2012. aug 08.

13. Kis részecske határozó

írta: _Maverick
13. Kis részecske határozó

Csupán hozzánk viszonyítva van édes, keserű, forró és szín, a valóságban csak atomok léteznek és az űr!”

-Démokritosz-

bstn331l.jpgA proton, elektron és neutron alkotta részecske triumvirátus ismerete a XX. század végére az általános alapműveltség részévé vált. Szükséges is volt mindez, hiszen enélkül vajmi nehezen lehetett volna elektromos áramról, vagy éppen kémia reakciókról, atomenergiáról beszélni. Mára azonban oda jutottunk, hogy nem csak az elméleti fizikusok papírra vetett teóriái, hanem bizonyos létező, működő, nap mint nap használt berendezések is erősen támaszkodnak annak a döbbenetes világnak az ismeretére, amely ezen 3 részecske mögött/mélyén (kinek ahogy tetszik) rejlik. Könnyen elképzelhető, hogy a részecskefizikai standard modell szemléletes formája egy emberöltőn belül középiskolai anyaggá válik, hiszen ez a tudás szükséges lesz a minket körülvevő világ megértéséhez. Mivel a Higgs-bozonról szóló cikk hatalmas sikert aratott, így tovább után megpróbáljuk a lehető legegyszerűbb formában bemutatni a részecskefizikai standard modell egyenletek nélkül is érthető vázát!

Amellett, hogy a részecskefizikus tulajdonképpen a legősibb mesterség lehetett volna, hiszen az univerzum létrejötte utáni első 10 a mínusz rettenetesenediken másodpercben csak ők tudtak volna bármit értelmezni, meglepően sok hasonlóság mutatkozik köztük és a biológusok közt. Feladatuk a körülöttünk lévő világban megforduló részecskék alfajokba, csoportokba, osztályokba rendszerezése és leírása. Ez első látásra elég könnyű feladatnak tűnik, hiszen 3 állattal a biológusok is megfelelően hamar végeztek volna. Az idő múlásával azonban, ahogy egyre költségesebb és egyre jobban felszerelt expedíciók indulhattak útra a mikrovilág dzsungelébe, egyre-másra kerültek elő az egzotikusabbnál egzotikusabb új fajok, folyamatosan bővítve a szükséges osztályokat. A részecskefizikus bizonyos szempontból könnyebb helyzetben is van a biológusnál, ugyanis utóbbival ellentétben az előbbi pusztán elméleti számítások alapján meg tudta határozni nem egyszer, hogy milyen részecskét is kell keresni. A kísérleti felfedezés a legtöbbször célirányos keresés eredményeként történt meg, mint most a papíron már régen remélt Higgs-bozon esetében is.

HistoryOfTheUniverse.jpg

A részecskefizika másik fontos és meglepő jellemzője, hogy a biológusokkal vont tréfás párhuzammal szemben valójában az univerzum kialakulásával, felépítésével és történetével foglalkozó kozmológiával mutatja a legtöbb rokonságot. A XX. század második felében ez a rokonság olyan mértékűvé vált, hogy a két tudományág lényegében összeolvadt. A részecskefizikai elméletek legjobb tesztpályája ugyanis maga az univerzum (és fordítva). Ennek oka abban gyökerezik, hogy az Ősrobbanás mára már igen szilárd alapokon nyugvó elmélete alapján az univerzum egy végtelenül kicsi, végtelenül sűrű és forró pontból fúvódott fel és nyerte el mai formáját. A folyamat első szakasza hihetetlenül gyorsan ment végbe (a másodperc felfoghatatlanul kicsiny törtrészeiről beszélünk), melynek során a részecskefizika törvényeinek megfelelően kialakultak fokozatosan mai világunk építőkövei. És itt rejlik a kulcs! Ha ugyanis modelljeinkbe behelyettesítjük a részecskefizikai elméleteket, akkor azokból következtethetünk arra, milyen tulajdonságokkal kell rendelkeznie az ezen kezdeti állapotból kialakuló univerzumnak. Ha az égre nézve valami egészen mást látunk, akkor az elmélet nyilván rossz, további finomításra szorul, míg ha a megfigyelések igazolják az elképzelteket, akkor beilleszthetjük a puzzle új darabját korábbi tudásunkba. A modern technikának hála egy csipetnyi saját vezérlésű univerzumot is elhozhatunk már a Földre a részecskegyorsítók formájában, melyekben célzott méréseket lehet végezni. Az univerzum és részecskék lenyűgöző viszonyáról sokkal többet megtudhat a kedves olvasó Dávid Gyula előadásából:

A rövid bevezető után vegyük hát sorra az építőköveket. Ehhez az alábbi táblázatot hívjuk segítségül:

556px-Standard_Model_of_Elementary_Particles.svg.png

Látható világunkat az első oszlop, az úgynevezett első generáció elemei építik fel, ezen a ponton a második és harmadik oszloppal még nem kell foglalkoznunk. Őket két csoportra oszthatjuk: leptonokra (zölddel jelölve) és kvarkokra (lila). Leptonból kettő van az I. generációban: a jól ismert és valóban tovább nem osztható elektron, valamint az elektron neutrínó. A kvarkokból ebben a csoportban szintén kettőt különíthetünk el, ezeket a „fel” (up, a továbbiakban U) és a „le” (down, D) névvel illették. A különbség a leptonok és a kvarkok közt, hogy leptont már láttunk szabadon (noha a neutrínóért alaposan meg kellett szenvedni), míg a kvarkok társas lények, önállóan nem találhatóak meg. Ők építik fel a hadronokat, melyek között megtalálható maga a proton és a neutron is.

Mielőtt tovább építkeznénk, meg kell emlékeznünk a világot formáló 4 kölcsönhatásról:

Gravitáció: számunkra ez a leginkább érzékelhető, de a részecskék szintjén hatása észrevehetetlen, emiatt itt most nem vizsgáljuk. Különlegessége, hogy nem is igazán értjük működését, eleddig nem sikerült beépíteni az egységes képbe.

Elektromágneses kölcsönhatás: szintén nem igényel magyarázatot, hétköznapi hatásai nap mint nap érzékelhetőek. Minden töltött részecske közt hat.

Gyenge kölcsönhatás: ez a kölcsönhatás felelős például a radioaktív Béta-bomlásért, a protonok neutronokká alakulásért és más, az atommagon belül lejátszódó folyamatokért.

Erős kölcsönhatás: a legkülönösebb mind közül. Ez felelős a protonok, neutronok egyben tartásáért, de egyszersmind az atommag összefogásáért is. Gondoljuk csak meg: az atommagban lévő protonok egymást taszítják, tehát pusztán az elektromágneses kölcsönhatás létezése esetén nem maradhatnának együtt. Érdekessége, hogy 10 a -14-ediken méter felett hatása már nem kimutatható, azon belül viszont egyfajta gumiszalaghoz hasonló mechanizmus jellemzi: minél inkább eltávolodnának egymástól a hatása alatt álló részecskék, annál jobban húzza őket vissza. Ez a kölcsönhatás tartja egyben a kvarkok csoportjait.

A fentebb taglalt építő részecskéken kívül vannak úgynevezett közvetítő részecskék is, melyek a kölcsönhatásokat hozzák létre, azokat közvetítik. Úgy kell ezt elképzelni, mint két labdázó gyermeket. A labda révén az egyik erőt tud kifejteni a másikra, de ha a labdát nem dobják egymásnak, akkor nem érzékelik a másik hatását. A labdát a gyermek bizonyos értelemben kibocsáthatja (eldobhatja) és elnyelheti (elkaphatja).

