A Szent Grál nyomában

A mai modern fizika talán legfontosabb célkitűzése, hogy megtalálja azokat a tovább nem osztható, legelemibb részecskéket, amelyekből az összes többi részecske felépíthető. Ezeknek az elemi részecskéknek a kereséséről tartott a héten előadást a Teleki Blanka gimnáziumban Zétényi Miklós, a  Magyar Tudományos Akadémia Wigner Fizikai Kutatóközpontjának  tudományos főmunkatársa. A kutató 2005-ben Fulbright-ösztöndíjasként fél évet töltött az Amerikai Egyesült Államokban, ahol  többek között a hadronütköztetésekkel foglalkozott. A székesfehérvári előadásának célja egyrészt az volt, hogy felkeltse a diákok érdeklődését a fizika iránt, másrészt saját példáján keresztül bemutassa azt a lehetőséget, amit a Fulbright-ösztöndíj kínál a tehetséges magyar elmék számára.

A fizikus először egy történeti áttekintést adott arról,  hogy az évezredek során miként alakult a fizikusok atomképe: a görög Démokritosz (i.e. 4-3. század) elmélete szerint az anyagok legapróbb építőköve az atom, azaz az oszthatatlan részecske. Szerinte a kellemes érzetet okozó  anyagok atomjai gömbölyűek,  a csípős, maró anyagok atomjai  élesek, a nehezen önthetőké pedig (mint amilyen például  a méz) egymásba akadók.
Jóval később, az 1900-as évek elején Rutherford megalkotta a saját atommodelljét. Ekkor már tudták, hogy pozitív töltésű atommagból és negatív töltésű elektronokból áll össze az atom. Ezt a modellt finomította tovább Niels Bohr. Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger pedig az 1920-as évek közepén már igen pontos képet adott az atom belső szerkezetéről. A kérdés az volt, mi tartja össze a rendszert?  

Ma már tudjuk, hogy a proton és a neutron sem oszthatatlan:  kvarkokból és az őket összetartó gluonokból áll. Sőt, tulajdonságaik alapján a kvarkoknak is több fajtája van. A részecskefizikában egyébként összefoglaló néven hadronoknak hívják azokat a részecskéket, amelyek a már említett kvarkokból és gluonokból állnak. Nagy kérdés,  mi az oka annak, hogy a hadronok tömege sokkal nagyobb, mint az őket alkotó kvarkok tömege?  Mint ahogy Zétényi Miklós fogalmazott: a fizikusok egyfajta zsáknak tekintik a hadronokat, amelyekben a kvarkok szabadon mozognak, de nem tudnak kiszabadulni. Pontosabban csak akkor tudják elhagyni egy kis időre ezt a zsákot, ha  a zsákokat összenyomjuk. Ez az összenyomás a célja a nagy hadronütköztetőnek (Large Hadron Collider, LHC), ami a svájci-francia  határon helyezkedik el a föld alatt.
A CERN által üzemeltetett részecskegyorsítóban (ahol magyar fizikusok is dolgoznak) a föld alatti 27 kilométeres körpályán egyre nagyobb és nagyobb sebességre gyorsítják fel a protonokat. Az egymással szemben elindított protonnyalábok több órán keresztül keringenek, majd a pályájukat úgy módosítják, hogy  összeütközzenek. A nagy bumm hatására az előbb említett zsákból kiszabadulnak a kvarkok, létrejön a  kvark-gluon plazma. Az anyagnak ez a halmazállapota gluonokból és (csaknem teljesen) szabad kvarkokból áll, és az anyag  alapvető részecskéire való bomlását jelenti.
 A tudósok a kvarkokat (még) nem tudják vizsgálni, a kialakult sűrű, forró plazma, azaz a kvarkok tulajdonságaira  az ütközést követően szétrepülő hadronok vizsgálatából következtetnek. A nagy hadronütköztető egyik célja a hiányzó részecske, az úgynevezett Higgs-bozon létezésének igazolása. Ez  egy olyan feltételezett részecske, amelyet a részecskefizika standard modellje ír le.  Eszerint a fizikai világ kvarkokból és leptonokból, valamint a közöttük ható erőkből áll. Az azonban még most sem ismert, honnan ered ezeknek az elemi részecskéknek a tömege.
A fizikusok úgy vélik, hogy az úgynevezett Higgs-térben mozogva nyernek az elemi részecskék tömeget, s abban keletkezik a Higgs-részecske is.  2012-ben eldőlhet, helyes-e ez az elmélet. Ha ugyanis nem helytálló, az komoly lendületet adhat az újabb fizikai elméleteknek. Vajon megtalálják-e ezt a többek által csak Szent Grálnak nevezett részecskét?