A kérdés: Miből is áll a világ?
Az ember, amióta gondolkodik környezetéről, mindig felteszi a kérdést: Miből áll körülöttünk a világ?
A régiek válasza
Az ókor bölcsének, Empedoklésznak válasza: a négy őselem a föld, a víz, a levegő és a tűz. Ez egyáltalán nem olyan butaság, mint amekkorának elsőre ítélnénk. Tessék végignézni, és felismerhetjük a négy halmazállapotot, a föld a szilárd, a víz a folyékony, a levegő a légnemű, a tűz a gyakran negyedik halmazállapotnak nevezett plazma.
Később Démokritosz az atomokban, a tovább már nem osztható, de még az adott anyag tulajdonságait mutató részekben találja meg a választ. Démokritosz a frissen sült kenyér illatát megérezve azon kezdett gondolkodni, hogy a kenyérből biztosan kis részecskék lépnek ki, amelyeket az orra azonosítani tud. Logikai úton is hasonló következtetésre jutott: Ha egy kést olyan élesre fenünk, amilyenre csak lehet, és egy homokszemet kettévágunk vele, az csak egy kisebb homokszem lesz. Ha a fél homokszemet is kettévágjuk, majd így folytatjuk, előbb-utóbb egy olyan kis részecskéhez jutunk, amit már nem lehet tovább osztani.
A kémia atomjai
Az elektromosság felfedezése után világos volt, hogy az anyag töltött részecskékből áll, a radioaktivitás felfedezése pedig bizonyította a modellt, és lehetőséget adott az atomszerkezet kutatására. 1888-ban J. J. Thomson felfedezte az elektront. A huszadik század elején kiépült az atom ma is jól ismert képe: Az atomok pozitív protonokból, negatív elektronokból és semleges neutronokból állnak. Az elektron és a proton töltése az egység, tovább nem osztható. Ha jól megnézzük, ez szép kerek dolog, egy pozitív, egy negatív részecske, egy semleges, és ebből minden elemet gyönyörűen össze lehetett rakni. Hátra lehet dőlni, és kész az egész, megválaszoltuk a kérdést, most már tudjuk, miből van az anyag.
Kezdődnek a bajok
1931-ben Dirac számításai furcsa megoldásra vezettek: Mint egy közönséges másodfokú egyenletnél, két megoldást kapott. Az egyik a mindenki által ismert elektron volt, a másik ugyanaz, csak pozitív töltéssel! Az első reakció az lehet, hogy ennek a megoldásnak nincs fizikai jelentése. Igen, de megtalálták a pozitív elektront, a pozitront. Megjelent az antianyag első részecskéje!
Egy évvel később Enrico Fermi felfedezi a neutrinót. Ez egy tömeg nélküli, töltés nélküli, tünékeny részecske. Hosszú ideig úgy nézett ki, hogy sosem lehet kimutatni, de ez is elérkezett.
Hideki Yukawa japán fizikus 1935-ben talált egy új részecskét, a π mezont. A mezonok könnyebbek, mint a protonok, és nehezebbek, mint az elektronok. Olyan közepes részecskék, mint a nevük is mutatja. A modern műszerek megjelenése különböző mezonok tömkelegének
felfedezését hozta.
Hát ez meg kinek hiányzott?
Ezekre a részecskékre első ránézésre semmi szükség a világ felépítéséhez, (és ez így marad másodikra is). Mikor az amerikai Nobel-díjas fizikus Rabi hírt kapott pl. a π mezon felfedezéséről, az első kérdése ez volt: Hát ez meg kinek hiányzott? Így aztán megint részecskék, antianyag, mezonok hada várta, hogy valaki rendbe tegye ugyanúgy, ahogy a proton, neutron és elektron megmagyarázta a Mengyelejev-féle periódusos rendszer felépítését.
A megoldás: a standard modell
Két amerikai fizikus Murray Gell-mann és George Zweig addig elképzelhetetlen javaslattal állt elő: Az elemi töltés tört részével rendelkező összetevőkből, kvarkokból állnak ezek a részecskék, és ebből elég kevésre van szükség ahhoz, hogy a tulajdonságokat magyarázzuk. Ezekből a "kvarkokból" kettő is elég.
Az egyik az up (fel) kvark.
Jele u: töltése +2/3 (elektrontöltés egységben mérve), a tömege a proton tömegének harmada, antirészecskéje ū, töltése - 2/3
A le kvark
A másik a down (le) kvark.
Jele d: töltése -1/3 (elektrontöltés egységben mérve), a tömege a proton tömegének harmada, antirészecskéje đ, töltése +1/3
A mezonok egy kvarkból és egy antikvarkból állnak, a proton és a neutron háromból kvarkból. A kvarkokat nagyon erős kölcsönhatás köti össze. Mivel a kvarkok fermionok, ezért érvényes rájuk a Pauli féle kizárási elv. Bár a modell elméletileg nagyon vonzó, nagyon sok mindent megmagyaráz, pl. a proton stabilitását. A proton a barionok között a legegyszerűbb szerkezetű, alapállapotban van, nincs olyan állapot, ahová bomolhatna. A kvarkhipotézist a tört töltések feltételezése miatt nem fogadta elismerés. 1969-ben nagy energiára gyorsított elektronnyaláb (nem vesz részt az erős kölcsönhatásban, ezért be tud hatolni a magba, sőt a nukleonba is) segítségével három töltéscsomót találtak a proton belsejében, és ez igazolta a kvarkhipotézist. Mint annyiszor máskor, a kísérlet nemcsak bizonyított valamit, hanem további felfedezések számára nyitott utat. Kiderült, hogy a kvarkok töltését jól jósolta meg Gell-Mann és Zweig, de tömegük kisebb, a meglökött protonok lendületének csak a feléért felelnek a kvarkok. Kell még ott lenni valamilyen alkotórésznek. Ezek a gluonok, amelyek a kvarkokat összetartó erőt hordozzák.
Kezd kialakulni egy szép, egyszerű világ, ahol kevés alkotórész (két kvark, két lepton, és négy alapvető kölcsönhatás) minden jelenséget megmagyaráz. Ez szimmetrikus, kellemes kép. A kozmikus sugárzás kutatása során megfigyelt részecskék bomlásának magyarázatához azonban új kvark bevezetésére volt szükség, a ritka (strange) kvarkéra. Ez egy új, megmaradó tulajdonságot is hordozott, egy új kvantumszámot. A felfedezés megbontotta a már alakuló szimmetriát. A végeredmény az lett, hogy három, az elsővel analóg család, generáció alakult ki, a természet megháromszorozta az alapvető részecskék számát. A második és harmadik generáció nem vesz részt a "normális, mindennapi" anyag felépítésében, az eljövendő fiatal fizikusai talán ennek magyarázatával indíthatják el a fizika következő forradalmát.
A kvarkok a világ jelenleg ismert legalapvetőbb részecskéi. A fizika úgynevezett standard elmélete szerint minden, amit látunk, a csillagoktól a porszemekig, a vírusoktól a mammutokig, tizenkét alapvető részecskéből épül fel. Hat nehéz kvark és hat könnyű lepton alkotja az elemi részecskék "periódusos" rendszerét.
A kvarkok tulajdonságai
A leptonok tuljadonságai
