A kvarkok alkotják az összes anyagot, de önmagukban még sosem látták őket. És vannak “ízeik” és “színeik” – bár egyik kifejezésnek sincs semmi köze ahhoz, hogy valójában mit csinálnak. Nézzük meg, miért van szükségünk a kvarkokra a világ megértéséhez, és mit jelentenek valójában a “színeik” és “ízeik”.

Sokak számára az a kérdés, hogy miért van szükségünk egyáltalán kvarkokra? Ez sokszor felmerül, különösen akkor, amikor az emberek megtudják, hogy a kvarkok nem választhatók el egymástól, ezért még soha nem láttunk egyet sem egyedül. Nem elegendőek az olyan elemi részecskék, mint a protonok és a neutronok? Miért kell tovább bontani őket, hogy megértsük az univerzumot?

A kvarkok költészete

Az első problémák az “alapvetőnek” tekintett részecskékkel kapcsolatban az 1960-as években kezdtek felbukkanni, amikor az anyagra elektronokat lövöldöző tudósok azt látták, hogy azok látszólag ok nélkül különböző irányokba tértek el. Megvizsgálva, hogy az elektronok hogyan és mikor változtattak irányt, a tudósok arra a következtetésre jutottak, hogy az atommagnak kisebb részekből kell állnia, amelyek közül néhányba az elektronok “beleszaladtak”. Ezek a részek kisebbek voltak, mint a protonok, amelyekről a tudósok tudták, hogy az atommagokban vannak. A részeknek, rájöttek, magukban a protonokban kellett lenniük.

Ez jó hír volt a tudósok számára, akik megpróbálták egyszerűsíteni azt, amit a részecskék ”állatkertjeként” ismertek. Az évtized elején két különböző fizikus, George Zweig és Murray Gell-Man először azt feltételezte, hogy a részecskék nem elemi részecskék, hanem különböző részecskékből állnak, amelyek valamelyik részecske töltésének egyharmadát vagy kétharmadát hordozzák. Mindketten három nagyon alapvető elemi részecske gondolatával álltak elő, amelyekből sok olyan részecske keletkezik, amelyek oly mélyen elterjedtek a fizikában. Zweig a részecskéket “ászoknak” nevezte el. Gell-Man ”kvarkoknak” nevezte őket, miután átolvasta James Joyce Finnegans Wake című művét és a ”Három kvark Muster Marknak” című képtelen verset.”

Ez az új elmélet nagyon jól működött a töltés, a spin és a tömeg magyarázatában. Segített összefüggésbe hozni a sok különböző szubatomi részecskét. A különböző tulajdonságokkal rendelkező elemi részecskék zavarba ejtően nagy száma helyett csak három volt, amelyek kombinációja alkotta a tudósok által felfedezett részecskék sokféleségét. Kicsit olyan volt ez, mint az a felismerés, hogy a világ számos anyagát viszonylag kevés számú atom kombinációjaként lehet értelmezni. A kvarkok két különböző kombinációja ugyanúgy alkothat egy protont vagy egy neutront, ahogyan a hidrogén- és oxigénatomok két különböző kombinációja alkothatja a vizet vagy a savat. A probléma csak az volt, hogy senkinek sem volt bizonyítéka arra, hogy kvarkok léteznek – egészen addig, amíg valami a protonokon belül el nem kezdte az elektronokat véletlenszerű irányokba száguldani. Amikor az elektronok szétszóródtak, a látszólag felesleges elmélet beigazolódott.

A következő évtizedekben újabb kvarkokkal egészítették ki az egyszerűsített rendszert, így a kvarkok száma hatra emelkedett. Az emberek rájöttek, hogy miért nem találtunk kvarkokat maguktól. Az erő, amely párban vagy hármasban összehúzza őket, egyre erősebbé válik, ahogy távolodnak egymástól, mint egy rugalmas szalag. Csak hihetetlenül nagy energiájú események képesek szétválasztani őket akár csak rövid időre is. A kvarkok az “ízüket” is megváltoztathatják. Bár a mai napig senki sem “látott” kvarkot önmagában, a kísérleti eredmények és a részecskék megfigyelt tulajdonságai olyan tökéletesen illeszkednek a létezésükre vonatkozó elmélethez, és nem illeszkednek olyan jól semmilyen más elmélethez, hogy a tudósok elégedettek a létezésükkel. Túl sok mindent túl jól magyaráznak ahhoz, hogy ne legyenek ott valahol.

