Az erős erő ereje

Nagy volt a felhajtás a Higgs-bozon körül, amikor 2012-ben felfedezték ezt a megfoghatatlan részecskét. Bár közönséges anyag tömegeként emlegették, a Higgs-mezővel való kölcsönhatások a közönséges tömegnek csak körülbelül 1 százalékát generálják. A másik 99 százalék az erős erővel kapcsolatos jelenségekből származik, az alapvető erő, amely a kisebb részecskéket, úgynevezett kvarkokat nagyobb részecskéket, úgynevezett protonokat és neutronokat köti össze, amelyek a közönséges anyag atomjainak magját alkotják.

Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának Thomas Jefferson National Accelerator Facility kutatói most kísérletileg kivonták az erős erő erejét, amely mennyiség szilárdan alátámasztja azokat az elméleteket, amelyek megmagyarázzák, hogyan keletkezik a világegyetem tömegének vagy közönséges anyagának nagy része.

Ez a mennyiség, amelyet az erős erő csatolásának neveznek, leírja, hogy két test milyen erősen kölcsönhatásba lép vagy „párosodik” ezen erő hatására. Az erős erőkapcsolás az erő által érintett részecskék közötti távolság függvényében változik. A tanulmány előtt az elméletek nem értenek egyet azzal kapcsolatban, hogy az erős csatolásnak hogyan kellene viselkednie nagy távolságokon: egyesek azt jósolták, hogy a távolság növekedésével nő, mások azt, hogy csökkenni fognak, mások pedig azt, hogy állandóvá válnak.

A Jefferson Lab adatai alapján a fizikusok meg tudták határozni az erős erőkapcsolást az eddigi legnagyobb távolságokban. Eredményeik, amelyek kísérleti alátámasztást nyújtanak az elméleti előrejelzésekhez, a közelmúltban a folyóirat borítóján szerepeltek részecskék.

“Örülünk és izgatottak vagyunk, hogy erőfeszítéseinket elismerik” – mondta Jian-Ping Chen, a Jefferson Lab vezető munkatársa és a cikk társszerzője.

Bár ez a cikk több éves adatgyűjtés és -elemzés eredménye, eleinte nem ez volt a szándék.

Egy spin-kísérlet spin-offja

A kvarkok közötti kisebb távolságoknál kicsi az erős csatolás, és ezt a fizikusok szabványos iteratív módszerrel meg tudják oldani. Nagyobb távolságokon azonban az erős erőcsatolás olyan mértékűvé válik, hogy az iteratív módszer már nem működik.

“Ez egyszerre átok és áldás” – mondta Alexandre Deur, a Jefferson Lab munkatársa és a cikk társszerzője. “Bár bonyolultabb technikákat kell használnunk ennek a mennyiségnek a kiszámításához, a puszta értéke nagyon fontos feltörekvő jelenségek sorát szabadít fel.”

Ez magában foglal egy olyan mechanizmust, amely az univerzum közönséges tömegének 99 százalékát teszi ki. (De mindjárt rátérünk.)

Annak ellenére, hogy nem tudják használni az iteratív módszert, Deur, Chen és társszerzőik a valaha volt legnagyobb távolságban is erős erőkapcsolást hoztak létre az érintett testek között.

Ezt az értéket egy maroknyi Jefferson Lab kísérletből kapták, amelyek valójában valami egészen más tanulmányozására készültek: a proton és a neutron spin.

Ezeket a kísérleteket a laboratórium Continuous Electron Beam Accelerator Facility-jében, a DOE felhasználói létesítményében végezték. A CEBAF képes polarizált elektronsugarat szállítani, amely a kísérleti helyiségekben polarizált protonokat és neutronokat tartalmazó speciális célpontokra irányítható. Ha egy elektronsugár polarizált, az azt jelenti, hogy az elektronok többsége ugyanabban az irányban forog.

Ezek a kísérletek a Jefferson Lab polarizált elektronsugarait polarizált proton vagy neutron célpontokra lőtték. Az ezt követő évek adatelemzése során a kutatók rájöttek, hogy a protonról és a neutronról összegyűjtött információkat egyesíthetik, hogy nagyobb távolságokon erős erőcsatolást érjenek el.

“Csak a Jefferson Lab erős polarizált elektronsugara, valamint a polarizált célpontok és érzékelőrendszerek fejlesztése tette lehetővé számunkra, hogy ilyen adatokat szerezzünk be” – mondta Chen.

Azt találták, hogy az érintett testek közötti távolság növekedésével az erős erőkapcsolás gyorsan növekszik, mielőtt kiegyenlítődik és állandóvá válik.

“Vannak olyan elméletek, amelyek előre jelezték, hogy ennek így kell lennie, de ez az első alkalom, hogy ezt kísérletileg láttuk” – mondta Chen. “Ez részleteket ad nekünk arról, hogyan működik valójában az erős erő a protonokat és neutronokat alkotó kvarkok skáláján.”

A lapítás hatalmas elméleteket támaszt alá

Ezeket a kísérleteket körülbelül 10 évvel ezelőtt végezték, amikor a Jefferson Lab elektronsugara képes volt akár 6 GeV energiájú elektronokat szállítani (ma már 12 GeV-ra is képes). Az alacsonyabb energiájú elektronsugárra azért volt szükség, hogy megvizsgáljuk az erős erőt ezeken a nagyobb távolságokon: egy alacsonyabb energiájú szonda hosszabb időtávhoz és ezáltal nagyobb távolságokhoz biztosít hozzáférést az érintett részecskék között.

