Előzmények

Az előző részben („Az elemi részecskék mint rezonanciák a téridőben”) foglalkoztam két alapvető részecske típussal, az elektronnal és a fotonnal. Az utóbbi energiája folytonosan változik, az előbbi csak három értéket vehet fel (elektron, müon, tauon), amit a tér rezonanciájához rendeltem, amikor kettősforgás jön létre. Ezek a rezonancia frekvenciák egészítik ki a tér két alapvető állandóját, a fénysebességet és a Planck állandót. Foglalkoztam a két hosszú távú kölcsönhatással is, a gravitációval és az elektromágneses kölcsönhatással, amelyek hatását a tér két újabb állandója határozza meg, az α Sommerfeld finomstruktúra állandó és γ gravitációs állandó. 

Folytonosság – kvantumosság – folytonosság

A gravitáció hatását folytonos függvények írják le szemben az elektromágneses kölcsönhatás által generált kvantumos effektussal. E mögött az a szemléletmód rejlik, hogy a kvantum is csak egy képződménye a téridőnek, amit a fénysebességű elemi forgások hoznak létre. Felfogásom szerint a fizikai világ hármas osztatú: a makrovilágban a folytonos változások jellemzik a törvényeket, amikor eljutunk a mikrovilág határához, már jelentkezik a kvantumok hatása, ezért ekkor a kvantumos leírásra van szükség. De a kvantumvilág mélyén van egy harmadik világ is, ahol újra folytonosnak kell tekinteni a mozgásokat. Ez már az elemi forgások belső világa, amit a forgások fázisa jellemez. A kvantum csupán egy lépcsőfok, ami átvezet az egyik folytonos világból egy másik folytonos világba, és ezt a lépcsőt az erős gravitáció – a tér extrém torzulása – hozza létre, amikor elvész a térből két dimenzió a fénysebességű mozgások miatt. Mivel a mikrovilág hírhozói, a fotonok maguk is elemi forgások, így a mozgások belső fázisáról nincs információnk. Ezt veszi tudomásul a kvantummechanika, amikor eljut a bizonytalansági elvhez. Ez a szemlélet feloldja az ellentmondást, ami a valószínűség és a teljes meghatározottság, azaz a determinizmus között feszül.

A bejegyzés tárgya

Ebben a részben a mikrovilág rövidtávú kölcsönhatásairól, az erős és gyenge kölcsönhatásáról, a kölcsönhatásokat hordozó bozonokról (W, Z és gluonok). valamint a kölcsönhatások alanyairól, a kvarkokról és a neutrínóról lesz szó. Ebben a világban már a kvantum uralkodik, így a kvantumelektrodinamika mellett a két kölcsönhatás leírása is kvantummező elméletek által történik.

A kvarkok tulajdonságai 

A kvarkelmélet jelentős sikere, hogy sikeresen értelmezi a több mint száz mezon és barion, összefoglaló néven hadron létezését. A mezonokat, melyek spinje lehet S = 0, vagy 1, egy kvarkból és egy antikvarkból építi fel a modell, míg a barionok, melyek spinje vagy ½, vagy 3/2, három kvarkot, vagy három antikvarkot tartalmaznak. Az antirészecske töltése ellentétes előjelű a részecskéhez képest.

 Valamennyi kvark spinje ½, amit az elektronhoz hasonlóan kettősforgással lehet értelmezni. A kvarkok különleges tulajdonsága, hogy az elemi töltés törtrészével rendelkeznek, ami lehet ±⅓e és ±⅔e. A ⅔e töltésű kvarkot nevezzük „up” (u), míg a -⅓e töltésű kvarkot „down” (d) részecskének, melyekből a pozitív töltésű proton és a semleges neutron felépíthető, amikor az egyikből kettő, a másikból egy szerepel a nukleon összetételében. Az u és d kvark antirészecskéiből hasonlóan épül fel az antiproton és az antineutron. Az elektron típusú részecskékhez hasonlóan a kvarkoknak is három generációja van, ezek különböző kombinációiból épül fel a mezonok és barionok serege. Erről részletesen írtam már a „Barangolás a kvarkok és elemi részecskék világában” című bejegyzésben.

