Jéki László

Nyomtatóbarát változat

„...zárt elektronkihólyagzások,
elektron-kicsöcsösödések, lüktető kvark-fölbuborékzások az
atommag-erőtérhólyagból...”
Juhász Ferenc:


Miért hit? Miféle hit?

A NASA amerikai űrügynökség Chandra röntgenobszervatóriuma két nagyon furcsa égitestet fedezett fel. Egyikük túl kicsi, míg a másik túl forró ahhoz, hogy a jelenlegi világleírásunkba egyszerűen beilleszthető legyen. Lehet, hogy ezek a csillagok az anyag legelemibb építőköveiből, kvarkokból épülnek fel. A földi laboratóriumok óriásgyorsítóiban még nem sikerült ezt a különleges anyagállapotot létrehozni.

A mai legnagyobb részecskegyorsítóknál, először a genfi CERN-ben, majd az amerikai Brookhaven Nemzeti Laboratóriumban, egyes kísérleti eredmények már arra utalnak, hogy talán sikerült átmenetileg, nagyon rövid időre létrehozni a keresett kvarkanyagot. Ez az állapot azonban csak pillanatokra állítható elő, utána a kvarkok ismét hadronokká állnak össze.

Ezeket a kvarkokat, elméleti és kísérleti kutatásukat próbáljuk meg közelebb hozni az olvasóhoz, bár tudjuk, hogy a modern fizika eredményei igazán csak a felsőbb matematika nyelvén adhatók vissza, a szöveges leírás mindig leegyszerűsítő. Az ismerkedést tovább nehezíti, hogy az elemi részekről, így a kvarkokról sem tudunk fényképeket készíteni, nem tudjuk lerajzolni őket.

---

1911-ben Ernest Rutherford aranyfóliát tett ki alfa-sugárzásnak. Az alfa-részecskék többsége simán áthatolt a fólián, néhány részecske viszont visszaverődött. Rutherford szerint ez a jelenség „csaknem olyan hihetetlen, mintha 15 hüvelykes gránáttal egy darabka papírszövetre lőnénk, és a lövedék visszapattanna, eltalálna minket”. A brit fizikus arra következtetett mérési eredményeiből, hogy az atom belsejében egy tömör tartománynak kell lennie. A korábban pudingszerűen elképzelt atom helyett megszületett az atom máig érvényes modellje: az atom közepén foglal helyet a százbilliomod méternél kisebb atommag, ez tömöríti magába az atom tömegének 99%-át. Az atommag kiterjedése tízezred része az atoménak, az atomtérfogat túlnyomó részét a mag körül keringő elektronok töltik ki.

Két évtizeddel később kiderült, hogy az atommagokat közel azonos tömegű elemi részecskék, a pozitív töltésű protonok és a semleges neutronok alkotják. A hatvanas–hetvenes évek elméleti modelljei és kísérleti vizsgálatai feltárták, hogy a protonok és a neutronok is összetettek, belső szerkezetük van, kvarkokból állnak. Addigra már több százra nőtt a még mindig „eleminek” nevezett részecskék száma, döntő többségük szintén kvarkokból áll.

Az atommag mérete nagyjából 10^-15 méter, s mi a proton belső szerkezetének megismerését tűztük ki célul. A parányok vizsgálatához óriások adnak segítséget. A kísérleti részecskefizika mai legnagyobb eszköze, a legnagyobb részecskegyorsító 27 kilométer kerületű földalatti alagútban működik, ez hosszabb a budapesti metróvonalaknál. Az észlelő-berendezések többször tíz méter nagyok, a belsejükben sok tonna vas éppúgy található, mint nagyon finom szerkezetek. Minden másodpercben hatalmas adatmennyiséget gyűjtenek, az események milliárdjaiból a legnagyobb teljesítményű számítógépek válogatják ki a néhány érdekes új jelenséget.

A fizika is az elmélet és a kísérlet állandó kölcsönhatásával halad előre. A részecskefizika egyik nagy alakja, Victor Weisskopf a részecskefizikai kutatásokat Kolumbusz utazásához hasonlította. A gyorsító-berendezésekkel foglalkozó fizikusok és mérnökök építik a hajókat, a kísérleti fizikusok feszítik ki a vitorlákat, és ők fedezik fel Amerikát. Az elméleti fizikusok azok, akik Madridban ülve megjósolják, hogy a hajó Indiában fog partot érni.

A szerző is kísérleti fizikus. Feszítsük ki a vitorlákat, és induljunk el együtt felfedezni a kvarkokat!

Partonok és kvarkok

1970-ben a Stanfordi Egyetemen 20 gigaelektronvolt energiára gyorsított elektronokkal bombáztak protonokat. A vártnál több elektron szóródott nagy szögekben, ami arra utalt, hogy a protonokon belül kisebb alkotórészek vannak. Richard Feynman partonnak nevezte ezeket az összetevőket (a latin pars, illetve az angol part szó jelentése: rész). A következő évtizedben a kísérletet más részecskékkel is megismételték, így az elektronnál százszor nehezebb müonokkal és a parányi tömegű neutrínókkal is. Az elektronok, müonok, neutrínók közös neve lepton, ezek belső szerkezet nélküli, pontszerű képződmények, ezért ideális eszközök a protonszerkezet vizsgálatához. Mindhárom részecskefajtával azonos eredmény adódott, nagyszögű szórásuk igazolta a proton belső szerkezetét. Ezek a kísérletek joggal kapták a modern vagy második Rutherford-kísérlet elnevezést. A második kísérlet elve ugyanaz volt, mint az elsőé: visszaszóródó részecskék tulajdonságaiból következtettek a szórócentrumok – ez esetben a protonokon belüli partonok – létezésére. Ez volt az első kísérleti bizonyíték arra, hogy a jól ismert elemi részecskék egyike, a proton is összetett szerkezet, részei vannak. 1972-ben a CERN-ben más típusú kísérletet végeztek ellenőrzésül. Nagyenergiájú protonokat protonokkal ütköztettek, a nagyszögű szórás eredményei azt mutatták, hogy az egyik proton valamely összetevője szóródott egy másik proton alkotórészén. Tehát valójában egy parton szóródott partonon. Ez a kísérlet tovább erősítette a parton-modellt.

