Emaileket kaphat a NOVA közelgő programjairól és a kapcsolódó tartalmakról, valamint az aktuális eseményekről tudományos szemszögből szóló kiemelt tudósításokról.
From The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind , egy bennfentes beszámoló az LHC működési történetéről és a Higgs-bozon kereséséről, írta Don Lincoln. Kiadja a Johns Hopkins University Press. Újranyomtatás a kiadó engedélyével.
A viktoriánus kori matematikus Augustus de Morgan írta:
A nagy bolháknak kis bolhák vannak a hátukon, hogy megharapjanak
És a kis bolháknak kisebb bolhák, és így a végtelenségig.
És a nagy bolháknak maguknak viszont nagyobb bolháik vannak, hogy tovább menjenek,
míg ezeknek megint csak nagyobb bolháik vannak, és még nagyobbak, és így tovább.
Ez a gyakran idézett szakasz Jonathan Swift 1733-as A költészetről című művének paródiája: A Rhapsody , amely a költészetről íródott. A tudósok azonban ezeket a sorokat a természeti világ metaforájaként értelmezték. Ahogy az ember megismeri a mikrovilágot, gyorsan szembesül azzal a megfigyeléssel, hogy minden anyag molekulákból áll. A molekulák viszont atomokból állnak, amelyek maguk is elektronokból és atommagokból állnak. Az atommagok protonokból és neutronokból állnak, és ezek kvarkokból állnak.
Amennyire azonban tudjuk, a kvarkok és az elektronok ez. Ezzel vége a sornak, ami a szerkezetet illeti. Az atomtól vagy a protontól eltérően, amelyek gazdag szerkezettel rendelkeznek, összetett kölcsönhatásokkal az alkotóelemeik között, a kvarkokról és az elektronokról jelenleg úgy gondoljuk, hogy egyáltalán nem rendelkeznek belső szerkezettel. Mind elméletileg, mind fizikailag matematikai pontoknak tekintik őket.
Persze akinek van egy cseppnyi képzelőereje, az nem tudja megállni, hogy ne mondja: “Na várjunk csak egy percet. Miért ne lehetne maguknak a kvarkoknak és leptonoknak is belső struktúrájuk?” Nos, erre csak egy lehetséges válasz van, mégpedig az, hogy “lehetne”. A kvarkok és elektronok (és tágabb értelemben az összes lepton) még kisebb objektumokból is állhatnának. Vagy (meglehetősen valószínűtlen) valóban lehetnek fundamentálisak (azaz nem rendelkeznek kisebb részekkel, más szóval szerkezet nélküliek).
Mielőtt továbbmennénk, nézzük meg az érintett méreteket. A mikrovilágban minden kicsi. Egyetlen molekula is olyan kicsi, hogy egy milliméteren egymás mellé egymilliót is elhelyezhetnénk belőlük. Olyan kicsik, hogy a közönséges fény segítségével nem lehet látni őket. És mégis, ezek a kisebb objektumok óriási méretűek: egymilliárdszor nagyobbak, mint a kutatási határ.
A molekulák atomokból állnak, amelyek körülbelül tizedannyi méretűek, mint a molekulák. Az atomról, mint egy kis naprendszerről alkotott mentális kép, a Nap magjával és a bolygó elektronjaival, hibás, és mégis nem érdemtelen. Rávilágít arra a tényre, hogy az atom nagyrészt üres térből áll, az elektronok őrjöngve kavarognak a kis, sűrű magtól távol. Az atommag sugara körülbelül tízezerszer kisebb, mint az atomé, és a térfogatának csupán egy billiomod részét foglalja el.
Az atommag protonokból és neutronokból áll, amelyek szorosan egymáshoz vannak csomagolva. Az én mentális képem az atommagról egy békatojás- vagy golyótömeg, miután egy kisgyerek nagyon ragadós ujjakkal kezelte. Minden egyes proton vagy neutron kb. 10-15 méter széles, és egy milliméternyi átfogáshoz egy billió egymás mellé fektetett protonra vagy neutronra lenne szükség. Ez nagyon kicsi.
A protonok és neutronok kvarkokat és gluonokat tartalmaznak. A legegyszerűbben úgy képzelhetjük el a protont, hogy két up kvark és egy down kvark van benne egy gluonokból álló erőtérben. Gondoljatok három számozott műanyag golyóra egy olyan légfúvós lottóautomatában, és máris értitek az alapötletet.
