Új Szó - Vasárnap, 1978. január-június (31. évfolyam, 1-26. szám)
1978-06-11 / 24. szám
TUDOMÁNYI TECHNIKA Oiabb felfedezések a mikrovilág csodálatos birodalmában Csehszlovákia és Bulgária gazdasági, valamint tudományosműszaki kapcsolatai a barátsági, együttműködési és kölcsönös segítségnyújtási szerződés 1946. április 23-án történt aláírása óta számos területen eredményesein kibontakoztak. Az együttműködés egyik érdekes példáját valósítják meg a prágai Automatizálási Kutatóintézet dolgozói, akik a bulgáriai Sestrino vízlépcső számára csatlakoztatott szabályzórendszert fejlesztettek ki, amely három vízi erőmű berendezéseinek egyidejű, automatikus irányítását teszi lehetővé. A berendezésbe 24 órás programot lehet beállítani, melynek teljesítését IS perces időközökben egy további automatikus rendszer ellenőrzi. A gépek indítása és leállítása az irányitóközpontból teljesen automatikusan történik, az utasításokat drótnélküli rendszer továbbítja. A csehszlovák kutatóintézetben kifejtett berendezés jelentős munkaerő-megtakarítást eredményez, emellett elősegíti a vízlépcső optimális kihasználását. A felvételen Ladislav Sapara és FrantiSek Stary mérnökök a szabályozó automatikus berendezés rezgésszámmérőjének működését ellenőrzik. (A CSTK felvétele) Az a gondolat, hogy az anyag legkisebb, oszthatatlan része az atom, (az atom görögül oszthatatlant jelent), csaknem 2400 évvel ezelőtt született, s az ókori tudomány egyik legnagyobb alakjától, DémokritosztóJ származik. Az anyagról alkotott elméletének zsenialitását mi sem bizonyltja jobban, mint hogy több mint 2200 éven keresztül senki sem kételkedett hitelességében. Elsőként Faraday 1834-es kí- sóletei folyamán feltételezte, hogy az elektrolitekben pozitív és negatív töltésű elemi részecskék. ionok haladnak az anód és katőd felé, tehát létez nek bizonyos elemi részecskék az atomon kívül. Az angol Rutherford csaknem hetven évvel később, 1906-ban felállított atommodelljében feltételezte először, hogy az atom nem oszthatatlan, hanem kisebb elemi részekből, pozitív töltéseket tartalmazó atommagból és negatív töltésű elektronhéjból áll. Ezt követően már természetszerűleg feltételezték a fizikusok, hogy e két elemi részecskén kívül esetleg mások is léteznek. Az atomok tüzetesebb vizsgála.- tából hamarosan kiderült, hogy a mag súlya jóval nagyobb, mint a protonok száma szerint várni lehetne, tehát a magban más részecske is helyet foglal. Mivel az atom kifelé semleges, ezért ennek a részecskének is semlegesnek, töltés nélkülinek kell lennie. Valóban, 1932-ben fel is fedezték a neutront. A fizikusok egy része már el is könyvelte, hogy a mikrokozmosznak elnevezett atomi világot már fel is derítették, a kedélyeket azonban alaposan felkavarta egy fiatal angol fizikus. P. A. M. Dirac 1929-ben közzétett ún. kvantumelmélete. A szerző azon igyekezetében, hogy elméletét összhangba hozza Einstein relativitáselméletének alapjaival, arra a következtetésre jutott, hogy az ismert elektronokon kívül szükségszerűen létezniük kell más elektronoknak, amelyek töltése pozitív, miközben anyagi jellegük is más, a rendes elektronnal való találkozáskor mindkét részecske megsemmisül, energiakisugárzás kíséretében. Feltételezése szerint ezek a pozitronnak nevezett részecskék egyenletesen elosztódva teljesen kitöltik a vákuumot, végtelen kiterjedésű, ún. Dirac-óceánt alkotva. Ez az óceán mérőeszközzel nem mérhető, tehát nem is érzékelhető. A feltételezés szerint csak az óceánból „kifolyt“ részecskék, az ismert rendes elektronok észlelhetők. Azonban, ha nincs kifolyás, nem észlelhető semmi. Tehát a Dl- rac-óceán műszerekkel nem mérhető, így az azt alkotó semleges töltésű, de negatív energiájú és tömegű részecskék sem. Azonban — Dirac feltételezése szerint —, ha egy részecske kirepül az óceánból, a helyén egy lyuk