A megdöbbentő új eredményeket szolgáltató kísérletekkel párhuzamosan, azokat meg is előzve, az elméleti fizika is hasonló eredményekre jutott. Az elméleti modellekből olyan elemirészecske-család képe rajzolódott ki, amelynek a tagjai, köztük a proton is, összetett részecskék. Ekkor már távol volt a tudomány a bevezetőben idézett egyszerű képtől, amikor a proton, a neutron, az elektron volt csak ismeretes, és ezek elegendőek is voltak a világ leírásához. Az 1930-as évektől kezdve, egyre gyorsuló ütemben újabb és újabb részecskéket ismertek fel. Ahogy az egyre nagyobb gyorsítók megépültek, mindig új és új, addig feltáratlan energiatartományban lehetett méréseket végezni. (Néhány részecskét, mint a pozitront és egyes mezonokat, először a világűrből érkező kozmikus sugárzás kölcsönhatásaiban fedeztek fel.) A részecskék száma egyre nőtt, már a görög ábécé majd mindegyik betűjét igénybe vették a jelölésükre. Az egyre gyorsuló pénzromláshoz hasonlóan itt is inflációs folyamat ment végbe, hiteltelenné vált az „elemi részecske” megnevezés, több száz nagyon különböző objektumra már nem illett az elemi jelző.

Ekkor lépett a színre M. Gell-Mann amerikai fizikus kvark-hipotézisével. Számításai szerint három feltételezett részecskéből – ezeknek a kvark nevet adta, a név eredetére, jelentésére később visszatérünk – valamennyi olyan részecske felépíthető, amely az erős kölcsönhatásban vesz részt. Az erős kölcsönhatásban részt vevő részecskék, azaz a hadronok közé tartozik a proton, a neutron és még sok-sok akkoriban éppen csak megismert, nem stabil részecske. Gell-Mann kiszámította, milyen tulajdonságokkal kell rendelkezniük a kvarkoknak ahhoz, hogy jól használható építőkövek lehessenek. Munkája nagyon sikeres volt, az elemi részecskék valamennyi sztatikus tulajdonságát, tehát elektromos töltését, különböző kvantumszámukat, pl. ritkaságát, spinjét pontosan adta vissza a kvark-hipotézis.

A részecskéket, az atomokat, az atommagokat kvantumszámaik jellemzik. A kvantumszámok kvantált, tehát csak meghatározott értékeket felvevő mennyiségekre vonatkoznak. A mikrovilágban kvantált az energia, az impulzus, a töltés és sok más tulajdonság. A tulajdonságok egy részének nincs makrovilágbeli megfelelője. A kvantumjellemzők általában megmaradó mennyiségekhez kapcsolódnak. Ez azt jelenti, hogy egy átalakulás során az adott tulajdonság összértéke (pl. a töltés) nem változik, legföljebb az átalakulás résztvevői átadhatják egymásnak. Ezek a megmaradási törvények kiválasztási szabályokhoz vezetnek, egy bomló részecske nem alakulhat át tetszőlegesen, hanem csak úgy, hogy a megmaradó mennyiségek megőrződjenek. Ez jelentősen lecsökkenti a szóba jöhető átalakulások körét. A kvark-hipotézisben az volt a fantasztikus, hogy mindössze három, néhány tulajdonsággal felruházott részecskéből fel lehetett építeni több száz, túlnyomó többségében bomló, átalakuló részecskét.

Hatalmas volt a siker, ismét közeledett a világkép a görögök régi álmához: egyszerűen, néhány elemből felépíthető a világ. A három kvark (és antirészecske párjaik, a három antikvark) színre lépésével több száz részecske már nem volt jogosult az elemi jelzőre, hiszen fény derült összetett voltukra. A hadronok családjához a mezonok, illetve a barionok tartoznak, amelyek két, illetve három kvarkból állnak, és a kvarkok az elemi összetevők. Van persze jó néhány részecske, amely nem vesz részt erős kölcsönhatásban, így értelemszerűen ezek nem is kvarkokból állnak.

A parton-modell a hadronok dinamikai tulajdonságait, a kvark-modell pedig a sztatikus jellemzőket írja le. A kísérleti bizonyítékok alapján egyértelmű, hogy a parton és a kvark ugyanazokat a részecskéket jelöli, a szavak felcserélhetők. Ma már csak a kvark kifejezés használatos a hadronok összetevőinek megnevezésére. A kvarkok létezése mellett szóló igazi közvetlen bizonyíték viszont máig hiányzik.

Szabad, magában levő kvarkot rengeteg erőfeszítés ellenére sem sikerült megfigyelni. A kvarkokat nem sikerült kiszabadítani, olyan a helyzet, mintha életfogytig be lennének börtönözve a hadronokba. Egyre nagyobb energiájú részecskékkel bombázták a hadronokat, de azok sohasem estek szét kvarkdarabjaikra. Roppant nagy elméleti erőfeszítéseket tettek az ún. kvark-bezárás értelmezésére, arra kerestek magyarázatot, miért nem képesek kiszabadulni, önálló életet élni. Nagyon szokatlan a probléma, hiszen eddig még egyetlen olyan jelenség sem volt ismeretes, hogy valamiről tudjuk, hogy részekből áll, és mégsem tudjuk részeire szétszedni. A kvarkokkal éppen ez a helyzet: biztos a létezésük, ahogy a hadronok összetett jellege is, mégis hiábavaló volt (legalábbis mindeddig) a részekre szedésükkel próbálkozni. A kvarkok térelmélete (a kvantum-színdinamika) megpróbálja értelmezni ezt a furcsaságot. A feltevések szerint a kvarkok között ható erő gyenge, amikor a kvarkok közel vannak egymáshoz, és ez az erő a kvarkok távolodásával fölerősödik. Ahogy távolodna az egyik kvark, egyre nagyobb erő tartja vissza. Ez éppen fordítottja az elektromágneses és a gravitációs kölcsönhatás jól ismert, a távolság növekedésével arányos gyengülésének. Úgy is elképzelhetjük a bezárt kvarkokat vagy partonokat, hogy vastag, normálisan laza rugó tartja össze őket a nukleon belsejében. Nagyon erős ütközésekben a rugó megfeszül, s minél jobban megfeszül, annál erősebb az összetartó erő a kvarkok között. Az elméletek ezeket a feltevéseket az erős kölcsönhatásokat közvetítő részecske, a gluon tulajdonságaiban jelenítik meg. (A részecske neve az angol glue, vagyis ’ragasztó’ szóból ered.) Ez a gluon ragasztja össze a kvarkokat.

Mire megszülettek a kvarkok bezártságát magyarázó elméletek, más számítások már arra utaltak, hogy nagyobb energiákon a kvarkok mégis kiszabadulhatnak börtönükből. Laboratóriumi körülmények között ez az állapot természetesen csak átmeneti lehet, mert nem tudjuk fenntartani a kvarkok tartós szabadságához szükséges viszonyokat. Ezért a kvarkok átmeneti kiszabadulásuk után újra visszazáródnak, visszafagynak a hadronok belsejébe. A később majd részletesebben bemutatott kísérletekben ezt az oda-vissza átmenetet próbálják meg létrehozni, megfigyelni.