De a kvarkokról mint műanyag golyókról alkotott mentális képnek van egy nagy hibája. A golyók nem sokkal kisebbek, mint egy lottóautomata. A kvarkok kicsik. Talán jobb mentális kép a protonról három kis hungarocell pötty ugyanabban a gépben.
Tehát mit tudunk a kvarkok méretéről? Korábban azt mondtam, hogy nincs méretük, és minden bizonnyal a jelenlegi elmélet is így kezeli őket. Kísérletezőként azonban engem inkább a mérések érdekelnek. Ön, az olvasó bizonyára kíváncsi arra, hogy a mérések milyen méretet mutattak ki a kvarkok méretéről. És most a válasz… egy dobpergést kérek… nem mértek. Ez nem azt jelenti, hogy semmit sem tudunk a méretükről. Elég alaposan tanulmányoztuk ezt a kérdést, és pontosan tudjuk, hogy milyen jó a felszerelésünk. Ha a kvarkok (és az elektronok) tízezerszer kisebbek lennének, mint egy proton, akkor láttuk volna, hogy van méretük. Az összes kísérletünk során még a legkisebb hihető utalást sem láttuk a méretre. Ezért arra a következtetésre jutottunk, hogy bár nem tudjuk megmondani, hogy valójában mekkora egy kvark vagy elektron mérete, azt azonban nyugodtan kijelenthetjük, hogy ha a kvarkoknak egyáltalán van méretük, akkor kisebbek, mint a proton méretének egy tízezred része.
Ha ezt a gondolatot nehéz megérteni, gondoljunk arra, hogy milyen kicsi egy tárgy, amit a szemünkkel láthatunk. Egy homokszemet könnyen láthatsz. Nagyon jelentős erőfeszítéssel talán a legkisebb lisztdarabot is meglátod a szekrényedben. De nagyjából ennyi. Puszta szemmel ennél kisebbet nem láthatsz. Így amikor úgy döntesz, hogy szemmel nézel egy csírát, arra a következtetésre juthatsz, hogy nincs mérete, de a szigorúan helyes következtetés, amit le kell vonnod, az az, hogy a csírák kisebbek, mint egy apró lisztpötty.
Jobb felszereléssel, mondjuk egy erős mikroszkóppal, láthatjuk, hogy a csíráknak valóban van mérhető méretük. Tehát ha már egyszer eljutottál a felszerelésed korlátaihoz, akkor egyszerűen kell egy erősebb mikroszkóp. Az a mikroszkóp, ami az LHC és annak két elsődleges detektora, akkor fogja megfigyelni a kvarkok méretét, ha azok nem kisebbek, mint egy proton méretének 20 vagy 30 ezreléke … vagy pedig egy olyan határt állítanak be, ami körülbelül két-háromszor kisebb, mint amit jelenleg gondolnak.
Bár a megfigyelések, az intuíció és de Morgan dalocskája elég lehet ahhoz, hogy alátámasszuk azt az alkalmi gyanút, hogy az anyag más szintjei is előfordulhatnak egyre kisebb méretekben – egy teljesen új réteg vagy rétegek sora a kozmikus hagymán -, vannak tudományosabb okok is. Vegyük például a periódusos rendszert. Mendelejev ugyan szervezési sémának szánta, de a huszadik század első évtizedeiben az atomelmélet és a kvantummechanika megfogalmazásával világossá vált, hogy a periódusos rendszer valójában az atomi szerkezet első jelzése volt, fél évszázaddal azelőtt, hogy igazán megértettük volna a táblázat üzenetét.
Míg a periódusos rendszer által elmesélt történet egyértelműen utalt az atomszerkezetre, a magsugárzás története szintén az atommag szerkezetére utal. Például a cézium ( 137 55 Cs, ötvenöt proton és nyolcvankét neutron) kibocsát egy elektront, és báriummá válik ( 137 56 Ba, ötvenhat proton és nyolcvanegy neutron).
Vegyük ezeket a történelmi példákat, és alkalmazzuk az érvelést a modern világra. Tisztában vagyunk vele, hogy a történelmi tanulságok nem mindig érvényesek. De néha igen.
