CERN Photo

Frank Wilczek 21 éves végzős hallgató volt a Princetoni Egyetemen, amikor 1973-ban segített a proton elméletének kidolgozásában. Ő maga nem igazán értette először; csak követte, ahová a matematika vezette. “Elvégeztük a számításokat, de nem volt egyszerű intuitív megértésünk” – mondja Wilczek. “A fizikai kép később jött.”Ez a kép még a fizikusok számára is eltartott egy ideig, mert valójában nem egyszerű. Még ma is, ha megkérünk egy fizikust, hogy írjon le egy protont, először kapunk egy rajzfilmváltozatot—azt, amely szerint a proton egyszerűen három kisebb részecskéből áll, úgynevezett kvarkokból. Ez a leírás nem éppen hamis-csak alacsony felbontású. Igaz, ahogy a Times Square képe 30 000 méterről igaz. A közeli valóság, amelyet Wilczek és kollégái már régen megpillantottak, sokkal őrjítőbb és furcsább.

egy proton három kvarkból áll, igen, de a kvarkok végtelenek—a proton teljes tömegének körülbelül 2 százaléka. Közel fénysebességgel csörögnek a proton belsejében, de más részecskék—más kvarkok, amelyek rövid ideig materializálódnak, majd eltűnnek, és mindenekelőtt gluonok, amelyek továbbítják azt az erőt, amely összeköti a kvarkokat. A gluonok tömegtelenek és elenyészőek, de a proton energiájának nagy részét hordozzák. Ezért pontosabb azt mondani, hogy a protonok inkább gluonokból készülnek, mint kvarkokból. A protonok kis ragasztófoltok—de még ez a kép is valami túl statikus és lényeges dolgot közvetít. Minden fluxus és recsegő energia egy protonban; olyan, mint egy végtelen villámvihar egy üvegben, egy üveg kevesebb, mint .1 billió hüvelyk átmérőjű. “Ez egy nagyon gazdag, dinamikus struktúra” – mondja Wilczek. “Nagyon kellemes, hogy van egy elméletünk, amely képes reprodukálni.”

különösen, ha történetesen az egyik srác, aki feltalálta az elméletet, és ha több mint két évtizeddel később, hogy az elmélet ténylegesen ellenőrzött kísérlet. A németországi Hamburgban, a HERA nevű részecskegyorsítóban a fizikusok az elmúlt nyolc évben elektronokat lőttek protonokba,megmutatva, hogy a kvarkok mennyire lényegtelenek. Eközben más gyorsító kísérletek hamarosan feltárhatják,hogy az univerzum hogyan állította össze az összes protonját. Februárban a CERN, A Genfen kívüli részecskefizikai európai laboratórium fizikusai “meggyőző bizonyítékokat” jelentettek be arról, hogy nagy számú protont sikerült megolvasztaniuk, egy pillanatra létrehozva azt a fajta kvark-gluon plazmát, amely utoljára mikroszekundumban létezett az ősrobbanás után. Az összes proton megdermedt a levestől. A New York-i Long Island-i Brookhaven National Laboratory-ban egy új és erősebb gyorsító készül a kvark-gluon leves napi szakácsára ezen a nyáron. Jövőre a fizikusoknak sokkal jobb elképzelésük lehet arról, milyen volt az univerzum, amikor milliárdszor melegebb volt, mint a Nap felszíne, és a kvarkok és gluonok—amelyek még nem rekedtek a protonokban, az atommagokban, az atomokban, bennünk—szabadon játszhattak a kvantummezőkben.

