Milyen részecskéket ismerünk?
A részecskefizika jelenlegi ismeretei szerint a standard modellben 17 elemi részecske szerepel. Ezek közül 12 anyagi részecske (fermion): három lepton (elektron, müon, tau) és három neutrínó, valamint hat kvark. Ezek mind különböző módon érzékenyek az alapvető kölcsönhatásokra. Négy erőközvetítő bozon is van: a foton (elektromágneses kölcsönhatás), a W- és Z-bozonok (gyenge kölcsönhatás), valamint a gluon (erős kölcsönhatás). Ehhez jön még a Higgs-bozon, amely a többi részecskének tömeget kölcsönöz, de sem anyagi részecske, sem erőközvetítő bozon.
Antirészecskék és színek: bonyolódik a kép
Nem zárható ki annak a lehetősége, hogy a 17-es szám csak a kezdet. Minden részecskefizikus, még azok is, akik a hagyományos 17-es számot vallják, elismerik, hogy az antirészecskékkel számolva az anyagi részecskék száma mindjárt duplázódik: minden anyagi részecskéhez tartozik egy antirészecske is, így az anyagi részecskékből már 24 van. A W-bozonból kétféle létezik, a pozitív és a negatív töltésű változat, de a Z-bozon, a foton és a gluon elektromosan semlegesek, így náluk nincs ilyen párosítás. Antirészecskék nélkül azonban az univerzumunk kialakulása sem lenne lehetséges, hiszen az antianyag és az anyag találkozásakor kölcsönösen megsemmisülnek.
A gluonról gyakran egyetlen részecskeként beszélünk, valójában azonban nyolc különböző van belőle – mindegyik sajátos színtöltéssel rendelkezik. Ezek a kvantumszínek – amelyeket hagyományosan vörösnek, zöldnek vagy kéknek, illetve az ezekhez tartozó antiszíneknek nevezünk – határozzák meg, hogyan viselkednek a kvarkok és a gluonok egymással. Kísérletileg többé-kevésbé megkülönböztethetetlenek, de matematikailag különálló részecskékről van szó. Ennek alapján a darabszám 37-re növekszik.
Színek, kezdeti állapotok és kézesség
A kvarkok mindhárom színben (vörös, zöld, kék) léteznek, az antikvarkok pedig mindhárom antiszínben, ami hat kvarkfajta esetén összesen 36 különböző kvark- és antikvarkállapotot jelent.
A részecskék tovább bonyolódnak az úgynevezett „kézesség” (chiralitás) miatt: mindegyiknek lehet „balkezes” vagy „jobbkezes” változata, ami a kvantummechanikai sajátosságaikból adódik. Ugyanez igaz az erőközvetítő részecskékre is, amelyeknek különböző polarizációs állapotai vannak; például a W+, W− és a Z-bozonoknál egy harmadik, úgynevezett longitudinális polarizációs állapot is létezik.
Ha minden különbséget (színek, kézesség, polarizáció) önálló részecsketípusnak tekintünk, akkor nem kevesebb mint 118 részecskét kapunk. Ez talán meglepő, de mind a chiralitás, mind a polarizáció alapvető fizikai különbségeket jelent, amelyek befolyásolják például azt, hogy a részecskék hogyan vesznek részt gyenge kölcsönhatásokban, vagy milyen szerepet játszanak az univerzumban.
A szabadsági fokok labirintusa
A részecskék variációinak minden lehetőségét a fizikában szabadsági fokoknak nevezik. Minden kvantumállapot – mint a szín, a kézesség, a polarizáció – önálló szabadsági fok. Minél mélyebbre ásunk az anyag szerkezetében, annál több szabadsági fokot találunk. Érdekesség, hogy kozmikus léptéken, nagy skálán sokkal kevesebb változót kell megadni egy rendszer leírásához, mint mikroszkopikus szinten, amikor minden részecskét és tulajdonságát számon vesszük.
Az sem kizárt, hogy az ősrobbanás idején még több, ma már nem előállítható nagyenergiájú részecske is létezett. A standard modell kiterjesztései például feltételeznek olyan, nehéz, jobbkezes neutrínókat, amelyek a mai univerzumban már nem fordulhatnak elő. Ahogy az energiaskála csökken, egyre kevesebb effektív részecske „marad a porondon”; a legalacsonyabb energiákon csak a foton marad meg, mivel tömegtelen.
A matek meglepő válaszai
Az egyik legismertebb elméleti eredmény szerint a szabadsági fokok száma nem vehet fel tetszőleges értéket – csak bizonyos, konkrét számok létezhetnek. A Higgs-mezőhöz például egy, az anyagmezőkhöz 5,5, az erőközvetítő mezőkhöz pedig 62 szabadsági fok tartozik. Ezek a számok matematikailag születnek, nem a konkrét részecskefajtákból. Ha a standard modell minden összetevőjét figyelembe vesszük, összesen 995,5 szabadsági fokot kapunk – akárhogy is számoljuk, ez lényegesen több a tankönyvekben szereplő 17-nél.
Nincs végső válasz?
A végső szám attól függ, hogy mit számolunk részecskének: a hagyomány szerint csak 17, de a különböző állapotokat, színeket, antirészecskéket, kézességeket egy egységként is tekinthetjük, vagy külön-külön is. A természet mélyét vizsgálva egyre több finom különbség, újabb kategória tárul fel. Egy biztos: a részecskefizika szabályai még sok meglepetést tartogatnak – és nem zárható ki annak a lehetősége, hogy a valódi számot sohasem tudjuk meg.
