Ugrás a tartalomhoz Lépj a menübe
 


A KVARKOK VIÁGA

2015.02.20

Higgs-mechanizmus
Képzeljük el, hogy politikusok koktélpartit tartanak. Egy helyiséget egyenletes elosztásban töltenek ki az emberek és mindenki a szomszédjával beszélget. Egyszer csak az ex-miniszterelnöknő (Margaret Thatcher) belép és keresztülmegy a termen. Akik mellett elhalad, azok késztetést éreznek, hogy köré gyűljenek, de ahogy továbbhalad a miniszterelnöknő, úgy mindenki visszatér korábbi beszélgető partneréhez. Az őt körülvevő állandósult embercsoport miatt folyamatosan nagyobb lesz a tömege, mint normális esetben lenne és nagyobb lendületre van szüksége a sebessége fenntartására. Ha egyszer elindult, nehezebb megállnia, ha megállt, nehezebb újra elindulnia. A példában szereplő politikusok jelképezik a Higgs-mezőt, ami egy olyan tér, ami meghatározza a benne haladó részecskék tömegét azáltal, hogy átmenetileg eltorzul a benne haladó részecske környékén.
A Higgs-bozon vagy Higgs-részecske[1] egy olyan részecske, amelyet a részecskefizika standard modellje jósolt meg. Ez a részecske a közvetítője a Higgs-térnek és ez felelős a többi részecske tömegéért. A Higgs-mező klasszikusan (tehát nem kvantáltan) is felírható a speciális relativitáselméletben, ekkor mint egy négyes skalár mező jelenik meg, és befolyásolja a részecskék nyugalmi tömegét.
Meghatározása[
A Higgs-mechanizmus feltételezi egy olyan négykomponensű függvény (komplex izospin-dublett) létezését, amely hozzáadódik a fermionokat leíró függvényhez, mintha a fermionok ebben a térben mozognának. Az egyébként tömeg nélküli fermionok a Higgs-térrel kölcsönhatásban tömeget nyernek, hasonlóan ahhoz, ahogy egy töltött részecske folyadékban sokkal nehezebben mozog, mint vákuumban, mert az elektrosztatikus vonzás következtében magával kell hurcolnia a környezetében levő, polarizált molekulákat. A Higgs-tér sérti az SU(2)-szimmetriát, és ezzel a szilárdtestfizika kvázi-részecskéihez hasonlóan olyan új részecskéket hoz létre, amelyek közül három elnyeli az elmélet zérus tömegű közvetítőrészecskéit, ezáltal tömeget teremtve nekik és létrehozva a három áhított, nehéz gyenge bozont, a negyedik komponense pedig, melléktermékként, újabb nehéz részecskét hoz létre, a Higgs-bozont.[2] A Higgs-mechanizmust, amely tömeget ad a részecskéknek, eredetileg az elektrogyenge kölcsönhatás elméletének kialakításakor feltételezték annak a magyarázatára, hogy miért van a W- és Z-bozonoknak tömegük. A Higgs-mechanizmus nélkül minden részecske fénysebességgel száguldana és így nem alakulhattak volna ki égitestek. Az elmélet szerint maga a mechanizmus, ami szerint az ősrobbanás első pillanatában keletkezett részecskék a Higgs bozonnal való kölcsönhatásuk következtében tömeget is nyertek az ősrobbanás első másodperce alatt folyt le.[3]

Mivel a Higgs-tér skalártér, a Higgs-bozon spinje nulla.

2012. július 4-én egy konferencián a CERN jelentette, hogy találtak egy részecskét, aminek tömege 125 GeV/c2 (körülbelül 133 proton-tömeg, nagyságrendileg 10-25 kg), ami „nagyjából a Higgs-bozon követelményeinek felel meg”. Az eredmény a CERN két részlegének, az ATLAS és a CMS részlegnek a független munkájából származik. A hírt nagy lelkesedés fogadta, bár a jelentéshez hozzáadták, hogy még egy év munkájára lesz szükség, hogy az új részecske minden tulajdonságát a Higgs-bozontól elvárt tulajdonságokkal egyeztethessék. 2013. március 14-én jelentették be, hogy az eredmények ellenőrzése alapján kijelenthető, a részecske egy Higgs-bozon, de annak pontos eldöntéséhez, hogy ez a feltételezett többféle részecske közül (például a szuperszimmetria szerint öt lehetséges Higgs-bozon esetében) pontosan melyikről van szó, még több évnyi ellenőrzés és új adatok szükségesek. A 2015-ben újrainduló LHC program várhatóan jelentős adatmennyiséggel fogja segíteni ezt a munkát.[4]

Kutatásának története[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]
A 17. században Isaac Newton megalkotta törvényeit, amelyek segítettek megérteni világunkat. A newtoni törvények beváltak naprendszerünk megismerésében. Azonban a tudomány fejlődésével világossá vált, hogy extrém körülmények között nem alkalmas a jelenségek leírására, mint például a fénysebességgel mozgó részecskékre vagy az atomi vagy annál kisebb törvényszerűségek leírására. Albert Einstein relativitáselmélete - amely a fénysebesség sajátosságaival foglalkozott - is felfedte és megoldást keresett ezen problémára. A 1920-as évek közepén Werner Heisenberg kvantummechanikai kutatásaival már szakít az úgynevezett klasszikus fizikával.[5]
A részecskefizika új tudományággá vált, és az új felfedezések hatására leírása egyre bonyolultabb lett. Problémák adódtak a gyors mozgású testekre vonatkozó relativitáselmélet és a kvantummechanika összeegyeztetésével is, amely témában Stephen Hawking kiemelkedő munkásságával jeleskedett. A csillagászat és a fizika fejlődésével olyan problémák merültek fel, mint például 1934-ben Fritz Zwicky svájci asztrofizikus által feltételezett „sötét anyag” szerepe az univerzumban.[6] 1948-ban Richard Feynman kutatásai nyomán jött létre a kvantum-elektrodinamika, amely a mozgásban lévő elemi részecskékkel foglalkozik. E kutatások alapján az 1960-as években az elektrogyenge kölcsönhatást kezdték vizsgálni a természettudósok.[5] 1964-ben megismertük Murray Gell-Mann és George Zweig által az elméletekben felvázolt atomi építőelemeket, a kvarkokat, és a rájuk ható kölcsönhatásokat.

Az elektrogyenge kölcsönhatás legismertebb modellje a Glashow–Weinberg–Salam-modell (GWS-modell), amely a Maxwell által korábban egyesített elektromágnesességre és az úgynevezett gyenge kölcsönhatásra vonatkozó alapjelenségeket tömöríti egyetlen magyarázó elméletbe. 1983-ban megalkották a standard modellt, amely által a fizikusok remélték, hogy egységes és jobban átlátható képbe foglalhatók a kvantummechanika szabályai, amelyet az addigra felfedezett számtalan új részecske és azok között ható kölcsönhatások meglehetősen bonyolulttá tettek. A standard modell számos részletét már sikerült kísérletekkel bizonyítani, de az elmélet kulcsfontosságú része volt a tömegért felelős Z0-bozon meglétének bizonyítása, amely nélkül az elmélet nem működőképes.[5] A Z0-bozont, vagyis Higgs-bozont, amelyet gyakran isteni részecskének is neveznek és amely meglétének jóslatát először Peter Higgs angol fizikus, a skót edinburghi egyetem neves tanára küldte el 1960-ban a Physics Letters tudományos folyóiratnak közleményként, de amint az 1929-es születésű fizikus a CERN 2012. július 4.-i ülése alkalmával elmondja [7], az egyoldalas kéziratot a lap először elutasította és csak második, kiterjedt formájában fogadták el közlés céljából. A bozon elméletet Steven Weinberg dolgozta ki részletesen. A Higgs-bozon létezésének kimutatására a meglevő gyorsítók képességét meghaladó részecskesebességre lett szükség, ami nagyobb teljesítményű részecskegyorsítót jelentett és a CERN 1986-ban vállalkozott egy ilyen ütköztető megépítésére. A neve a hadronoktól nyerve Nagy Hadronütköztető, (angolul Large Hadroncollider, rövidítve LHC) lett. A Nagy Hadronütköztető 2008. szeptember 10-én kezdte működését, az első kísérletek 2009-ben indultak meg.[6]

2011 decemberében több vezető fizikus is úgy nyilatkozott, hogy egy éven belül - tartva a kutatási ütemet - kiderülhet, hogy valóban létezik-e a Higgs-bozon.[8] 2012. július 4-én a CERN bejelentést tett, miszerint találtak egy részecskét, aminek tömege 125 GeV/c2 (körülbelül 133 proton-tömeg, nagyságrendileg 10-25 kg), ez „nagyjából a Higgs-bozon leírásának felel meg”. [9][10][11][12][13]


Leon Lederman részecskefizikus
Az „isteni részecske” elnevezés eredete
Az elnevezés Leon Max Lederman amerikai Nobel-díjas részecskefizikushoz köthető, habár állítólag a tudósnak eredetileg nem állt szándékában ezt a megnevezés adni. 1993-ban egy megjelenésre váró (a részecskefizika történelméről szóló) könyvében „istenverte részecskének” (Goddamn Particle) akarta nevezni a Higgs-bozont, mert senki sem találja. A kiadója azonban úgy gondolta, hogy több példány lenne eladható az „isteni részecske” (The God Particle) elnevezéssel. Így lett aztán a könyv címe: „Az isteni részecske: Ha az univerzum a válasz, akkor mi a kérdés?” (The God Particle: If The Universe Is The Answer, What Is The Question?). A könyv magyarul „Az isteni a-tom” címmel jelent meg.