a kvantum-kromodinamika vagy a QCD, az elmélet, amelyet Wilczek és kollégái találtak ki, egyfajta kvantumtérelmélet, és a kvantumtérelmélet kezdőknek valami ilyesmi. Először is, E = mc2, ahogy Einstein felfedezte. Ez azt jelenti, hogy az energia átalakítható tömeggé és fordítva. Másodszor, az üres tér nem üres: amit vákuumnak nevezünk, valójában forrong mindenféle energiamezőben, és az energia folyamatosan “virtuális” részecskékként jelenik meg, amelyek felbukkannak, majd újra eltűnnek valamivel kevesebb, mint egy nanoszekundum trilliomod része. “Nem lenne nagyon hasznos számunkra, ha látnánk a vákuum ezen szerkezetét” – mondja Wilczek, aki jelenleg a Princetoni fejlett Tanulmányi Intézet professzora, ahol Einstein régi házában él. “Nem segítene elkerülni a kardfogú tigriseket, vagy felnevelni a gyermekeinket, ezért az evolúció megtanított minket figyelmen kívül hagyni. De ott van.”

harmadszor (és utoljára a térelméleti alapozónkban), amikor két szubatomi részecske erőt fejt ki egymásra, kölcsönhatásba lépnek az egyik energiamezőn keresztül, amelynek létrehozásában ők maguk is segítenek. Pontosabban, kicserélik az egyik virtuális részecskét-a kvantummező kvantumát. Például egy elektron elektromos töltése -1, és ez a töltés elektromos mezőt hoz létre. Ha az elektron mozog, mint mindig—a tengelyén forog és az atommag körül kering—, akkor mágneses teret is generál; minden mágneses mezőt végül mozgó elektromos töltések hoznak létre. Amikor két töltött részecske kölcsönhatásba lép—amikor mondjuk egy elektron szétszóródik a Hera protonjáról-virtuális fotont cserélnek, az elektromágneses mező kvantumát. Az ilyen kölcsönhatásokat leíró elméletet, amelyet többek között Richard Feynman talált ki, kvantumelektrodinamikának vagy QED-nek nevezzük.

a QED-ben minden egyes elektront rövid életű virtuális részecskék—fotonok, de más pozitronokkal párosított elektronok, pozitív töltésű antianyag ikrek vesznek körül. Ezek a rajzó részecskepárok olyan képernyőt alkotnak, amely részben törli az elektron mezőt—legalábbis a képernyőn kívülről nézve. A képernyő belsejéből viszont a mező erősebbnek tűnik, mint amire számíthat, mint egy csupasz villanykörte, miután eltávolították a lámpaernyőt. “Oké, szóval ez a szűrés, és ez elég könnyen érthető” – mondja Wilczek. “Ami a QCD-ben történik, a proton belsejében, éppen az ellenkezője: antiszcreening. Még nekünk is meglepetés volt, így nem lehet túl egyszerű. De azért jöttünk, hogy megértsük, hogy több elemi szempontból az évek során.”

Az 1970-es évek eleje, amikor Wilczek úttörő munkát végzett, mámorító idő volt a részecskefizikusok számára. A levegőjük kissé különbözik attól, amit a többiek lélegeznek, és QCD volt benne. Néhány évvel korábban a Stanford lineáris gyorsító Központ kutatói először gyorsították fel az elektronokat olyan energiákra, amelyek elég magasak ahhoz, hogy behatoljanak a protonokba. Az elektronok nem úgy tűnt, hogy belemerülnek a pépbe; úgy tűnt, hogy a protonokon belül pontszerű rögökről pattannak le. A kvarkok, amelyeket 1964—ben pusztán matematikai entitásként feltételeztek, kezdtek úgy tűnni, mintha valóban léteznének a protonokon belül-és a kérdés, hogy hogyan tartják össze az egészet, sürgetővé és izgalmassá vált. Míg Wilczek és tanácsadója, David Gross a Princetonban fedezte fel a választ, egy másik végzős hallgató, David Politzer, önállóan fedezte fel a Harvardon. Gross volt a trió öregembere 31 évesen. “Szerencsénk volt, hogy akkor fiatalok voltunk-írta később -, amikor végigsétálhattunk az újonnan megnyílt strandokon, és felvehettük a sok gyönyörű kagylót, amelyeket a kísérlet feltárt.”

