Ugrás a tartalomhoz Lépj a menübe
 


Egy hajszálnyi eltérés a proton és a neutron tömege között, a világot jelenti számunkra

2015.08.09

 Egy hajszálnyi eltérés a világot jelenti számunkra – miért különbözik a proton és a neutron tömege?

 

A proton és a neutron tömege az iskolai fizikaórán tanultakkal ellentétben nem egyenlő, az utóbbi hajszálnyival nehezebb. Részben ennek köszönhető, hogy jelen formájában jött létre a világegyetem, és kialakulhattak a csillagok és a bolygók. A tömegkülönbséget magyar kutatók határozták meg az eddigi legnagyobb precizitással, egyúttal tesztelve a részecskefizika legfontosabb elméletét.

 

Mit is mérünk, amikor tömeget mérünk?

Néhány éve a Nagy Hadronütköztetőnek sikerült kísérletileg igazolnia, hogy vannak olyan részecskék, melyek a Higgs-térrel kapcsolatba kerülve tömeget nyernek. Ez alapvető fontosságú felfedezés volt, annak ellenére, hogy a tömegre úgy tekintünk, mint valami olyasmire, ami egyszerűen csak van, így annak megkérdőjelezése szembe megy a józan ésszel.

Az LHC ATLAS detektora - ez a Higgs-bozon vizsgálatának legfontosabb helyszíne. Forrás: CERN

Az LHC ATLAS detektora: ez a Higgs-bozon vizsgálatának legfontosabb helyszíne. Forrás: CERN

 

Tömeget azonban nemcsak a Higgs-tér képes adni részecskéinknek, hanem Einstein jól ismert E=mc2 összefüggése szerint a bennük található energia is. A proton és a neutron összetett részecskék (hadronok), vagyis több alkotóelemből állnak, tömegüknek nagyjából 99%-át pedig meglepő módon nem maguk az alkotóelemek – a kvarkok és az ezeket „összeragasztó” gluonok – adják, hanem a köztük ható kölcsönhatás energiája. Ez a belső kölcsönhatási energia viszont rendkívül hasonló a neutron és a proton esetén, így nem ad választ arra, hogy miért nem egyenlő a két részecske tömege, melyek szinte ugyanolyan belső szerkezettel, három-három kvarkkal rendelkeznek.

Apró eltérés

A tömegkülönbség magyarázata abban az 1%-ban keresendő, amelyért nem a kvark-gluon kölcsönhatás felel. Mivel a proton elektromosan töltött részecske, rendelkezik elektromágneses energiával is, amelynek szintén növelnie kellene a protontömeget (emlékezzünk vissza Einstein képletére). Ez így is történik, a kísérletileg meghatározott proton- és neutrontömeg viszont ellentmond ennek, hiszen a neutron bizonyult nehezebbnek.

A proton (balra) és a neutron felépítése. Forrás: Wikimedia Commons

A proton (balra) és a neutron felépítése. Forrás: Wikimedia Commons

 

A végső választ maguk a kvarkok adják meg: a két részecske kvarkszerkezete ugyanis csak majdnem ugyanolyan. A protonban két darab up és egy darab down, a neutronban pedig egy darab up és két darab down kvark van. Ezek a kvarkok rendelkeznek saját tömeggel – még ha nagyon kicsivel is –, amelyet valóban a Nobel-díjat érő Higgs-mechanizmusból nyertek. A down kvark egyszerűen nehezebb, mint azup, ráadásul pont annyival, hogy ellensúlyozza, sőt meghaladja az elektromágneses energiából származó tömeget, amely a proton felé billentené a mérleget.

