1. oldal

A világ összetett és komplikált hely. Könnyedén haladunk a levegőben, de nem tudunk átmenni a falakon. A Nap egy elemet egy másikká alakít, és ennek köszönhetően meleggel és fénnyel árasztja el bolygónkat. Rádióhullámok segítségével kommunikálunk az űrben tartózkodó asztronautákkal, a gamma-sugárzás viszont végzetes károkat okoz DNS-ünkben. Az előzőekben felsorolt dolgok közt látszólag talán nincs sok összefüggés, a fizikusok azonban az idők során felderítettek néhány olyan törvényszerűséget, amely megmagyarázza a körülöttünk lévő világ működését, majd egyetlen elméletbe foglalták ezeket. A részecskefizikai standard modell egyszerre magyarázza meg azon elektromágneses kölcsönhatásokat, amelyektől szilárdnak érezzük a falat, a Nap energiatermeléséért felelős atomi folyamatokat, illetve az elektromágneses spektrum különféle hullámainak viselkedését és hatásait.

A standard modell jelenlegi tudásunk szerint minden idők egyik legsikeresebb elmélete. Lényegileg kétféle anyagi részecske (fermion) létezését feltételezi: a többek közt a protont és a neutront felépítő, különféle kvarkokét, illetve a leptonokét, melyek legismertebb képviselője az elektron. Az univerzum minden anyaga gyakorlatilag kvarkok és leptonok különféle variációjú keverékeiből áll, amelyeket négyféle erő tartja össze: a gravitáció, az elektromágnesesség, illetve a gyenge és az erős kölcsönhatás. Az utóbbi hármat úgynevezett közvetítő részecskék, avagy bozonok közvetítik, a gravitáció ilyen jellegű leírása azonban eddig még nem járt sikerrel.

Érdekes persze az is, hogy vajon miért éppen négy alapvető kölcsönhatással és két anyagi részecskével írható le legjobban világunk, de talán még izgalmasabb az a tény, hogy a standard modell a kvarkokat és leptonokat további részekre nem osztható entitásokként kezeli, holott több jel is arra utal, hogy ezek esetleg még kisebb egységekből állnak. Ha pedig sikerülne fényt deríteni az anyag szubatomi szerkezetének egy újabb, még mélyebb szintjére, olyan összefüggésekre derülhetne fény, amelyeket ma talán el sem tudunk képzelni.

Ezen kérdés tisztázására szolgálnak a részecskegyorsítók kvarkokkal kapcsolatos kísérletei. A kvarkok hetvenes években történt első megfigyelése óta mindezidáig nem álltak rendelkezésre olyan eszközök, amelyekkel közelebbről is megvizsgálhattuk volna ezeket az anyagi részecskéket. A svájci Nagy Hadronütköztető (LHC) azonban rövidesen alkalmas lehet a feladatra.

A kvarkok és leptonok mélyebb struktúrájára utaló első jelek egy másik, azóta is megoldatlan rejtély felderítését célzó kutatás során bukkantak fel, amely az anyagi részecskék különböző típusaival foglalkozott. A protonokat és a neutronokat kétféle kvark, az elemi töltés, vagyis a proton töltésének 2/3-ával rendelkező up kvark (u), illetve −1/3 elemi töltéssel bíró down kvark (d) építi fel. Ebből a kétféle kvarkból és elektronokból épül fel az univerzum anyaga, mégis léteznek másféle kvarkok is. A furcsa (strange, s) kvark töltése szintén −1/3, de nehezebb a down kvarknál, az alsó (bottom, beauty, b) kvark pedig még nagyobb tömegű. A bájos (charm, c) kvark az up kvark nehezebb, azonos töltéssel rendelkező rokona, a család ezen ágának legnehezebb tagja pedig a felső (top, true, t) kvark. A részecskefizikusok kísérleteik során mind a hat különböző kvarkot megfigyelték, a négy nehezebb azonban a másodperc töredéke alatt a két könnyebb változattá bomlik le.