az egyik héj furcsább volt, mint a többi. A Stanfordi kísérletek azt mutatták, hogy a kvarkok közötti erő—az úgynevezett erős erő—valójában gyengébb lett, amikor a kvarkok közelebb kerültek egymáshoz. Ez nagyon furcsa volt. Azok az erők, amelyekkel nap mint nap találkozunk, az elektromágnesesség és a gravitáció, éppen ellenkezőleg hatnak: a forrásuktól rövid távolságra erősebbek, a hosszúaknál pedig gyengébbek. Ez az intuitív út; így kell lennie a dolgoknak. Másképp, például, a mágnesek elrepülnek a hűtőszekrényről, hogy ragaszkodjanak a távoli csábító tűzhelyhez—azzal a különbséggel, hogy távolról a hűtőszekrény újra jól néz ki számukra. És mégis, gyenge, mivel az erős erő nagyon rövid távolságokon volt, elég erős volt a hosszabbaknál ahhoz, hogy frusztrálja azokat a fizikusokat, akik keményen próbálkoztak, de nem sikerült kihúzni egy kvarkot egy protonból. Senkinek sem sikerült elszigetelten megfigyelnie.

Wilczek és Gross egy kvantumtérelméletet kerestek, ami megmagyarázná ezt az erőt. Valójában Gross arra számított, hogy kudarcot vallanak; be akarta bizonyítani, hogy a mezőelmélet zsákutca. De az egyik fajta matematikai formalizmus, az úgynevezett nem Abeli gauge elmélet, még nem próbálták ki. Wilczek fél évet töltött egy notebook kitöltésével azzal a számítással, hogy a részecskék hogyan lépnek kölcsönhatásba egy nem Abeli kvantummezőn keresztül. A végén volt egy erő, hogy erősebb lett a közelben, mint egy jó erő kell, mint Gross várható-de ellentétben azzal, amit már mért Stanford. Wilczek újra és újra ellenőrizte a hosszú számításokat. Ezután Gross egyetlen pluszjelet észlelt a mezőegyenletben, amelynek mínusznak kellett volna lennie. Ez a jelváltozás mindent megváltoztatott: QCD született.

a proton belsejében a QCD szerint a kvarkok “aszimptotikusan szabadok”, amint azt a Stanford-eredmények sugallják, vagyis szinte úgy mozognak, mintha egyáltalán nem lenne erő közöttük. De a szabadság illúzió: a kvark soha nem kerülheti el partnereit. Ahogy a köztük lévő távolság növekszik, úgy nő az erő is, és így egy önfejű kvark elkerülhetetlenül visszahúzódik, mint egy bungee jumper. Ezért soha senki nem látott vagy fog látni egy magányos kvarkot, ami, ha belegondolsz, mélyen furcsa. “A protonnak vannak részei, de nem lehet szétszedni” – mondja Alvaro de R. C. Jula, a CERN elméleti fizikusa. “Egy elektront tarthatsz a kezedben. Nem tarthatsz kvarkot vagy gluont a kezedben.”

a furcsaság a gluonokból származik. A kvantumkromodinamikát, a protonokat összetartó erőt szorosan modellezik kvantum elektrodinamika, az erő, amely összetartja az atomokat—de a gluonok a szűrést antiszcreeningre változtatják, intuitív a bizarrra. A kvantum-kromodinamikában a kvarkok egy újfajta töltést hordoznak, az úgynevezett színt—aminek semmi köze a közönséges színhez -, és ezek a töltések színmezőt hoznak létre (innen ered a kromodinamika neve). A mező kvantumja és az erős erő adója a gluon. Mint az elektromágneses erőt továbbító foton, a gluon is tömeg nélküli. De a fotonnal ellentétben egy gluon töltődik. Saját színmezőt hoz létre, saját erős erőt fejt ki, és ineraktív más gluonokkal. Gazdag életet él.

