A protonokat és neutronokat összekötő erős kölcsönhatás (vagy magerő) újfajta mérése egy igen kellemetlen igazságra világít rá: még mindig nincsenek megbízható ismereteink az atommagot szervező erőkkel kapcsolatban. A magerő vizsgálata érdekében a fizikusok két protonból és két neutronból álló hélium-4 atommagokkal kísérleteztek.
Amikor a hélium atommagot gerjesztik, az nőni kezd, mint egy felfúvódó lufi, míg végül az egyik proton leválik róla. Egy nemrégiben végzett kísérlet során azonban a héliummagok meglepő módon nem az elképzeléseknek megfelelően viselkedtek: jobban felfúvódtak vártnál, mielőtt „szétpukkadtak” volna. A tágulás mértékét leíró mérőszám, az úgynevezett alaktényező ráadásul kétszer akkorának bizonyult, mint amit az elméletek előre jeleztek.
„Az elméletnek működnie kellene” – mondja Sonia Bacca, a mainzi Johannes Gutenberg Egyetem elméleti fizikusa, a vizsgálatról beszámoló, a Physical Review Letters című folyóiratban megjelent tanulmány egyik szerzője. „Értetlenül állunk az eredmények előtt.”
A kutatók szerint a héliummag „felfújása” gyakorlatilag minilaboratóriumként szolgálhat a magfizikai elméletek tesztelésére, mert úgy működik, mint egy mikroszkóp: képes felnagyítani, nyilvánvalóvá tenni az elméleti számításoktól való eltéréseket.
A fizikusok ráadásul úgy válik, hogy a felduzzadt atommag bizonyos sajátosságai miatt rendkívül érzékeny a magerő legkisebb összetevőire is – olyan apró tényezőkre, amelyeket általában figyelmen kívül hagynak a szakértők. Az, hogy az atommag mennyire képes megduzzadni, a maganyag minőségétől függ, amelynek vizsgálatai nagyon messzire, egészen a neutroncsillagok rejtélyes szívébe vezetnek. Mielőtt azonban megmagyarázhatóvá válna a neutroncsillagok fizikája, a fizikusoknak először azt kell kideríteniük, hogy előrejelzéseikben miért tévedtek olyan nagyot a kísérletekhez képest.
Bira van Kolck, a francia Nemzeti Tudományos Kutatóközpont elméleti magfizikusa szerint Bacca és kollégái egy jelentős problémára világítottak rá a magfizikában. Szerinte találtak egy olyan esetet, ahol a magi kölcsönhatásokkal kapcsolatos legjobb tudásunk igencsak hiányos. A kísérletek felnagyították azokat az elmélettel kapcsolatos problémákat, amelyek más helyzetekben nem tűntek annyira relevánsnak, mondja van Kolck.
Erős kölcsönhatás
Az atomi nukleonokat – a protonokat és a neutronokat – a kurrens fizikai elméletek szerint a négy alapvető kölcsönhatás közül az erős kölcsönhatás tartja össze. Az erős kölcsönhatás elmélete ugyanakkor eredetileg nem azért született, hogy megmagyarázza, hogyan tapadnak össze a nukleonok. Eredetileg annak magyarázatára dolgozták ki, hogyan épülnek fel a protonok és a neutronok a kvarkoknak és gluonoknak nevezett elemi részecskékből.
A fizikusok sokáig nem is értették, hogyan lehetne az erős kölcsönhatás révén megérteni a protonok és neutronok összetapadását.
Az egyik probléma az erős kölcsönhatás bizarr természetében rejlett: a magerők a távolság növekedésével erősödnek, ahelyett, hogy lassan csökkennének.
Ez a tulajdonságuk lehetetlenné teszi, hogy a szokásos számítási megoldásokat alkalmazzák velük kapcsolatban a kutatók. Amikor a részecskefizikusok meg akarnak érteni egy ilyen rendszert, az erőt általában kezelhetőbb tényezőkre bontják, ezeket a legfontosabbaktól a legkevésbé fontosig rangsorolják. Aztán egyszerűen figyelmen kívül hagyják a kevésbé fontosakat, így téve egyszerűbbé, könnyebben kezelhetővé a rendszer modelljét. Az erős kölcsönhatás esetében azonban ezt sokáig nem tudták megtenni.
Aztán 1990-ben Steven Weinberg módot talált arra, hogy a kvarkok és gluonok világát összekapcsolja az atommagokkal. A megoldás egy effektív mezőelméletet alkalmazása lett, egy olyan elméleté, amely csak annyira részletgazdag, amennyire szükséges ahhoz, hogy egy adott méretben leírja a természetet. Egy atommag viselkedésének leírásához nem kell foglalkoznunk a kvarkokkal és a gluonokkal, ehelyett ilyen méretekben egy új effektív erő érvényesül, az erős magerő, amelyet a nukleonok között a pionok közvetítenek, mondta Weinberg.