Az elektron is rendelkezik nehezebb, instabil rokonokkal a müon, és a még nehezebb tau-lepton személyében, melyek mindegyike az elektronnal azonos töltésű. Az ismert leptonok sorát végül a neutrínók három fajtája zárja, amelyek szuperkönnyűek, töltéssel pedig nem rendelkeznek.

A szakértők tehát némiképp értetlenül álltak az előtt, hogy ha egyszer kétféle kvarkból és egyféle leptonból épül fel az anyag, akkor mi szükség van a többi változatra. Hogy klasszikusokat idézzünk, amikor a harmincas évek végén felfedezték a müont, Isidor Isaac Rabi, Nobel-díjas fizikus csöppet sem lelkesen azt kérdezte: „Ezt meg ki rendelte?” 

2. oldal

A népes részecskecsalád rejtélyének megfejtéséhez a kutatók igyekeztek egy táblázatban rendszerezni az ismert anyagi részecskéket, a kémiai elemek periódusos rendszeréhez hasonló módon. Mengyelejev legnagyobb újítása a periódusos rendszer megalkotásánál az volt, hogy az elemeket úgy rendezte el, hogy az illusztrálja azok ismétlődő kémiai tulajdonságait, és kihagyta a helyet a „hiányzó”, akkoriban még ismeretlen elemeknek. Mengyelejev a táblázat alapján képes volt megjósolni ezen ismeretlen elemek tulajdonságait, és amikor ezek közül többet valóban felfedeztek, az eredeti leírás meglepő pontossággal illett rájuk. Ez az ismétlődő tulajdonságok alapján történő rendszerezés idővel az atomok szerkezetének mélyebb megértéséhez vezetett, így a részecskefizikusok joggal remélték, hogy ha tulajdonságaik alapján rendszerezik az anyagi részecskéket, talán új információkat tudhatnak meg ezekről. A 12 alapvető anyagi részecskét így az ábrán is látható három családba, avagy generációba sorolták. Az első generációba tartozik az up és a down kvark, az elektron, illetve az elektron-neutrínó, a második generációba ugyanezek nehezebb változatai, végül a harmadik generációba kerültek a legnehezebb rokonok.

A standard modell pontszerű objektumokként kezeli ugyan a fermionokat, a táblázatban megfigyelhető összefüggések azonban arra utalnak, hogy a különböző generációkat valamiféle kisebb építőelem mennyiségi változásai különböztetik meg egymástól.

A periódusos rendszerhez hasonlóan a radioaktív bomlás jelensége is releváns lehet a kvarkok szerkezetének felderítésében. A huszadik század hajnalán a kutatók rájöttek, hogy egy adott elem egy másikká alakulhat hát. Akkor még nem voltak ismeretesek a háttérben zajló folyamatok, vagyis hogy a protonok és a neutronok számának változtatása révén bármilyen elem bármivé átalakítható. Mára a transzmutációs lehetőségek száma tovább nőtt, hiszen immár azt is tudjuk, hogy ahhoz, hogy egy neutronból proton legyen, mindössze egyetlen kvarkot kell lecserélni (udd → uud). Ahogy az elemek transzmutációja utal az atomi szerkezetre, úgy segíthet a fermionok felépítésének megfejtésében a kvarkok és leptonok egymásba alakulásának megértése is.

A kvarkok és leptonok, illetve a közvetítő részecskék hipotetikus építőköveire számos elnevezést ragasztottak az idők során, de általánosságban preonokként szokás ezeket emlegetni. A fermionok és bozonok összetételére vonatkozó első modellt Haim Harari és Michael A. Shupe dolgozta ki 1979-ben, majd Harari és egy tanítványa, Nathan Seiberg 1981-ben tovább finomítottak az elképzelésen. Ezen első elmélet szerint kétféle preon létezik: az egyik +1/3-os elemi töltéssel bír, a másik pedig semleges. Mindkét preonnak van egy ellentétes töltésű antirészecske párja is (−1/3 és nulla). A preonok fermionok, és minden kvark és lepton összesen három darab preonból áll. Két +1/3-os elemi töltésű és egy semleges preon összességeként például egy up kvarkot kapunk. A bozonok hat preon kombinációjából állnak, a gyenge kölcsönhatás egyik közvetítőrészecskéje, a pozitív töltésű W bozon például három +1/3 töltésű és három semleges preonból épül fel.