a színmező, mint az elektromágneses, két összetevőnek tekinthető—színes elektromos és színes mágneses. A gyorsan mozgó színes töltés-a gluonok fénysebességgel mozognak-erős színmágneses mezőt hoz létre. A gluonok tehát olyanok, mint a kis dipól mágnesek. A kvarkot körülvevő gluonok párhuzamosan igazodnak a színmezőjéhez, mint a mágnesek, és így ahelyett, hogy gyengítenék, mint virtuális részecskék egy elektron mezőjét, erősítik azt. Ezek antiscreen a kvark, felerősítve a területen. Itt a lámpa analógiája már nem működik—a kvark egy homályos izzó, amely valahogy világosabbá válik az árnyékon kívül.

Ez tartja össze a protont, és ez ad neki egy bizarr belső struktúrát. Ha az egyik kvarknak sikerül bejutnia a másik gluon felhőjébe, akkor csak gyenge vonzerőt érez. De minél távolabb megy, annál jobban érzi a gluonok—a kvarkok által kibocsátott gluonok, más gluonok által kibocsátott gluonok, a gluonok, amelyek virtuális kvark-antikark párokká válnak, amelyek több gluont cserélnek. “A kvarkok kiváltják az egészet, de amint elindul, ez egy nagyon erős folyamat, mert a gluonok kölcsönhatásba lépnek” – mondja Wilczek. “Ez egyfajta elszabadult folyamat.”

1974-ben de R. A. Jula, Politzer, Wilczek és néhány más fizikus javasolta a proton gluonizációját, és felvetették, hogyan lehet egy nap mérni. Két évtizeddel később a Hera tudósai éppen ezt kezdték el csinálni. A HERA egy gyűrű alakú gyorsító, közel négy mérföld körül, amelyben a másodpercenként 47 000 kört teljesítő elektronokat a másik irányba haladó protonokba törik. Minél nagyobb az ütközés energiája, annál mélyebben képes egy elektron egy protonba fúrni, mielőtt eltérítené. Annak mérésével, hogy az elektron hogyan tér el az ütközések millióiban, a fizikusok információkat gyűjthetnek az eltérítést végző belső komponensekről. Ez olyan, mintha egy proton belsejét fényképeznénk, mondja Wilczek, pixelről pixelre—és az eredmények megfelelnek annak a javaslatnak, amelyet ő és kollégái évtizedekkel ezelőtt tettek.

“csak a legdurvább szinten áll egy proton három kvarkból” – mondja Wilczek. “Amikor közelebbről megnézed, és belépsz a felhőkbe, és elkezded látni az alapszerkezetet, látod, hogy ez többnyire ragasztó.”

ami még érdekesebbé teszi azt a kérdést, hogy az univerzumnak hogyan sikerült ilyen dolgot megterveznie.

egy részecskefizikai laboratórium meglátogatása a skála ellentéte-a vizsgált tárgyak kicsinysége és az erőforrások—emberek, gépek, számítási teljesítmény, elektromos energia, tér, pénz—hatalmassága között. (Ha ez az infrastruktúra magas árnak tűnik az univerzum eredetével kapcsolatos információkért, vegye figyelembe, hogy a Web—amelynek célja a tudósok hatalmas adatfájlok kommunikációjának segítése—a CERN agyszüleménye.) A CERN majdnem annyi villamos energiát fogyaszt, mint Genf városa, szomszédja. A CERN legnagyobb gyorsítója, a nagy elektron-pozitron ütköző egy kör alakú alagutat foglal el 17 mérföld körül. Az elkövetkező években lebontják és felváltják egy még erősebb gyorsítóval, a nagy Hadronütköztetővel, amely újra létrehozza azt az energiát, amely az ősrobbanás után egy másodperc billiószor létezett. (A hadronok olyan nukleáris részecskék, mint a protonok, amelyek kvarkokból és gluonokból állnak.) A kvark-gluon plazma elkészítéséhez nem kell ilyen messzire visszamennie az időben—az első mikroszekundum megteszi—, ezért kevésbé erős gyorsítóra van szüksége.