Weinberg munkássága révén a fizikusok végre elkezdték megérteni, hogyan lesz erős magerő az erős kölcsönhatásból. És mindez lehetővé tette számukra azt is, hogy a szokásos közelítő módszereken alapuló elméleti számításokat végezzenek. Az egyik ennek nyomán kidolgozott elmélet, a királis effektív elmélet, ma széles körben elfogadott, és „a legjobb elmélet, amink van”, az atommagok viselkedését meghatározó erők kiszámítására, mondja Bacca.
2013-ban Bacca az effektív mezőelméletet használta arra, hogy megjósolja, mennyire duzzad meg egy gerjesztett héliummag. Amikor azonban összehasonlította számításait az 1970-es és 1980-as években végzett kísérletekkel, jelentős eltéréseket talált. Az elmélet a mértnél kisebb duzzadást jósolt, de a kísérleti hibahatárok túl nagyok voltak ahhoz, hogy biztosan lássa a helyzetet.
Pufi atommagok
Bacca ezért rávette mainzi kollégáit, akiknél a legjobb felszerelés állt rendelkezésre ehhez, hogy ismételjék meg az évtizedes kísérleteket. Az új együttműködés keretében Simon Kegel és kollégái újra elvégezték a kísérleti munkát, Bacca és kollégái pedig megpróbálták megérteni a kísérletek és az elmélet közötti eltéréseket.
Kísérleteik során Kegel és kollégái úgy gerjesztették az atommagokat, hogy elektronnyalábot lőttek egy hideg héliumgázt tartalmazó tartályba. Ha egy elektron az egyik héliummag közelében száguldott el, akkor energiájának egy részét a protonoknak és a neutronoknak adta, aminek hatására az atommag felfúvódott. Ez a felfúvódott állapot azonban csak átmeneti volt, az atommag gyorsan elvesztette az egyik protonját, és két neutronnal és egy szabad protonnal rendelkező hidrogénmaggá bomlott.
Mint más magi átmeneteknél is, csak egy bizonyos mennyiségű hozzáadott energia teszi lehetővé az atommag felduzzadását. Az elektronok lendületének megváltoztatása és a héliumatom megfigyelésével a szakértők meg tudták határozni a tágulás mértékét, majd ezt összevetették a különböző elméleti számításokkal. Az volt azonban a bökkenő, hogy egyik elmélet sem passzolt a kísérleti adatokhoz. És furcsa módon a mértekhez legközelebbi elméleti kalkuláció a magerő erősen leegyszerűsített modelljét használta, nem pedig a széles körben elfogadott királis effektív mezőelméletet.
Ez teljesen váratlan volt Bacca szerint, és más kutatók is hasonlóan értetlenül állnak a dolog előtt. „Egy világos, jól kivitelezett kísérletről van szó, így bízom az adatokban” – mondja Laura Elisa Marcucci, a Pisai Egyetem olasz fizikusa.
A szakértő azt is hozzátette, hogy ha viszont a kísérlet és az elmélet ellentmond egymásnak, akkor az egyiknek tévednie kell.
Egyensúlyra várva
Utólag visszatekintve ugyanakkor a fizikusoknak számos okuk lett volna arra, hogy gyanítsák, ez az egyszerűnek tűnő mérés próbára teheti a magerőkről alkotott ismereteinket. Először is az egész rendszer nagyon kényes. Az energia, amely a héliummag átmeneti felfújásához szükséges, pont a proton kilökődéséhez szükséges energiamennyiség felett van, és éppen a neutron hasonló küszöbértéke alatt. Ez mindent megnehezít a számításokban.
A második probléma Weinberg effektív mezőelméletéhez kapcsolódik. A teória azért tűnt működőképesnek, mert lehetővé tette a fizikusok számára, hogy figyelmen kívül hagyják az egyenletek kevésbé fontosnak ítélt részeit. Van Kolck szerint azonban pontosan az lehet a gond, hogy a kevésbé fontosnak tartott és rutinszerűen figyelmen kívül hagyott részek közül néhány valójában nagyon is fontos. A héliumos kísérlet „mikroszkópja” tehát egy alapvető hibára világít rá.
Számos kutatócsoport, köztük van Kolck és társai is tervezi, hogy reprodukálják Bacca számításait, hogy kiderítsék, hol lehet a hiba. Lehetséges, hogy egyszerűen csak több tényező beépítésére van szükség a magerős modellbe. De az is elképzelhető, hogy ezek a felfúvódó héliummagok egy lényegi tévedést tártak fel a magerővel kapcsolatos vélt ismeretekben.
„Feltártunk egy rejtélyt, de sajnos nem oldottuk meg. Még nem”
– mondja Bacca.