Hasonlóképpen, egy nagyobb energiájú szonda elengedhetetlen a nagyításhoz, hogy rövidebb időskálát és kisebb részecskék közötti távolságokat lássunk. A nagyobb energiájú sugárnyalábokkal rendelkező laboratóriumok, mint például a CERN, a Fermi National Accelerator Laboratory és a SLAC National Accelerator Laboratory, már vizsgálták az erős erőkapcsolást ezeken a kisebb téridő skálákon, amikor ez az érték viszonylag kicsi.

A nagyobb energiájú nyalábok nagyított nézete azt mutatta, hogy a kvark tömege kicsi, csak néhány MeV. Legalább ennyi a tankönyvi tömegük. De ha az alacsonyabb energiájú kvarkokat vizsgáljuk, tömegük gyakorlatilag 300 MeV-ra nő.

Ennek az az oka, hogy a kvarkok nagyobb távolságra haladva összegyűjtik a gluonok felhőjét, az erős erőt hordozó részecskét. Ennek a felhőnek a tömeggeneráló hatása a világegyetem tömegének legnagyobb részét teszi ki – e többlettömeg nélkül a tankönyvi kvarkok tömege a protonok és neutronok tömegének csak körülbelül 1%-át teszi ki. A fennmaradó 99% ebből a megszerzett tömegből származik.

Hasonlóképpen, az egyik elmélet azt állítja, hogy a gluonok tömegtelenek kis távolságokon, de ténylegesen tömege nő, ha tovább haladnak. Az erős erőcsatolás nagy távolságokon történő szintezése alátámasztja ezt az elméletet.

“Ha a gluonok nagy távolságokon tömegtelenek maradnának, az erős kapcsolás továbbra is ellenőrizhetetlenül növekedne” – mondta Deur. “Méréseink azt mutatják, hogy az erős csatolás állandóvá válik a mért távolság növekedésével, ami annak a jele, hogy a gluonok ugyanazon a mechanizmuson keresztül nyertek tömeget, amely a tömeg 99%-át a protonnak és a neutronnak adja.”

Ez azt jelenti, hogy az erős erőkapcsolás nagy távolságokon fontos a tömegtermelési mechanizmus megértéséhez. Ezek az eredmények azt is segítik, hogy ellenőrizzék a kvantumkromodinamika (QCD) egyenletek megoldásának új módjait, az erős erőt leíró elfogadott elméletet.

Például az erős erőkapcsolás nagy távolságokon történő kisimítása bizonyítékot szolgáltat arra, hogy a fizikusok alkalmazhatják az Anti-de Sitter/Conformal Field Theory (AdS/CFT) kettősségnek nevezett új, fejlett technikát. Az AdS/CFT technika lehetővé teszi a fizikusok számára, hogy nem iteratív módon oldják meg az egyenleteket, ami segíthet az erős erő számításában nagy távolságokon, ahol az iteratív módszerek kudarcot vallanak.

A „konformális térelméletben” a konformális kifejezés azt jelenti, hogy a technika egy olyan elméleten alapul, amely minden téridő skálán ugyanúgy viselkedik. Mivel az erős erőcsatolás nagyobb távolságra ellaposodik, már nem függ a téridő skálától, vagyis az erős erő megfelel, és AdS/CFT alkalmazható. Míg a teoretikusok már alkalmazták az AdS/CFT-t a QCD-re, ezek az adatok alátámasztják a technika használatát.

“Az AdS/CFT lehetővé tette számunkra, hogy olyan QCD-vel vagy kvantumgravitációval kapcsolatos problémákat oldjunk meg, amelyeket eddig nem lehetett kezelni, vagy nagyon durván kezeltek nem túl szigorú modellekkel” – mondta Deur. “Ez sok izgalmas betekintést nyújtott az alapvető fizikába.”

Tehát bár ezeket az eredményeket kísérletezők hozták létre, ezeknek van a legnagyobb hatással az elméletalkotókra.

“Úgy gondolom, hogy ezek az eredmények igazi áttörést jelentenek a kvantumkromodinamika és a hadronfizika fejlődése terén” – mondta Stanley Brodsky, a SLAC National Accelerator Laboratory professzora és a QCD teoretikusa. “Gratulálok a Jefferson Lab fizikai közösségének, különösen Dr. Alexandre Deurnek a fizika e nagyszerű előrelépéseihez.”

Évek teltek el azóta, hogy olyan kísérleteket végeztek, amelyek véletlenül ezeket az eredményeket produkálták. Egy teljesen új kísérletsorozat most a Jefferson Lab nagyobb energiájú, 12 GeV-os sugarát használja a magfizika felfedezésére.

“Egy dolognak nagyon örülök ezeknek a régebbi kísérleteknek, hogy sok fiatal diákot képeztünk ki, és mostanra a jövőbeli kísérletek vezetőivé váltak” – mondta Chen.

Csak az idő fogja eldönteni, hogy mely elméletek támasztják alá ezeket az új kísérleteket.