mégis, a szuper Proton szinkrotron a CERN-ben több mint négy mérföld körül van. Egy alagútban található, amely 300 láb mélyen fekszik a föld alatt, és abban az alagútban, egy néhány hüvelyk széles alumíniumcsőben, az ólommagokat mágnesek gyorsítják fel a fénysebesség 99,9 százalékára. Ezután a felszínre vezetik őket egy hatalmas, gyárszerű, 300 méter hosszú csarnokba. Az alumínium cső különböző detektorokba csapódik, ahol az ólommagok-amelyek mindegyike 208 protonból és neutronból, a protonok elektromosan semleges ikreiből áll—néhány száz mikrométer vastag ólomfóliába törnek.

ami ezután történik, elméletileg egyszerű: Az ütközés olyan erős tűzgömböt hoz létre, amely megolvasztja a protonokat és a neutronokat. A kvarkok és gluonok szabadon keringenek, mint egy proton mélyén, de most egy olyan régió felett, amely sok proton széles, kvark-gluon plazmát alkotva. “Ha az Ősrobbanás filmjét visszafelé futtatjuk, az sűrűbbé és sűrűbbé válik, egyre forróbb és forróbb lesz” – mondja Reinhard Stock, a Frankfurti Egyetem munkatársa, aki segített megtervezni az egyik CERN detektort, “és tudjuk, hogy minden kötött szerkezet felbomlik, amikor energiasűrűségük meghaladja a kötési energiájukat.”A kvantum-kromodinamika megköveteli, hogy a kvark-gluon plazma bizonyos energiasűrűséggel létezzen, “de be kell bizonyítania, hogy létezik” – mondja Stock. “Ezért vagyunk itt az elmúlt 15 évben.”

a probléma az, hogy a laboratóriumi tűzgolyó gyorsan kitágul és gyorsan lehűl, ahogy az őslénynek is meg kellett tennie. A plazma csak 10-22 másodpercig marad fenn, mielőtt a kvarkok és gluonok ismét protonokká és más hadronokká kondenzálódnának. Amit a fizikusok valójában észlelnek, az több ezer ilyen részecske permetezése jön ki az ólomfólia hátuljából. Stock detektorában a részecskék ezután egy szoba méretű argongáz dobozon repülnek át, az elektronokat az argonatomokról kopogtatva. A számlálók rögzítik az elektronokat, a számítógépek pedig rekonstruálják a részecskesávokat, amelyek feltárják identitásukat. Miután a fizikusok elemezték az adatáradatot—minden ütközés 10 megabájt adatot eredményez, és Stock és kollégái több millió ütközést rögzítettek—, megtudhatnak valamit a plazmát termelő tűzgolyóról.

az elmúlt néhány évben Stock detektorai és mások a CERN-ben megerősítették, hogy a tűzgolyók elég forróak és sűrűek ahhoz, hogy kvark-gluon plazmát állítsanak elő. “Furcsa” kvarkokat tartalmazó részecskék feleslegét, valamint “varázst”tartalmazó részecskék hiányát találták—mindkettő a kvantum-kromodinamika által előre jelzett mellékhatás. (A furcsa kvarkok és a bájos kvarkok egzotikus fajták, amelyek nem találhatók meg a közönséges részecskékben.) Mindez egy erőteljes esetnek felel meg, hogy a CERN kvark-gluon plazmát hozott létre—de ez nem jelent bizonyítékot. “A probléma az, hogy nem tudták közvetlenül megfigyelni” – mondja Tom Ludlam, a Brookhaven Nemzeti Laboratórium fizikusa.