A fizikusok többsége nem tartja szerencsésnek a marketing szülte elnevezést. Maga Peter Higgs sem kedveli, mert habár ő nem hívő - így vallásilag nem sérti -, de úgy véli, számos embernek visszatetsző ez a megnevezés.[14]

Laikusoknak szóló magyarázat[
1993-ban William Waldegrave tudományokért felelős miniszternek feltűnt, hogy a Higgs-bozon kutatási költsége milyen magas összegeket emészt fel, miközben – számos embertársához hasonlóan – fogalma sincs róla, mi is az a Higgs-bozon vagy Higgs-mechanizmus. Ezért jelképes díjat – egy üveg pezsgőt – ajánlott fel annak a tudósnak, aki a legérthetőbb magyarázatot adja. A nyertes David J. Miller, a londoni egyetem fizikusa lett a következő magyarázattal:[15]


Ez a Higgs-mechanizmus esetén három dimenzióban játszódik le. Feltételezésünk szerint a Higgs-mező kitölti az univerzumot, mert másként nehezen magyarázható, hogy a gyenge kölcsönhatásért felelős W és Z részecskék mitől nehezek, amíg a elektromágneses erők nélkülözik a tömeget.[16]

Higgs-bozon[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]
Vegyük ismét a fenti példában szereplő koktélparti helyszínét, ahol a politikusok arányosan elszórva beszélgetnek a teremben. Ebben az esetben egy pletyka indul el a terem egyik végéből, és az emberek a mellettük lévő politikustárshoz közelebb lépve adják tovább a hírt, így ideiglenes helyi csoportosulás jön létre. Ennek köszönhetően csoportosulás-hullám halad végig az egész termen. A hírhullám haladhat széles szórásban, saroktól sarokig, vagy egy kisebb csoportosulás által egyenes vonalban, egy bizonyos pont felé. E hírközvetítő csoportosulásnak – ami korábban a ex-miniszterelnöknőnek adott tömeget – szintén van tömege. A feltételezések szerint a Higgs-bozon lényegében egy ilyen csoportosulás a Higgs-mezőben.
***
A kémiában az atom a kémiai elemek azon legkisebb részecskéje, ami még őrzi az elem kémiai tulajdonságait. Parányi, gömb alakú, semleges részecske, melyatommagból és elektronburokból áll. Kémiai úton nem bontható fel alkotó elemeire. Ilyen értelemben az atomok a molekulák és az anyag alapvető összetevői.
A modern természettudományok kísérletileg igazolták azt, hogy az anyag ilyen részecskékből áll.
Démokritosz, (ie 460-470) az atomelmélet megalapítója, az atomokat még oszthatatlannak tartotta, de ma már tudjuk, hogy nevükkel ellentétben az atomok maguk sszubatomi részecskékből épülnek fel.
***
Szubatomi részecskének nevezzük az atom összetevőit (nukleonok és elektron), ezek rokonait, a többi hadront és leptont, ezek kisebb összetevőit (kvarkok), a közöttük lévő alapvető kölcsönhatások közvetítő részecskéit, a spontán szimmetriasértésért felelős Higgs-bozont, mindezek antirészecskéit és szuperpartnereit. A nem összetett szubatomi részecskéket elemi részecskéknek nevezzük, nagyon gyakran azonban a laza szóhasználatban az összes szubatomi részecskét így hívjuk.
-***
A részecskefizika standard modellje szerint az elemi részecskék három családba (angol elnevezés szerint generációba) sorolhatóak. A különböző családokban nagyon hasonló tulajdonságú részecskék találhatóak, de a tömegük jelentősen eltérő.

A körülöttünk álló világot döntő részben az u és a d kvark, valamint az elektron (e-) építi fel. A proton például két u és egy d-kvarkból áll, a neutron két d és egy u-kvarkból. Az atommag-átalakulások egy részénél szerepe van még az elektronneutrínónak (νe) is, egy nagyon kismértékben kölcsönható anyagnak is. Ezek alkotják az elemi részecskék első családját.

Habár csak 1963-ban merült fel, hogy a hadronok kvarkokból állnak, és 1970-ben a GIM-mechanizmus kidolgozásakor – ami rámutatott arra, hogy az elektrogyenge elméletet akkor lehet a mértékanomáliától megszabadítani, ha a leptonok és kvarkok száma azonos –, hogy a részecskék családokba sorolhatóak, már jóval korábban ismertek voltak második-harmadik családbeli leptonok illetve olyan részecskék, amelyek második-harmadik családbeli kvarkokat tartalmaznak.

Leptonok
1937-ben Carl David Anderson felfedezte a müont a kozmikus sugárzásban, a tömege 200-szorosa az elektronénak, más szempontokból viszont (töltése) hasonlított rá. Ez volt az elsőnek felfedezett részecske a második családból, egy lepton. 1962-ben a Lederman által vezetett kétneutrínó-kísérletben derült ki, hogy nem egyféle neutrínó létezik, hanem egy olyan, ami az elektronhoz, és egy olyan, amely a müonhoz társítható. A legnehezebb leptont, a tau-leptont csak 1975-ben fedezte fel Perl.

Hadronok
A második és harmadik részecskecsaládhoz tartozó kvarkok létrejöttéhez nagyobb energiára van szükség, mint az elsőhöz tartozók esetében, ezért sokáig nem találtak ilyeneket tartalmazó részecskéket. A legkisebb tömegű kvark a két családban az s-kvark (strange quark, strange = ritka), az első ilyen kvarkot tartalmazó részecskét, a kaonokat 1947-ben fedezték fel. A táblázat csak 1995-ben lett teljes a legnehezebb kvark a t-kvark (top quark) felfedezésével.

Szabad kvarkok az ősidőben és most[
A világegyetem ősrobbanás utáni korai forró időszakában viszont sok második és harmadik generációs kvark volt, de a világegyetem tágulásával és hűlésével egyre kisebb energia jutott egy részecskére, így azok elbomlottak kisebb tömegű részecskékre. Ezen korai fázisban a kvarkok és gluonok forró plazmát alkottak, a kvark-gluon plazmát, majd a tágulás és lehűlés közben fázisátalakulás révén kialakultak a hadronok, azaz a kvarkokat az erős kölcsönhatás „börtönbe zárta”. Jelenleg nagy gyorsítókkal vizsgálják az elmélet helyességét, a kvark-gluon plazma nagyenergiájú részecskegyorsítókban való kialakulásának körülményeit és tulajdonságait.

Hány részecskecsalád van?
Az egymást követő családokat egyre később találták meg, mivel azok egyre nagyobb tömegű részecskéket tartalmaznak, amelyek előállításához egyre nagyobb energiára kell a részecskéket gyorsítani. Felmerül a kérdés, hogy nincs-e még nehezebb elemekből álló negyedik generáció. Két független mérés azt mutatja viszont, hogy pontosan három részecskecsalád létezik. A modern elméleti részecskefizika egyik nagy nyitott kérdése, hogy miért pont három család van, és miért vannak egyáltalán családok.

Z-szélességből

A CERN nagy elektron-pozitron gyorsítógyűrűjének, a LEP-nek méréseinek első időszakában a Z-bozon bomlását vizsgálták. Az annál gyorsabban bomlik el, mennél többféle lehetősége van. Mennél többféle neutrínó létezik, annál többféle módon bomolhat, annál gyorsabban bomlik. A LEP méréseiben az összeütköző elektronok és pozitronok energiája eleinte a Z-bozon nyugalmi tömegének megfelelő energia környékén voltak: a határozatlansági reláció miatt már akkor is létrejöhet a Z-bozon, amikor az összenergia még kisebb, mint a Z-bozon tömegnek megfelelő. Az energia növelésével a Z-bozon létrejötte, és ezzel együtt a kölcsönhatás valószínűsége (hatáskeresztmetszete) is megnövekszik, majd a Z-bozon tömegét elhagyva ismét csökken. Ennek a görbének a félértékszélessége függ a Z-bozon élettartamától. A félértékszélességből kiszámítható a létező (könnyű)neutrínók száma. Ha a negyedik generáció neutrínója jelentősen nehezebb lenne a Z-bozonnál, akkor a mérés hamis eredménnyel szolgálna, erre azonban a három család neutrínóinak rendkívül kicsi tömege alapján kicsi az esély. A LEP a működése során rengeteg Z-bomlást vizsgált, amelyből a standard modell alapján végzett számításokból a könnyű neutrínók számára N=2,994±0,012 értéket kaptak.