Az első három kvark

„Three quarks for Muster Mark!” – három kvarkot Mark mesternek! Az idézet James Joyce Finnegan ébredése című, szürrealista regényéből való, innen származik a modern részecskefizika egyik alapszava, a kvark. Joyce írásában szakértő irodalmárok szerint a quark (kvark) kifejezés a hark! (hé!) és a quart (negyedgallonos sör) szavak összevonásából keletkezett. A fizikába Murray Gell-Mann vezette be, így nevezte el az akkor még csak feltételezett részecskéit. Gell-Mann azért választotta ezt a szót, mert a tengeri sirály hangjára emlékeztette, a névválasztásban az is erősítette, hogy három kvarkot (három sört) kérnek a regényben, s az ő eredeti modelljében is három kvark szerepelt. Gyermekkorában sok időt töltött New Yorkban az Atlanti-óceán partján, ott hallgatta a sirályokat.

Gell-Mann A kvark és a jaguár című, bestsellerré vált könyvének központi kérdése, hogyan képesek a fizika alapvető törvényei (mindenekelőtt a kvantumelmélet, amely a kvarkok és más elemi részecskék tulajdonságait adja meg) olyan összetett szervezeteket létrehozni, mint amilyen pl. a jaguár. Az atommag alkotórészeinek belsejében levő kvark egyszerű, az éjszakai dzsungelben vadászó jaguár összetett, a kettő közti kapcsolat megteremtésének intellektuális kalandja foglalkoztatja a szerzőt.

Az irodalmi kvarkokra visszatérve, egyáltalán nem egyszerű az eredeti forrás, Joyce regényének értelmezése, fordítása. Álljon itt igazolásul egy rövid részlet a Finnegan ébredéséből Lutter Tibor próbafordításában: „– Jó étvágyat nekünk, Muksz úr! Hogy van a hogya? – csipálta Grájpsz egy iggenbiggen mancigdaléni changon és az chüvöltő távonbelüli minden hímszamár röhögött és iázott a szándékán, mert tudták, most varangyult sandán ravaszra. Omniumdolgok felett boldog vagyok látni önt, májszterem. Tánremélem, megmondana-e nékem mindent, kedvire van-e egészségednek?” Van-e ennek értelme? – kérdezi tanulmányában Lutter Tibor. Joyce sem szófejtő szótárt, sem kommentárt nem kapcsolt művéhez, a megoldást kritikusaira és olvasóira bízta. Ebből a környezetből indult a kvark. Karrierje a fizikai szakfolyóiratokban folytatódott, Nobel-díjak sorát ítélték oda a kvarkokkal kapcsolatos felfedezésekért.

A bájos negyedik

További kitérők helyett egyelőre térjünk vissza a kvarkok fizikájához. A háromkvark-hipotézis nagyon jól bevált 1974. november közepéig. Ekkor fedezték fel a J vagy y részecskét két laboratóriumban egyidejűleg, egymástól függetlenül. Mindkét csoport vezetője két évvel később megkapta a fizikai Nobel-díjat, ami szokatlanul rövid idő, a Nobel-bizottság hosszabb időt szokott hagyni arra, hogy az eredmények hitelessége és fontossága bebizonyosodjon. A gyorsaság ezúttal a felfedezés nagy horderejét mutatja. Joggal merül fel a kérdés, miért olyan nagy dolog, ha valaki a több száz ismert „elemi” részecske mellé még egyet felfedez. A J/y részecske azért okozott forradalmat a részecskefizikában, mert a tulajdonságai, például rendkívüli stabilitása nem voltak értelmezhetők a háromkvark-hipotézissel. Mi a megoldás? Feltételezték, hogy létezik egy negyedik kvark, a tulajdonságait a J/y tulajdonságaiból következtették ki. Az eddigi három kvark többféle néven szerepelt, végül a fel, le és a ritka (különös) elnevezések terjedtek el (angol eredetiben up, down és strange). A negyedik kvark a bájos nevet kapta, a rá jellemző kvantummennyiség neve báj (charm).

A J/y részecske egy mezon, amely egy bájos kvarkból és egy bájos antikvarkból áll. A bájos kvark bája +1, a bájos antikvarké –1, a kettő együtt 0 bájjal rendelkezik. (Azért csúnyának nem nevezik.) Így a J/y részecske bája zérus, rejtett. Azonnal megindult a keresés a leplezetlen, „meztelen” báj után: olyan részecskéket kerestek, amelyeknek nem csak a kvarkjai bájosak, hanem maga a részecske is. 1976–77-ben találtak ilyen részecskéket, a D és F mezonokat. Ezekben a mezonokban a báj nem rejtezik el, megmutatkozik a maga meztelenségében.

A negyedik kvark megjelenésével tovább bővült az elemi építőkövek sora. A négy kvark (és antikvark párjaik) kettesével, hármasával való különböző összeépítéseiből újabb, addig ismeretlen mezonok, barionok létezését jelezték előre az elméleti fizikusok, s a kísérletiek rendre meg is találták őket, fényes bizonyítékát szolgáltatva ezzel a négykvark-hipotézis megalapozottságának. Már ebben az időben is megjelentek olyan szakcikkek, amelyeknek a szerzői nem találták elégnek a négy kvarkot, és öt, illetve – szimmetriaokokból – hat kvark létezését feltételezték.

A negyedik, a bájos kvark felfedezése után a kvarkok megjelentek a színpadon. 1977 őszén a Fantom Kapitány nevet viselő csoport írta és mutatta be a dalbetétekkel tűzdelt komédiát Londonban. A fizikus-kritikus sem talált hibát a darabban, még a kvarkokat összetartó „színes” erőket is pontosan szerepeltették. A bájos kvark megjelenítője természetesen egy bájos, jó alakú lány volt, akit nem lehet elfogni, utolérni, utalva arra, hogy egyedülálló kvarkot, pláne bájosat nem találtak a kísérleti fizikusok. A Joyce-i hagyományokhoz híven a darab bőven épít szójátékokra, pl. a címben szerepel a congress szó, amely egyaránt jelent közös ülést (kongresszust) és közösülést, a darabban a szó mindkét jelentésére építenek. A szerzők érdeklődését a részecskefizikában használt szavak (kvark, báj, különlegesség stb.) keltették fel. Ha nem ilyen „emberi” szavakat használtak volna a fizikusok, szegényebbek lettünk volna egy színdarabbal, amelyben először vált szexissé a fizika.

