Legtöbbünk annyit tanul meg az iskolában a protonról, hogy az minden atom magjában megtalálható, egyszeres pozitív töltéssel rendelkezik, és három elemi részecske alkotja: két up (fel) kvark és egy down (le) kvark. Ennél azonban a valóságban sokkal összetettebb a kép, amit a proton szerkezetéről tudnak a szakértők.
A protont hat különböző típusú kvark, ezek ellentétes töltésű antianyag párjai és gluonok alkotják folyamatosan változó számban, és ez a fluktuáló összetétel tökéletes stabilitást garantál, ráadásul kívülről sok szempontból tökéletesen imitálja három kvark együttesét, ami egészen lenyűgöző
– mondja Donald Geesaman, az Argonne Nemzeti Laboratórium magfizikusa.
A kutatók harminc évvel ezelőtt valami nagyon érdekeset fedeztek fel ezzel a protont alkotó részecskekeverékkel, a „tengerrel” kapcsolatban. Az elméleti fizikusok úgy sejtették, hogy a tengerben a különböző típusú antianyag-részecskék eloszlása egyenletes lesz, de a kísérletek azt mutatták, hogy down antikvarkokból szignifikánsan több van, mint up antikvarkokból. Egy évtizeddel később egy másik tudóscsoport is hasonlót tapasztalt az antikvarkok aránya terén, de eredményeik a kísérlet érzékenységének határán voltak, így messzemenő következtetéseket nem lehetett levonni belőlük.
Geesaman és kollégája, Paul Reimer pontosan ezért vágott bele két évtizeddel ezelőtt egy új kísérletbe. A SeaQuest nevű projekt mostanra fejeződött be, és kutatók a Nature oldalain számolnak be eredményeikről:
ezek alapján a proton antianyag-tartalma az eddigi legalaposabb mérések szerint úgy alakul, hogy átlagosan minden up kvarkra 1,4 down kvark jut.
Ez az eredmény két elméleti modell állításaira jelent bizonyítékot a protontenger kapcsán, gyakorlatilag először biztosítva kísérleti adatokat ezek megtámogatására. Az egyik a pionfelhő-modell, amely szerint a proton folyamatosan pionokat (a mezonok közé tartozó részecskéket) nyel el és bocsát ki. A másik pedig az úgynevezett statisztikai modell, amely a protont egy gázt tartalmazó tartályként képzeli el.
Hogy a két elméleti modell közül melyik áll közelebb a valósághoz, azt majd a következő évek kísérletei dönthetik el. De bármelyik is legyen az igazabb, a SeaQuest azon adatai, amelyek a proton antianyag-tartalmára vonatkoznak, rögtön hasznosulhatnak, különösen azon fizikusok köreiben, akik kísérleteik során protonokat ütköztetnek, például a svájci Nagy Hadronütköztetőben (LHC).
Az ütköztetett részecskék összetételének pontosabb ismerete ugyanis nagyban megkönnyíti az ütközések végeredményének átvizsgálását, és az ebben rejtőző esetleges új részecskék vagy jelenségek azonosítását. Ahogy Juan Rojo holland fizikus, az LHC adatainak egyik elemzője mondja, a fizikával kapcsolatos új ismeretek felderítését jelenleg erősen korlátozzák a proton szerkezetével kapcsolatos bizonytalanságok, különösen ami a részecske antianyag-tartalmát illeti.
Hárman párban
A képlet persze nem volt mindig ennyire bizonytalan. Fél évszázaddal ezelőtt egy rövid ideig úgy tűnt, hogy mindent sikerült feltárni, amit a protonról tudni érdemes. 1964-ben Murray Gell-Mann és George Zweig egymástól függetlenül fogalmazták meg a mai kvarkmodell alapjait, vagyis hogy
a protonokat, a neutronokat és a velük rokon más, ritkább részecskéket három kvarkos „csomagok” alkotják, míg a pionok és a mezonok egy kvarkból és egy antikvarkból állnak.
Ez a teória látszólag rendet vágott a nagyenergiájú részecskegyorsítókban végzett új kísérletek káoszában, amelyek adatai sorra támasztották alá, hogy a kérdéses részecskék töltése három vagy két összetevő kombinációjaként értelmezhető a leginkább. Aztán 1970 körül a stanfordi SLAC részecskegyorsítóban látszólag sikerült igazolni is a kvarkmodellt, amikor az elektronokkal bombázott protonokról az elektronok úgy szóródtak, hogy az a modell által felvázolt belső szerkezetet sejtetett.