Hidrogén–hélium-arányból

A CERN-es méréstől függetlenül a világegyetem anyagösszetételéből is kiszámítható a részecskecsaládok száma. Kezdetben ugyanis a protonok és neutronok száma megegyező. Meddig van ez így? A tömegkülönbségüknek megfelelő energia 1,293 MeV. Ha ennél jóval nagyobb a részecskék egy szabadsági fokra jutó energiája, akkor a leptonokkal ütközve mindkét irányú átalakulás előfordul. A Maxwell-Boltzmann-eloszlásból kiszámítható, hogy 100 MeV → 1012 K esetén még lényegében 1 az arány, a hőmérséklet csökkenésével viszont egyre nagyobb lesz a proton/neutron arány, viszont elkezdődik a könnyű atommagok képződése, melyben a neutronok már nem bomlanak. Az, hogy ez a lehűlés milyen gyorsan megy végbe, és ezáltal a neutronok mekkora része tud elbomlani, függ attól, hányféle lepton van. A világegyetem anyagösszetétele megfigyelhető: a proton/neutron arány 87/13, amelyből levezethető, hogy háromféle leptoncsalád, és ezáltal háromféle részecskecsalád van.

 


A kvarkok azok az elemi részecskék, amelyekből a mezonok és a barionok (például a proton és a neutron) felépülnek. A spinjük 1/2 \hbar, tehát fermionok. A kvarkok részt vesznek mind az erős, mind az elektromágneses, mind a gyenge kölcsönhatásban. Az erős kölcsönhatáshoz azonban szorosabb kapcsolat is fűzi őket, az ő mértékszabadságuk határozza meg az erős kölcsönhatás mértékelméletét, a kvantumszíndinamikát.

A kvarkok színe[

Az erős kölcsönhatás az úgynevezett színtöltéshez kapcsolódik. 1964-ben Oscar Wallace Greenberg feltette, hogy a kvarkoknak van még egy SU(3)-szimmetriához kapcsolódó töltése, amelyet ma színtöltésnek hívunk. A nevét azon analógia alapján kapta, hogy a hétköznapi értelemben vett színek 3 alapszínből kikeverhetők és ezért hasonlítanak egy SU(3)-transzformáció állapotaihoz. Az analógia azonban csak külsődleges. A színhez kapcsolódó színhullámfüggvényről feltéve, hogy az mindig szingulett, azaz antiszimmetrikus, sikerült megoldani a bariondekuplett Pauli-elvet sértő tulajdonságát, hiszen az eddig teljesen szimmetrikus hullámfüggvényhez hozzáadva az új antiszimmetrikus részt, az új teljes hullámfüggvény immár antiszimmetrikus lett.[1]

Kvarkbezárás és aszimptotikus szabadság

Szabad kvarkokat nem sikerült kísérletileg megfigyelni, csak több kvark olyan kötött állapotát, amelyek színsemlegesek. Ilyenek például a három szín mindegyikét tartalmazó barionok, egy színt és egy antiszínt tartalmazó mezonok és a három antiszínt tartalmazó antibarionok. Ezt a jelenséget kvarkbezárásnak – vagy inkább színbezárásnak, mert a gluonokra is vonatkozik – nevezzük. Egzakt magyarázatot nem sikerült még találni rá, bár az erős kölcsönhatás nagyon erős csatolási állandójával és a közvetítő (szín)mező részecskéinek a gluonoknak az önkölcsönhatásával lehet magyarázni.

A két kvark közötti erős kölcsönhatás, szemben az elektromágnesessel, nem csökken akkor, ha növekszik a két kvark távolsága. Ezért ha két kvark nagy sebességgel távolodik egymástól, akkor energia szempontjából kedvezőbb, ha két újabb kvark (egy kvark és egy antikvark) keletkezik és megosztják a két eredeti kvark közötti erőteret. Ezt nevezzük hadronizációnak. A gyorsítókban szétrepülő kvarkok úgynevezett jeteket (ejtsd: dzset, angolból) hoznak létre: több tíz nagyjából egy irányba mozgó hadront.

Az erős csatolási állandó energiafüggő, a növekvő energiával – azaz csökkenő távolsággal – csökken az értéke, azaz az erős kölcsönhatás erőssége, ami az aszimptotikus szabadság jelenségéhez vezet. Ez egyrészt a nagy energiájú szórásfolyamatokban lehetővé teszi a kvantum-színdinamika perturbatív számítását. Másrészt a kötött állapotok belsejében - ahol a kis távolságok miatt nagy impulzusátadások a jellemzők - a kötött állapotot összetevő kvarkok és gluonok lényegében szabadon, azaz kölcsönhatásmentesen mozognak. Ez lehetővé teszi a szórásfolyamatokban a nagy energiájú szórás leválasztását a kis energiájú hadronizáció folyamatáról.

Nagy energiájú mag-mag ütközésekben, és az időben visszamenve az ősrobbanás felé pedig várható a kis helyre préselt hadronok kvarkanyaggá vagy kvark-gluon plazmává alakulása, ahol a kvarkok és gluonok elhagyják eredeti hadronbölcsőjüket és szabadon vándorolnak az egész plazmában. Az égitestek fejlődése során a neutroncsillag állapot után az elméletek szerint ilyen anyagból álló kvarkcsillag állapotba zuhanhatnak össze az elég nagy tömegű csillagok.

A kvarkok kötött állapotai 

A neutron kvarkszerkezete. Három különböző színű kvarkot (piros-zöld-kék) tartalmaz, ezek közül egy u és két d-kvarkot

A pozitív pion (π+) kvarkszerkezete:

 Egy kék u-kvarkot és egy anti-kék anti-d-kvarkot tartalmaz
Searchtool right.svg     Bővebben: Kvarkmodell
A kvarkok kötött állapotait hadronoknak is nevezzük. A szó jelentése a görög nyelvben: nehéz. Kétféle hadron van: barion és mezon. A szín szempontjából minden hadron semleges.

A barionok 
Három kvark alkotja a szokásos barionokat (három antikvark az antibarionokat), ahol a három kvarknak három különböző színe van. A közismert proton összetétele uud, a neutroné udd. Minden barion fermion. A barionokat további két csoportba soroljuk, ezek a nukleonok és hiperonok. A nukleonok az atommag alkotórészei, a proton ill. a neutron. A hiperonok közé tartozik - többek között - a lambda- és a kszí-hiperon. A "hiperon" név a nagy tömegükre utal.

Van egy csak a barionok esetén nem nulla megmaradó mennyiség, a barionszám vagy bariontöltés. A barionok barionszáma +1, az antibarionoké -1. A barionszám-megmaradás miatt barionok csak antibarionokkal együtt, párban keletkezhetnek. Ez a tapasztalat vezetett a barionszám-megmaradás felismeréséhez az 1950-es években.

A mezonok[szerkesztés Egy kvark és egy antikvark alkotja a szokásos mezonokat. Ilyenek például a pionok. A π+ például egy u és egy anti-d kvarkból áll. Egy színt és a neki megfelelő antiszínt hordoznak. Minden mezon bozon. A mezonok barionszáma nulla, ezért ők nem csak párban keletkezhetnek.

A kvarkok tömege

A kvarkok tömegéről szokás sokszor ugyanúgy beszélni, mint más részecskék tömegéről, a tömeg fogalma a kvarkok esetén azonban mégis bonyolultabb, mivel a kvarkok nem figyelhetők meg szabadon. Ezért a kvarktömeg fogalma egy elméleti konstrukció, és mindig meg kell mondanunk, hogy adott esetben hogyan definiáljuk.


Nehézkvark-tömegek
A nehéz c és b kvarkok tömegét egy nehéz kvarkot (és egy könnyű antikvarkot vagy két könnyű kvarkot) tartalmazó hadronok tömegéből és a kvarkóniumok vizsgálatából kaphatjuk meg. Rács-QCD számítások ezen kvarktömegek meghatározására a nehézkvark effektív elméletet (HQET) vagy a nemrelativisztikus kvantumszíndinamikát (NRQCD) használják

A t (top) kvark elég nehéz ahhoz, hogy a perturbatív QCD-t használhassuk tömege meghatározásához. 1995-ös felfedezése előtt a top kvark tömegére a legjobb elméleti becsléseket a standard modell precíziós tesztjeinek globális analízise adta. A top kvark azonban egyedülálló abban az értelemben, hogy elbomlik, mielőtt hadronizálódhatna, így tömege közvetlenül mérhető a bomlástermékekből.