Az ötödik, az alsó

Az ötödik kvark létezésére utaló első kísérleti eredményt 1977 júniusában a Budapesten rendezett részecskefizikai konferencián jelentették be. Az amerikai L. Lederman és munkatársai Y (üpszilon) részecskének keresztelték el az egyre bővülő részecskecsalád legújabb tagját. Az Y részecske a számítások szerint az új, ötödik fajta kvark-antikvark párból épül fel. Az ötödik kvark több nevet kapott már, szépség, felső vagy csúcs, illetve alsó vagy fenék. Végül az alsó vagy fenék (bottom) elnevezés terjedt el, így a hatodik kvark kapta a felső vagy tető (top) nevet. Azért kell az ötödik kvark felfedezésével egy időben rögtön a hatodikat is említeni, mert – itt nem részletezett okokból – a fizika szimmetriaelveiből következően egyértelművé vált, ha van ötödik kvark, akkor lennie kell hatodiknak is. (Fel is merült rögtön az aggodalom, hogy a kvarkok között is beindult az infláció, a kezdeti hármat gyorsan követte a negyedik, majd ez az újabb kettő.) Az ötödik kvarkhoz visszatérve az Y részecskével ugyanaz volt a gond, mint korábban a J/y részecskével: nem mutatta közvetlenül az új kvark jellemzőit, rejtett „alsója” van, ahogy rejtett volt a J/y bája. A kísérleti fizikusok később a rejtett alsót is feltárták, sikerült olyan részecskéket létrehozni és megfigyelni, amelyeknél az alsó kvarkra jellemző kvantummennyiség nem nulla volt.

Lederman professzornak is szerepe volt abban, hogy 1981-ben egy csak részben rejtett szépségű lány nyerte el az amerikai „Illinois állam szépe” címet. (A Fermi Nemzeti Laboratórium Illinois-ban van.) A hölgy amatőrök által tervezett és készített jelmeze a részecskefizikát jelképezte. Jogarán a három színes gömb a kvarkokra utal, éppúgy, mint a jogar nyelén fel- illetve lefelé mutató alakzatok. Trikóján mágneses térben görbülő részecskepályákat látunk, ilyen részecskepályákból áll a fejdísz is. Palástja szegélyén az apróbb minta a kölcsönhatások matematikai szimbólumait idézi, nyakánál feltűnik az Y betű, utalva a részecskére. Miss Illinois ezzel a jelmezzel annak idején harmadik helyezést ért el a Miss Amerika vetélkedő kosztümversenyén.

A hatodikkal teljes a lista


A hatodik kvark felfedezésére várni kellett néhány évet. Először 1994 áprilisában feltételesen, majd 1995 februárjában már biztos meggyőződéssel jelentették be a chicagói Fermi Nemzeti Laboratóriumban, hogy felfedezték a top kvarkot. Két, egymástól függetlenül és eltérő módon működő észlelőrendszerrel sikerült annyi adatot összegyűjteni, hogy már nem kellett feltételesen fogalmazni, mint egy évvel azelőtt. Már korábban, 1984-ben és 1992-ben is voltak olyan hírek, miszerint sikerült kísérletileg kimutatni a top kvarkot, de akkor hamar megszülettek a cáfolatok is. A kvarkok közvetlenül nem mutathatók ki a kísérletekben, csak azoknak a folyamatoknak az eredményei, amelyekben részt vettek. Ezt a néhány érdekes eseményt más események milliárdjai közül kellett kiválogatni hatalmas detektorrendszerek, majd a számítógépes adatfeldolgozás segítségével. A top kvark rendkívül nehéznek, nagy tömegűnek bizonyult, ez a magyarázata annak, miért nem találták meg korábban. A korábbi kísérletekben a részecskegyorsítók, így az ütköző részecskék energiája nem volt elegendő ahhoz, hogy ilyen nehéz részecske létrejöhessen. A top kvark tömege kb. a volfrámatommag tömegével egyenlő, ez is jól mutatja a kvarkok különbözőségét. A volfrámatommagban 174 nukleon, proton és neutron van, 1-1 proton, illetve neutron 3-3 fel és le kvarkból és antikvarkból épül fel. A top kvark 3x174-szer nehezebb ezeknél a kvarkoknál. A kvarkok táblázatában most már nem maradt üres rovat. Kérdés, jól ismerjük-e a táblázatot, hátha vannak olyan sorok vagy oszlopok, amelyeknek a létezésére sem gondoltunk eddig.

Mai tudásunk szerint a részecskék két alapvető csoportba oszthatók, a feles spinűek a fermionok, ezekből épül fel az anyag. Az egész spinű részecskék, a bozonok családjába a kölcsönhatásokat közvetítő részecskék tartoznak (foton, W, Z bozon, gluon). A fermionok három jól elkülönülő családba rendeződnek. Mindegyikbe tartozik két nehéz részecske, amik kvarkok, és két könnyű részecske, ezek a leptonok. A leptonok közül az egyik töltött részecske (elektron, müon, tau), a másik pedig a hozzá tartozó neutrínó. Tehát az anyag minden változata, valamennyi részecske, valamennyi részecskeátalakulás 6 kvark és 6 lepton (és antirészecske párjuk) felhasználásával valósul meg. Ennek a 6-6 részecskének a létezését meggyőző kísérletek bizonyítják. Tapasztalati, kísérleti oldalról jelenleg nincs ok újabb részecskecsaládok, köztük újabb kvarkféleségek feltételezésére. Azt egyelőre nem tudjuk, hogy miért pont 3 fermioncsalád létezik, és ezek miért olyan hasonlóak egymáshoz.

Ugyanakkor születtek már elképzelések egy szubkvarki világról is. Sőt, 1996 tavaszán olyan kísérleti eredményt közölt a Fermi Nemzeti Laboratórium kutatócsoportja, amelyből arra következtettek, hogy az anyag addig legelemibb építőkövének tekintett kvarkok is összetettek, belső szerkezetük van. Később más, egyszerűbb magyarázatát adták a kísérleti eredményeknek.

Megjegyezzük, hogy írásunkban végig 6 kvarkról (és antikvark párjukról) értekezünk, de a valóság ennél gazdagabb. Alapvető jellemzőiket (tömeg, töltés) tekintve valóban hatan vannak, de mindegyik kvarknak van három változata, ezek „színükben” különböznek egymástól. Mindegyik kvarkból van vörös, zöld és kék, ezeknek természetesen semmi köze a megszokott színekhez, az elnevezések egyszerűen egy, az erős kölcsönhatásban megnyilvánuló tulajdonság megkülönböztetésére használatosak. Az erős kölcsönhatás elméletét ezért hívják kvantum-színdinamikának.

