a kísérő mezők. A kép forrása: Brookhaven National Laboratory.
Ha a testünket alkotó részecskéket egyre kisebb és kisebb darabokra osztanánk, azt találnánk, hogy az út minden egyes lépésénél – legalábbis a tömegét tekintve – az egész egyenlő a részei összegével. Ha a testedet az egyes csontokra, zsírokra és szervekre bontanád, akkor azok egy egész emberi lényt adnának össze. Ha tovább bontanád őket, sejtekre, a sejtek még mindig ugyanazt a tömeget adnák ki, mint te. A sejtek szervsejtekre, a szervsejtek egyedi molekulákra, a molekulák atomokra, az atomok pedig protonokra, neutronokra és elektronokra bonthatók. Ezen a szinten van egy apró, de észrevehető különbség: az egyes protonok, neutronok és elektronok a nukleáris kötési energiának köszönhetően körülbelül 1%-kal térnek el az embertől.
körülbelül 0,8%-kal kisebb, mint az őt alkotó egyes protonok és neutronok, a nukleáris kötési energiának köszönhetően. A kép kreditpontja: Delia Walsh of http://slideplayer.com/slide/6002405/.
A hat protonból és hat neutronból álló szénatom körülbelül 0,8%-kal könnyebb, mint az őt alkotó egyes alkotórészecskék. A szén keletkezésének módja a hidrogén héliummá, majd a hélium szénné történő magfúziója; a felszabaduló energia az, ami a legtöbb csillagtípust normál és vörös óriás fázisban is hajtja, és az “elveszett tömeg” az, ahonnan ez az energia származik, hála Einstein E = mc2-jének. Így működik a legtöbb kötési energia-típus: azért nehezebb több, egymáshoz kötött dolgot szétszedni, mert amikor összekapcsolódtak, energiát szabadítottak fel, és energiát kell beletenni, hogy újra szabaddá váljanak.
Ez az oka annak a rejtélyes ténynek, hogy ha megnézzük a protont alkotó részecskéket – a három különböző kvarkot a középpontjukban -, az együttes tömegük mindössze 0,2%-a az egész proton tömegének.
(MeV-ban) a jobb felső sarokban. Egy proton, amely két up kvarkból és egy down kvarkból áll, ~938 MeV/c^2 tömegű. A kép forrása: Wikimedia Commons felhasználó MissMJ, PBS NOVA, Fermilab, Office of Science, United States Department of Energy, Particle Data Group, c.c.a.-3.0 unported licenc alatt.
Az, ahogyan a kvarkok a protonokhoz kötődnek, alapvetően különbözik az összes többi általunk ismert erőtől és kölcsönhatástól. Ahelyett, hogy az erő erősödne, amikor az objektumok közelebb kerülnek egymáshoz – mint a gravitációs, elektromos vagy mágneses erők -, a vonzóerő nullára csökken, amikor a kvarkok tetszőlegesen közel kerülnek egymáshoz. És ahelyett, hogy az erő gyengülne, amikor a tárgyak távolodnak, a kvarkokat visszahúzó erő annál erősebb lesz, minél távolabb kerülnek.
Az erős magerőnek ezt a tulajdonságát aszimptotikus szabadságnak nevezik, és az ezt az erőt közvetítő részecskéket gluonoknak nevezik. Valahogyan a protont összetartó energia, a proton tömegének másik 99,8%-a ezekből a gluonokból származik.
A (rugószerű) gluonok által összekötött proton szerkezete sokkal bonyolultabb, további (tengeri) kvarkok és gluonok népesítik be a proton belsejét. A kép forrása: Német Elektron Szinkrotron (DES), valamint a HERA és a ZEUS együttműködések.