Története[
Az 1950-es években egymástól függetlenül Murray Gell-Mann és Nisidzsima Kazuhiko osztályozták a hadronokat elektromos töltésük, barionszámuk, izospinjük és ritkaságuk alapján, felismerve a Gell-Mann–Nisidzsima-összefüggést az említett kvantumszámok között. 1961-ben Gell-Mann és Júvál Neemán SU(3)-multiplettekbe (oktettekbe és dekuplettekbe) sorolta a hadronokat. 1964-ben azután Gell-Mann és George Zweig bevezették a kvarkokat, mint elemi építőköveket, amelyekkel (eredetileg hárommal) fel tudták építeni az összes ismert hadront, sőt a dekuplettből hiányzó Ω− hiperont és tulajdonságait is megjósolták, amit még abban az évben felfedeztek. A kvarkmodell egy globális íz-SU(3) szimmetria, ami része a QCD közelítő királis szimmetriájának.

Nagyenergiájú hadronreakciók tulajdonságainak vizsgálata arra vezette Richard Feynmant, hogy posztulálja a hadronok szubstruktúráit, amiket ő partonoknak nevezett. A mélyen rugalmatlan szórások hatáskeresztmetszetének skálázását, ami az áramalgebrából származtatható, James Bjorken a partonok segítségével magyarázta meg. Amikor a Bjorken-skálázást egy 1969-es kísérlet igazolta, akkor felismerték, hogy a kvarkok és a partonok ugyanazok az objektumok lehetnek. A kapcsolatot a QCD aszimptotikus szabadságának bizonyítása (1973: David Gross, Frank Wilczek és David Politzer) erősítette meg. A proton szerkezetének (struktúrafüggvényeinek) későbbi kísérleti vizsgálata kimutatta, hogy a proton impulzusának csak mintegy felét viszi a kvarkmodellből ismert három összetevő kvark (uud), a többit egyéb objektumok. Ezt a három kvarkot – általában is hadronok esetén a kvarkmodell által megadott kvarkokat – vegyértékkvarkoknak nevezzük, a többi alkotórészt pedig virtuális gluonokkal és kvark-antikvark párokkal sikerült azonosítani, amiket együtt tenger-nek nevezünk, a benne levő kvarkokat pedig tengerkvark-oknak.

A c kvarkot ("bájos kvark") 1973-ban Sheldon Glashow, Iliopoulos és Maiani posztulálta, hogy megelőzze a standard modell nemfizikai ízváltásait a gyenge bomlásokban. A J/ψ-mezon (két csoport által, az egyik az egyik, a másik a másik nevet adta, végül egyesítették a két nevet) 1975-ös felfedezése után felismerték, hogy ez egy c kvarkból és antikvarkból áll.

A kvarkok harmadik generációját Kobayashi és Maskawa jósolta meg, miután felismerték, hogy a megfigyelt CP-sértés nem integrálható bele a standard modellbe, ha csak két generáció létezik. A bottom (b) kvarkot 1977-ben, a top (t) kvarkot 1996-ban fedezték fel a Fermilabban, az utóbbit a Tevatronnal.

A kvark-gluon plazma (quark-gluon plasma, QGP) a kvantum-színdinamika egyik fázisa, ami igen magas hőmérsékleten, és/vagy igen nagy sűrűség esetén jön létre. Az anyagnak ez a fázisa (halmazállapota) gluonokból és (csaknem teljesen) szabad kvarkokból áll, és az anyag teljes, alapvető részecskéire való bomlását jelenti.

A CERN az 1980-as évek közepén kezdett kísérletezni szuper protonszinkotronjában (SPS) egy QGP létrehozásával. A munkát folytatta az 1990-es években is, majd az ezredforduló évében nyilvánosságra hozta, hogy sikerült létrehoznia az anyagnak egy új halmazállapotát.

Jelenleg az amerikai Brookhaveni Nemzeti Laboratórium (BNL) Relativisztikus nehézion-ütköztetője folytatja a kísérleteket, de a munka három kísérlettel a CERN-nél is folytatódik.

Általában azt az állapotot nevezzük plazmának amelyben az egyéni részecskék elektrosztatikus töltését a többi jelenlevő töltés ernyőzi. Így Coulomb törvénye módosul, vagyis a töltés nagysága itt nem állandó, hanem az a többi töltés távolságától függ.

Az OGP-ben a kvarkok szín-töltése ugyancsak ernyőződik. Az azelőtt jól ismert plazma állapottal való hasonlatosság nemcsak ez, de különbség is van: míg a jól ismert plazmában a töltés abelian, a szín-töltés nem Abel-csoport.

Kvark-gluon plazma gerjesztése laborban[
QGP képződik amikor két atommagnyalábot (175 MeV (Millió elektronVolt) BNL aranyenergiával) igen magas hőmérsékletre hevítve ütköztetünk. CERN ólmot, BNL aranyat használt erre a célra. A nyalábok nagy része átcsapódik egymáson, de az ütközés helyén egy izzó tűzgolyó, fireball létesül, amit saját nyomása felfúj, majd kiterjedés közben lehűl. Ennek a tűzgolyónak a tanulmányozása az elmélet próbája.

Hogyan illesztődik mindez a fizika többi törvényeihez?[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]
A QCD a részecskefizika Standard modell elméletének egy része. Az elmélet többi részei az elektrogyenge kölcsönhatással és a neutrínóval foglalkoznak.

Az elektrodinamika elméletét kísérletileg, próbával (test) már néhány billiónyi (= amerikai trillió) pontossággal bizonyították, míg a gyenge kölcsönhatás elmélete néhány ezred pontossággal lett bizonyítva. Perturbáció számítások a QCD kísérletek eredményeivel néhány %-ra egyeznek, de nem-perturbatív szempontból még alig lett érintve.

A QGP alkotórésze a részecskefizikának, de hozzátartozik a véges hőmérséklet térelmélet, finite temperature field theory kísérleti bizonyításának feladata is. Ez a fizikának az a része ami az anyag igen magas hőmérsékletű állapotával foglalkozik, ahonnan a világegyetem egy mikromásodperccel ősrobbanás utáni állapotával kapcsolatos kérdésekre várunk választ.

A kvark-gluon plazma várt tulajdonságai

Termodinamika[
A fázisátmenet 175 MeV energia körül történik, ami kb. 1 GeV/fm2 energiasűrűségnek felel meg. Az állapotegyenlet a nyomás és a hőmérséklet függvénye, amit rácsszámításokból állapítottak meg, de aminek eredményeit perturbáció (zavar) számításokkal is, meg a húrelmélet tételeivel is egyeztettek. Az összefüggés még jelenleg is tanulmány tárgya egyéb termodinamikai változókkal egyetemben.

Folyás
A folyással kapcsolatos számításokhoz az állapotegyenlet ismerete fontos. Az eddigi számítások azt mutatják, hogy a plazma folyadékként viselkedik. Ez a nézet azonban változhat.

Kvarkok színe
 
A kvarkok nem létezhetnek szabadon. Mindegyik kvark előfordulhat háromféle színben. Az erős kölcsönhatás az úgynevezett szín-töltésre hat. Ne gondoljuk, hogy a kvarkoknak tényleges színük van, az elnevezés egy hasonlóságon alapul. A kvarkszíneket a három alapszínről vörösnek, zöldnek és kéknek nevezték el, amelyeket a színek angol nevének rövidítése után r, g és b betűvel rövidítenek. A kvarkok kis energián csak olyan kötött állapotban létezhetnek, amelyek színsemlegesek. Ilyenek például
a három szín mindegyikét tartalmazó barionok,
egy színt és egy antiszínt tartalmazó mezonok és
a három antiszínt tartalmazó antibarionok.
Az erős kölcsönhatás, szemben az elektromágnesessel, annál erősebb, minél távolabb van egymástól két kvark. Ezért ha két kvark nagy sebességgel távolodik egymástól, akkor energia szempontjából kedvezőbb, ha két újabb kvark (egy kvark és egy anti-kvark) keletkezik. Ezt nevezzük hadronizációnak. A gyorsítókban szétrepülő kvarkok úgynevezett jeteket (ejtsd: dzset, angolból) hoznak létre: több tíz, nagyjából egyirányba mozgó hadront.
 
A kvarkok kötött állapotait hadronoknak is nevezzük. A szó jelentése a görög nyelvben: nehéz. Kétféle hadron van: barion és mezon. A szín szempontjából minden hadron semleges.
 