Az elméleti fizika nagy kihívása a négy alapvető, elektromágneses, erős, gyenge és gravitációs kölcsönhatás egységes elméletének megalkotása. Megszületett például a szuperszimmetria elmélete (SUSY), amely azt feltételezi, hogy minden ma ismert részecskéknek van egy szuperszimmetrikus párja. Minden feles spinű fermionhoz egy egész spinű bozon párt feltételez, és fordítva, a bozonoknak pedig fermion párja lenne. Ez az elmélet megduplázná a kvarkok számát. Az elmélet érvényessége azonban csak olyan óriási energiatartományban lenne ellenőrizhető, amely kívül esik lehetőségeink határán.

Részecskegyorsítók

Az elméleti kérdések áttekintése után foglalkozzunk a részecskegyorsítókban folyó kísérletekkel. Miért van szükségünk részecskegyorsítókra? Két okból is, egyrészt segítségükkel szemügyre vehetjük az atomi és az atominál is kisebb szubatomi világot, másrészt a részecskegyorsítók elengedhetetlenek a legtöbb részecskefajta létrehozásához, ugyanis a rendkívül rövid életű részecskék a felgyorsított részecskenyalábok által elindított folyamatokban keletkeznek.

A mikrovilág fogalmainak, folyamatainak a többségét nehéz vagy sokszor lehetetlen a makrovilágban megszokott fogalmakkal leírni. Ilyen, szemléletesen meg nem fogható dolog a részecskék kettős természete. Évszázados vitákat lezárva Albert Einstein 1905-ben kimondta, hogy a fénynek hullám- és részecsketulajdonságai egyaránt vannak: bizonyos helyzetekben a hullám-, máskor pedig részecskejellege uralkodik. A két tulajdonság elválaszthatatlan. Az 1920-as években bebizonyosodott, hogy az elektronok, a protonok is rendelkeznek ezzel a kettőséggel, később ez igaznak bizonyult valamennyi elemi részecskére. A természetnek ezt az alapvető jellegzetességét kísérletek sora igazolja, és nagyon pontosan leírható a modern fizika egyik meghatározó ága, a kvantummechanika segítségével. Úgy alakult a szóhasználat a fizikában, hogy az elemi és összetettebb építőkövekre a részecske elnevezést használjuk, de nem szabad elfeledkezni arról, hogy a részecske hullámtulajdonságai éppoly fontosak.

Az éppen hullámként megfigyelt részecske hullámhossza az energiájától függ; minél nagyobb a részecske energiája, annál rövidebb a hullámhossza. Minél rövidebb a hullámhossz, annál kisebb tárgyak tanulmányozhatók a segítségével, annál finomabb részleteket lehet feltárni. Ahogy egyre nagyobb energiákat szolgáltató részecskegyorsítók épültek, úgy rövidült a gyorsított részecskék hullámhossza, a szubatomi világ egyre finomabb részletei váltak megfigyelhetővé. Szabad szemmel nagyjából a centiméter századrészének megfelelő nagyságú dolgokat vagyunk képesek észlelni. Az optikai fénymikroszkóppal ezerszer kisebb dolgokat, pl. a sejtek részleteit tanulmányozhatjuk, ezeknél az atomok ezerszer kisebbek. Az elektronmikroszkópban a felgyorsított elektronnyalábokkal megfigyelhetővé válnak a vírusok, a nagyobb szerves molekulák. Ha az atomokat akarjuk tanulmányozni, akkor nagyobb energiájú részecskegyorsítókra van szükségünk. A nagyobb magok átmérője a méter százbilliomod része. Az atommag alkotórészei, a protonok és a neutronok természetesen még vagy tízszer kisebbek, nem beszélve a kvarkokról, amelyeket szintén „látni” szeretnénk.

A gyorsítók varázspálcaként segítenek új részecskék létrehozásában, szinte szülőszobaként működnek. A rengeteg ismert részecske közül csak nagyon kevés stabil, a többi elbomlik, más részecskévé, részecskékké alakul át. A megismerésükhöz tehát létre kell hozni őket. Ebben a jól ismert Einstein-féle formula, a tömeg és az energia ekvivalenciája van a segítségünkre. Ha két részecske összeütközik, például a felgyorsított, nagyenergiájú részecske az álló céltárgy valamelyik részecskéjébe ütközik, akkor az energiától függ elsősorban, hogy milyen részecskék keletkezhetnek: a folyamatban rendelkezésre álló energia szabja meg, hogy legfeljebb milyen tömegű részecske jöhet létre. Természetesen nem keletkezhet akármi, teljesülniük kell a már említett megmaradási törvényeknek és kiválasztási szabályoknak is.

Nem elég a különböző részecskéket a gyorsítókban létrehozni, azokat detektálni is kell. A részecskék közti kölcsönhatások termékeinek kimutatására szolgálnak a részecskedetektorok. Az egyszerű detektorok csak a részecske jelenlétét jelzik egy adott pillanatban és helyen. Minél jobb a térbeli és időbeli felbontó képességük, annál finomabb részleteket tudunk megkülönböztetni. Valójában ennél jóval többre vagyunk kíváncsiak: azonosítani kell a részecske fajtáját, amihez hozzásegít, ha sikerül megmérni a töltését, a tömegét, energiáját, mozgása irányát. A részecskedetektálás alapjául csaknem mindig a részecske (vagy a sugárzás) és a detektor anyagának elektromágneses kölcsönhatása szolgál.

A részecskegyorsítók működési elvei nagyon egyszerűek, felépítésük viszont már nagyon bonyolult, mindig koruk műszaki csúcsteljesítményeit valósították meg. Gyorsítani csak elektromos töltéssel rendelkező részecskéket lehet, semlegeseket nem. Mindenekelőtt kell egy forrás, amelyből a gyorsítandó részecskéket, például az elektronokat vagy a protonokat kinyerjük. A gyorsítandó nyaláb egyenes vagy kör alakú pályája mentén nagy légritkítást, vákuumot kell elérni abban a csőben, amelyben a nyalábot mozgatjuk, hogy felgyorsított részecskéink ne ütközzenek idő előtt a levegő atomjaiba, molekuláiba. Az ilyen ütközés a felgyorsított részecske elvesztésével jár, hiszen így nem gyorsulhat fel a tervezett energiára, nem ér oda kísérletünk tervezett helyszínére. A gyorsításra, az energiaközlésre az elektromos teret használjuk fel, a feszültségkülönbséget befutó részecske energiát vesz fel, felgyorsul. A részecskéknek a tervezett pályán való tartására, kormányozására pedig a mágneses tér szolgál. A mágneses tér eltéríti a mozgó töltést, megpróbálja körpályára terelni, ezért megfelelően kialakított mágneses térrel tetszőleges pályákra terelhető a töltött részecske.