4 „labdacsoportot” különíthetünk el, ezek a részecske táblázatban pirossal szerepelnek. A foton közvetíti az elektromágneses kölcsönhatást, a gluon az erős kölcsönhatást. Úgy is szokás mondani, hogy a gluon a színes dolgokat tartja össze. Szín alatt itt most nem a táblázat színeit értjük, hanem a kvarkok egy fizikai tulajdonságát, melyet szemléletes okok miatt illettek ezzel a névvel.

neutron.pngMinden kvark 3-féle színű lehet: piros, kék és zöld. Nem kell nagy jelentőséget tulajdonítani az első ránézésre furcsának ható jelölésnek, ez semmivel sem jelent többet annál, mint hogy valami pozitív vagy negatív töltésű. A színekre azért esett a választás, mert jól szemléltethető velük a kvarkok kölcsönhatása. A kvarkok ugyanis mindig úgy csoportosulnak, hogy a csoport kikevert színe fehér legyen! 3 kvark alkot egy bariont, így a 3 közt mindig kell lennie egy pirosnak, egy kéknek és egy zöldnek. Barion például a proton és a neutron is. Előbbi 2 U és 1 D-ből áll, míg utóbbi 1 U-ból és 2 D-ből. A lényeg, hogy mind a 3 szín jelen legyen. A kvarkok adják a proton és a neutron töltését is. Egy U ugyanis +2/3 töltésű, egy D pedig -1/3. Ezek összege kiadja az általunk jól ismert értékeket. Joggal kérdezhetjük, hogy miért éppen kétharmad? Ennek történeti oka van: a jóval korábban felfedezett elektront választották alapegységnek (hiszen nem volt arra utaló jel, hogy létezik ennél kisebb érték), később minden ehhez idomult.

A gluonok fogják tehát össze a színes dolgokat (a különböző lehetséges színkombinációk és szimmetriák miatt összesen 8 fajta gluont különíthetünk el), létrehozva az általunk is ismert nagyobb egységeket. Kell még azonban közvetítő részecske a gyenge kölcsönhatásnak is. Ebből mindjárt 3 is adódik: a Z bozon 0 töltéssel és a W bozon, mely lehet +1 és -1 töltésű. Ezek a részecskék igen rövid élettartamúak, továbbá nagy tömegűek. Segítségükkel írható le például a Béta-bomlás. Egy ábrán illusztráljuk a folyamatot:

betadecay.pngA Béta-bomlás során egy neutronból proton lesz, miközben megjelenik egy elektron és egy antineutrínó (utóbbira mindjárt visszatérünk). Ha jobban ráközelítünk a folyamatra, akkor valami nagyon érdekeset láthatunk: a „reakció” sokkal kisebb léptéken zajlik le. Az egyik D kvarkból U lesz a neutronban, a másik kettő pedig érintetlen marad. Mivel azonban a D töltése -1/3, az U-é pedig 2/3, a töltések pedig még a mikrokozmoszban is megmaradnak, így kibocsátásra kerül egy W-, ami elviszi a töltés különbséget. Ez a bozon roppant instabil, így egy szemvillanás alatt elbomlik egy elektronra és antineutrínóra, bevégezve ezzel a Béta-bomlást. Ehhez hasonló módon még számtalan folyamat játszódik le, de talán ezen keresztül megérthetjük kicsit, hogy milyen szerepet töltenek be a háttérben ezek a közvetítő részecskék.

Az olvasó figyelmét bizonyára nem kerülte el a neutrínó elé biggyesztett „anti” szócska. Minden részecskének van ugyanis egy antirészecske párja (elektron-poziton például). (Hogy ez mit jelent egészen pontosan, és miért nem látunk az antipárokból többet, arra most nem térnénk ki.) A tulajdonságoknak is van ennek megfelelően egy antipárja, mint a pozitív töltésnek a negatív töltés. A kvarkok színeihez is kapcsolódnak tehát antiszínek, de mivel ott hármas szimmetria van jelen, így kicsit bonyolultabb a helyzet, mint a +1 -1 esetben. A színeknek vannak antiszíneik, amikkel kikeverve fehéret adnak. Így egy antiproton lehet antipiros, antikék és antizöld (a színskála megfelelő tagjai behelyettesíthetőek).