A barionok (fermionok)
 
Három kvark alkotja a szokásos barionokat (három antikvark az antibarionokat), ahol a három kvarknak három különböző színe van. A közismert proton összetétele uud, a neutroné udd. Minden barion fermion. A barionokat további két csoportba soroljuk, ezek a nukleonok és hiperonok. A nukleonok az atommag alkotórészei, a proton ill. a neutron. A hiperonok közé tartozik - többek között - a lambda- és a kszí-hiperon. A "hiperon" név a nagy tömegükre utal. Van egy csak a barionok esetén nem nulla megmaradó mennyiség, a barionszám vagy bariontöltés. A barionok barionszáma +1, az antibarionoké -1. A barionszám-megmaradás miatt barionok csak antibarionokkal együtt, párban keletkezhetnek. Ez a tapasztalat vezetett a barionszám-megmaradás felismeréséhez az 1950-es években.
 
 
A proton kvarkszerkezete
Három különböző színű kvarkot (piros-zöld-kék) tartalmaz,
ezek közül két u és egy d-kvarkot
 
 
 
A neutron kvarkszerkezete.
Három különböző színű kvarkot (piros-zöld-kék) tartalmaz,
ezek közül egy u és két d-kvarkot
 
A mezonok
 
 Egy kvark és egy antikvark alkotja a szokásos mezonokat. Ilyenek például a pionok. A π+ például egy u és egy anti-d kvarkból áll. Egy színt és a neki megfelelő antiszínt hordoznak. Minden mezon bozon. A mezonok barionszáma nulla, ezért ők nem csak párban keletkezhetnek.
A pozitív pion (π+) kvarkszerkezete:
Egy kék u-kvarkot és egy anti-kék anti-d-kvarkot tartalmaz
 
 
 
Szabad kvarkok
 
Szabad kvarkokat nem sikerült kísérletileg megfigyelni. Ezt a jelenséget kvarkbezárásnak, -- vagy inkább színbezárásnak, mert a gluonokra is vonatkozik -- nevezzük, és egzakt magyarázatot nem sikerült még találni rá, bár az erős kölcsönhatás nagyon erős csatolási állandójával és a közvetítő (szín)mező részecskéinek a gluonoknak az önkölcsönhatásával lehet magyarázni. Az erős csatolási állandó energiafüggő, a növekvő energiával csökken az értéke, azaz az erős kölcsönhatás erőssége, ami az aszimptotikus szabadság jelenségéhez vezet. Ez egyrészt a nagy energiájú szórásfolyamatokban lehetővé teszi a kvantum-színdinamika perturbatív számítását. Másrészt a kötött állapotok belsejében - ahol a kis távolságok miatt nagy impulzusátadások a jellemzők - a kötött állapotot összetevő kvarkok és gluonok lényegében szabadon, azaz kölcsönhatásmentesen mozognak. Ez lehetővé teszi a szórásfolyamatokban a nagy energiájú szórás leválasztását a kis energiájú hadronizáció folyamatáról. Nagy energiájú mag-mag ütközésekben, és az időben visszamenve az ősrobbanás felé pedig várható a kis helyre préselt hadronok kvarkanyaggá vagy kvark-gluon plazmává alakulása, ahol a kvarkok és gluonok elhagyják eredeti hadronbölcsőjüket és szabadon vándorolnak az egész plazmában. Az égitestek fejlődése során a neutroncsillag állapot után az elméletek szerint ilyen anyagból álló kvarkcsillag állapotba zuhanhatnak össze az elég nagy tömegű csillagok.
 
 
Kvark tömege
A kvarkok tömegéről szokás sokszor ugyanúgy beszélni, mint más részecskék tömegéről, a tömeg fogalma a kvarkok esetén azonban mégis bonyolultabb, mivel a kvarkok nem figyelhetők meg szabadon. Ezért a kvarktömeg fogalma egy elméleti konstrukció, és mindig meg kell mondanunk, hogy adott esetben hogyan definiáljuk.
 
Áramkvark-tömegek. A QCD közelítő királis szimmetriája lehetővé teszi, hogy királis perturbációszámítással a pszeudoskalár mezonoktett tömegkombinációiból meghatározzuk a különféle (u, d és s) kvarktömegek arányait:
                     \frac{m_u}{m_d}=0.56   és      \qquad\frac{m_s}{m_d}=20.1.
A tény, miszerint mu  ≠  0 nagyon fontos, mivel nem lenne erős CP-probléma eltűnő mu esetén. Az abszolút tömegeket jelenleg QCD összegszabályokkal (másképpen spektrálfüggvény összegszabályokkal) és rács QCD számításokkal lehet meghatározni. Az így meghatározott kvarktömegeket áramkvark-tömegeknek hívjuk. A különböző áramakvark-tömeg definíciók közötti kapcsolat megértéséhez szükség van a renormálás teljes eszközrendszerére.
 
Összetevőkvark-tömegek. 
Egy másik, régebbi módszer a kvarktömegek definiálására a kvarkmodell Gell-Mann-Nishijima tömegképletének a használata, ami a hadrontömegeket a kvarktömegek segítségével adja meg. Az így meghatározott tömegeket összetevőkvark-tömegeknek nevezzük, amik jelentősen különböznek a fent definiált áramkvark-tömegektől. Az összetevőtömegeknek nincs semmilyen további dinamikai jelentése.
 
Nehézkvark-tömegek. A nehéz c és b kvarkok tömegét egy nehéz kvarkot (és egy könnyű antikvarkot vagy két könnyű kvarkot) tartalmazó hadronok tömegéből és a kvarkóniumok vizsgálatából kaphatjuk meg. Rács-QCD számítások ezen kvarktömegek meghatározására a nehézkvark effektív elméletet (HQET) vagy a nemrelativisztikus kvantumszíndinamikát (NRQCD) használják A t (top) kvark elég nehéz ahhoz, hogy a perturbatív QCD-t használhassuk tömege meghatározásához. 1995-ös felfedezése előtt a top kvark tömegére a legjobb elméleti becsléseket a standard modell precíziós tesztjeinek globális analízise adta. A top kvark azonban egyedülálló abban az értelemben, hogy elbomlik, mielőtt hadronizálódhatna, így tömege közvetlenül mérhető a bomlástermékekből.
 A részecskefizika a fizika egyik ága, amely az anyag elemi összetevőit, sugárzást és azok kölcsönhatásait vizsgálja. Nagyenergiájú fizikának is hívják, mivel sok elemi részecske nem fordul elő normális körülmények között a természetben, hanem más részecskék nagy energiájú ütközései során kell őket kelteni, ahogy az a részecskegyorsítókban történik.

z anyag legkisebb összetevői
Az atommagot alkotó proton és a neutron nem elemi részecskék, hanem még kisebb részecskékből állnak. Ezek a kvarkok. Ezen kívül elemi részecskék még a leptonok, amelyek közé az elektron és a neutrínók is tartoznak. Az összes anyag kvarkokból és leptonokból áll, közöttük négyféle kölcsönhatás léphet fel, melyeket szintén részecskék közvetítenek.

Az elemi részecskék családjai
A körülöttünk álló világot döntő részben az u és a d kvark, valamint az elektron (e-) építi fel. A proton például két u és egy d kvarkból áll, a neutron két d és egy u kvarkból. Az atommag-átalakulások egy részénél szerepe van még az elektronneutrínónak (νe) is, egy nagyon kismértékben kölcsönható anyagnak is. Ezek alkotják az elemi részecskék első családját.
Összesen három ilyen család létezik, de a másik kettő részecskecsaládhoz tartozó kvarkok létrejöttéhez nagyobb energiára van szükség. A világegyetem Ősrobbanás utáni korai forró időszakában sok második és harmadik családbeli kvark volt, de a világegyetem tágulásával és hűlésével egyre kisebb energia jutott egy részecskére, így azok elbomlottak kisebb tömegű részecskékre. Ezen korai fázisban a kvarkok és gluonok forró plazmát alkottak, majd a tágulás és lehűlés közben fázisátalakulás révén kialakultak a hadronok, azaz a kvarkokat az erős kölcsönhatás „börtönbe zárta”. Jelenleg nagy gyorsítókkal vizsgálják az elmélet helyességét, a kvark-gluon plazma nagyenergiájú részecskegyorsítókban való kialakulásának körülményeit és tulajdonságait.

Minden részecskének (az összes leptonnak, kvarknak és a kvarkokból felépülő részecskéknek) van olyan párja, amelynek az összes töltésjellegű kvantumszáma (például elektromos töltése, barionszáma és leptonszáma) ellentétes, de a tömege azonos a részecskéével. Ezeket hívjuk antirészecskéknek. Az elektron anti-párja a pozitron. Vannak olyan részecskék is, amiknek a sajátmaguk antirészecskéi (például foton, Z-bozon, semleges mezonok egy része), ezeket valódi semleges részecskéknek hívjuk.