A különböző típusú, eltérő elvi megoldású gyorsítók elektromos és mágneses tereik kialakításában különböznek egymástól. Alapjában kétféle pálya alakítható ki, a részecskéket vagy egyenes vonal mentén gyorsítjuk, ezek a lineáris gyorsítók, vagy körpályán, ezek a ciklikus gyorsítók. A ciklikus gyorsítókon belül sokféle típus létezik, van, ahol spirális pályát fut be a részecske, mint a ciklotronban, másutt, a nagyobb energiájú ciklikus gyorsítókban állandó a pálya köríve, itt a mágneses tér folyamatos módosításával, a mágneses tér erősségének folyamatos növelésével érik el, hogy az egyre gyorsabb részecske ugyanazon a pályán rója köreit. Különleges megoldás a találkozónyalábos részecskegyorsítók technikája, amikor két részecskenyaláb hosszú ideig gyorsul egymástól függetlenül külön-külön pályán, majd frontálisan ütköznek. A sokféle gyorsító és laboratórium bemutatása helyett csak egyet ismertetünk, az Európai Részecskefizikai Kutatóközpontot (CERN).

Ideje megjegyezni a magfizikában és részecskefizikában használatos energiaegységet. 1 elektronvolt (eV) az a mozgási energia, amelyre egy elektron 1 volt feszültségkülönbséget befutva szert tesz. Többszörösei: ezerszerese a kiloelektronvolt (keV), milliószorosa a megaelektronvolt (MeV), ennek ezerszerese a gigaelektronvolt (GeV). Újabban már a TeV egységre is szükség van a gyorsítók leírásánál, ez a teraelektronvolt, az eV billiószorosa.

A CERN

Az 1940-es évek végén az európai magfizikusok felismerték, hogy ha az alapkutatásokban versenyben akarnak maradni az Egyesült Államokkal, akkor ehhez olyan nagy részecskegyorsítókra lesz szükség, amelyeknek a méretei és költségei meghaladják az egyes országok lehetőségeit. A tudósok összefogási szándéka támogatásra talált a politikusoknál, akik szívesen segítették a tervet, mint az új (nyugat)európai egység szellemének szimbólumát. Az UNESCO támogatásával kormányközi tanácskozást tartottak, majd 1952 tavaszán létrejött az ideiglenes előkészítő bizottság, ennek rövidítése (CERN) vált aztán az intézet világszerte ismert nevévé. Svájc Genf mellett területet ajánlott fel az intézmény számára. 1954. szeptemberben lépett életbe az alapokmány, amelyet 12 ország ratifikált. (Magyarország 1992-ben lett a CERN teljes jogú tagállama, de az intenzív tudományos kapcsolatok már jóval korábban kiépültek.) 1954 májusában két gyorsító építéséhez kezdtek hozzá, bár az alapkő ünnepélyes letételére csak 1955 júniusában került sor.

A 25 GeV energiájú proton-szinkrotron (PS) 1959-ben érte el a csúcsenergiát, ekkor és még jó ideig ez volt a világ legnagyobb részecskegyorsítója. A mindenkori legnagyobb gyorsító úttörő, addig teljesen hozzáférhetetlen, ezért feltáratlan energiatartományban teszi lehetővé a kutatásokat. Ezért építenek egyre nagyobb gyorsítókat, ahogy új műszaki megoldások, felfedezések lehetővé teszik technikailag, és ahogy sikerül az anyagi alapokat megteremteni. A PS-nal párhuzamosan épült a 600 MeV-os szinkrociklotron, amellyel rövid élettartamú, gyorsan bomló atommagokat állítottak elő és tanulmányoztak. Hatalmas detektorrendszerek épültek, jelentősen fejlődött a számítástechnika, a hatalmas adatmennyiség kezelésére és feldolgozására kiépült számítóközpont mindig a világ egyik legnagyobbika volt. (Itteni szakemberek találták ki később az internetes világhálót, a world wide webet.) 1965-ben fogadták el az ISR találkozónyalábos tárológyűrű építési tervét, az építkezéshez a svájci–francia határ francia oldalán bővült az intézet, így a CERN lett az első nemzetközi intézmény, amely nemcsak szellemében, de fizikailag is átlépte a nemzeti határokat. 1971-re elkészült az ISR, a frontálisan ütköző két felgyorsított protonnyaláb találkozásánál annyi energia állt rendelkezésre, mintha egy 2000 GeV-os nyaláb ütközött volna álló céltárgynak. Az ISR 10 évig volt világcsúcstartó. A következő óriásgyorsító az SPS szuper-proton-szinkrotron 1976-ban kezdett nyalábot szolgáltatni. Gyűrűjének átmérője 2,2 kilométer, 1000 mágnes gondoskodik a nyaláb körpályán tartásáról. Később ezt is átépítették találkozónyalábos gyorsítóvá, itt végezték azt a később Nobel-díjjal elismert kísérletet, amelyben felfedezték a gyenge kölcsönhatás közvetítő bozonjait.

Ezt követően ismét csúcsjavító gyorsító épült. Az LEP, a nagy elektron-pozitron gyűrű 27 kilométer kerületű földalatti alagútja kétszer szeli át az országhatárokat. Az első időszakban nyalábonként 45-45 GeV-ra gyorsították az elektronokat és pozitronokat, később a 100 GeV-ot is meghaladta a nyalábonkénti energia. Néhány éve radikális átalakításokba kezdtek. A hatalmas földalatti alagútba új gyorsítót telepítenek, az LHC-t, a nagy hadronütköztetőt. A tervek szerint 7 TeV energiájú protonnyalábokat fognak ütköztetni, ehhez meg kellett konstruálni a világ legerősebb mágnesét. Az első méréseket 2007-re tervezik az LHC-nél. Ma csak az elméleti számítások alapján képzeljük el, milyen folyamatok játszódnak le két 7 TeV energiájú proton ütközésekor. Nem kell túl nagy merészség annak megjóslásához, hogy ez az ismeretlen világ rácáfol majd képzeletünkre.

Cél: a kvarkok kiszabadítása

A CERN-ben a nagyenergiájú szuper-proton-szinkrotron részecskegyorsítónál az NA49 kísérlet keretében az anyag hajdan volt ősi állapotát próbálják meg laboratóriumi körülmények között létrehozni. A világegyetem hajnalán, közvetlenül az ősrobbanás után a kvarkok még szabadok lehettek, csak később álltak össze mezonokká, barionokká. A laboratóriumban a folyamat fordítottjának megvalósítására törekszenek: a ma részecskékbe zárt kvarkokat próbálják kiszabadítani. Ehhez a mai részecskegyorsítók energiája még nem elegendő, de úgy tűnik, hogy a nagyon nagy energiájú ütközésekben a kvarkok átmenetileg kiszabadulhatnak börtönükből, és az anyagnak egy különleges, kvarkokból és a köztük az erőhatást közvetítő gluonokból álló állapota jön létre, az ún. kvark-gluon-plazma (elterjedt angol rövidítéssel QGP). Az óriási energiájú részecskenyalábok egymással való ütközésekor rövid időre, átmenetileg olyan körülmények jönnek létre, mint amelyek a világegyetem történetének kezdetén, az ősrobbanás után néhány milliomod másodperccel létezhettek. Ekkor még nem alakultak ki az atommagok stabil összetevői, a protonok és a neutronok, viszont léteztek azok alkotóelemei, a kvarkok és a kvarkok közti kölcsönhatást közvetítő gluonok.