mezon.pngHa azonban visszaemlékszünk a kvarkok színeinek kölcsönhatására, nevezetesen hogy a színek keveréke fehéret kell adjon, felmerülhet a kérdés: egy antipiros és egy piros kvark vajon megél-e együtt? A válasz pedig az, hogy egy piros kvark és egy antipiros antikvark bizony igen. Ezeket a kvark-antikvark párokból álló részecskéket nevezzük mezonoknak. A mezonok és barionok együttesét pedig hadronoknak, amely minden kvarkból álló dolog összefoglaló neve. Mielőtt elvesznénk a részecskék növekvő csordájában, kapaszkodjunk fel egy magaslesre, és nézzünk rá a megismert csoportokra:

500px-Bosons-Hadrons-Fermions.png

Ezen az ábrán két dolog van még, melyekről nem esett szó: a fermionok és a bozonok nagy csoportja. A két fogalom részleteibe nem mennénk bele, röviden arról van szó, hogy a fermionok feles spinnel rendelkeznek, és érvényes rájuk a Pauli-elv, avagy nem tartózkodhat két fermion azonos kvantumállapotban, míg a bozonokra ilyen megkötés nincs, spinjük pedig egész szám.

Még egy dolgunk maradt: szót emelni a II. és III. oszlopról, vagyis a magasabb generációs leptonokról és kvarkokról, amelyeket félretettünk az elmélkedés elején. Létezik ugyanis még 4 kvark, amelyeket mesekönyvbe és magyar kártyába illő módon kereszteltek el a bájos (charm, C), furcsa (strange, S), felső (top, T) és alsó (bottom, B) névre. A leptonok II. és III. generációs párjai az elektronnal rokonságot mutató müon és tau részecske, valamint a neutrínók közé tartozó müon neutrínó és tau neutrínó. Adódik a kérdés: mire valók ezek az építőkövek? A felületes válasz az lehetne, hogy gyakorlatilag semmire, ugyanis az általunk látható világ felépítésében nem játszanak szerepet. Mindegyikük roppant instabil, csak nagyon nagy energiájú ütközések során keletkeznek – már sikerült mindegyiket kimutatni kísérletileg is - és hamar – egy szemvillanás tört része alatt – elbomlanak alacsonyabb generációs partnereikre. Kivételt képeznek ez alól a neutrínók, melyeknek mind a 3 formája előfordul, és ezek egymásba átalakulhatnak a neutrínó oszcilláció jelensége során. (Ezekről a parányi részecskékről lesz még szó egy másik bejegyzésben.) Annyit biztosan tudunk ezekről az építőkövekről, hogy nem lehetnek többen, mert akkor univerzumunk nem így nézne ki, tehát ez a táblázat végleges formája.

Meg kell még említsük, hogy a kvarkok családjába imigyen bevezetett újabb 4 tag is képes barionok és mezonok felépítésére, aminek következtében ezen furcsa részecskéknek egy valóságos tárháza jön létre. Nem feltétlenül kell megragadni az UUD és UDD kombinációknál, tetszőleges hármas összerakható, amíg eleget tesznek a színek támasztotta feltételeknek. Az így létrejövő részecskék azonban az alkotóelemek instabilitása miatt igen gyorsan lebomlanak. (A barionok és mezonok listája a linkekre kattintva megtekinthető a főbb tulajdonságaikkal egyetemben.)

Ezzel az állatkertben tartott bevezető tárlatvezetés végére értünk. Mint azt észrevehettétek, nem esett még szó a Higgs-bozonról és arról, hogy minek köszönhetően van tömege az egyes részecskéknek. Minderről a folytatásban lesz majd szó eme áttekintő írás után.

Források

Discover Magazine

Wikipedia: Kvark, Standard Model, Hadron, Fundamental Interaction, Barion, Beta decay

CERN

physics.info

particlephysics.uk

Szólj hozzá

atom kvark lepton fókuszpont Higgs-bozon kölcsönhatások