Ez a preonmodell meglehetősen jó magyarázatot adott a szubatomi folyamatok történéseire. Tegyük fel például, hogy egy up kvark egy down antikvarkkal ütközik. Ilyenkor egy pozitív töltésű W bozon keletkezik, amely egy pozitronná és egy elektron-neutrínóvá bomlik. Preonokkal leírva a két +1/3-os töltést hordozó up kvark (++0) ütközik az +1/3 töltésű down antikvarkkal (+00), ezekből összeáll az egy elemi töltést hordozó W bozon (+++000), amelyből egy pozitron (+++) és egy eletron-neutrínó (000) lesz. 

3. oldal

Egy sikeres modellhez persze nem elég az, hogy megválasztjuk az egyes részecskék építőelemeinek számát és minőségét, fontos az is, hogy ezen apróbb egységek révén olyan általános háttérbeli összefüggésekre derüljön fény, amelyek a korábbinál egységesebben képesek leírni a külsőre eltérő részecskék viselkedését.

Nem véletlen, hogy a preonmodell kapcsán felsorolt példákban csak a kvarkok és leptonok első generációjáról esett szó. A másik két család esetében már nem ennyire egyszerű a Harari és Shupe által felvázolt elmélet. A kutatók úgy gondolták, hogy a második és harmadik generáció tagjai az első generációs konfigurációk gerjesztett állapotai. Ahogy az elektron képes különböző energiaszinteket bejárni egy atom körül, úgy a feltételezések szerint a preonokat valami olyan mechanizmus kapcsolja össze, amely révén azonos összetételű, de különböző energiájú részecskegenerációk jöhetnek létre.

Ha ez a magyarázat kissé ködösnek tűnik, az egyáltalán nem a véletlen műve. Az anyagi részecskék második és harmadik generációjára vonatkoztatva még messze nem tekinthetők kidolgozottnak a preonmodell részletei. Ugyanez volt a helyzet azonban a kvarkok létezését felvető első elméleti munkákban is, sok részlet csak a későbbi kutatások során nyert értelmet, ettől azonban még az eredetileg csak nagy vonalakban vázolt sejtések nem állítottak valótlant. A részecskegenerációk problémája tehát egyelőre nem tisztázott, így többen is előálltak különféle alternatív modellváltozatokkal, amelyekbe azonban nem bonyolódnánk bele, tekintve hogy ezek sem kidolgozottabbak, vagy valószínűbbek az előzőekben leírtnál.

Az eddig leírt preonmodell is csak egy a sok közül, számos változata létezik, amelyek némelyike csak apróságokban tér el a Harari és kollégái elméletétől, mások azonban nagyobb különbségeket vonultatnak fel. Akadnak olyan változatok, ahol a preon csak 1/6-od elemi töltést hordoz, másoknál a kvark és a lepton öt preonból épül fel, megint mások szerint különböző preonok építik fel a fermionokat és a bozonokat. A szóba jöhető variációk száma igen nagy, és egyelőre nem igazán rendelkezünk olyan kísérleti adatokkal, amelyek segítenének válogatni az elméletek közül.

