Vadászat az isteni részecskére

Az emberiség már történelme hajnalán sejtette, hogy a világban tapasztalható sokféleség mögött néhány egyszerű építőelem rejlik. Empedoklész, majd Arisztotelész négy alapelemet különböztetett meg: föld, levegő, tűz, víz. De például Thálész mindent a vízből eredeztetett, míg Hérakleitosz minden jelenséget a tűzre vezetett vissza. Indiában Isvarakrisna felosztása az űr, levegő, tűz, víz és föld volt, míg az ókori kínaiak számára a föld, fa, fém, tűz és víz jelentette minden alapját.

Az áttörést Démokritosz felismerése hozta i. e. 400 körül, miszerint valójában nincs más, csak az atomok sokasága és az űr. Erre az ókori indiaiak is rájöttek, ám ők az atomokat dharmáknak nevezték. Az atom görögül azt jelenti: oszthatatlan. Száz évvel ezelőtt a tudósok még úgy vélték, az atom egy elektromos töltéssel rendelkező golyó. Az újabb áttörés az volt, amikor kiderült, hogy az atom tovább osztható, méghozzá a proton(ok)ból és neutron(ok)ból álló atommagra és a körülötte keringő elektron(ok)ra. Olyan tehát az anyag, mint az orosz matrojska baba: egyre kisebb és kisebb figurák bukkannak elő, de van egy legeslegutolsó.

Jelenleg a két legeslegutolsó két elemi részecske a kvark és a lepton. A protonok és a neutronok kvarkokból állnak, a legismertebb lepton pedig az elektron. A részecskéket négyféle kölcsönhatás tartja össze, e négy kölcsönhatás létrehozói a tömegtelen erőrészecskék. Némileg bonyolítja a helyzetet, hogy minden részecskének van antirészecskéje. Tehát az anyag mellett szinte észrevétlenül ott lappang az antianyag. Anyagból valamivel több van, mint antianyagból, ezért van világ. S ha egy részecske meg egy antirészecske összetalálkozik, mindkettő eltűnik, és merő energiává alakul. Einstein híres egyenletével (E=mc2) lényegében azt mondta ki, hogy a tömeg az energia egyik formája. Jelenleg az elemi részecskék és kölcsönhatások Standard Modellje (képünkön) van érvényben, de a fizikusok nagy álma a Nagy Egyesített Modell létrehozása. Semmi nem mond ellent a Standard Modellnek, mégis vannak hiányosságai. Például nem építhető bele a gravitáció, és nem ad magyarázatot arra sem, hogy az eddig felfedezett több száz részecskének mitől van tömege.

Még nagyobb rejtély, hogy a különféle részecskéknek miért épp akkora a tömegük, amekkora. A legkisebb és a legnagyobb részecske között nagyságrendileg tizenegy foknyi az eltérés. Ez durván megfelel az elefánt és a hangya tömege közti különbségnek. A tömeg eredetére a mindent átható Higgs-mező adhatja meg a magyarázatot, amely jelenleg csupán elméletileg létezik. A fizikusok szerint azért jön létre tömeg, mert a különféle részecskék kölcsönhatásba lépnek a Higgs-mezővel. Mivel a Higgs-mező úgynevezett Higgs-bozo-nokból áll, a fizikusok megkezdték a vadászatot ezekre az „isteni” részecskékre.

A Higgs-mezőt egyetlen eljárással lehet bizonyítani vagy cáfolni: hatalmas részecskegyorsítók alkalmazásával. Ezekben a csodaberendezésekben közel fénysebességre gyorsítanak részecskéket, és összeütköztetik őket. Az ütközéseket detektorokkal figyelik. A legnagyobb gyorsító, a Nagy Hadron Ütköztető (LHC) a világ vezető atomkutató központjában, a CERN-ben épül, száz méterre Genf nyugati külvárosa alatt. A 2007-re elkészülő LHC-tól azt remélik, hogy végre „fülön csípi” a Higgs-bozonokat, ezzel újabb áttörést hozva a fizikában.

A megfoghatatlan anyag

Máig kérdés, hogy valóban a kvarkok és a leptonok a legkisebb részecskék. Ráadásul Heisenberg 1927-ben kimondta, hogy lehetetlen egyszerre meghatározni egy részecske helyét és sebességét. Minél pontosabban mérik be az egyiket, annál pontatlanabb a másik. Ez a határozatlansági elv, a kvantummechanika egyik alapja. A másik alaptétele, hogy nincs különbség részecskék és hullámok között. Ez az úgynevezett hullámrészecske kettősség.