A rejtélyes negyedik erő, amely nélkül nem is léteznénk: a gyenge kölcsönhatás

Az erőről olyan fogalmak jutnak az eszünkbe mint vonzás és taszítás. Csillagászati méretekben a gravitáció tartja egyben az anyagot, az atommag belsejében az erős kölcsönhatás forrasztja össze az atommag részeit, míg az atomokból és molekulákból felépülő objektumokban az elektromágneses kölcsönhatás játszik döntő szerepet.  De erő nemcsak ahhoz kell, hogy valamit összekössünk vagy szétszakítsunk, hanem az elemi részecskék átalakításhoz is. Ennek letéteményese a gyengének nevezett kölcsönhatás, amely szerényen hangzó neve ellenére kulcsszerepet játszik univerzumunk felépítésében.

Grafika: Tóth Róbert Jónás

Képzeljük el világunkat gyenge kölcsönhatás nélkül! Ekkor a neutronok nem alakulnának át protonná, örökéletűek lennének, és nem akadályozná meg semmi, hogy a neutroncsillagok fekete lyukká váljanak, és végül az egész univerzum egyetlen fekete lyuk legyen. Vagy nézzük a másik végletet, amikor a gyenge kölcsönhatás nem lenne gyenge, és gyorsan átalakítaná a neutronokat protonná. Ekkor nem jönne létre a protonnál nagyobb atommag, és az univerzum szétszóródott protonokból állna. A gyenge kölcsönhatás erejének „finomhangolása” biztosítja, hogy a periódusos rendszernek közel száz stabilis eleme lehessen. Ha erősebb lenne ez a kölcsönhatás, akkor elveszítenénk a nehezebb elemek jelentős részét, ha gyengébb lenne, akkor a nagy kémiai reakcióképességgel rendelkező elemek száma lenne jóval kevesebb. Nem tudjuk, hogy miért épp akkora a gyenge kölcsönhatás ereje, mint amekkora, de nagy szerencse, hogy az erők aránya éppen így alakult, hiszen egyébként az élet nem jöhetne létre.

Két nagyon eltérő jellegű kölcsönhatás

Korábban már bemutattuk a kvarkok világát, itt most újabb kirándulást teszünk a részecskefizika területére, amelyben a kvarkokat és más részecskéket átalakító gyenge kölcsönhatásról lesz szó. Aligha lehetne két jobban eltérő kölcsönhatást találni, mint az elektromágneses és a gyenge kölcsönhatás. Az elektromágnesesség közvetítője, a foton akár milliárd fényév távolságból is megérkezhet hozzánk egy távoli galaxisból, szemben a gyenge kölcsönhatást közvetítő W és Z bozonokkal, amelyek hatótávolsága az atommag méreténél is kisebb, úgy 10–16 méter nagyságába esik. Elmondható ez az élettartalmukról is: a milliárd éves foton nem ritkaság, míg a W bozon élettartama nem hosszabb 10–24 másodpercnél. A fotonok és a bozonok tömegüket és töltésüket tekintve is nagyon eltérnek egymástól: a fotonnak nincs nyugalmi tömege, míg a két gyenge kölcsönhatási bozon a részecskevilág nehézsúlyú bajnoka. Ha eltekintünk a Higgs-bozon tömegétől, akkor a W és Z bozon valamennyi egyéb megfigyelhető részecske tömegét meghaladja.