A világ lehető legkisebb építőelemének megtalálásán túl még egy érdekes vonatkozása van a preonok esetleges létezésének. Jelenlétük megoldást kínálhat a részecskefizika egy másik, régóta fennálló rejtélyére. A standard modell értelmében az egész világot az úgynevezett Higgs-tér tölti ki, és az ezzel való kölcsönhatásból származik a részecskék tömege. Azok a részecskék, amelyek erősebb kölcsönhatásba kerülnek a Higgs-térrel nehezebbek, míg a gyengébben kölcsönhatóak a könnyebbek (Higgs-mechanizmus). Ha a második és harmadik generációba eső anyagi részecskék preonösszetétele valóban megegyezik az első generáció tagjainak felépítésével, akkor valamilyen módon maguk preonok felelősek azért, hogy a többedik generációs részecske szorosabb kölcsönhatásba kerül a Higgs-térrel, vagyis nehezebb, mint első generációs rokona. A kvarkok és leptonok felépítése mélyén rejtőzhet tehát a magyarázat a Higgs-mechanizmus működésére is.

Természetesen a preonelmélet sem problémamentes, a legnagyobb gond vele értelemszerűen az, hogy mindeddig semmiféle kísérleti eszközzel nem sikerült igazolni a preonok létezését. Ezt persze könnyen ráfoghatjuk saját technológiai fejletlenségünkre, azonban a bizonyítékok hiányán túl magával az elmélettel kapcsolatban is akadnak kérdéses pontok. Ezért sem meglepő, hogy a preonok létezésének feltételezése nem az egyetlen ötlet a részecskegenerációk problémájának megoldására. A szuperhúrelméletben az anyag legapróbb építőkövei nem szubatomi részecskék, hanem aprócska, rezgő húrok. A preonok és a húrok egyelőre békésen megférnek egymás mellett, mivel mindkét elgondolás a kvarkok és a leptonok nagyságrendjénél sokkal apróbb objektumokat ír le. A jövőben akár az is elképzelhető, hogy kiderül, a szuperhúrok a preonok, netán a pre-preonok, vagy még kisebb elemek építőkövei. Egy másik érdekes alternatív modell Sundance Bilson-Thompson nevéhez fűződik, aki a preonokat pontszerű részecskék helyett a téridő megcsavarodott darabkáiként írja le. Ez az elképzelés 2005-ben látott napvilágot, és kidolgozottsága még igen kezdeti stádiumban áll, de kétségkívül érdekes, újszerű nézőpontból közelíti meg a problémát, és nem mellékesen megoldást kínál a gravitáció standard modellbe történő integrálására is. 

4. oldal

A fizika azonban elsődlegesen kísérleti tudomány, így mindegy milyen okosnak és kereknek tűnik egy elmélet, ha egyszer kísérletileg nem igazolható. Mi várható tehát a preonmodell háza táján ezen a fronton? A standard modell sikeresen írja le a kvarkok, leptonok és bozonok viselkedését preonok nélkül is, így ezek megtalálásához apró elhajlásokat kell keresni, amelyeket nem képes megjósolni a fennálló elmélet. A kísérleti fizikusok feladata tehát ebben az esetben, hogy kicsiny repedéseket derítsenek fel a modern fizika templomának falain. Két olyan terület van, ahol érdemes lehet elkezdeni az áskálódást.

Az egyik biztató irányvonal a méret kérdése lehet. A standard modell a kvarkokat és a leptonokat pontszerű, kiterjedéssel és belső struktúrával nem rendelkező részecskékként kezeli. Ha sikerülne igazolni, hogy ezeknek mégis van kiterjedése, az erős jel lenne a preonok létezésének irányába. A protonok és neutronok sugara nagyságrendileg 10ˆ-15 méter. A világ vezető részecskegyorsítóiban a múltban is voltak és jelenleg is zajlanak olyan kísérletek, amelyek a kvarkok és a leptonok méretét kutatják. Egyelőre annyit tudni, hogy ha van kiterjedése ezen anyagi részecskéknek, akkor az a proton méretének ezredét sem éri el, ennél kisebb mérettartományban azonban jelenleg még nem tudunk mérni.