A kvarkok és kötött állapotaik
A kvarkokat csak kötött állapotaikban, a hadronok belsejében, közvetve figyelhetjük meg. Kétféle hadron létezik:

három kvark alkotja a legegyszerűbb barionokat (három antikvark az antibarionokat),
egy kvark és egy antikvark alkotja a legegyszerűbb mezonokat.
Barion például a proton és a neutron, mezon például a pion.

A bozonok és a fermionok[
A részecskéket spinjük (saját impulzusmomentumuk) alapján két lényegesen különböző tulajdonságú csoportba sorolhatjuk.

Az egyik csoport az egész spinű bozonoké (például mezonok, kölcsönhatást közvetítő részecskék).
A másik csoport a félegész spinű fermionoké (például kvarkok, leptonok, barionok). Mivel a barionszám és a leptonszám megmaradó mennyiség, ezért csak antirészecskéjükkel együtt keletkezhetnek. Fermionokra érvényes a Pauli-elv.

Az ötlet, miszerint az anyag elemi alkotórészekből tevődik össze, legalább az i. e. 6. századig megy vissza. Az atomizmus filozófiai tanát ókori görög filozófusok hirdették, mint Leukipposz, Démokritosz és Epikurosz. Bár Newton a 17. században arra gondolt, hogy az anyag apró részecskékből áll, csak Dalton jelentette ki formálisan 1802-ben, hogy minden anyagot apró atomok építenek fel.

Mengyelejev periódusos rendszere 1869-ben segített megszilárdítani ezt a 19. század során elterjedt nézetet. J.J. Thomson munkássága az 1897-ben megalapozta azt a nézetet, hogy az atomok nem oszthatatlan elemi részek, hanem könnyű elektronokból és egyéb nehezebb alkotórészekből állnak. Thomson atommodellje szerint az apró elektronok úgy ülnek egy nagy tömegű és kiterjedésű masszában, mint szilvadarabok egy nagy pudingban. Rutherford kísérlete 1911-ben azonban kimutatta, hogy az atom tömegének nagy része egy nagyon kicsi atommagba koncentrálódik. Eleinte úgy gondolták, hogy az atommag nagy tömegű protonokból és a magba zárt elektronokból áll. Ez magyarázta volna a rendszám eltérését a tömegszámtól. Később azonban úgy gondolták, hogy a protonok mellett a hozzájuk hasonlóan nagy tömegű semleges neutronok találhatók a magban, amiket Chadwick 1932-ben fedezett fel.

A 20. század korai szakaszának magfizikai és kvantumelméleti felfedezései a maghasadás (1939, Lise Meitner és Otto Hahn) és a magfúzió (1939, Hans Albrecht Bethe) felfedezésében csúcsosodtak ki. Ezek a felfedezések lehetővé tették atomok másféle atomokká való alakítását, köztük az alkimisták régi nagy álmát, az ólom arannyá változtatását.

Az 1950-es és 1960-as években azután zavarbaejtően sokféle részecskét fedeztek fel különböző kísérletekben. Az 1970-es években azután a standard modellnek meglehetősen kis számú alapvető részecskéből sikerült felépítenie a már ismert sok részecskét.

Ahogy a részecskefizika haladt lefelé a részecskék létezésének szintjein, egyre újabb és újabb tudományágak születtek és váltak ki belőle. Ilyenek többek között az atomok elektronhéjaival foglalkozó atomfizika, az atomok egymással létesített kötött állapotaival, a molekulákkal foglalkozó molekulafizika, az atommagok szerkezetével és átalakulásaival foglalkozó atommagfizika.

A részecskefizika standard 
Az elemi részecskék fizikájának jelenlegi legjobb leírását a részecskefizika standard modellje nyújtja. Ezek szerint az alapvető kölcsönhatásokat (erős, elektromágneses és gyenge; a gravitáció nincs a modellben) bozonok közvetítik, az úgynevezett „mértékbozonok”: foton, W-, W+, Z bozonok és a 8-féle gluon. Ezen kívül 12 alapvető ún. anyagi részecske (az antirészecskék és a kvarkok színeinek figyelembevétele nélkül), építi fel az anyagot. Végül az elmélet jósol egy még fel nem fedezett részecskét, a Higgs-bozont, ami tömeget ad a modell többi részecskéjének.

A kölcsönhatások elmélete bizonyos lokális szimmetriatulajdonságokból vezethető le: az ilyen elméleteket mértékelméleteknek nevezzük.

Az elmélet korlátainak kiküszöbölésére alkották meg többek között az alábbi elméleteket:

a szuperszimmetriát (SUSY), mellyel többek között lehetővé válik a három kölcsönhatás egyesítése.
a húrelméletet, mely az egyik kísérlet arra, hogy a gravitációt is belefoglalhassuk az elméletbe.
A tér kiterjesztése új dimenziókkal[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]
A kísérleti adatokkal való egyezés keresése sok új ötlettel ajándékozta meg a részecskefizikát. Az egyik ilyen gyümölcsöző irány az általunk tapasztalatból ismert háromdimenziós tér egyeséges keretben való tárgyalása a tőle függetlennek látszó idővel, illetve új – nem szokványos, hanem kompakt – térdimenziók hozzáadása a fizikai leíráshoz. Az ilyen kiterjesztések általában új típusú részecskék megjelenésével járnak az elméleti jóslatokban.

Relativitáselmélet
A speciális relativitáselmélet a Lorentz-transzformációval kapcsolatot teremtett a „hétköznapi” euklideszi hármastér és az idő között, egyben kimondva, hogy a transzformáció szimmetriája a természetnek. A felépített új ún. négyestér (vagy téridő) matematikai leírására a keretet a Minkowski-tér biztosítja. Az idődimenzió nem lett teljesen ekvivalens a térdimenziókkal, például az idő továbbra sem tud visszafelé folyni, és a kauzalitás, a dolgok egymásutánisága sem sérülhet.

Az elméletet a kvantumechanikában érvényesítve megjósolta az antirészecskék létezését, amelyek későbbi felfedezése az elmélet nagyszerű bizonyítéka.

Szuperszimmetria
A szuperszimmetria elmélete a négyes téridőt szupertérré bővíti, ami ötödik és további dimenziókként nem a négyesteret leíró valós számot, hanem Grassmann-számokat ad hozzá a leíráshoz. A szuperszimmetria az így kiterjesztett téren lehetséges transzfromációkkal szembeni szimmetriát jelenti. Jóslata szerint minden általunk ismert részecskének létezik egy – nyilván kis tömegű, mivel eddig még nem fedeztük fel őket – ún. szuperpartnere. A fermionok szuperpartnere bozon és megfordítva. A szuperszimmetrikus modellek a standard modell sok problémáját képesek megoldani, a részecskefizika egyik mai legfontosabb feladata a szuperszimmetria igazolása avagy kizárása.

Kísérleti részecskefizika
A kísérleti részecskefizika legfontosabb eszközei a gyorsítók és a detektorok. A részecskegyorsítókban a töltött részecskéknek feszültség hatására nagy mozgási energiára tesznek szert. A detektorokban az ütközések során, a világűrben stb. keletkező részecskék tulajdonságait (helyét, energiáját, lendületét, sebességét) mérik.

Ion Collider, amely nehézionokat (például aranyionokat) valamint protonokat ütköztet. Ez az első nehézion ütköztető.

Egyéb kutatóhelyek
Vannak olyan kísérleti részecskefizikai kutatóhelyek is, ahol nem részecskegyorsítókat alkalmaznak.

Egyik fajtájukban a földfelszínen vizsgálják a kozmikus sugárzást, amelyben a gyorsítókban jelenleg előállíthatónál nagyobb energiájú részecskék is előfordulnak, de ritkán és szabályozhatatlanul.
A másik fajtájukban a detektorokat mélyen a föld alá, többnyire mély bányákba, telepítik, hogy a Napból és más kozmikus sugárzásból származó töltött részecskék, illetve gammasugárzás háttérzaját elnyomják. Ilyen kísérleti berendezéseket használnak a protonbomlás vizsgálatában és a kozmikus- és napneutrínók megfigyelésére. Ezek közül például a Gran Sasso Nemzeti Laboratóriumban tervezik, hogy a CERN-ből ideirányított neutrínónyalábot vizsgálják majd. (Neutrínó kísérletek)
Obszervatórium    ország    cél
Super-Kamiokande    Japán    neutrínó detektálás, protonbomlás
Sudbury Neutrínó Obszervatórium    Kanada    neutrínó detektálás
Gran Sasso Nemzeti Laboratórium    Olaszország    neutrínó, sötét anyag keresés

vannak.