Mint már korábban említettük, szabad kvarkot a sok kísérleti próbálkozás ellenére mindmáig nem sikerült megfigyelni. Elméleti magyarázatok születtek a kvarkok hadronokba való „bebörtönözésének” magyarázatára. Kvantum-színdinamikai számítások szerint viszont megfelelő energiasűrűségnél kialakulhat szabad kvarkokból és gluonokból álló plazma, vagyis a kvark-gluon-plazma állapot. Megfelelően nagy energiasűrűség, hőmérséklet mellett a kvarkok kiszabadulhatnak „börtönükből”. A QPG laboratóriumi előállításához a relativisztikus energiájú nehézion-ütközések kínálják a legjobb lehetőséget.

A QPG-fázis létrehozása, kimutatása és tanulmányozása a modern fizika frontvonalában áll. A CERN SPS részecskegyorsítójánál már évek óta folyó NA49 kísérlet, a brookhaveni (USA) RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) gyorsítónál 2001-ben indult mérések és a CERN épülő új LHC-gyorsítójánál (Large Hadron Collider) tervezett kísérletek egyaránt a kvark-gluon-plazma megfigyelését szolgálják. A KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet (RMKI) munkatársai a CERN jelenlegi és egyik tervezett jövőbeli kísérletében egyaránt komoly szerepet vállaltak.

Az ultrarelativisztikus nehézion-reakciók folyamata több szakaszra osztható folyamat. Az atommagok centrális ütközésénél, egymáson való áthaladásánál nagy anyag- és energiasűrűségű állapot, ún. tűzgolyó jöhet létre, amelyben a kvarkokat magukba záró hadronok vagy a kvarkok és a gluonok lehetnek jelen. A létrejött tűzgolyó tágul és hűl, újabb fázisátmenet zajlik le, a kvark-gluon-plazma hadrongázzá alakul. A tovább hűlő rendszerben egy kritikus hőmérséklet alatt a hadronok önálló részecskeként kifagynak. Kísérletileg csak ez a kifagyott végállapot figyelhető meg, ennek a jellemzőiből kell a megelőző állapotra, a kvark-gluon-plazma létrejöttére és tulajdonságaira következtetni. A végállapotban olyan részecskéket, részecsketulajdonságokat kell találni, amelyek csak a kvark-gluon-plazma-fázisra jellemzőek, ezek az ún. QGP-szignatúrák.

Az NA49 kísérlet keretében ionizált ólom atommagokat ütköztetnek ólom céltárgyon. Az NA49 program indulásakor ebben a kísérletben koncentrálták a legnagyobb energiát egyetlen részecskére (33 TeV). Egyetlen ütközésben rengeteg részecske keletkezik, a mérőrendszer mintegy 2000 részecskét regisztrál és azonosít. Komplex hadrondetektor azonosítja a részecskék típusát (pion, kaon, proton stb.), rögzítik a részecskék pályáját, jellemző adatait.

A mérési adatok gyűjtése 1996 óta folyik. Az elemzés rendkívül munkaigényes, csak jelentős késéssel képes követni az adatgyűjtést. A folyamat energiafüggésének pontosabb megismerése, a finomabb részletek feltárása érdekében hozzákezdtek a folyamat energiafüggésének méréséhez.

Forró nyomon Brookhavenben

Izgalmas új fizikai kutatási eredményeket ismertettek tavaly nyáron az Egyesült Államokban, a Brookhaven Nemzeti Laboratóriumban (BNL). Három kísérleti csoport – melynek munkájában magyar kutatók is részt vettek – arról számolt be, hogy közel járnak a kvark-gluon-plazma megfigyeléséhez. Brookhavenben működik ma a világ legnagyobb nehézionokat gyorsító berendezése, az RHIC.

Az RHIC-gyorsítónál tavaly aranyatommag-nyalábokat ütköztettek aranynyalábokkal. Ezekben az ütközésekben néhány pillanatra a Nap felszíni hőmérsékletét 300 milliószor meghaladó hőmérséklet lép fel. Szemléletesen úgy képzelhető el a jelenség, hogy az aranyatommagok, sőt az atommag alkotórészei, a protonok és neutronok szétolvadnak, az így szabaddá váló kvarkok és gluonok sűrű részecske-„levest” alkotnak, ez maga a kvark-gluon-plazma. Később aranyatommagokat ütköztettek deuteronnal, a deuteron a deutériumatomnak, a hidrogén nehéz izotópjának a magja. A nagy aranyatommaghoz képest kicsi deuteron lövedékként szalad át a nagy magon. Az aranyatommag nem hevül fel jelentősen, nem olvad meg a deuteronnal való találkozáskor.

A történésekre az átalakulások megfigyelt eredményeiből következtetnek. Például mindkét ütközési folyamat során kvarkpárok lökődhetnek ki a protonokból és neutronokból. Átalakulások sora indul meg, a kísérleti berendezés végül bizonyos irányokba sugárként kilövellő részecskesokaságot (jet) regisztrál. A kísérleti megfigyelések alapján – hány jetet figyeltek meg, a jetek milyen irányba léptek ki az ütköző nyalábokhoz képest – fogalmazták meg a következtetést: az arany-arany ütközésekben megfigyelt jetek éppen olyanok, mint amilyenekre az elméleti fizikusok a kvark-gluon-plazma keletkezése esetén számítanak. A fizikusok óvatosan fogalmaznak, egyelőre nem állítanak ennél többet. Mindenesetre egyre mélyebbre jutunk az anyag megismerésében, és egyre jobban feltárul előttünk a világegyetem őstörténete.

Pentakvark-részecskék

A részecskefizikai kísérletek természetesen más irányokban is folytatódnak. Tavaly decemberben zágrábi forrásból indult útjára a hír, miszerint horvát fizikusok új egzotikus részecskét fedeztek fel a CERN-ben. Az eredmény egy nagy, tagjai között sok magyart is számláló, nemzetközi kutatócsoport sokéves kutatómunkájának köszönhető. (A tudományos közleményt az NA49 kísérlet 100 fős kollektívája jegyezte, a szerzők között 15 magyar van, az RMKI, az Atommagkutató Intézet [Debrecen] és az Eötvös Loránd Tudományegyetem munkatársai.) A tudományos közlemény a szakma legrangosabb amerikai folyóirata, a Physical Review Letters 2003. december 8-ai számában jelent meg.