Miért nem figyelhető meg szabad kvark 

Törttöltésű részecskét, azaz kvarkot azonban semmilyen kísérletben nem lehetett megfigyelni, bármekkora energiával is bombázták a hadronokat (elsősorban a nukleonokat) és ilyet a kozmikus sugárzásban sem találtak. Ezt avval szokás magyarázni, hogy a kvarkokat összetartó erő olyan nagy, amit nem lehet megbontani. Az én értelmezésem szerint azonban másról van szó. Igazában nem arról kell beszélni, hogy két, vagy három kvark „építi fel” a hadronokat, hanem a helyzet fordított: a kettősforgások rezonanciája összetett forgáskombinációkban valósul meg, amelyeknek azonos „mintázata” van, és ezeket az elemi mintázatokat nevezzük kvarkoknak. Tehát a kvarkok a hadronok belsejében létező mozgásformák. Mindegyik önmagában kettősforgásnak felel meg, de a két lehetséges királis kettősforgás együtt van jelen, de súlyuk különbözik. Úgy is mondhatjuk, hogy a királis szimmetriák szuperpozíciója építi fel a kvarkokat. A kvarkok töltését „hatodok” kombinációja hozza létre, így ha ⅚ és ⅙ a két kiralitás súlya megkapjuk a ⅔e töltést, ha viszont 4/6 és 2/6, akkor ⅓e lesz a töltés. Egy korábbi írásban már bemutattam, hogy a Dirac egyenlet általánosításával is eljuthatunk ehhez a képhez. (Lásd: „A Dirac-egyenlettől az általános fermion egyenletig”) 

A kvarkok szín kvantumszáma

A kvarkok rendelkeznek egy olyan kvantumszámmal is, ami csak náluk lép fel, aminek a szakirodalom a „szín” elnevezést adta. Ez természetesen csak egy szimbolikus név, ami onnan származik, hogy ennek a kvantumszámnak három lehetséges értéke van, ahogy összesen három alapszín (kék, vörös és zöld) létezik és ezek keverése létrehozza a fehéret, azaz kvarkok esetén a „szín nélküli” állapotot. Az új kvantumszám bevezetését az tette szükségessé, hogy a Δ⁺⁺delta részecske felépítését három identikus kvark, azaz (uuu) konfigurációval lehetett értelmezni. Fermionok esetén viszont a Pauli kizárási elv szerint minden egyes részecskének különböző állapotban kell lennie, tehát valamilyen kvantumszám alapján különbséget kell tenni közöttük. Elvben a pályaimpulzus kvantumszám szóba jöhetne, de az eredő impulzusmomentum minden barion esetén úgy értelmezhető, hogy ez a kvantumszám nulla. A szín kvantumszám segítségével viszont sikerült valamennyi barion felépítését jól leírni, az összefoglaló kvantumelméletet ezért kvantumkromodinamikának nevezték el.

Vibráció mint a szín-kvantumszám eredete

Fizikai világképemben minden kvantumszám valamilyen sajátmozgáshoz kapcsolódik, így értelmeztem a spint is fénysebességű forgásokkal. Ezért felvetődik a kérdés, hogy milyen belső mozgást végezhet a kvark, ami a szín-kvantumszámhoz vezet. A kvarkot úgy értelmeztem, hogy a két ellentétes kiralitású kettősforgás szuperpozíciója hozza létre. Ez két ellentétes előjelű gömbhéj együttesét jelenti, ahol a héjak felülete nulla, de mindkettőhöz valamilyen véges sugár tartozik. A két héj töltése között vonzóerő lép fel, ami azonban nem csillapodik le, mint az elektromágneses kölcsönhatás esetén, mert a forgási gömbből kilépő fotonok helyett itt közvetlenül hat a Coriolis erő a héjak között. Viszont a kvantummechanika szerint ilyen esetben alapállapotban is vibráció lép fel a komponensek között. Ennek a nullaponti vibrációnak lehet tulajdonítani a szín-kvantumszám létrejöttét, mert a vibráció tengelyiránya a tér három iránya felé mutathat. A képződő hadron a gömbszimmetriát őrzi meg, és csak lokálisan jöhet létre alacsonyabb szimmetria az egyes kvarkokban. A kétkomponensű mezonokban ez azt jelenti, hogy két ellentétes fázisú vibráció kapcsolódik össze, ennek felel meg, hogy a Standard Modell szerint szín és anti-szín kombináció hozza létre a „fehér” struktúrát. A háromkomponensű barionokban viszont mind a három különböző irányú vibráció jelen van, amelyek együttesen gömbszimmetriát alkotnak, azaz a barion „fehér” lesz.