A kép azonban nem sokáig maradt ennyire tiszta. „Ahogy elkezdtük megpróbálni mérni a három kvark tulajdonságait, rögtön észleltük, hogy valami más is zajlik a háttérben” – mondja Chuck Brown, a SeaQuest-csapat 80 éves fizikusa, aki az 1970-es évek óta foglalkozik a kvarkok kísérleti kutatásával.
Az első intő jel az volt, hogy a kvarkok impulzusmomentumából kikövetkeztethető tömegek együttese csak a töredékét adta ki a proton teljes tömegének. Ráadásul amikor a SLAC-ban gyorsabb elektronokkal ütköztették a protonokat, úgy tűnt, hogy azok háromnál több dologról pattannak vissza.
A gyorsabb elektronok rövidebb hullámhosszt jelentettek, ami feltárta a proton kisebb részleteit, mintha egy, a korábbinál jobb felbontású mikroszkóppal vizsgálták volna a részecskéket. A kísérletekkel egyre több elemi részecske létére derült fény a protonon belül, és úgy tűnt, hogy a munkának sosem lesz vége: ahogy egyre jobb lett a felbontás, újabb és újabb strukturális sajátságokra derült fény.
Az eredmények értelmezésében sokat segített a kvarkmodellen alapuló kvantum-színdinamika (QCD) nevű elmélet. Az 1973-ban megfogalmazott teória az atommagot összetartó erős kölcsönhatást írja le, amelyet a gluonok közvetítenek, összetartva a kvarkokat. A QCD előre jelezte a kísérletekből kirajzolódó zűrzavart, amely nagyrészt annak az eredménye, hogy magukra a gluonokra is hat az erő, amit közvetítenek. Ennek nyomán a proton belsejében a gluonok folyamatosan változnak, felbukkannak, felszaporodnak vagy éppen rövid életű kvark-antikvark párokra esnek szét.
Távolról (avagy alacsony felbontással) nézve ezek az ellentétes töltésű, egymás közelében megjelenő kvarkok és antikvarkok kioltják egymást, és olyan, mintha nem is lennének. (A proton összesített töltéséhez csak a három úgynevezett vegyértékkvark – két up és egy down – járul hozzá érdemben.) Ha viszont nagyobb a felbontás, ezek a kisebb részletek is feltűnnek.
Ez azonban nem minden. A magerők által befolyásolt gluonok gyakorlatilag megoldhatatlanná tették a QCD egyenleteit, és a fizikusok a mai napig nem tudnak pontos előrejelzéseket tenni a teóriával kapcsolatban. Azt azonban ezzel ellentétes ismeretek hiányában feltételezték, hogy a gluonok egyenlő számban esnek szét up és down kvark-antikvark párokra, magyarázza Mary Alberg, a Seattle-i Egyetem magfizikusa.
Éppen ezért óriási meglepetés volt, amikor 1991-ben egy genfi kísérletből az derült ki, hogy a proton belsejében található részecsketengerben több down antikvark van, mint up antikvark.
Pionokkal dekázgatva
Az elméleti fizikusok rövidesen egy sor lehetséges magyarázattal álltak elő a proton aszimmetriájára. Az egyik a pionokhoz kapcsolódik. A szakértők 1940-es évek óta tudják, hogy az atommagban a protonok és a neutronok pionokat adnak át egymásnak, mintha egy kosárlabdát passzolgatnának, és ez a passzolgatás feltehetően segít összetartani őket.
A proton vizsgálata során aztán kiderült, hogy a szubatomi részecske egyedül is „labdázik”, vagyis időről időre kibocsát egy pozitív töltésű piont, amivel átmenetileg neutronná válik, majd röviddel később ismét magába fogadja azt.
Vagyis amikor egy kísérlet során egy protont figyelünk, valójában lehetséges, hogy nem is egy protont nézünk, hanem egy neutront és egy piont, mondja Alberg. A kérdéses pion egészen pontosan egy up kvarkból és egy down antikvarkból áll, ami Alberg és mások szerint megmagyarázhatja, hogy miért vannak túlsúlyban a vizsgált protonokban a down anitkvarkok.