      A protont 3 kvark alkotja – u u d – melyek az általános vélekedés szerint a nukleonok tömegének nagyobb részét, 70%-át teszik ki.  A maradék az un. tengerkvark, a mai felfogás szerint nincs befolyással a protonok viselkedésére. 

      A proton tömege természetesen nagyon kicsi, 938 MeV.   A MeV energia-érték ugyan, de c2-el osztva akár kilogrammnak is tekinthetjük.  (Az átszámítási faktor értéke MeV egységről kilogramm egységbe 1,78*10-30.)  Átszámítás után azonban zavaróan kicsiny számértéket kapunk, ami ráadásul rosszul is memorizálható.  Célszerű tehát a továbbiakban is MeV-ben, millió-elektronvoltokban gondolkodni. 

      Az atommag másik alkotóelemét, a neutront is a fent említett kétféle kvark alkotja, csak másféle csoportosításban.  Ebben egy u kvark és két d kvark van.  Érdemes megemlíteni, hogy a neutron tömege egy árnyalattal nagyobb a protonénál, ~940 MeV. Ha a neutron nem az atommagban, a protonok védelmében tartózkodik, akkor 15 perc után elbomlik, és átalakul protonná.  A legújabb kutatások szerint egyébként sem a proton, sem a neutron nem tökéletesen gömb alakú. A pólusoknál kisé lapított, felszíne pedig rücskös.

      Mit tudunk a proton fő alkotóeleméről, az u kvarkról?  Töltése pozitív, az egységnyi elektromos töltés 2/3-a. A szubatomi részecskék további jellemző tulajdonságai —  irányultság, szín, íz, báj, stb. — már  régóta ismertek.  Sajnos, az u kvark legalapvetőbb tulajdonsága, a tömege  jóformán ismeretlen, szinte csak találgatásokra hagyatkozik. 

      Az a szomorú helyzet ugyanis, hogy a kvark nem hagyja magát kivenni a protonból, ezért nem lehet a szokásos eszközökkel vizsgálni.  Bár rendkívül magas hőmérsékleten és rendkívül rövid időre előállítható kvarkplazma, ám de gluonokkal keveredve.  A fizikusok kezében szinte egyetlen eszköz maradt, jelesül a matematika. A módszer a peremfeltételekből kiinduló un. rácsszámítás, az ehhez szükséges szuperszámítógépekkel és szuper-időfoglalással. 

 12_g__u_szepia.jpg

  Vannak kutatócsoportok, melyek igen-igen kicsi értéket számoltak ki az u kvark tömegére ( 0,1 MeV,  Fodor Z and coll.), bár mások is elég kicsi számot (2-4 MeV) adnak meg. Sajnos, ilyen tömegadatokkal a kvarkok nem illenek bele a nukleonokba.  Ezekkel a számértékekkel a részecskék kívül találnák magukat a protonon.  Másrészt a kimértnél nagyobb – sőt, extrém nagy – mágneses nyomatékok lépnének föl. 

    Kellően nagy értéket senki nem tudott kiszámolni.  Olyan nagyot, amely kiadná a reménybeli 70%-ot a 3 kvark  össztömegére. Keressük a probléma lehetséges feloldását a fénysebességet közelítő tömegnövekedésben!  Egy 2 MeV tömegű u kvark 200 MeV tömegű lesz, ha a proton belsejében 99,9995% fénysebességre gyorsul fel.  Az efféle tömeg növekedésnek nincs elvi akadálya és felső korlátja. 

    Annak érdekében, hogy mélyebben belelássunk a proton belsejébe, vegyük vizsgálat alá az elemi részecskék két különös, és ezidáig mellőzött tulajdonságát. Az alapadatokat ezekkel a jellemzőkkel kiegészítve számítással tudjuk majd követni a proton belső viszonyait, akár egy zsebkalkulátor segítségével is. 

      A fent említet két jellegzetes mennyiség a részecskék mágneses nyomatéka, valamint a részecskék pörgése, az un. szpinje.  Ezekkel részletesebben is meg kell ismerkednünk. Ezt követően végre-valahára rangjához méltó helyére fog kerülni a kísérleti fizikának ezen két régóta ismert, és teljeséggel mellőzött eredménye. Egyébként ezek igen nagy pontossággal megmért fizikai jellemzők. 

 1.  A mágneses nyomaték

 A proton úgy viselkedik, mintha a belsejében egy mágnesrudacska lenne, melynek  erővonalai a gömb pólusainál lépnek ki a külső térbe.  Valójában nem mágnes rúd, hanem áramgyűrűk hozzák létre a mágneses teret. Magát az áramot pedig a kvarkok elektromos töltésének keringő mozgása szolgáltatja. 

    Az közismert, hogy egy hengerre csévélt áramjárta tekercs mágnesrúdként viselkedik.  A proton „tekercsét” 3 köröző kvark, mint 3 egymenetű tekercs alkotja.  Bár a menetszám kicsi, de ezekben igen erős áram folyik (ezt később részletezzük is). 

     Mint tudjuk egy tekercs mágneses tere annál erősebb, minél nagyobb áram folyik benne, és minél nagyobb az áram által körbezárt terület. A mágneses-tér erősségét protonok esetében a Tp = +14,1 számmal jellemezhetjük.  (A valódi értékhez úgy jutunk, ha ezt minden esetben beszorozzuk  10-27 értékkel.)   A precíz neve mágneses nyomaték, míg a mértékegysége Am2.  Ebben a mértékegységben az A az áram jelét, míg m2 az áramgyűrű által körbezárt felületet jelenti.  Az említett mágneses nyomaték minden egyes protonnál pontosan egy azon érték, mely az idő múlásával sem változik.  Ez  nem lehet véletlen!  Nyilvánvaló, hogy a háttérben egy nagy energiájú közeg rejtőzik, amely a világegyetem összes protonjának mágneses nyomatékát szigorúan egyazon értékre állítja be.

 12_2_abra_pn.jpg

     A neutron mágneses nyomatéka is igen pontosan kimért érték, Tn = -9,66.  Érdemes megemlíteni, hogy a közel 2000-szer kisebb tömegű elektron mágneses nyomatéka mintegy 1000-szer nagyobb.    Sajnos a mai fizikának nincs elképzelése a nukleonok mágneses nyomatékának mibenlétéről, bizonyára ezért nem használja fel őket.   Így aztán a szakirodalom egyetlen mondatot szokott vesztegetni erre a témára. Ez pedig magának a számértéknek a közlése. 

 

2. Perdület avagy szpin

   A szpin a modern fizika egyik régóta számon tartott fogalma.  A szpin szó az elemi részecskék furcsa, elsőre érthetetlen tulajdonságát jelenti, miszerint a részecskék pörögnek. 1925-ben Goudsmit, mint végzős leydeni egyetemista csoporttársával, George Uhlenbeckkel arra a következtetésre jutott, hogy az elektron a mag körüli keringésén kívül saját tengelye körül is forog. ( A forgást jellemző szám érték a már korábban is emlegetett S0.) E forgás következtében a részecskéknek az atomban többlet mágneses nyomatéka van.  Ez az elképzelés, jelesül hogy „az elektron a saját tengelye körül forog” néhány éven belül befuccsolt. Az elektron felszíne pörgéskor meghaladná a fénysebességet, ami ugye  lehetetlen fizikai jelenség. Azonban az atomfizikusok azóta sem tudták más modellel helyettesíteni az elektronok tengely körüli pörgését. Ezért jelenleg mindenféle scifibe illő leírásokkal traktálják a témához tévedt Olvasót. Nem lennék meglepve, ha a szokásos 80 évre titkosítanák is a jelenséget.  Ez ám az igazán biztos módszer a kellemetlen problémák szőnyeg alá söprésére.

      A megoldás egyébként a részecskék köröző mozgása.  A részecskék a „semmi” körül köröznek.  A vákuum  belső energiája, valamint m0 mágneses permeabilitása kényszeríti őket arra, hogy állandó köröző mozgásban legyenek.  Egyetlen pillanatra sem tudnak megállni.  A „semmi” körüli körözés régóta ismert példája az un. buborékkamra.   Ebben az erős külső mágneses tér hatására a vizsgált részecskék kondenzcsíkot húznak maguk után, miközben köröző mozgást végeznek. 