Gluonok az erős kölcsönhatás hordozói 

A kvantumkromodinamika gluonokkal jellemzi a kvarkok közötti vonzó jellegű erős kölcsönhatást, melyek spinje S = 1, szín és anti-szín kombinációk hozzák létre, emellett töltésük is van. Összesen 9 színkombináció épül fel a három-három színből, de ebből a totálszimmetrikust kizárják és így nyolc gluont különböztetnek meg. Ez a sajátmozgás modellben azt jelenti, hogy az x,y és z irányú rezgéskombinációk lépnek fel, amelyben a két különböző vibráció csatolódik össze ellentett fázissal. A kölcsönhatás azért erős, mert a képződő barion belsejében közvetlenül hat a Coriolis erő a csatolt vibrációk között, viszont a hatótávolság rövid, mert a hatás csak a hadron belsejében érvényesül.

A rejtélyes neutrínók 

A neutrínók bujkáló részecskék, mert képződésüket csak közvetve, a megmaradási törvények látszólagos megsértése által lehet kimutatni, ebből következtethetünk arra, hogy mekkora a spinje és mennyi energiát visz magával képződése során. Az erős kölcsönhatás hiánya miatt a neutrínó nem hoz létre összetett fizikai objektumokat, mozgási pályáját nem lehet elektromágneses térrel megváltoztatni, és a pályát sem lehet nyomon követni az ionizációs hatás hiánya miatt. Közvetlen tömegmérésről ezért nem is beszélhetünk, kizárólag képződési idejüket vethetjük össze avval az idővel, amikor a protont átalakítja neutronná. A neutrínó is fermion, spinje ½, elektromos töltése nincs, az is vita tárgya, hogy van-e egyáltalán nyugalmi tömege, mert sebessége a mérési pontosság határán belül a fénysebességgel egyenlő.

A neutrínót olyan kéttős forgásként értelmezhetjük, amelyben a kétféle kiralitás súlya megegyezik és emiatt a Coriolis erő kompenzálódik és nem jön létre töltés. Mivel az erős kölcsönhatáshoz is szükség van Coriolis erőre, így ez a kölcsönhatás is hiányzik. 

 A mikrovilág legáltalánosabb kölcsönhatása

Általános fizikai törvény, hogy minden fizikai objektum megváltozhat, ezért a legáltalánosabb fizikai erő a részecskéket egymásba átalakító gyenge kölcsönhatás. Evvel a kölcsönhatással ezért a neutrínó is rendelkezik és természetesen minden más fermion típusú részecske. A gyenge kölcsönhatás kvantumelmélete a W⁺, W^- és Z kölcsönhatási bozonokkal írja le az átalakulási folyamatokat. Ezek a bozonok S = 1 spinnel rendelkeznek, igen nagy a tömegük, a proton tömegének közel százszorosa és a W bozonoknak töltésük is van, míg a Z bozonnak nincs. Milyen sajátmozgást rendelhetünk ezekhez a bozonokhoz, hogyan értelmezzük a töltésüket, tömegüket és miért csak rövidtávon hatnak miért olyan rövid az élettartamuk? 