A részecskék “periódusos rendszerét” a fenti kép mutatja. Szervezete eltér a kémiai periódusos rendszertől. Az ábrán hatféle kvark található. Az up, a charm és a top kvarkok mind +⅔ töltéssel rendelkeznek (egy olyan rendszerben, ahol a proton töltése +1), és a charm kvark tömege meghaladja az up kvark tömegét, amelyet viszont a top kvark meghalad. Hasonlóképpen, a down, a furcsa és a bottom kvarkok elektromos töltése mind -⅓, és a tömegük a jobb oldal felé haladva növekszik.
A modern periódusos rendszerben a “kémiailag hasonló” egységek a sorok, szemben a Mendelejev-féle táblázat oszlopaival. Azt látjuk, hogy három “generáció” vagy szénmásolat létezik ugyanannak a kvark- és leptonmintázatnak. Ez erősen emlékeztet azokra a célzásokra, amelyeket a kémiai periódusos rendszer adott nekünk a tizenkilencedik század második felében.
Egy másik történelmi hasonlóságot is figyelembe kell vennünk. Ahogyan a különböző atommagok is bomolhatnak más atommagokká, úgy a kvarkok és leptonok is bomolhatnak. Egy felső kvark bomolhat alsó kvarkká és W-bozonná. Hasonlóképpen a müon is bomolhat elektronra és két neutrínóra. Más típusú kvark- és leptonbomlások is lehetségesek. Valójában a második és harmadik generáció minden részecskéje végül az első generáció részecskéire bomlik. Az egyik legfontosabb támpont az, hogy az egyetlen erő, amely képes egy kvarkot vagy leptont egy másikra változtatni (azt mondjuk, hogy “megváltoztatja a kvark vagy lepton “ízét”), a gyenge erő. Továbbá, kifejezetten csak az elektromosan töltött W-bozon képes erre a feladatra.
Nincs szilárd bizonyíték arra, hogy a kvarkok és leptonok generációinak jelenléte arra utalna, hogy a kvarkok és leptonok maguk is kisebb (eddig felfedezetlen) részecskékből állnak. A történelmi analógia azonban erőteljesen szuggesztív, és mindenképpen megérdemli a közelebbi figyelmet. Az a tény, hogy egy W-bozon kibocsátásával meg lehet változtatni a kvark vagy lepton ízét, rendkívül értékes nyom, amely valami fontosat kiált a fizikusok felé.
Bárcsak lenne annyi eszem, hogy megértsem, mit akar mondani.
Azonban még a döntő jelentőségű felismerés nélkül is, amely szélesre tárja a rejtélyt, értelmesen spekulálhatunk a témában, és (ami sokkal fontosabb) átrostálhatjuk az adathalmainkat, további nyomokat keresve. Mint minden új fizikai jelenség utáni kutatásnál, itt is meg kell találni, hogy mit kell keresni, és aztán keresni. Mik tehát a kvarkszerkezet valószínű kísérleti jelei?
Történelmileg az egyik legjobb hely, ahol keresni lehet, a leghevesebb ütközések. Összetörsz két objektumot, és megnézed, hogy hány ütközés van az egyes erősségi szinteken. Konkrétan az “oldalirányú erőszak” mennyiségét nézed. Technikailag ezt transzverzális lendületnek nevezzük, ami azt jelenti, hogy a sugárra merőleges. Ennek a választásnak technikai okai vannak, de leginkább azért, mert erősen kell eltalálni valamit ahhoz, hogy az eredeti irányából oldalirányba menjen.
Ma a legtöbb fizikus a “várjuk ki a végét” álláspontot képviseli, és inkább azt nézi, hogy az univerzum milyen utalásokat ad nekünk. Még így is javasoltak neveket ezeknek a kvarkoknál kisebb objektumoknak, a legnépszerűbb a “preon” (a pre-quark szóból). Azonban minden elméleti fizikus, aki kidolgozott egy elméletet, kitalálta a saját nevét, a szubkvarkok, maonok, alfonok, quinkek, rishonok, tweedek, helonok, haplonok és Y-részecskék mind-mind javasoltak. Nekem magamnak a quinks vagy a tweedles nevek tetszenek.
Mi lesz a következő nagy felfedezés? Fogalmam sincs. Lehet, hogy az itt említett témák egyike lesz. Vagy, ami még izgalmasabb, lehet, hogy valami teljesen váratlan; valami, ami csak úgy váratlanul ér minket. Ahogy mondani szokták, az idő majd megmutatja.