Claude Bourrely és francia kollégái egy másik teóriával, a statisztikai modellel magyarázzák az aszimmetriát. Ebben a protont felépítő részecskéket egy szobát kitöltő gázmolekulákként képzelik el, amelyek ide-oda száguldoznak a térben, attól függő sebességgel, hogy impulzusmomentumuk egész vagy félegész értéket vesz fel. Ez a modell szintén nagyobb arányú down antikvarkot eredményez a tengerben.
A két modell jóslatai ugyanakkor nem mindenben egyeznek meg. A proton teljes tömegének jelentős hányada azon részecskékhez köthető, amelyek ideiglenesen előtűnnek a tengerből, majd újra eltűnnek abban. Ezek a részecskék eltérő energiákat hordoznak, és a modellek eltérőképpen magyarázzák, hogyan változik a down és up antikvarkok aránya a nagyobb energiájú antikvarkokat függvényében.
Ezzel kapcsolatban a NuSea nevű kísérlet szállított kulcsfontosságú és egyben a fizikusokat komoly gondolkodásra késztető eredményeket 1999-ben. Az adatok alapján úgy tűnt, hogy a nagy impulzusmomentummal rendelkező antikvarkok között sokkal több az up antikvark, mint a down. A dolgot senki sem értette, ugyanakkor ezek a mérések a detektálható tartomány határára estek, ahol nem mindig megbízhatóak az adatok, így Geesaman és Reimer, a NuSea két kutatója nekilátott egy új, nagyobb momentumtartományt érzékelni képes kísérlet megtervezésének. Ez lett a SeaQuest.
Izgága müonok
Idő és pénz hiányában a kísérlethez szükséges berendezéseket korábbi projektek leselejtezett darabjaiból rakták össze. A szcintillátorokat Hamburgból, a részecskedetektorokat Los Alamosból, a sugárpajzsként használt vaslemezeket a Columbia Egyetemről, a hatalmas mágnest pedig a NuSea-projektből szerezték, és az új kísérletet a Fermilab protongyorsítójában vezényelték le.
A kísérlet során a felgyorsított protonok két célponttal találkoznak, egy hidrogénnel és egy deutériummal teli csővel, vagyis protonokkal, illetve egy protonból és egy neutronból álló atommagokkal ütköznek.
Amikor egy proton eltalálja valamelyik célpontot, vegyértékkvarkjainak egyike időnként semlegesíti a célpont protonjának vagy neutronjának az egyik antikvarkját. Ennek jellegzetes jele van, mivel egy müon és egy antimüon keletkezik, mondja Reimer.
Ezek a részecskék az ütközés során keletkező egyéb részecskékkel együtt belecsapódnak a vaslemezekbe: a müonok áthatolnak ezeken, míg minden más beragad. A müonok vason kívüli detektálása révén nemcsak az semlegesítése ténye, de pályából és a sebességből az antikvark impulzusmomentuma is megállapítható, folytatja a kutató.
Mivel a protonok és neutronok egymás tükörképei (a proton két up kvarkból és egy down kvarkból áll, míg a neutron két down kvarkból és egy up kvarkból), a két célpont ütközési adatainak összevetésével megállapítható a proton down és up antikvarkjainak aránya. Mindez persze a valóságban sokkal bonyolultabb, és a kísérlet első eredményeihez 20 év munkája kellett, de mostanra megszületett az eredmény.
Alberg és Miller 2019-re felvázolták, hogy a SeaQuest adatinak hogyan kellene kinézni a pionfelhő-modell alapján. A számítások nagyon jól illeszkednek a megfigyelt adatokra. A számok ugyanakkor a statisztikai modellel is összehangban vannak, így egyelőre nem lehet eldönteni, hogy melyik áll közelebb a valósághoz.
A döntő információ ebben a kérdésben a spin, vagyis a belső impulzusmomentum lehet.
Egy 1980-as években végzett müonszóródási kísérlet szerint a proton teljes spinjének mindössze 30 százalékát hordozzák a vegyértékkvarkok, a maradékért pedig valami más felel.
Hogy pontosan micsoda, azt a virtuális gluonokból és kvark-antikvark párokból álló tenger vizsgálata tárhatja fel. A SeaQuest folytatásaként megtervezett SpinQuest-projekt már majdnem rajtra kész. Hogy a proton mélységeit célzó újabb kutatás mikorra hozhat eredményt, az jelenleg nagyban attól függ, hogyan alakul járvány elleni védekezés – mert ahogy Brown mondja: végső soron minden mindennel összefügg.