Gyenge kölcsönhatás: az elemi részecskék „szerelőműhelye” 

Kiindulópontunk, hogy a spin 1, ami egytengelyű forgások esetén jön létre, viszont minden részecske két fénysebességű mozgás terméke. Foton esetén ez a forgási tengely mentén történő haladó mozgás, ezért ekkor nem támad Coriolis erő. A W részecskék viszont rendelkeznek töltéssel, ami úgy lehet, ha a haladó mozgás iránya merőleges a forgástengelyre, ami létrehozza a ℏ.c/r² nagyságú Coriolis erőt és ezáltal a töltést. A tengelyre merőleges haladás viszont azt jelenti, hogy a forgás sugara fénysebességgel nő, ami fénysebességű forgásnál azt jelenti, hogy az ω = c/r forgási frekvencia ennek ütemében csökkenni fog. Ha a forgási frekvencia csökken, akkor a hozzátartozó ℏ.ω energia is csökkenni fog, ami a részecske gyors eltűnését fogja eredményezni. A frekvencia változása miatt viszont fellép egy új tehetetlenségi erő a Coriolis erőn kívül, amit Euler erőnek nevez a szakmai irodalom és ennek nagysága is ℏ.c/r² lesz, viszont iránya a sugárral lesz párhuzamos. Ez az erő hozza létre a csatolást a W bozon és az átalakítandó, illetve átalakuló részecske között. Az átalakuló részecskék tömege, azaz forgási frekvenciája eltérő, de a bozon épp azáltal, hogy változtatja a frekvenciáját képes szinkronba kerülni bármelyik fermionnal. A távolság, ami a kölcsönhatást jellemzi azonban nagyon rövid, hiszen a fénysebességű tágulás hamar eléri a részecskék sugara által meghatározott értéket. Látható ily módon, hogy a modell nagyon világosan tükrözi a gyenge kölcsönhatás valamennyi tulajdonságait.

Honnan származik a gyönge kölcsönhatási bozonok tömege? 

A gyenge kölcsönhatás további különössége, hogy például a neutron bomlásakor első lépésben a neutron tömegét közel százszorosan meghaladó tömegű bozont hoz létre, ami megsérteni látszik az energiamegmaradás törvényét, legalább is egy nagyon rövid időre. Az erős gravitáció elve azonban erre is választ ad. Amikor létrejön a kölcsönhatási bozon, akkor a tér hirtelen begörbül, ami negatív potenciális energiát hoz létre, ami pontosan fedezi a bozon nyugalmi (azaz kinetikus) energiáját. Voltaképp a szabályos Euklideszi tér nem rendelkezik energiával, de amikor a fénysebességű mozgások által „behorpad” időlegesen szétválik az energia két formája, viszont összegük továbbra is nulla marad. Ez a „horpadás” jelentősen kisimul létrehozva a kisebb energiájú új részecskét. Ezért mondhatjuk, hogy a gyenge kölcsönhatású bozonok „szerelik át” a részecskéket egymásba. Bizonyos részecske átalakulási folyamatok a semleges Z bozon által mennek végbe. Ezt a bozont úgy értelmezhetjük, hogy ekkor a kétféle kiralitású állapot szuperpozíciója jön létre, amikor a Coriolis erő és így a töltés kompenzálódik. 

Gyenge kölcsönhatási bozonok mint a tér rezonanciái 

Miért van az, hogy a foton esetén nem beszélünk nyugalmi tömegről, addig a W és Z bozonok rendelkeznek tömeggel? Ennek oka, hogy a foton nem lokalizálható a tér egy pozíciójában, viszont a W és Z bozonok helye nem változik meg, csak a forgás sugara kitágul. Emiatt a részecske a tér egy adott helyén megtalálható, szemben a száguldó fotonnal, amelynek pozíciója nem lokalizálható. Másik különbség, hogy a foton forgási frekvenciája tetszőleges lehet, míg a gyenge kölcsönhatás bozonjai jól definiált tömeggel, azaz frekvenciával rendelkeznek. Itt hozzá kell tenni, hogy ezek a tömegek és frekvenciák a képződés pillanatában érvényesek és gyorsan lecsökkennek. Ezt azt jelenti, hogy a kezdő frekvencia ismét a tér egy rezonancia sajátsága, amit a sugárirányú mozgás létrejötte követel meg.

Az alábbi linkre kattintva lehet eljutni a "Paradigmaváltás a fizikában" című bejegyzésre, ahonnan további bejegyzésekre történik utalás.