A részecskék állatkertje bővül

Az 1940-es évek elejére úgy tűnt, hogy a fizikusok kezükbe veszik az alapvető részecskék és kölcsönhatásaik működését. Ismerték az elektronokat, protonokat és neutronokat, valamint a neutrínókat és még a pozitronokat is, az elektronok “antirészecskéit”, amelyeket Paul Dirac az 1920-as években megjósolt. Megértették, hogy a gravitáción és az elektromágnesességen túl is léteznek erők, az erős és a gyenge magerő, és ezek jobb megértésén dolgoztak.

A váratlan új részecskék megjelenésével azonban rejtélyek merültek fel. A fizikusok 1936-ban egy felhőkamrás kísérlet segítségével felfedezték a müonokat a kozmikus sugárzásban. (A “felhőkamra” elnevezés onnan ered, hogy a vízgőzön áthaladó, elektromosan töltött részecskék apró felhőcsíkokat képeznek a nyomukban.) Hasonló módszerrel 1947-ben pionokat találtak.

Ugyanebben az évben Butler és Rochester bejelentették, hogy találtak részecskéket, amelyeket V+-nak és V0-nak neveztek el. Az adataikban található “szokatlan elágazásokból” két meglehetősen nagy tömegű részecske létezésére következtettek, az egyik pozitív töltésű, a másik semleges, amelyek más részecskékre bomlottak szét.

A részecskéknek számos furcsa tulajdonságuk volt. Egyrészt nehezek voltak – körülbelül ötször nagyobb tömegűek, mint egy müon -, ami egy másik rejtélyhez vezetett. Általában a nehezebb részecskék élettartama rövidebb, ami azt jelenti, hogy kevesebb ideig maradnak meg, mielőtt más, könnyebb részecskékre bomlanának. A kísérletek folytatásával azonban a kutatók felfedezték, hogy a részecskék a súlyuk ellenére viszonylag hosszú élettartammal rendelkeznek.

Egy másik furcsa tulajdonság: A részecskéket könnyű volt előállítani, de úgy tűnt, hogy a fizikusok soha nem voltak képesek egyszerre csak egyet előállítani belőlük. Összetörve például egy piont és egy protont, létre lehetett hozni az új részecskéket, de csak párban. Ugyanakkor egymástól függetlenül tudtak bomlani.

Egy furcsa új világ

Az 1950-es években Murray Gell-Mann, Kazuo Nishijima, Abraham Pais és mások kitalálták, hogyan lehet megmagyarázni a kaonok és más újonnan felfedezett részecskék furcsa viselkedését. Az ötlet az volt, hogy ezek a részecskék rendelkeznek egy “furcsaságnak” nevezett tulajdonsággal. Ma a fizikusok a furcsaságot a részecskékhez kapcsolódó alapvető kvantumszámként értelmezik. Egyes részecskék furcsasága nulla, de más részecskék furcsasága lehet +1, -1, vagy elvileg bármilyen más egész szám.

Fontos, hogy a furcsaságnak állandónak kell maradnia, amikor a részecskék az erős magerő révén keletkeznek, de nem, amikor a gyenge magerő révén bomlanak el.

A fenti példában, amelyben egy pion és egy proton ütközik, mindkét részecske furcsasága 0. Ráadásul ezt a kölcsönhatást az erős erő irányítja, így a keletkező részecskék furcsaságának is nullának kell lennie. Például a termékek között lehet egy semleges kaon, amelynek idegensége 1, és egy lambda részecske, amelynek idegensége -1, ami kioltja a kaon idegenségét.

Ez megmagyarázza, hogy a furcsa részecskék miért mindig párban jelennek meg – az egyik részecske idegenségét ki kell egyenlíteni a másikéval. Az a tény, hogy erős kölcsönhatásokon keresztül épülnek fel, de gyenge kölcsönhatásokon keresztül bomlanak, amelyeknek általában hosszabb ideig tart a lejátszódása, megmagyarázta a viszonylag hosszú bomlási időket.

Ezek a megfigyelések számos további alapvető felismeréshez vezettek, mondja Jonathan Rosner, a Chicagói Egyetem elméleti fizikusa. Ahogy Gell-Mann és kollégái kidolgozták elméletüket, látták, hogy a részecskék csoportjait a furcsaság és az elektromos töltés alapján összefüggő csomókba tudják rendezni, egy olyan sémába, amelyet ma A nyolcszoros út néven ismerünk. Az e szerveződés magyarázatára tett erőfeszítések a részecskék egy mögöttes halmazának, a kvarkoknak a megjóslásához vezettek.

A hosszúság és a rövidség

A furcsaságelmélet másik fontos jellemzője: Amikor a tudósok azt találták, hogy a furcsa kaonok például közönséges pionokká bomolhatnak, azt sejtették, hogy a gyenge magkölcsönhatásnak, ellentétben az erős magkölcsönhatással, nem kell állandónak tartania a furcsaságot. Ez a megfigyelés egy sor olyan elméleti és kísérleti fejleményt indított el, amelyekkel a fizikusok még ma is küzdenek.

Azokra az elméletekre építve, amelyek szerint a semleges kaonnak rendelkeznie kellene egy olyan antirészecskével, amelynek furcsasága ellentétes a standard semleges kaonnal, Gell-Mann és Pais arra a következtetésre jutott, hogy a semleges kaon a gyenge kölcsönhatások bonyolult folyamatai révén saját antirészecskévé alakulhat át.

A sémának van egy jelentős következménye: Azt jelenti, hogy két új részecske létezik – valójában a semleges kaon és antirészecskéjének különböző kombinációi – különböző élettartammal. A K-hosszú, ahogy most nevezik, átlagosan körülbelül 50 milliárdod másodpercig tart, míg a K-rövid alig kevesebb, mint egy tizedmilliárdod másodpercig, mielőtt szétesik. Rosner szerint ezeknek a részecskéknek a megjóslása Gell-Mann kedvenc eredményei közé tartozott, mert olyan egyszerűen jöttek ki az alapvető kvantumfizikai ismeretekből.

A természet szimmetriája, trónfosztva

A K-hosszú és K-rövid részecskék egyik fontos tulajdonsága, legalábbis Gell-Mann és Pais elméletében, az volt, hogy engedelmeskedtek az úgynevezett CP-szimmetriának. Nagyjából a CP-szimmetria azt mondja, hogy ha minden részecskét felcserélnénk az antirészecskével, és a teret egyfajta tükörképes univerzummá változtatnánk, a fizika törvényei ugyanazok maradnának. A CP-szimmetria minden klasszikus fizikában érvényes, és a CP kvantumos változata motiválta Gell-Mannt és Pais-t. (Technikailag Gell-Mannt és Pais-t eredetileg csak a C-szimmetria motiválta, de frissíteniük kellett az elméletüket, miután a kísérletek megállapították, hogy a gyenge kölcsönhatások megsértik mind a töltéskonjugációs, mind a paritásszimmetriát – de oly módon, hogy maga a CP jó szimmetriának tűnt).

Ironikus módon a CP-szimmetria által motivált eredmény a bukásához vezetett: 1964-ben James Cronin, Val Fitch és a Brookhaven Nemzeti Laboratóriumban dolgozó munkatársai felfedezték, hogy a K-long – nagyon ritkán – két pionra bomolhat, ami a CP-szimmetriát sértő reakció. A kaon-bomlások végül is sértették a CP-szimmetriát.