Az erős magerő működése miatt nagy bizonytalanságok vannak azzal kapcsolatban, hogy ezek a gluonok valójában hol helyezkednek el egy adott időpontban. Jelenleg van egy szilárd modellünk a protonon belüli átlagos gluon-sűrűségről, de ha tudni akarjuk, hogy a gluonok valójában hol helyezkednek el nagyobb valószínűséggel, akkor ehhez több kísérleti adatra van szükség, valamint jobb modellekre, amelyekkel az adatokat össze lehet hasonlítani. Björn Schenke és Heikki Mäntysaari elméletírók legújabb eredményei talán képesek lehetnek a szükséges modellek megalkotására. Ahogy Mäntysaari részletezte:
Nagyon pontosan ismert, hogy mekkora az átlagos gluon-sűrűség a proton belsejében. Azt viszont nem tudjuk, hogy pontosan hol helyezkednek el a gluonok a proton belsejében. Mi úgy modellezzük, hogy a gluonok a három kvark körül helyezkednek el. Ezután a modellben reprezentált fluktuációk mennyiségét úgy szabályozzuk, hogy beállítjuk, mekkorák legyenek a gluonfelhők, és milyen messze legyenek egymástól.
gluonok, és a kvarkok spinje látható. A kép forrása: Brookhaven National Laboratory.
Amikor két részecskét, például protonokat, egy protont és egy nehéziont, vagy két nehéziont ütköztetünk egymással, nem lehet egyszerűen proton-proton ütközésekként modellezni. Ehelyett háromféle ütközés eloszlását látod: kvark-kvark ütközések, kvark-gluon ütközések vagy gluon-gluon ütközések. Ezekben a szubatomi részecskékben lévő komponensek ütköznek valójában, nem pedig maguk a teljes szerkezetek (a protonok). Míg alacsonyabb energiáknál szinte mindig kvarkok ütköznek, addig a Brookhavenben található RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) és a CERN-ben található LHC által elért magasabb energiáknál nagyon nagy a valószínűsége a gluon-gluon kölcsönhatásoknak, amelyekkel a protonon belüli gluonok helyét is fel lehet tárni. Ahogy Mäntysaari folytatta:
Ez a folyamat egyáltalán nem történik meg, ha a proton mindig ugyanúgy néz ki. Minél több fluktuációnk van, annál valószínűbb, hogy ez a folyamat megtörténik.”
egy protonról, beleértve a “tenger” kvarkok és gluonok eloszlásának módját, mind kísérleti fejlesztésekkel, mind új elméleti fejlesztésekkel együttesen sikerült elérni. A kép forrása: Brookhaven National Laboratory.
Az új elméleti modell és az egyre javuló LHC-adatok kombinációja lehetővé teszi a tudósok számára, hogy jobban megértsék a protonok, neutronok és általában az atommagok belső, alapvető szerkezetét, és ezáltal azt is, hogy megértsék, honnan származik az Univerzum ismert objektumainak tömege. Az ilyen típusú kutatások számára azonban a legnagyobb áldást az elektron-ion ütköztető (EIC) kifejlesztése jelentené, amelyet a világ számos együttműködése javasolt. A RHIC-től vagy az LHC-től eltérően, amelyek protonokat ütköztetnek ionokkal – ami nagyon kusza végjelet eredményez -, az EIC sokkal jobban kontrollált lenne, mivel az elektronban nincsenek olyan belső, ellenőrizhetetlen mozgások, amelyek megzavarhatnák a kísérleti eredményeket.
ütköztető (EIC). A Brookhavenben található Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) elektrongyűrűvel (piros) való kiegészítése létrehozná az eRHIC-et. A kép forrása: Brookhaven National Laboratory-CAD eRHIC csoport.
Ha egy proton vagy atommagok gyűjteményének belső szerkezetét akarjuk tanulmányozni, a mély rugalmatlan szórás az egyetlen járható út. Figyelembe véve, hogy az ütköztetők kevesebb mint egy évszázaddal ezelőtt kezdték ezt az utat, és hogy ma már körülbelül tízezerszer nagyobb energiákat érünk el, mint amikor elkezdtük, az anyag tömegének pontos feltárása és megértése végre elérhető közelségbe kerülhet. Az atommagban lévő kvark-gluon plazma és a vele járó fluktuációk talán végre készen állnak arra, hogy felfedjék előttünk titkaikat. És ha ez megtörténik, akkor a fizika egyik leghosszabb ideje fennálló rejtélye, hogy honnan származik az ismert anyag tömege (ami még a Higgs felfedezése után is rejtély), talán végre megadja magát az emberiségnek.
Kövessen a Twitteren. Nézze meg a weboldalamat vagy néhány más munkámat itt.