Ami a töltést illeti, az a fotonnak nincs, a W bozon viszont +e illetve –e töltéssel rendelkezik, hasonlóan az elektronhoz és a pozitronhoz. A W+ és W egymás részecske-antirészecske párja, míg a fotonok világa nem ismeri ezt a kettősséget. Abban a tekintetben is nagy a különbség, hogy az elektromágnesesség vonzást vagy taszítást idéz elő két objektum között, míg a gyenge kölcsönhatás átalakítja ez egyik részecskét a másikba.  Abban is különböznek, hogy az elektromágneses kölcsönhatás csak töltött objektumok között jön létre, viszont a gyenge kölcsönhatás minden részecskére hat. Csupán egy dologban egyeznek: a spin egyaránt S = 1, azaz bozonokról van szó. Ezzel szemben sokkal nagyobb a hasonlóság az elektromágnesesség és a gravitáció között, legyen szó akár az időtávról, akár a kölcsönhatások távolságfüggéséről. Ezért hatott a fizikus társadalomban a meglepetés erejével a felismerés, hogy a gyenge és elektromágneses kölcsönhatás közös alapra helyezhető, míg a gravitáció nem volt bevonható az egyesített mezőelméletbe (Sheldon Glashow. Steven Weinberg, Abdus Salam, Nobel díj: 1979).     

A részecskeátalakulás megmaradási elvei

Először azt kell megértenünk, hogy milyen állapotváltozást hoz létre a gyenge és az elektromágneses kölcsönhatás. Az elektromágnesesség hatását a legkönnyebb az elektron példájával szemléltetni. Az atomban vagy molekulában kötött elektron pályáját az impulzusmomentumukkal jellemezhetjük, melynek értéke a redukált Planck-állandó (ħ = h/2π) többszöröse lehet: Lћ. Az elektron állapotváltozása során az L kvantumszám eggyel változik, legyen szó a foton elnyelésről (abszorpció), vagy kibocsátásról (emisszió). Ilyekor az elektron pályamozgásának változása hozza létre a foton S = 1 spinjét, azaz ћ nagyságú impulzusmomentumát.  Szemléletesen úgy mondhatjuk, hogy a „keringő” mozgás alakul át a foton sajátforgásává. Hasonló magyarázat adható a mágneses mezőben precesszáló elektron rezonancia átmenetére (ESR spektroszkópia), amikor az S = ½ spin mágneses kvantumszáma egységnyit változik a foton abszorpciója, vagy emissziója során. Ekkor a mágneses mezőben polarizált elektron állapotának megváltozása biztosít forrást a foton impulzusmomentumához. Mindkét esetben az energiamegmaradás mellett az impulzusmomentum megmaradása vezet a kvantumátmenetek kiválasztási szabályához. Ezekben az átmenetekben az elektronok nyugalmi tömege változatlan marad.

Annihiláció és párképződés

Létezik az előbbiektől eltérő átalakulási folyamat is fotonok és részecskék között, mégpedig az annihiláció és párképződés. Az előbbi esetben egy-egy azonos tömegű részecske és antirészecske gammasugárzás létrehozásával eltűnik; a másik folyamat ennek fordítottja, amikor a foton létrehoz egy részecske-antirészecske párt, például egy elektront és egy pozitront. Ez már a nyugalmi tömeg létrejöttének és eltűnésének folyamata. A kiválasztási szabály, hogy az energia, a töltés és a spin (impulzusmomentum) megmaradjon.  Mivel a fotonnak nincs töltése, ez a szabály azt jelenti, hogy a képződő két részecske ellentétes előjelű töltéssel rendelkezik, másrészt a foton S = 1 spinje megköveteli, hogy a két új részecske egyaránt ½ spinnel rendelkezzen.

Leptonok

Térjünk át a részecskeátalakulások megmaradási szabályaira! Nézzük meg ehhez az elektron (e) és „nagytestvérei” a müon (μ) és a tau részecske (τ) esetét! Ezek a töltött leptonok, amit „anyagnak” nevezünk, ha a töltés negatív, és „antianyagnak”, ha pozitív. Szintén a leptonok közé tartoznak a töltéssel nem rendelkező neutrínók (ν). Ebben a „családban” a töltés és a spin azonos, a nyugalmi tömeg viszont erősen különbözik: a müon tömege 207-szer, a tau részecskéjé 3477-szer nagyobb az elektronénál. Honnan származnak ezek az arányok? Erre a részecskék tulajdonságait összegző Standard Modell sem adja meg a választ, ezért ezeket az értékeket fogadjuk el, mint kísérleti tapasztalatot. A két nehezebb részecske a stabil elektronnal szemben viszonylag rövid életű (müon: 2,2x10–6 másodperc, tau: 2,9x10–13 másodperc) és bomlásuk egyik végterméke az elektron. A részecskék világában ez az élettartam nem számít rövidnek, mert amikor gammasugárzás kíséri a részecskék bomlását, 10–20 másodperc a tipikus felezési idő. A viszonylag lassú bomlás oka, hogy leptonoknál a gyenge kölcsönhatás idézi elő a folyamatot, mert a sokkal gyorsabb elektromágneses átmenetek nem játszanak szerepet.