Egy másik lehetőség egy részecske, például a lepton strukturált szerkezetének felderítésére a spin és a mágneses momentum közti összefüggésben rejlik. Az elektront némi költői túlzással egy pörgő labdaként képzelhetjük el, amelyben a pörgés mértékét egy számérték jellemzi. Az elektron esetében ez az érték 1/2. Mivel az elektron töltéssel is rendelkezik, a spin és a töltés együttes jelenléte mágneses momentumként jelentkezik, ahogy az a klasszikus elektrodinamikában is jellemző a forgó, elektromosan töltött testekre. Ha a leptont tehát egy pontszerű, 1/2 spinű részecskeként értelmezzük, akkor annak egyetlen, specifikus mágneses momentummal kell rendelkeznie. Ha viszont egy elektron vagy müon kísérletileg meghatározott mágneses momentuma eltér a várható eredménytől, az ismét csak arra utalhat, hogy a részecske nem pontszerű, így akár preonokból is állhat. Itt ismét az a probléma, hogy a preonok jelenléte olyan kis mértékben változtatna a lepton viselkedésén, hogy azt jelenleg még nem áll módunkban kimutatni, de lassacskán talán majd elérkezik ez az időszak is.

A fizikusok ezen túl olyan részecskebomlások után is kutatnak a részecskegyorsítók kísérletei során felhalmozott gigantikus adattömegben, amelyek a preonok létezése esetén következhetnek be, feltételezve, hogy az többedik generációs részecskék az elsők gerjesztett állapotai. Egy ilyen bomlás lehet a müon elektronná és fotonná történő szétesése. Eddig még nem sikerült megfigyelni, ugyanakkor rendkívül ritka eseményről van szó, amelynek (amennyiben egyáltalán megesik) bekövetkezési esélye kisebb, mint egy a százmilliárdhoz.

A kísérleti eredmények eddig azt erősítik meg, hogy a kvarkok és a leptonok valóban pontszerű részecskék. A következő évek azonban sok meglepetést rejthetnek. 2011-ben a Nagy Hadronütköztetőben már 7 TeV energiájú protonnyalábokat ütköztettek, ez pedig három és félszerese az ezt megelőző világrekordnak, amelyet a Fermilab Tevatronja tartott több mint negyed évszázadig. Az LHC egyedül a tavalyi évben feleannyi adatot termelt ki, mint amennyit a Tevatron 28 éves működése során összesen produkált. 2012-ben már 8 TeV-ra emelkedett a protonnyalábok energiája, várhatóan megnégyszerezve a korábbi adatmennyiséget a leállás előtt. Rövidesen másfél-két év szünet következik ugyanis a részecskegyorsító működésében, amely alatt tovább fejlesztik a berendezéseket. A működés várhatóan 2014 végén indulhat be újra, immár 13‒14 TeV-os energiákon ütköztetve a protonokat.

A magasabb energiák több ütközést és többféle lehetséges végkimenetelt jelentenek, így egyre nagyobb esély lesz a preonok létezésének igazolására vagy cáfolására. A Fermilab ugyan a Tevatron leállítása óta kiszállt a részecskekutatás „nagyüzemi” irányvonalából, részecskegyorsítóiban azonban jelenleg is olyan kísérletek folynak, amelyek célja ritka események nagy pontosságú megfigyelése. Két preonokkal foglalkozó kísérletük egyikében a müon mágneses momentumát vizsgálják, a másikban pedig elektronná és fotonná bomló müonokat keresnek.

Nem tudjuk tehát, hogy léteznek-e preonok, de igazság szerint csak mostanra értük el azt precizitási szintet, amellyel lehetségessé válhat ezek megtalálása. A világ részecskefizikusai jelenleg is az elmúlt időszak részecskeütköztetési adatain rágják át magukat, nem pontszerűen viselkedő kvarkok és leptonok, negyedik generációs anyagi részecskék, és egyéb anomáliák után kutatva. Amikor a Tevatron lassan harminc évvel ezelőtt megkezdte működését, gyökeresen új korszak kezdődött a szubatomi világ felderítésében. A következő évekkel ezen utazás újabb jelentős szakasza kezdődhet meg, ahogy egyre mélyebbre hatolunk az univerzumot felépítő részecskék között.