Feltörhetetlen belső szerkezet

Az Akadémia Lendület programja által is támogatott, Budapest-Marseilles-Wuppertal együttműködés következtében létrejött nemzetközi kutatócsoport az eddig elért legnagyobb pontossággal számította ki a kvarkokból eredeztethető tömegkülönbséget. A számítást nagyban nehezítette, hogy a protonnál is nagyságrendekkel könnyebb kvarkokat nem lehet „csak úgy” megmérni, sőt külön-külön megfigyelni sem, mivel azok szabadon nem is létezhetnek. A kvarkok mindig be vannak zárva egy nagyobb részecskébe, mint esetünkben egy protonba, vagy egy neutronba, így vizsgálatuk olyan, mint egy lezárt zsákból kitapogatni, hogy abban milyen golyók lehetnek. A nemzetközi kutatócsoport is így tett: többek között pionok és kaonok tömegéből következtettek a kvarktömegekre, mivel ezek a protonnal és a neutronnal ellentétben nem három, csupán két kvarkból álló részecskék. „Ez olyan elmélet, amilyen a tudományban sehol máshol nincs, hiszen a kvarkok soha sem láthatók” – mondja Fodor Zoltán, a csoport tagja. A proton és a neutron tömegére voltak már korábbi elméleti számítások, de azok pontossága nem engedte meg ezen apró eltérés vizsgálatát. A magyar vezetésű kutatócsoport volt az első, melynek tagjai sikeresen számolták ki a tömegkülönbséget.

A Nap a NASA Solar Dynamics Observatory felvételén. Forrás: NASA

A Nap a NASA Solar Dynamics Observatory felvételén. Forrás: NASA

 

A 0,14%-os tömegkülönbség apró, mégis rendkívül fontos a világegyetem szempontjából. A különbség ugyan a részecskék teljes tömegéhez képest kicsi, mégis nagyobb, mint egy elektron tömege. Ez teszi lehetővé, hogy egy szabad – azaz atommaghoz nem tartozó – neutron képes elbomlani egy protonná egy elektronná és egy antineutrínóvá. Ha a tömegkülönbség kisebb lenne, akkor a neutron stabil maradt volna, nem bomlana el, így az egyetlen protonból és egyetlen elektronból álló hidrogénatomok nem építhetnék fel a csillagokat. Fordított esetben, ha a neutron jóval nehezebb lenne a protonnál, akkor nem tudná azt befogni egy atommag, így nem jöhetnének létre a nehezebb elemek, vagyis az univerzum ma teljesen eltérő képet mutatna.

„Minden részecskét ki tudunk számolni”

A Budapest-Marseilles-Wuppertal nemzetközi kutatócsoport magyar tagjainak – Borsányi SzabolcsFodor ZoltánKatz Sándor, Szabó Kálmán és Tóth Bálint  –, legfőbb eredménye azonban nem egyszerűen e tömegkülönbség meghatározásában áll. Kísérletileg ugyan már korábban megmérték a proton és a neutron tömegét, a kutatócsoport viszont teljesen más úton indult el: a JUQUEEN szuperszámítógép segítségével elméleti modellekből vezették le a tömegkülönbséget, amely egybevágott a kísérletileg mért értékekkel. Eredményük így megerősítette, hogy a Standard Modell, azaz a részecskefizika alapvető „játékszabálya” valóban helyes.

„Az elmélet mindenféle részecskére működik, és olyan részecskéket is le tudunk írni, amiket soha senki nem látott” – magyarázta Fodor Zoltán. A kísérleti és elméleti eredmények összecsengése hasonló egy két végéről épített hídhoz, amely végül középen pontosan összekapcsolódik. „Lenyűgöző, hogy amit a rácsszimulációkból ki lehet számolni, az ugyanaz az elmélet, mint ami megvalósul neutroncsillagokban vagy a Nap hőmérsékletének százszorosán is: egyetlen egyenlet leírja az egészet” – mondta el Borsányi Szabolcs.

Az Androméda-galaxis. Forrás: NASA

Az Androméda-galaxis. Forrás: NASA

 

A magyar kutatók korábban ismeretlen pontossággal dolgoztak, azaz igazi terheléses tesztnek vetették alá a fizika egyik sarokkövének tartott Standard Modellt, mely sikeresen vette az akadályt. Eredményeikből nem csak a részecskefizika, de a magfizika is sokat profitálhat majd. „Sikerült nagy pontossággal megértenünk a proton és a neutron szerkezetét és tömegét. Ezeket összerakhatjuk egymással, csinálhatunk egy atommagot és megpróbálhatjuk annak is megérteni a fizikáját” – fogalmazott Katz Sándor.

A kutatók eredményeit világ egyik legrangosabb tudományos folyóirata, a Nature hasábjain kiemelte a Frank Wilczek Nobel-díjas fizikus, ismertetője itt olvasható.

Szepesi András

 mta.hu/tudomany_hirei