A színek és az ízek

A “kvark” elnevezés egy képtelen versből származik, ami jogos – de egy gyors pillantás a tulajdonságaik összefoglalójára azt mutatja, hogy a képtelenség nem ér véget a névnél. Vannak “ízek”, ami, mivel nem lehet megkóstolni őket, nem jelent semmit. Vannak színeik, és ezek tanulmányozását kvantumkromodinamikának nevezik, de egyértelmű, hogy nincs olyan színük, amit ténylegesen láthatnánk. Mik ezek a furcsa tulajdonságok, és miért kell olyan tulajdonságokkal megnevezni őket, amelyekkel nem rendelkeznek?

Mint már mondtam, a kvarkok nem önmagukban találhatók meg. Párokban vándorolnak, és bizonyos párok mindig összeállnak. A párok a következők: fent és lent, báj és furcsa, fent és lent. Az elsőnek említett kvark mindegyik párban egy proton töltésegység kétharmadának megfelelő töltéssel rendelkezett. A második kvark mindegyik párban negatív egyharmados töltéssel rendelkezik. Az eredeti elméletben két up kvark és egy down kvark összeadódva egy pozitív egységnyi töltést ad ki – vagyis egy protont. Két down és egy up töltése összeadódva nulla, és neutront alkot. De ha három kvarknak pozitív kétharmados töltése van, és három kvarknak negatív egyharmados töltése, akkor miért nincs összesen csak két kvark? Mi a különbség? Mindegyik kvarknak csak kissé eltérő a tömege. Ez az oka annak, hogy a protonok és a neutronok tanulmányozásakor kiderült, hogy kissé eltérő tömegűek. A kvarkok különböző kombinációja adott nekik különböző tömeget. A töltésnek és a tömegnek ez a kombinációja, valamint néhány ezoterikusabb tulajdonság alkotja az egyes kvarkok “ízét”. Hogy miért nem lehet őket egyszerűen ”típusoknak” nevezni – talán James Joyce-t kellene megkérdeznünk.

A színek a kvarkok egy másik csavarja. Az elméleti szükségszerűség és a kísérleti bizonyítékok kombinációja. A kvarkok nagyon kis térben vannak összepréselve, és a Pauli-féle kizárási elv kimondja, hogy két részecske nem létezhet egyszerre ugyanabban az állapotban. Két felfelé irányuló kvark nem ülhet ugyanabban a protonban. Valaminek másnak kellett lennie. Lépjünk be a kvarkok “színeibe”. Kék, vörös és zöld kvarkok léteznek minden ízben. Ezek együtt színtelen részecskéket alkotnak – hasonlóan ahhoz, ahogyan sok különböző színű fény keveredik össze, hogy színtelen fehér fényt alkosson. Ezt a fizikában talán csak egy hamisítási tényezőnek tekintették, de az elektronok és antiprotonok kísérleti ütközései azt mutatták, hogy háromszor annyi fajta kvark létezik, mint amennyi pusztán az ”ízek” alapján létezne.”

A kvarkok végül is azért olyan rejtélyesek, mert tulajdonságaik semmiben sem hasonlítanak ahhoz, amit a makrovilágban tapasztalunk, és mégis olyan tulajdonságokról kapták a nevüket, amelyeket tökéletesen ismerünk. A szín, ahogyan mi látjuk, és a szín, mint a matematikai és kísérleti eredmények által diktált létmód közötti átváltás zavarba ejtő. A kvarkok megértésének legjobb módja, ha megértjük, hogy ahelyett, hogy egzotikusak lennének, inkább arra szolgálnak, hogy rendszerezzük és egyszerűsítsük a burjánzó szubatomi világot. Egyfajta periódusos rendszert alkotnak – az elemek számára. Találnak-e a tudósok valami kisebbet? Ki tudja, de ha igen, akkor reméljük, hogy a Jabberwockyból származó valamiről fogják elnevezni. Szeretnék látni egy fizika előadást a “mome raths”-ról.”

Felső kép: Yarnalgo
Részecske kép: Io9
Kvarkok táblázata: MissMJ

Kétszer a NASA, háromszor a Hyperphysics, háromszor a Particle Adventure és a Duke.