Brookhaven relativisztikus nehézion Ütköztetője, amely a tervek szerint ezen a nyáron kezdi meg a fizikát, az aranymagokat a CERN-ben lehetséges energia 10-szeresével ütközik, és így olyan hőmérsékletet ér el, amely lehetővé teszi a kvark-gluon plazma számára, hogy egy apró pillanattal tovább éljen. Amint a kvarkok billió fokról lehűlnek, hősugárzást kell kibocsátaniuk gamma-sugár fotonok formájában. Ez a lehető legközvetlenebb jel a kvark-gluon plazmából, és Brookhaven ütközője képes lesz észlelni. Gondolhat rá úgy, mint a fény villanására, amelyet az univerzum bocsátott ki, amikor az összes protonja megszületett.

még a Brookhaveni tudósok sem lesznek képesek végül megválaszolni azt a kérdést, hogy honnan származnak a protonok. Egy központi rejtély marad. A proton belsejében, ahogy a gluonok jönnek és mennek, ahogy a kvarkok és az antikvarkok jönnek és mennek a számtalan rajukban, egy szám állandó marad: mindig hárommal több kvark van, mint az antikvarkok. Ezek azok a kvarkok, amelyek “a legdurvább szinten”, ahogy Wilczek mondja, alkotják a protont. Miért anyag és nem antianyag? Miért anyag az univerzum és nem antianyag? A válasz túlmutat a kvantum-kromodinamikán. A kvarkok és az antikvarkok közötti enyhe egyensúlyhiány, ha Wilczeknek és más teoretikusoknak igaza van, már jelen volt az ősi kvark-gluon plazmában. Eredetének megértéséhez olyan gyorsítókra lesz szükség, amelyek még magasabb energiákat érnek el, mint például a CERN nagy Hadronütköztetője. Ehhez új típusú elméletekre lesz szükség—amelyek közül néhány sajnos megkövetelheti, hogy a részecskékre úgy gondoljunk, mint apró húrhurkokra, az univerzumra pedig úgy, hogy sokkal több dimenzióval rendelkezik, mint az a négy, amelyet ismerünk és szeretünk.

ahogy a fizika fejlődik, a proton képe, amelyet a kvantum—kromodinamika adott nekünk, megnyugtatóan konkrétnak és szilárdnak tűnhet-bár a proton nem szilárd. Belerepülni az egyikbe—ha el tudod képzelni, hogy ezt csinálod, az erős erőt egyfajta szubnukleáris vitorlázóban lovagolva—olyan lenne, mintha átesne a Föld légkörén. A proton felső légköre a virtuális kvark-antikvark Párok vékony cirrusa; pajzsot alkotnak az alatta lévők számára. Ahogy elesel mellettük, a légkör egyre sűrűbbé és sűrűbbé válik, a felhők egyre vastagabbak és vastagabbak. A sík ütött egyre gyakoribbá és erővel villog a színes villám-a gluons. És akkor, talán négyötöde az utat a süllyedés, akkor előbújik a felhőtakaró. Az út most nyugodtabb. A villámok nem tűntek el; összeolvadtak egy folytonos lapra, és valahogy úgy érzi, hogy egyszerre könnyű és mentes minden erőtől. Most a proton középpontja közelében vagytok, teljesen csapdába esve, ahogy a teljes szabadság aszimptotája felé zuhantok, és megtaláljátok . . . nem sok.

“minél közelebb nézel, annál inkább azt találod, hogy a proton sok részecskébe oldódik, amelyek mindegyike nagyon-nagyon kevés energiát hordoz” – mondja Wilczek. “És a valóság elemei, amelyek az egészet kiváltották, a kvarkok, ezek az apró kis dolgok a felhő közepén. Valójában, ha végtelenül rövid távolságokra követi az evolúciót, a kiváltó töltés nullára megy. Ha valóban tanulmányozza az egyenleteket, szinte misztikus lesz.”