az életünkre. Persze általában nem azonnal, de idővel a természetről szerzett alapvető ismereteink beépülnek mindennapjainkba is. Az elektron felfedezése nélkül nem juthattunk volna el az életünket megkönnyítő megannyi elektronikai berendezéshez, az általános relativitáselmélet nélkül nem lenne GPS. Az alapkutatás hatása előre meg sem becsülhető.

Miért ajánlaná a most felvételiző, a fizika iránt érdeklődő diákoknak az ELTE fizikusképzését, ezen belül is a részecskefizikát?
Magyarországon az ELTE-n folyik a legszélesebb körű fizikusképzés, amely világviszonylatban is megállja a helyét. Az elmúlt években a Fizikai Intézet dinamikusan fejlődött, MTA Lendület és európai ERC kutatási pályázatok segítségével új csoportok indultak idevonzva számos kutatót külföldről is. A hallgatók élvonalbeli kutatásokba kapcsolódhatnak be, nemzetközi együttműködésekben szerezhetnek tapasztalatot.

A fizikusképzés azonban nem csak a kutatásra készít fel. A fizikusként végzettek előtt rengeteg más lehetőség is áll, hiszen az egyetemi évek alatt megtanulnak gondolkozni, problémát megoldani, ezt pedig az iparban, a pénzügyi világban is nagyra értékelik.

Miért részecskefizika? Számomra a mikrovilág mindig is varázslatos volt.

A világegyetem működését vizsgáljuk az elemi részecskék tulajdonságainak, kölcsönhatásainak tanulmányozásával. A felfoghatatlanul kicsitől jutunk el a határtalanul nagyig, igazi, tiszta alapkutatás, amelynek persze rengeteg gyakorlati haszna is van. Gondolhatunk a CERN-ben kifejlesztett www-re, amely meghódította a világot, a részecskefizikai laboratóriumokból indult és az ipart, a gyógyászatot forradalmasító gyorsítótechnikára, a detektorok hasznára az orvosi diagnosztikában. Ráadásul a kísérleti részecskefizikus munkája igen változatos: a tiszta elmélettől a mérnöki tudományokig mindenbe belekóstolhatunk.