A gyenge kölcsönhatási bozonközvetítő szerepe

Természetesen felmerül a kérdés, hogy miért nem gammasugárzás kibocsátásával megy végbe a bomlás, hiszen sem a spinmegmaradás, sem a töltésmegmaradás szabálya nem sérülne (a töltés ugyanis nem változik, a spin vetületi kvantumszámának ugrása  ½ és –½ között pedig létrehozhatja a foton S = 1 spinjét). A müon bomlásához két lépésre van szükség. Első lépésben a gyenge kölcsönhatás szétválasztja a töltést és a tömeget két független részecske (W- bozon és neutrínó) létrehozásával. Az egyik a fotonhoz hasonlóan bozon (S = 1) a másik fermion (S = ½), ez megfelel az impulzusmomentum megmaradási szabályának. Az így képződő W bozon azonban jelentősen különbözik a fotontól, mert átveszi a müon töltését és tömege nagyságrendekkel nagyobb, mint az elbomló müoné. (A W bozon tömege 80,4 GeV/c2, a müoné  0,1056 GeV/c2). A gyenge kölcsönhatás elmélete ezt a folyamatot virtuálisnak tekinti, amely rövid időre „kölcsönvesz” energiát a térből a szimmetriatörés folyamatában. (A szimmetriatörési koncepciót fejlesztette tovább a brit elméleti fizikus, Peter Higgs, amikor megalkotta az elemi részecskék ősforrásának elméletét, amit ma Higgs-bozonnak hívunk). A „kölcsönvett” energiát a W bozon gyorsan visszaadja, miközben létrejön az elektron és mellette egy nulla töltésű további részecske, a neutrínó.

Bétabomlás

A leptonok bomlásánál lényegesen bonyolultabb a kvarkokból felépülő mezonok (kvark + antikvark) és a barionok (három kvark, vagy három antikvark) bomlási mechanizmusa. Ennek oka, hogy az összetett hadronokban (ez a barionok és mezonok összefoglaló neve) az erős és az elektromágneses kölcsönhatás fontos szerepet játszik. A kvarkoknak két típusuk van: a 2/3e töltésű u, és a –1/3e töltésű d, és a leptonokhoz hasonlóan három generációjuk létezik, melyek csak a tömegükben különböznek (pontosabban a renormált tömegükben, mert szabad kvark nem figyelhető meg). Az u típus két magasabb generációja a c és a t kvark, a d típusé az s és a b nevű kvark.

Hadronoknál kivételnek számít, amikor a gyenge kölcsönhatás hozza létre a bomlást, mert az elektromágneses hatás tíz nagyságrenddel gyorsabb folyamat. Ezért amikor a két kölcsönhatás együtt játszik szerepet, a gyenge kölcsönhatás már nem figyelhető meg. Barionoknál a két nukleon (proton és neutron) külön esetet képvisel nagy stabilitásuk miatt, a proton (uud) spontán módon nem bomlik, csak neutrínósugárzással hozható létre átalakulás, míg a neutron (udd) bomlásának felezési ideje 880 másodperc. A proton stabilitását az okozza, hogy a barionok között ez a legkisebb nyugalmi energiával rendelkező részecske, a kissé nagyobb tömegű neutron pedig azért stabil, mert az elektromágneses kölcsönhatás nem idéz elő bomlást.  Ennek oka, hogy a töltéssel nem rendelkező gammasugarak nem hozhatnak létre átmenetet semleges és töltött részecskék között. Neutron bétabomlásakor proton jön létre, amit elektron és elektronneutrínó kibocsátása kísér. A bétabomlás valójában kvark-kvark átalakulási folyamat, amelyet a W bozon közvetít:

u → d + W d + e + νe

Mezonok bomlása

A mezonok családjában a π+(ud̲) összetételű (az aláhúzott szimbólum antikvarkot jelöl) +e töltésű pion a legstabilabb, amelynek legkisebb a tömege (139,6 MeV/c2) a mezonok közül. Ez a tömeg nagyobb a müon tömegénél, ami lehetővé teszi a kvark kombináció átalakulását müonra és müon neutrínóra:

ud̲  → W+ → μ+ + νµ

Elektronbefogás

Szintén a gyenge kölcsönhatás hozza létre az atommagban az elektron-, vagy más néven K-befogást. Az atomokban kötött elektron véges valószínűségsűrűséggel az atommagban is jelen van a nulla impulzusmomentumú pályán, ahol a a bizonytalansági elv értelmében a rendkívül erős elektromos vonzás ellenére a pozitív atommag nem tarthatja rögzítve az elektront. Abban az esetben viszont, amikor az atommagban több a proton, mint a stabilis izotópban, a gyenge kölcsönhatás átalakíthatja a részecskéket. Ennek során az atom rendszáma (a rendszámot a protonok száma adja meg) lecsökken. Példaként nézzük az instabil 26Al atommagot! Ebben 13 proton és 13 neutron van, ezzel szemben az 27Al izotóp már stabilis, mert ott eggyel több a neutron. Az elektronbefogás miatt eggyel csökken a protonok, és eggyel nő a neutronok száma, és létrejön a 26Mg izotóp. Ez annak felel meg, hogy a gyenge kölcsönhatás az egyik u kvarkot átalakítja d kvarkká a W+ bozon közvetítésével, amelyik második lépésben elnyeli az elektront:

u + ed + W+ + e → νe + d

A radióaktivitásnak ez a formája különleges esetet képvisel, mert ha megfosztjuk az atomokat az elektronoktól (teljes ionizáció), akkor nem jön létre atommag-átalakulás, és nem lesz többé radioaktív a 26Al izotóp.

Színre lép a semleges Z bozon

A gyenge kölcsönhatás nem minden esetben alakítja át a részecskét, de hatása olykor mégis tetten érhető. Buborékkamrában vizsgált elektronoknál azt tapasztalták, hogy amikor jelentős neutrínófluxus halad át a kamrán, egyes elektronok mozgása hirtelen megváltozik (Carlo Rubbia, Simon van der Meer, Nobel díj: 1984). Ezt úgy lehetett értelmezni, hogy az elektron lökést kaphat a neutrínóktól, amit viszont csak semleges bozon közvetíthet, amely a Z elnevezést kapta. A Z bozon tömege 91,2 GeV/c2, ami még a W bozonét is meghaladja, és képessé teszi arra, hogy átadja impulzusát az elektronnak. A szakirodalomban a folyamatot rugalmas neutrínószórásnak nevezik, mert ennek során nem alakul át a meglökött elektron más részecskévé.

A szerző fizikus, a BME és az ELTE címzetes egyetemi tanára. A Qubiten a Kalandozások a fizikában címen futó sorozatának korábbi írásai itt olvashatók.  

Magyar kutatók titkos élete: nappal tudós, este bűvész

Kevesen gondolnák, hogy a magyar tudományos élet prominens képviselői szabadidejüket bűvésztrükkök gyakorlásával és előadásával töltik. Összeegyeztethető a megtévesztésen alapuló varázslás a tényeket szentként tisztelő tudománnyal? Gáspár Merse Előd fizikus és bűvész négy elismert magyar kutatóval beszélgetett a nagy trükkről.