Mindezen összetevőket a fizikusok anyagrészecskéknek nevezik. Az elektronnak nincs belső szerkezete, a protonok és a neutronok viszont összetett részecskék: mindegyik három kvarkból áll. Az elektronhoz hasonlóan a kvarkoknak sincs belső szerkezetük, s csupán kétfajta kvark szükséges ahhoz, hogy felépítsük a protont és neutront: az u és a d (up és down) kvark. Ha ezekhez hozzáveszünk egy további, szerkezet nélküli részecskét, a semleges, nagyon könnyű neutrínót, teljes lesz a kép. Utóbbi fontos szerepet játszik azokban a reakciókban, amelyekben a neutronok protonná (illetve fordítva) alakulnak át – e folyamatok alapvetőek a radioaktív bomlások során és a Nap energiatermelésében.
Mindössze e négy részecske kell ahhoz, hogy felépítsük magunk körül a közönséges anyagi világot. Ezen túl vannak az anyagnak kevésbé közönséges formái, amelyek léteznek, de nem látjuk őket: az űrből érkező kozmikus sugárzás, valamint a nagyenergiás anyag, amelyet laboratóriumainkban hozunk létre, továbbá mindezek „tükörképe”, az antianyag. Ezek leírását és magyarázatát tűzik maguk elé az elemi részecskék fizikájával foglalkozó szakemberek.
A részecskefizika úgynevezett standard modellje egyesíti az elektromágneses, gyenge (a radioaktív kölcsönhatásokért felelős) kölcsönhatásokat, és hasonló módon írja le az erős kölcsönhatásokat (azokat az erőket, amelyek a kvarkokat tartják a protonon és a neutronon belül, illetve a protonokat és neutronokat tartják össze a magokban).
A részecskefizika szintjén a különböző kölcsönhatásokban részecskék keletkeznek és tűnnek el; elbomlanak és átalakulnak.
Mi szabályozza ezeket a bomlásokat? Minden folyamat során kötelezően érvényesülniük kell az alapvető megmaradási törvényeknek: az energia-, az impulzus- és az impulzusmomentum-megmaradásnak. Természetesen a speciális relativitáselmélet következtében a tömeg és az energia ekvivalens, így például a neutron, amelynek tömege nagyobb, mint a proton, elektron és antineutrínó együttes tömege, elbomolhat e részecskékre. Miért nem bomlik el mégis minden részecske a legkönnyebbre? Mert vannak további megmaradási törvények is. Ilyen például az elektromos töltés vagy a protonhoz és neutronhoz rendelhető „bariontöltés” megmaradása. Az utóbbi miatt nem bomolhat el a proton például pozitronná és fotonná. Bizonyos mennyiségek minden kölcsönhatás folyamán megmaradnak, mások csak bizonyos kölcsönhatások esetén.
A részecskéket jellemzőik alapján osztályozzuk. Alapvető tulajdonságaik: a tömegük, a különböző töltéseik és a spinjük. A spin a részecskék saját belső impulzusmomentuma (perdülete). A részecskék esetében ez saját megváltoztathatatlan tulajdonság, amely a h Planck-állandó többszöröse lehet. Az elemi részecskék spinje vagy h egész számú többszöröse (bozonok), vagy h/2 páratlan számú többszöröse (fermionok). Az anyagot alkotó részecskék fermionok, az erőket közvetítő részecskék bozonok.
A részecskefizika standard modellje magában foglalja minden tudásunkat az alapvető részecskékről. Leírja az anyagot alkotó részecskéket és azokat a részecskéket, amelyek az erőket közvetítik. Az erőket a közvetítő részecskék kicserélése hozza létre. Az elektromágneses erőt például a proton és az elektron között fotonok (a fény részecskéi) kicserélődése adja. A gyenge kölcsönhatásokat közvetítő bozonok a W+, W– és Z0 részecskék. Az erős kölcsönhatásokat a gluonok kicserélődése hozza létre (glue = ragasztó). Mindezen részecskék egységnyi spinűek, az általuk közvetített erők mégis nagyon különböző tulajdonságúak.
Az anyagot alkotó részecskék három négytagú családot, generációt alkotnak, amelyek csak tömegükben különböznek. Minden minket körülvevő anyag a legkönnyebb generáció elemeiből épül fel. Ezek a már említett u (up) és d (down) kvarkok, az elektron és az elektron-neutrínó. Míg az elektronnak egységnyi negatív elemi elektromos töltése van, a neutrínó pedig elektromosan semleges, az u kvark kétharmadnyi pozitív, a d kvark pedig egyharmadnyi negatív töltést hordoz.
