50 év után a fizikusok erős bizonyítékot találtak arra, mi tartja össze valójában az anyagot

Az univerzum alapvető működése sok szempontból egy lefelé hömpölygő folyóhoz hasonlít: a részecskék és a fizikai rendszerek spontán módon mi...

Az univerzum alapvető működése sok szempontból egy lefelé hömpölygő folyóhoz hasonlít: a részecskék és a fizikai rendszerek spontán módon mindig az alacsonyabb energiaszintek felé törekednek.

Ebben a kozmikus völgyben a nehéz részecskék szétesnek könnyebbekre, a folyamat alján pedig ott áll a proton. A proton a legkönnyebb barion – azaz kvarkokból felépülő összetett részecske –, és a fizikusok még soha, egyetlen esetben sem figyeltek meg protonbomlást. Ez a rendkívüli stabilitás garantálja az általunk ismert anyag létezését és a szilárd világ szerkezetét.

A proton látszólagos örökéletűsége szorosan összefügg az úgynevezett barionszám-megmaradással, amely az egyik legfontosabb fizikai elv az anyag és az antianyag fizikai különbségek megértésében.

A fizikusok fél évszázadon keresztül abból a feltételezésből indultak ki, hogy a barionszámot a barionokat felépítő három úgynevezett valenciakvark hordozza. Most azonban a nukleáris fizika egyik legjelentősebb áttöréseként a kutatók olyan kísérleti bizonyítékokat találtak, amelyek alapjaiban kérdőjelezik meg ezt a leegyszerűsített képet.

A Science folyóiratban közzétett átfogó tanulmány szerint a barionszámot valójában nem maguk a kvarkok, hanem egy Y alakú szerkezet, az úgynevezett barion-csomópont hordozza. Ezt a csomópontot tömeg nélküli glüonok hozzák létre, azok a részecskék, amelyek kvantum-szintű ragasztóként tartják össze a barionokat. (1)

Bár az elképzelést már az 1970-es években felvetették teoretikusok, a fizikusok évtizedekig képtelenek voltak kísérletileg tesztelni a két egymással versengő elméletet. A probléma gyökere az volt, hogy a barion-csomópont három vége közvetlenül a valenciakvarkokhoz csatlakozik.

Ez a szoros elrendezés a legtöbb fizikai folyamat során szinte megkülönböztethetetlenné tette, hogy a barionszámért a csomópont vagy maga a kvarkcsoport a felelős. Ahhoz, hogy ezt a rejtélyt feloldják, a kutatóknak a modern fizika legdrasztikusabb módszeréhez kellett folyamodniuk: majdnem fénysebességre gyorsított atommagokat ütköztettek egymással.

A STAR Collaboration nevű nemzetközi kutatócsoport a New York-i Brookhaven Nemzeti Laboratórium már nyugdíjazott, Relativisztikus nehézion-ütköztetőjének adatsorait elemezte újra. A fizikusok két különleges ütközési típust vizsgáltak meg közelebbről: az izobár magütköztetéseket és a fotonukleáris kölcsönhatásokat, majd az eredményeket összevetették a legfejlettebb számítógépes szimulációkkal.

Az izobár ütközések során azonos tömegszámú, de eltérő elektromos töltésű atommagokat – ruteniumot és cirkóniumot – ütköztettek, majd megmérték a továbbhaladó barionok nettó számát a töltéseloszláshoz képest.

Ez a megközelítés azért bizonyult zseniálisnak, mert míg a valenciakvarkok jól ismert elektromos töltéssel rendelkeznek, a barion-csomópont elektromosan teljesen semleges. A mérési adatok meglepő mintázatot mutattak: a barionok sokkal messzebbre jutottak a rendkívül sűrű és forró ütközési zónán keresztül, mint maga az elektromos töltés. Ez arra utal, hogy a barionszámot a csomópont hordozza, amelyet a sűrű kvark-glüon plazma nem lassít le annyira, mint az elektromos töltéssel rendelkező kvarkokat.

A fotonukleáris kísérletek egy másik oldalról erősítették meg ezt az eredményt. Amikor az aranyatommagok fénysebességhez közeli tempóval száguldanak el egymás mellett, az általuk keltett erős elektromágneses mező egyfajta "kvázi-valódi" fotonfelhőt hoz létre az ionok körül. Amikor ezek a fényrészecskék nekiütköznek a szembejövő aranyatommagnak, kivételesen "tiszta" környezetet biztosítanak a barionszám-szállítás vizsgálatára.

Mivel a beeső foton barionszáma nulla, a felhalmozódó törmelékben mért minden egyes barionnak közvetlenül az aranyatommagból kell származnia. A tapasztalt adatok pontosan egybeestek a Regge-elmélet jóslataival, amely a csomópont-modellre épít, és éles ellentétben állt a tisztán valenciakvark-alapú szimulációkkal.

Bár a független szakértők hangsúlyozzák, hogy az eredmények egyelőre nem jelentik a mikroszkopikus mechanizmus közvetlen, teljesen izolált mérését, a gyűjtött adatok egyértelműen a barion-csomópont hipotézisét támogatják.

Ez a felfedezés messze túlmutat a részecskefizikai finomhangoláson. Ha sikerül pontosan megértenünk, mi tartja össze az anyagot a legalapvetőbb szinten, az közelebb vihet minket a kozmológia egyik legnagyobb rejtélyéhez: annak tisztázásához, hogy az ősrobbanás után miért alakult ki anyagdominancia az antianyaggal szemben, utat nyitva a csillagok, bolygók és végső soron az élet megszületésének.

A fizika válaszaiért a jövőben még erősebb berendezésekhez fordulunk, mint például a Brookhaven készülő Elektron-Ion Ütköztetője, ám a jelenlegi adatok alapján egyértelmű: az anyagot összetartó ragasztó sokkal összetettebb és izgalmasabb, mint azt fél évszázada hittük. (2)

(1) - https://www.science.org/doi/10.1126/
(2) - https://www.sciencealert.com/after