A részecskefizika a fizika egyik ága, amely az anyag elemi összetevőit, sugárzást és azok kölcsönhatásait vizsgálja. Nagyenergiájú fizikának is hívják, mivel sok elemi részecske nem fordul elő normális körülmények között a természetben, hanem más részecskék nagy energiájú ütközései során kell őket kelteni, ahogy az a részecskegyorsítókban történik.
Az atommagot alkotó proton és a neutron nem elemi részecskék, hanem még kisebb részecskékből állnak. Ezek a kvarkok. Ezen kívül elemi részecskék még a leptonok, amelyek közé az elektron és a neutrínók is tartoznak. Az összes anyag kvarkokból és leptonokból áll, közöttük négyféle kölcsönhatás léphet fel, melyeket szintén részecskék közvetítenek.
A körülöttünk álló világot döntő részben az u és a dkvark, valamint az elektron (e-) építi fel. A proton például két u és egy d kvarkból áll, a neutron két d és egy u kvarkból. Az atommag-átalakulások egy részénél szerepe van még az elektronneutrínónak (νe) is, egy nagyon kismértékben kölcsönható anyagnak is. Ezek alkotják az elemi részecskék első családját.
Összesen három ilyen család létezik, de a másik kettő részecskecsaládhoz tartozó kvarkok létrejöttéhez nagyobb energiára van szükség. A világegyetem Ősrobbanás utáni korai forró időszakában sok második és harmadik családbeli kvark volt, de a világegyetem tágulásával és hűlésével egyre kisebb energia jutott egy részecskére, így azok elbomlottak kisebb tömegű részecskékre. Ezen korai fázisban a kvarkok és gluonok forró plazmát alkottak, majd a tágulás és lehűlés közben fázisátalakulás révén kialakultak a hadronok, azaz a kvarkokat az erős kölcsönhatás „börtönbe zárta”. Jelenleg nagy gyorsítókkal vizsgálják az elmélet helyességét, a kvark-gluon plazma nagyenergiájú részecskegyorsítókban való kialakulásának körülményeit és tulajdonságait.
Minden részecskének (az összes leptonnak, kvarknak és a kvarkokból felépülő részecskéknek) van olyan párja, amelynek az összes töltésjellegű kvantumszáma (például elektromos töltése, barionszáma és leptonszáma) ellentétes, de a tömege azonos a részecskéével. Ezeket hívjuk antirészecskéknek. Az elektron anti-párja a pozitron. Vannak olyan részecskék is, amik saját maguk antirészecskéi (például foton, Z-bozon, semleges mezonok egy része), ezeket valódi semleges részecskéknek hívjuk.
Mengyelejevperiódusos rendszere1869-ben segített megszilárdítani ezt a 19. század során elterjedt nézetet. J.J. Thomson munkássága 1897-ben megalapozta azt a nézetet, hogy az atomok nem oszthatatlan elemi részek, hanem könnyű elektronokból és egyéb, nehezebb alkotórészekből állnak. Thomson atommodellje szerint az apró elektronok úgy ülnek egy nagy tömegű és kiterjedésű masszában, mint szilvadarabok egy nagy pudingban. Rutherfordkísérlete1911-ben azonban kimutatta, hogy az atom tömegének nagy része egy nagyon kicsi atommagba koncentrálódik. Eleinte úgy gondolták, hogy az atommag nagy tömegű protonokból és a magba zárt elektronokból áll. Ez magyarázta volna a rendszám eltérését a tömegszámtól. Később azonban úgy gondolták, hogy a protonok mellett a hozzájuk hasonlóan nagy tömegű semleges neutronok találhatók a magban, amiket Chadwick1932-ben fedezett fel.
Az 1950-es és 1960-as években számos újabb részecskét fedeztek fel különböző kísérletekben. Az 1970-es években a standard modellnek meglehetősen kis számú alapvető részecskéből sikerült felépítenie a már ismert részecskéket.
Ahogy a részecskefizika haladt lefelé a részecskék létezésének szintjein, egyre újabb és újabb tudományágak születtek és váltak ki belőle. Ilyenek többek között az atomok elektronhéjaival foglalkozó atomfizika, az atomok egymással létesített kötött állapotaival, azaz a molekulákkal foglalkozó molekulafizika, vagy az atommagok szerkezetével és átalakulásaival foglalkozó atommagfizika.
Az elemi részecskék fizikájának jelenlegi legjobb leírását a részecskefizika standard modellje nyújtja. Eszerint az alapvető kölcsönhatásokat (erős, elektromágneses és gyenge; a gravitáció nincs a modellben) bozonok közvetítik, az úgynevezett „mértékbozonok”: foton, W-, W+, Z bozonok és a 8-féle gluon. Ezen kívül 12 alapvető, ún. anyagi részecske építi fel az anyagot (az antirészecskék és a kvarkok színeinek figyelembevétele nélkül). Végül az elmélet jósol egy még fel nem fedezett részecskét, a Higgs-bozont, ami tömeget ad a modell többi részecskéjének.
Az elmélet korlátainak kiküszöbölésére alkották meg többek között az alábbi elméleteket:
a szuperszimmetriát (SUSY), mellyel többek között lehetővé válik a három kölcsönhatás egyesítése;
a húrelméletet, mely az egyik kísérlet arra, hogy a gravitációt is belefoglalhassuk az elméletbe.