A másik két család csak nagyenergiás ütközések során jön létre, és az az s (ritka), c (csinos) kvarkokat, a müont és a müon-neutrínót, illetve a b (bottom), t (top) kvarkokat, a tau-részecskét és a tau-neutrínót tartalmazza.
Mindegyik anyagrészecskének van antirészecskepárja, amelynek tömege megegyezik a részecskéével, azonban minden töltése ellentétes előjelű. Részecske-antirészecske ütközésekor általában erőhordozó részecskék jönnek létre, például elektron és pozitron ütközésekor fotonok keletkeznek.
Az erős kölcsönhatásban részt vevő részecskéket hadronoknak nevezzük. A kvarkokat a gluonok által hordozott erő tartja össze a hadronok belsejében, hadron például a proton és neutron, amelyek az atommagot alkotják.
Minden kvark hordoz egy úgynevezett színtöltést, amely három lehetséges értéket vehet fel; a gluonok is rendelkeznek ilyen töltéssel. Eddigi tapasztalataink alapján csak színsemleges és egész elemi elektromos töltésű részecskéket látunk szabadon a természetben. Ha két kvarkot el akarunk távolítani egymástól, ezek magukkal húzzák a gluonteret, amelynek energiája egyre nagyobb lesz. Ha ez az energia eléri egy kvark-antikvark párkeltéshez szükséges energiát, akkor a pár keletkezése után a gluontér-fonál elszakad, és két színsemleges új részecskénk keletkezik.
Az elektromágneses kölcsönhatás a részecskék elektromos töltésével és mágneses nyomatékával hat kölcsönösen. Az elektronokat a magokhoz az elektromágneses erő köti, amelyet a fotonok cseréje közvetít. Így jönnek létre a semleges atomok és molekulák. Ha egy részecske és antirészecske találkozik, átalakulhat fotonokká (szétsugározhat). Ha a természetben azonos mennyiségű részecske és antirészecske volna jelen, nem lennének a világegyetemben anyagszigetek (csillagok, galaxisok), minden anyag sugárzássá alakulna át.
A fizikusok egyik alapvető, máig megválaszolatlan kérdése: mi okozza a világban azt az aszimmetriát, hogy döntően csak anyag van jelen, és antianyag nincsen sehol? Eltekintve azoktól a – például a CERN-ben folytatott – kísérletektől, amelyek során az antianyagot mesterségesen állítják elő.
Részecskefizikai világképünk mélyén a kísérleti tapasztalatok állnak. A kísérletek egyre bonyolultabbak és nehezebbek lesznek. Egyrészt mivel csak úgy tudunk újabb eredményeket elérni, ha egyre nagyobb energiájú ütközéseket hozunk létre. Az ehhez szükséges berendezések rendkívül költségesek. Látva az Egyesült Államokban és a Szovjetunióban megépült kísérleti berendezéseket, 1954-ben 12 európai állam egyezményt írt alá egy európai részecskefizikai kutatóközpont, a CERN létrehozására, amely Genf mellett, a francia–svájci határ mentén épült fel. Az együttműködés sikerét mutatja, hogy mára húsz európai ország, többek között hazánk is csatlakozott (1992-ben) ezekhez a kutatásokhoz. 2007-re a korábbi LEP kísérletre megépített, 27 kilométer hosszúságú alagútban üzembe helyezik az új kísérleti berendezést, az LHC-t, amelyben 7 TeV energiájú protonnyalábok ütköznek majd.
Mi a céljuk ezeknek a nagy berendezéseknek? Egyrészt az, hogy teljessé tegyék a standard modellt, hiszen van egy-két olyan probléma, amelyre nem sikerült eddig választ adni. Az egyik a részecskék tömegének eredete. A standard modellben azt feltételezik, hogy van egy skalár tér (nulla spinű); a Higgs-tér és az egyes részecskék tömege attól függ, hogy milyen erős a kölcsönhatásuk ezzel a térrel. Azonban eddig nem sikerült a gyorsítókban megtalálni az ezen térnek megfelelő részecskét. Feltételezések szerint a Higgs-részecske tömege néhány száz GeV (mp), így ha létezik ez a részecske, feltétlenül keletkeznie kell az LHC energián. Ha nem a Higgs-részecske, hanem valami más terek okozzák a tömegeket, azokat is észlelnünk kell ezen az energián.