      A körözés vagy pörgés vagy szpin egy igen pontosan kimért számmal, az S0=53*10-36 értékkel jellemezhető.  A szpin alapértelmezett képlete szerint S0=mvr.  Mértékegysége a képletben lévő mennyiségekből következik: kg,  m/s,  m, azaz a tömeg, a sebesség és a keringési sugár szorzata.    Fontos itt leszögezni, hogy nem csak az elektronnak, kvarkoknak stb. hanem az összes létező 0-nál nagyobb tömegű szubatomi részecskének S0 értékű szpinje van.  Bármekkora is legyen a tömege.  Nem fordult még elő például az S0 99%-a, vagy 101%-a, illetve még sohasem mértek effélét.  Az elemi részecskék csak megjelenítik a szpint, és valójában a háttérben lévő örvénylő vákuumpörgeti őket.  Bármennyi  részecske is van egy adott térrészben, a vákuum rájuk erőlteti saját belső pörgési tempóját, de darabonként csak S0 értéknyit, nem többet és nem kevesebbet.  A jelenség hasonlít a gázok mozgási energiájának belső eloszlásához.  Akár kicsi a molekula tömege, akár nagy, a környezete ugyanannyi energiát juttat neki.  Persze a nagyobb tömeghez kisebb sebesség tartozik. 

A minimális tömeg számítása

    A fent ismertetett pörgés (S0 = 53*10-36) lehetővé teszi számunkra, hogy meghatározzuk a legkisebb tömegű részecskét, amely még éppen belefér a protonba.  Az ennél is kisebb részecske ugyanis csak a protonon kívül tudna körözni, hogy meglegyen az elegendően nagy r sugara, és ezáltal a szükséges mértékű  perdülete.  A számításhoz a már említett S0 = mvr képletet kell használni, ahol a v sebesség értékét a c fénysebességgel lehet helyettesíteni.  Ha elvégezzük a számítást, akkor a minimális tömegre 20 MeV értéket kapunk.  Ez a legkisebb tömegű részecske, amely  még a proton belső terében keringhet. 

 12_3_abra_pn.jpg

     Jól gondoljuk, hogy ez a 20 MeV elég kicsiny érték.  Összehasonlításként megemlítjük a pionokat, a kísérletileg kimutatott legkisebb tömegű összetett részecskéket:  p-  p+  p0,   melyek tömege cca. 140 MeV.  Ezek keringési pályája már elég kicsiny,  bőven beleférnének a protonba.  De a magfizikusok helyettük a gluonokra voksolnak.  Ez utóbbiakkal az a gond, hogy deklaráltan 0 a tömegük, 0 az impulzusuk, valamint 0 a szpinjük.  Náluk a fénysebesség környékén sem számíthatunk tömegnövekedésre, így nemigen tudnak hozzájárulni a proton össztömegéhez.   

 

Kvarktömeg számítás 

1. módszer

Tegyük fel, hogy mind a protonban, mind a  neutronban lévő kvarkok azonos tömegűek. Tegyük fel továbbá, hogy a protonban a két u kvark azonos pályán kering, hasonlóan az atomok belső elektronhéjához. Ez esetben az a szerencsés helyzet áll elő, hogy a bemenő adatokból a tömegekre csak egyetlen egy érték adódik ki. Más tömegérték nem jöhet számításba, mert akkor nem kapjuk meg az S0 szpin illetve a Tp és Tn mágneses nyomatékok értékét.  Az eredményül nyert tömegek: u kvark 125 MeV (13,3%), d kvark 71 MeV (7,6%). Enyhe sajnálkozással kell megállapítanunk, hogy így a kvarkok csak a teljes tömeg 1/3-át teszik ki a remélt 2/3 helyett.   

      Ekkor a protonban a két u kvark ru = 0,8 fm sugarú körön egyazon irányban, közel fénysebességgel kering.  Ketten együtt 12930 amper áramot hoznak létre. Egy nagyobb körpályán (rd=1,4 fm) azonos irányban keringő d kvark árama -1830 amper. Ennek mágneses nyomatéka ellentétes, levonódik, és így adják ki a 14,1 értéket.  

      A 3 egy irányba keringő kvark szpinje 3S0. Annak érdekében, hogy a szpin S0 értékű legyen, szükségünk van két további részecskére, melyek forgásiránya és szpinje is ellentett. Legyen az egyik a semleges p0 mezon, 600 MeV tömeggel. (Ámbár lehetne bármi más semleges részecske is.) Ehhez a tömeghez 0,17 fm keringési sugár tartozik. Így a pion lesz a legbelső részecske.  A hiányzó 20 MeV tömeget talán nevezhetjük mi is tenger-kvarknak, bármi is legyen az.  Eme feltételezések után pontosan kiadódik a proton 938 MeV tömege, 14,1 mágneses nyomatéka és S0 szpinje. 

      A neutron kimunkálása során is alkalmazhatók az eddigi kiegészítések.  A geometriai méretek az 2. ábrán láthatók. 

      A proton kialakításakor elképzelhető lenne a forgási irányok olyan kombinációja is, melynél a második áramgyűrűt alkotó d kvark mozgásiránya ellentett.  Ekkor a szpin értéke a háttér igénybevétele nélkül is a helyes S0 értéket adná.  Így azonban kisebb sugarak, és ezzel együtt a szpin értékének megtartása miatt nagyobb tömegek adódnának ki.  A 3 kvark össztömege 24%-al meghaladná a nukleon tömegét, mire sikerülne elérni a Tp mágneses nyomaték értékét.  Az elgondolás tehát életképtelen. 

   Kvarktömeg számítás

2 módszer

   A p-p ütköztetések során a proton belsejében 3 gömbhéjat mértek ki.  Ezek sugarai rendre 0,2; 0,44; 0,87 fm.  A méréseket Islam és munkatársai végezték el a CERN-ben és a Fermi Laboratóriumban.  Publikáció: 2009.

     A hivatkozott kísérlet egy további állítása, hogy a belső  gömbben van a három vezetési kvark.  Ha a belső gömbnek utánaszámolunk, akkor kiderül, hogy a töltések ilyetén elrendeződése nem állhat elő.   A szpin-feltétel miatt 58% tömeg túllépés áll be.  Ezen közben a mágneses nyomaték még mindig 43%-kal kevesebb lenne az elvárt értéknél.  Tehát  vagy az idézett mérés nem pontos, vagy ez az ellenőrző számítás nyugszik hiányos alapokon. Most, hogy ezek az ellentmondások felszínre kerültek, nem tudunk a kísérlet által megszabott úton tovább haladni. Kénytelenek vagyunk eltérő méretekkel és meggondolásokkal próbálkozni.

      Például megpróbálhatjuk a protont úgy felépíteni, hogy a belső gömböt egyetlen, viszonylag nagy tömegű u kvark formázza. (3. ábra) Mint láttuk, e gömb sugara 0,2 fm. A középső áramgyűrűt a d kvark alkotja, a p-p ütköztetési kísérlet eredményének megfelelő 0,44 fm sugárral. A második u kvarkot már nem lehet pontosan ráhelyezni a bemért 0,87 fm sugárra, mert nem érnénk el a szükséges 14,1 mágneses nyomatékot. Ennek a második u kvarknak kicsit kijjebb, a 0,90 fm sugáron kell keringenie. A kvarkok össztömege 828 MeV-nek adódik, ami a proton tömegének 88 %-a.

      A hiányzó 110 MeV tömeget 2 darab tenger-kvarkkal tudjuk pótolni, melyek az előbbiekkel ellentett irányban forognak. Összesen 5 részecskénk van, melyek  perdülete irány szerint összegezve a várt S0  érték lesz.

      Hasonló szemlélettel tervezhetünk egy neutront is.  Ez esetben a legbelső 0,2 fm sugarú gömböt egy d kvark alkotja. A középső 0,44 fm sugárra helyezhetjük rá  az u kvarkot. A második d kvarkot ismét nem lehet ráhelyezni a bemért 0,87 fm sugárra, mert nem érnénk el a protonnál bemért szükséges -9,66 mágneses nyomatékot. Ezt jóval nagyobb, 1,90 fm sugarú gömbre kell ráhelyezni. Az eddigiekből a három kvark össztömege 798 MeV-re adódik. Ez az össztömeg 85%-át teszi ki. Látjuk, hogy ez a v.2 verzió kedvező abból a szempontból, hogy bőven meghaladja a várakozásokban szereplő 2/3 kvark tömegarányt.

       A hiányzó 142 MeV tömeg pótlására használhatunk például négy darab tenger-kvarkot ellentett forgás iránnyal.  Keringési sugaruk 2,32 fm-re adódik. Ezen kiegészítő részecskékkel együtt a protonhoz hasonlóan itt is kiadódik a neutron  S0 szpinje.

 * * *

 

A fenti két számítás valójában két kezdeti próbálkozás a proton belsejének bemutatására és a benne lévő kvarkok elhelyezésére. Ezektől nem várhatjuk el, hogy megadják a végleges megoldást. Azonban szinte biztos, hogy ezek az első ábrák az atommag-fizika történetében, melyek megpróbálják bemutatni a három kvark elhelyezkedését a nukleonokban, azaz a protonban és a neutronban.