Mérhető a parányi különbség!
Egy nemzetközi kutatócsoport sikerrel határozta meg a proton és neutron közötti tömegkülönbséget.
2015. március 27-én a Science tudományos folyóiratában megjelent, Ab initio calculation of the neutron-proton mass difference című tanulmánynak magyar szerzői is voltak: Fodor Zoltán az ELTE és a Wuppertali Egyetem fizikus kutatója, Katz Sándor az ELTE Elméleti Fizika Tanszék professzora, a németországi Wuppertali Egyetemről pedig Borsányi Szabolcs, Szabó Kálmán, Tóth Bálint kutatók.
Az ősrobbanás után
Illusztráció: NASA
A látható világegyetemet alkotó atomok tömegének több mint 99 százaléka az atommagok tömegéből származik, melyeket protonok és neutronok alkotnak. A protonok és neutronok nagyon hasonló tömegűek, de meglepő módon nem a töltött proton (mely elektromágneses energiát is hordoz), hanem a semleges neutron nehezebb. A különbség mindössze 0,14 százalék, ez a parányi eltérés azonban nagyon fontos ahhoz, hogy a világegyetem olyan legyen, amilyennek ismerjük. Számottevően kisebb érték a hidrogén stabilitását veszélyeztetné, mivel a proton befogná az elektront, és stabil neutronná alakulna. A nagyobb érték pedig könnyebbé tenné a béta-bomlást, és ezáltal a korai világegyetem fejlődése során túl kevés neutront keletkezett volna.
A Budapest–Marseille–Wuppertal együttműködés kutatói megmutatták, hogy ez a kis tömegkülönbség két jelenségből adódik: a kvarkok eltérő tömegének és eltérő töltésének versengéséből. A számításokhoz a világ élvonalába tartozó szuperszámítógépeket használták: a részecskefizika Standard Modelljének egyenleteit Monte-Carlo módszerekkel oldották meg, bizonyítva, hogy a két egymással versengő jelenséget és az eredményükként adódó neutron-proton tömegkülönbséget helyesen leírja az elemi részecskék fizikájának mai tudásunk szerint legteljesebb elmélete.
A nemzetközi csoport 2008-ban határozta meg a proton és a neutron tömegét, és megmutatták, hogy azok döntően nem a kvarkok tömegéből származnak, hanem a protonba és neutronba zárt kvarkok és gluonok mozgási és kölcsönhatási energiájából. Az akkor elérhető pontossággal nem volt lehetséges a két részecske közötti parányi különbséget felbontani. Az azóta eltelt időszakban a szuperszámítógépek fejlődése, számos új algoritmus, valamint a kutatócsoport több éves munkája és eredményei tették lehetővé, hogy a pontosságot két nagyságrenddel megnöveljék. A cikket akkor is a Science közölte.