A kísérletekben eddig kimutatott, kvarkokból álló részecskék mind két vagy három kvarkot tartalmaznak. Elméletileg azonban lehetséges ennél több kvarkot tartalmazó részecskék létezése is. Tavaly több kísérletben találtak már ötkvarkos (pentakvark) részecskét Japánban (Osaka), az amerikai Jefferson Nemzeti Laboratóriumban és Moszkvában az ITEP Intézetben. Az első beszámolók rendkívül óvatosak voltak. Az öt kvarkból álló egyetlen részecske mellett még egy lehetőséggel számoltak: valamilyen molekulaszerű képződmény jött létre egy 2 kvarkos mezonból és egy 3 kvarkos barionból. Kaliforniában (Stanford) is furcsa képződményre bukkantak. Egy olyan mezont állítottak elő, amely egy nehéz bájos kvarkból és egy könnyebb ritka antikvarkból áll, de az új részecske tulajdonságai alaposan eltértek a modellszámítás alapján várttól. Lehetséges, hogy nem kétkvarkos mezon, hanem két-két mezon összekapcsolódásával létrejött 4 kvarkos, molekulaszerű képződményre bukkantak.

A decemberi tudományos közleményben az eddig ismertnél nehezebb pentakvark-részecske létezését írták le. Néhány hónap telt még csak el az első pentakvark felfedezése óta, és olyan keveset tudunk egyelőre ezekről a részecskékről, hogy egy újabb pentakvark felfedezése valóban szenzáció. A CERN-ben végzett kísérletek megerősítették a létezését, és felfedeztek egy újabb, a korábbinál nagyobb tömegű pentakvarkot.

A kísérletben nagyenergiájú protonnyaláb ütközött egy protonokból álló hidrogén céltárgynak. A mérések során rengeteg adatot rögzítettek, ezek „szénakazlában keresték a tűt”, az új típusú részecskét. Először elméletileg konstruáltak egy pentakvark-részecskét, majd azt elemezték, hogy milyen megfigyelhető jellemzői bukkanhatnak fel ennek a részecskének. A proton–proton ütközésekben olyan pentakvark-részecske nyomára bukkantak, amely két „le”, két „ritka” kvarkot és egy „fel” antikvarkot tartalmaz. A kísérletekben nem magát a pentakvarkot észlelték közvetlenül, hanem a pentakvark bomlása, átalakulása során keletkező részecskéket.

Kvarkcsillagok az égen?

Befejezésül térjünk vissza a bevezetőben említett égi tüneményekre. A röntgentartományban adatokat gyűjtő Chandra obszervatóriummal és a látható fény tartományában vizsgálódó Hubble-űrteleszkóppal végzett megfigyelések szerint a katalógusban RXJ1856.3-3754 nevet kapott égi objektum átmérője mindössze 11,3 kilométer, sugárzása pedig egy kb. 700 ezer fokos test sugárzásának felel meg. Ezek az adatok azt mutatják, hogy a frissen felfedezett objektum nem lehet neutroncsillag, hanem csak valami még furcsább, még sűrűbb képződmény.

A neutroncsillagok a Napunknál legalább 1,5-szer nagyobb csillagok végállapotai a szupernóva-robbanást követően a gravitációs összeomlás az atomhéj elektronjait az atommagokba préseli, ezért a neutroncsillag csak semleges neutronokból áll. Egy teáskanálnyi neutroncsillag-anyag kb. 1 milliárd tonnát nyom, becslések szerint ennyi a súlya a Földön lévő összes autónak, teherautónak, autóbusznak! A nagyobb neutroncsillagokból újabb gravitációs összeomlással alakulnak ki a fekete lyukak. Az új égitestről egyelőre csak annyit tudni biztosan, hogy nem lehet neutroncsillag. Többen feltételezik, hogy tisztán kvarkokból vagy a nagyenergiájú ütközésekben megismert más, szabad állapotban rövid életű részecskékből álló test. Számítások szerint a „fel” és a „le” kvark a „ritka” kvarkkal együtt új, stabil anyagformát hozhat létre. Lehet, hogy a csillag ebből a különleges kvarkanyagból áll. (Az is elképzelhető, hogy a csillag felszínén nem egyenletes a hőmérséklet, és éppen egy, az átlagosnál forróbb foltot figyeltek meg, bár ez nagyon valószínűtlen.)

A másik új különlegesség, a 3C58 csillag annak a szupernóva-robbanásnak a végeredménye, amelyet 1181-ben figyeltek meg kínai és japán csillagászok. A most megfigyelt felszíni hőmérséklete túl alacsony ahhoz, hogy rendes neutroncsillag lehessen. Ezért újra kell gondolni a neutroncsillagok lehűlésének mechanizmusát, talán a neutroncsillagok sem csak neutronokból állnak. Ez a csillag is lehet kvark-csillag.

Ma még megválaszolhatatlan az a kérdés, hogy ez a két feltételezett kvark-csillag ritkaságnak vagy gyakori fajtának minősíthető-e az univerzumban. Természetesen egyelőre jogos az óvatos fogalmazás: a felfedezés még nem bizonyítja a feltételezett új anyagforma létezését, „csak” egy arra utaló tény.

A legnagyobb energiájú folyamatok létrehozásában a földi laboratóriumok mindig hátrányban vannak a legnagyobb laboratóriummal, a természettel szemben. Egyre nagyobb és nagyobb energiájú folyamatokat ismerünk fel a világegyetemben. Korábban, az 1920-as években így kezdődött a részecskefizika; a világűrből érkező kozmikus sugárzást tanulmányozva részecskék sorát fedezték fel. Azért kell mégis földi laboratóriumokat, egyre nagyobb részecskegyorsítókat építeni, hogy megtervezett, megismételhető és ellenőrizhető kísérleteket végezhessünk, és hogy többek között a kvarkokra vonatkozó ismereteink gyűjtésében ne legyünk kiszolgáltatva a természet véletlen jelenségeinek.

Elképzelhető, hogy egyszer majd csak rájövünk, téves volt a kvark-hipotézis. De éppen úgy kiderülhet az is, hogy a kvarkok léteznek, és azért nem tudjuk közvetlenül megfigyelni őket, mert mint Richard Feynman Nobel-díjas elméleti fizikus tréfásan írta: „az alfa mínusz blabladronok konsternációja tézimális – ahogy ezt 25 év múlva minden iskolás gyerek tudni fogja…”

• Messzelátó