Új fizikai elmélet az anyagról?

A Journal Physical Review Letters című szaklapban megjelenő cikk szerint a tudósok hétmilliárd alkalommal figyelték meg a kaon nevű részecske bomlását, és mindeközben többször is olyan jelenségre bukkantak, aminek csupán egyszer szabadott volna előfordulnia az eddigi teóriák szerint.

Véletlen vagy tudományos szenzáció?

Egyelőre a Brookhaven National Laboratory fizikusai nem tudják eldönteni, hogy véletlen jelenségről van-e szó, vagy olyan irányban léphetnek előre a későbbiekben, amely az anyagról szóló elmélet átdolgozását eredményezheti. (A Brookhaven Laboratórium az USA energiaügyi minisztériumának felügyelete alá tartozik, ahol 70 orosz, amerikai, japán és kanadai kutató vizsgálódik a világ legerősebb K-mezon-sugárfejlesztő készülékén. A készülék nagysága egy családi ház méretének felel meg egyébként.)

A kísérlet során a K-mezon, vagy más néven, a kaon szubatomi részecske bomlását követték nyomon a tudósok. Ez a részecske számos módon képes felbomlani. Egy lehetséges változat szerint töltéssel rendelkező pion lesz belőle, továbbá egy neutrínó és egy anti-neutrínó is keletkezik ilyenkor.

A Standard Modell

A fizikusok különösen szívesen vizsgálják ezt a lebomlási folyamatot, mert az olyan hatásokra deríthet fényt, amelyek nem illeszthetők be az úgynevezett Standard Modellbe. (A fizika jelenlegi állása szerint 16 részecske építi fel az általunk ismert anyagot, s ezt a tizenhat részecskét, valamint a köztük lévő kölcsönhatásokat leíró elméletet nevezik Standard Modellnek.)

Nos, ez a Standard Modell azt jósolja, hogy a kaon a fent említett módon csak egyszer bomlik le a 13 milliárd eset közül, vagyis a K-mezonból rendkívül ritkán lesz töltött pion, továbbá egy neutrínó-antineutrínó pár.

A mostani kísérlet viszont azt a tapasztalati tényt rögzítette, hogy minden 7 milliárdodik bomlás végződik ilyen módon, vagyis durván kétszer gyakrabban következik be a pion-neutrínó-antineutrínó-hasadás, mint ahogyan az a Standard Modell alapján megjósolható lett volna. Ugyanakkor az adatok még további ellenőrzésre szorulnak, és a kísérleti eredmények nyomán tovább kell gondolkodniuk a tudósoknak – jegyzi meg a BBC.

Egyelőre még nem eldöntött, hogy statisztikai hibáról van-e szó, vagy esetleg át kell írni az eddigi elméletet – nyilatkozta Douglas Bryman, a kanadai Brit Columbiai Egyetem kutatója. Szerinte további kísérleteket kell végezni, és ha azok is hasonló eredményre vezetnek, akkor érdemes majd elgondolkodni a Standard Modell átírásán.

Mi az a K-mezon?

A K-mezont többféle néven is emlegetik. A kaon és a kappa-mezon elnevezés is használatos a rendkívül rövid életű részecskére, amelyet laboratóriumban nagy energiájú részecskeütköztetések során tudnak előállítani. A K-mezon rendkívül instabil részecske, vagyis nagyon gyorsan felbomlik – élettartama egyetlen másodperc 12 milliárdod része. Ezután különböző más részecskék jönnek léte a kaon bomlásából.

A mezonok olyan, erős kölcsönhatásban rész vevő részecskék, amely például az atommagok alkotórészeit tartják össze. Az erős kölcsönhatás biztosítja azt, hogy a pozitív elektromos töltésű protonok annak ellenére sem vetik szét az atommagot, hogy rendkívül kis helyre vannak összezsúfolva. Az erős kölcsönhatás hordozói nemcsak a mezonok, hanem a kvarkok is. A kvarkok alkotják a protonokat és a neutronokat egyébként.

Félúton a kvarkok és a fotonok között – távoli rokonok

A K-mezon tehát bizonyos értelemben rokona a kvarkoknak, protonoknak, neutronoknak, hiszen részt vesz az erős kölcsönhatásban. Ugyanakkor jelentősen el is tér az említett elemi részecskéktől, mert egész számú spinnel, vagyis impulzusmomentummal rendelkezik. Ez azt jelenti, hogy bizonyos tekintetben a fény alkotóeleméhez, a fotonokhoz is sorolható. A fotonok és például a K-mezonokból ugyanis bármennyit elő lehet állítani (egy égő lámpából számtalan foton szabadulhat ki), míg a feles spinű kvarkok, vagy a szintén feles spinű elektronok mindig megmaradnak, számuk nem változik.

A mezonok neve egyébként tömegükkel függ össze. Az elemi részecskék közül ugyanis a legkönnyebbek a leptonok. Ilyen például az elektron és a háromféle neutrínó. A neutrínók oszthatatlanok, mint az elektron, de elektromosan semleges töltésűek. Közepes súlyúak a mezonok, egy elektron tömegének például 273-szorosát teszi ki egy pion tömege. (A pion szintén egy mezonfajta.) A legsúlyosabbak a barionok (protonok, neutronok), amelyek egy elektron tömegének 1836-szorosát teszik ki.

Nobel-díj jár értük…

Érdemes megemlíteni, hogy a K-mezon bomlásának tanulmányozása az elméleti és kísérleti fizika egyik legfontosabb területe manapság. Az 1980-as fizikai Nobel-díjat például két amerikai tudós, James Cronin és Val Fitch az „alapvető szimmetriaelvek sérülésének felfedezéséért” kapta, amelyeket a semleges K-mezon bomlásakor vizsgáltak.

Az elemi részecskék számát a Standard Modell 16-ra teszi, legalábbis ennyit lehet „kezelni” a modell alapján. De vannak, akik több tucat elemi részecskét különböztetnek meg. Ez azért is lehetséges például, mert az „antivilág” részecskéi legalább megduplázzák a „mi világunk” részecskéinek számát, ha csak ezt az egyszerű párhuzamot állítjuk fel. (Az antivilágban az elektronnak megvan a párja: ugyanakkora részecske, csak nem negatív, hanem pozitív töltésű. Az elektromosan nem töltött részecskéknek is lehet antivilágbeli párjuk, a neutrínó-antineutrínó páros, amelynek megkülönböztetése érdekében vezette be Marx György magyar fizikus a leptontöltés fogalmát. A leptonok olyan részecskék, amelyek nem vesznek részt az erős kölcsönhatásban, de feles a spinűk, eltérően a mezonoktól.)