Van egy másik fontos alkotóeleme is a jövő részecskefizikájának, amiről a fizikusok nagyon szeretnék, ha igazolódna, ez pedig a szuperszimmetria. Ami azt jelentené, hogy minden részecskének lenne egy partnere: az anyagrészecskéknek (feles spinű részecskék) bozonikus (egész spinű), az erőt hordozó részecskéknek (egész spinű) fermionikus (feles spinű) partnerük. Abban reménykednek, hogy ezeket a részecskéket megtalálják ezen az energián. Létük nagyban segítené azt, hogy nagyon nagy energián az összes kölcsönhatás azonos erősségű legyen, azaz létrejöhessen a nagy egyesítés.
A másik fontos feladat a biztonságos számítógépes adatfeldolgozás létrehozása. A CERN-ből indult ki a keletkező több Pbyte – több millió Gbyte adat – feldolgozására alkalmas, elosztott PC alapú GRID technológia megteremtésének ötlete. Ebben jelentős szerepet vállalnak a magyar kutatók is. Ilyen nagyságrendű adat kézben tartása és gyors hozzáférhetősége lehetővé tenné például olyan részletes egészségügyi adatbázis felépítését, amelyben egy Magyarország méretű ország összes egészségügyi adatai az orvosok számára bárhol azonnal elérhetők volnának. A különböző vizsgálatok eredményei azonnal kiértékelhetők és a korábbiakkal összevethetők lennének. De fontosak az ilyen számítógépes fürtök az elméleti fizika szempontjából is. Ezeken viszonylag szerényebb költség mellett lehet végrehajtani a szükséges nagy számítógép-kapacitást igénylő számításokat.
Utolsóként említem az egész világ életét befolyásoló, a CERN-hez kapcsolódó újítást, a világháló és az azt követő böngészőszoftver megalkotását. Ezt a technikát éppen arra fejlesztették ki, hogy az előző LEP eszköz eredményeit minél könnyebben lehessen megosztani a résztvevők között. Éppen tíz évvel ezelőtt tette a CERN szabad szoftverré és szabad technológiává ezt az eszközt, amelynek megalkotója Tim Berners-Lee, a CERN munkatársa volt.
A standard modellnek más hiányosságai is vannak. Nem említettem meg eddig a negyedik erőt, a gravitációt. A gravitáció leírása nem része a standard modellnek. Ez a kölcsönhatás olyan gyenge, hogy nem játszik jelentős szerepet a részecskefizikában.
Mint tudjuk, Einstein úgy írta le a gravitációt, hogy az anyag módosítja a téridő geometriáját, és e módosított, görbült téridőben szabad mozgást végző testek görbült pályán mozognak. Ez a geometriai effektus az, amelyet gravitációs hatásként észlelünk. Van azonban egy alapvető gond a gravitáció elméletével: az általános relativitáselmélet nem egyeztethető össze a kvantumelmélettel. Einstein ezért élete végéig idegenkedett a kvantumelmélettől. Ha a gravitációt térelméletnek tekintenénk, megalkothatnánk a kvantált gravitációelméletet, amelynek kvantuma a graviton lenne. Azonban nemhogy gravitont nem látott eddig senki kísérletileg, de még a gravitációs hullámok létezésére is csak indirekt csillagászati bizonyítékaink vannak. Ez magyarázza azt, hogy éppen ebben az évben kezdődtek el olyan újabb mérések, amelyekkel a gravitációs hullámokat szeretnék kimutatni.
Eddig egyetlen olyan elmélet született, amely reménykeltően kívánja egyesíteni a gravitációt és a többi kölcsönhatást: ez az úgynevezett szuperhúrelmélet. Ebben a különböző részecskék egy Planck-hossz méretű szuperszimmetrikus húr rezgési modusaként írhatók le, többek között a graviton és szuperpartnere, a gravitínó is. Ezen elmélet jellemzője, hogy a Planck-hossznál kisebb távolságok nem léteznek benne.
Hogy valóban a szuperhúrelmélet vagy továbbfejlesztett változata, az M elmélet lesz-e a végső egyesített elmélet, a mindenségé vagy a „mindentudásé”, rövid időn belül nehezen lesz eldönthető, hacsak nem találunk az elméletben olyan következtetéseket, amelyek már megmérhetők lesznek mondjuk az LHC energiákon.
A fenti szöveg az október 20-án elhangzott előadás rövidített, szerkesztett változata.
Az előadás megtekinthető október 25-én (szombaton) a Duna Televízióban 10.55-től, október 26-án (vasárnap) az MTV-n 13.15-től, valamint az M 2-n 22.20-tól.
A Mindentudás Egyetemének következő előadása október 27-én 19.30-kor kezdődik a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem informatikai épületének B28-as előadójában (Budapest XI., Magyar tudósok körútja 2/B).
Az előadások teljes szövegét a hozzászólásokkal és a vitával együtt a www.mindentudas.hu weblapon találják meg az érdeklődők.