A tér kiterjesztése új dimenziókkal
A kísérleti adatokkal való egyezés keresése sok új ötlettel ajándékozta meg a részecskefizikát. Az egyik ilyen gyümölcsöző irány az általunk tapasztalatból ismert háromdimenziós tér egységes keretben való tárgyalása a tőle függetlennek látszó idővel, illetve új – nem szokványos, hanem kompakt – térdimenziók hozzáadása a fizikai leíráshoz. Az ilyen kiterjesztések általában új típusú részecskék megjelenésével járnak az elméleti jóslatokban.
A speciális relativitáselmélet a Lorentz-transzformációval kapcsolatot teremtett a „hétköznapi” euklideszi hármastér és az idő között, egyben kimondva, hogy a transzformáció szimmetriája a természetnek. A felépített új ún. négyestér (vagy téridő) matematikai leírására a keretet a Minkowski-tér biztosítja. Az idődimenzió nem lett teljesen ekvivalens a térdimenziókkal, például az idő továbbra sem tud visszafelé folyni, és a kauzalitás, a dolgok egymásutánisága sem sérülhet.
Az elméletet a kvantumechanikában érvényesítve megjósolta az antirészecskék létezését, amelyek későbbi felfedezése az elmélet nagyszerű bizonyítéka.
A szuperszimmetria elmélete a négyes téridőt szupertérré bővíti, ami ötödik és további dimenziókként nem a négyesteret leíró valós számot, hanem Grassmann-számokat ad hozzá a leíráshoz. A szuperszimmetria az így kiterjesztett téren lehetséges transzformációkkal szembeni szimmetriát jelenti. Jóslata szerint minden általunk ismert részecskének létezik egy – nyilván kis tömegű, mivel eddig még nem fedeztük fel őket – ún. szuperpartnere. A fermionok szuperpartnere bozon és megfordítva. A szuperszimmetrikus modellek a standard modell sok problémáját képesek megoldani, a részecskefizika egyik mai legfontosabb feladata a szuperszimmetria igazolása avagy kizárása.
Kísérleti részecskefizika
A kísérleti részecskefizika legfontosabb eszközei a gyorsítók és a detektorok.
A részecskegyorsítókban a töltött részecskéknek feszültség hatására nagy mozgási energiára tesznek szert. A detektorokban az ütközések során, a világűrben stb. keletkező részecskék tulajdonságait (helyét, energiáját, lendületét, sebességét) mérik.
Nagyobb nemzetközi részecskefizikai kutatóhelyek
Gyorsítókat használó kutatóhelyek
CERN, a francia–svájci határon Genf mellett. Itt fedezték fel a W- és Z-bozonokat. A nagy elektron-pozitron ütköztetőgyűrű (Large Electron Positron collider ring, LEP) volt 2000-ig a főműszere, jelenleg a helyén, ugyanabban az alagútban épül az LHC (http://lhc.web.cern.ch/lhc ), a nagy hadronütköztetőgyűrű (Large Hadron Collider).
SLAC, Kalifornia államban, Palo Alto (USA) mellett helyezkedik el. Itt fedezték fel a c (charm) kvarkot és a tau-részecskét. Főműszere a PEP-II, amely elektronokat és pozitronokat ütköztet.
Fermilab, Chicago (USA) mellett található. Itt fedezték fel a b (bottom) és t (top) kvarkot és a tau neutrínót. Fő műszere a Tevatron, amely protonokat és antiprotonokat ütköztet.
Vannak olyan kísérleti részecskefizikai kutatóhelyek is, ahol nem részecskegyorsítókat alkalmaznak.
Egyik fajtájukban a földfelszínen vizsgálják a kozmikus sugárzást, amelyben a gyorsítókban jelenleg előállíthatónál nagyobb energiájú részecskék is előfordulnak, de ritkán és szabályozhatatlanul.
A fizika fejlődésének olvasmányos, tartalmas, regényszerű leírása, különös tekintettel a részecskefizikára. Sokat tudhatunk meg a gyorsítókról, a kísérletek lefolyásáról és a kísérleti eredményekről.
Brian Greene: Az elegáns univerzum, Szuperhúrok, rejtett dimenziók és a végső elmélet kihívása, Akkord Kiadó Kft, 2003 ISBN 963-9429-32-5, A húrelméletet művelő szerző írása a húrelméletről. (Miért van rá szükség, lehetséges-e a bizonyítása.)
Frank Close, Michael Marten, Christine Sutton: The Particle Explosion, Oxford University Press, New York, Tokio, Melburne, 1987 ISBN 0-19-853999-1
A részecskefizika olvasmányos története angol nyelven színes
képekkel.
(Újabb könyvük címe: Particle Odyssei ISBN 0-19-850486-1, vélhetően hasonló stílusban.)
A CERN – az európai részecskefizika központja. A webhelyen általános információk találhatók a részecskefizikáról, linkek a kísérletekhez és néhány tudnivaló tanárok számára. Érdemes egy pillantást vetni az antianyag webhelyre
Particle Adventure, többnyelvű élvezetes ismeretterjesztő oldal a részecskefizikáról.