marad, amely azonos egy pozitív töltésű részecske jelenlétével. Ez a tnű- szerrel kimutatható részecske a pozitron. Dirac elméletét meglehetősen elvontnak, a mindent átjáró, végtelen világóceánt pedig képtelenségnek tartották kollégái, emiatt meglehetősen kemény bírálatban részesítették. Hamarosan kiderült, hogy a bírálóknak nincs igazuk, mivel 1932-J)fen az. amerikai Carl Andersson bejelentette, hogy felfedezte a Dirac által megjósolt részecskét, a pozitront. Ez egy csapásra megszakította a bírálathullámot, főként azért, mert az elmélet minden fejtege-' tése megegyezett a kísérleti eredményekkel. A Dirac-elméletből következik, hogy egy pozitron keltéséhez egy negatív elektront el kell mozdítani az óceánból. Emiatt a pozitív és negatív elektronok együtt, párosával keletkeznek. Az elektron — pozitron párképződés a földi légkörben is lejátszódik, a kozmikus sugárzást kísérő gamma- sugárzás váltja ki. A párképződés ellentéte a pármegsemmisülés, amely elektron és pozitron összeütközésekor történik. A két részecske helyén gamma-sugárzás keletkezik. A diraci fogalmazás szerint ilyenkor az elektron az „óceán“ határfelületén mozog, az egyenletesen eloszlott negatív tömegek között talál egy „lyukat“, abba belezuhan. A tudósok figyelme hamarosan az antiproton felé fordult. Abból a feltételezésből kiindulva, hogy elektron — pozitron párképződéshez 1,02 MeV (millió Volt) energia kell, a proton tömege pedig csaknem kétezerszerese az elektron tömegének, akkor a párkeltési energiának is ennyiszer kell nagyobbnak lennie, 4,4 GeV-nak (milliárd Volt). Végül 1955-ben a Berkeley Egyetem sugárzási laboratóriumában sikerült az antipro- tont előállítani. Ezt követte egy évvel később a semleges töltésű, negatív energiájú antineut- ron megtalálása. A következő, nagyon érdekes részecskét a radioaktív bomlás termékeit vizsgálva fedezték fel. Bármilyen elem bomlásakor a kirepülő részecskék számának és a kisugárzott energiának összhangban kell lennie a bomlás előtti állapottal. A radioaktív béta bomláskor kezdettől fogva gyanús volt a kutatók számára, hogy nincs rendben a bomlás energiamé’iege. A sugárzott elemből származó béta részecskék nagy energiaszórást mutattak nullától egészen magas értékekig. A kísérletek sokszori megismétlésével és a tévedések kizárásával a kutatók arra a feltételezésre jutottak, hogy egy újfajta, eddig ismeretlen elemi részecske viszi magával a hiányzó energiát. Mivel a bomlás töltésmérlege rendben volt. semleges töltésűnek kellett lennie, valamint nagyon kis tömegűnek, mert semmilyen műszer nem jelezte a kirepülési, ill. a becsapódást. Ezért Enrico Fermi olaszul „kis semlegesnek“, neutriőnak nevezte el. A részecske létezésének első közvetett bizonyítékát a Be7 nem stabil izotópiának bomlása szolgáltatta. Miközben ez az elem Li7 izotóppá alakul, neut- rio repül ki belőle. A kirepülő részficskét ugyan nem tudták regisztrálni, de lehetett következtetni a jelenlétre, mivel a ikirepülés pillanatában a Be atom ellenkező irányban kimozdult. Csak jóval később, 1955- ben sikerült F. Reines és C. Cowan Los Alamos-i kutatóknak csapdába ejteniük és közvetlenül kimutatniuk a neutriótí A diraci elmélethez hasonlóan meghökkentőnek tűnt és értetlenség fogta Hidekei Jukawa japán tudós 1935-ben közzétett elméletét, amely szerint a protonok és neutronok közötti erős kötés valójában egy részecskének tulajdonítható. A legköny- nyftbb ezt úgy elképzelni, hogy a két részecske egy-egy személy. Az egyikük kezében labda van, amelyet a másik kitép a kezéből, ez azonban nem hagyja magát és a labdát visz- szaveszi. A jelenet állandóan ismétlődik. Ennél a folyamatnál a labda tehát lényegében a két részecske (személy) közötti erőt testesíti meg. A görög „mesos“ (közötti) szóból az ún. kicserélődési erőt képviselő részecskét mezonnak nevezte el. Két évvel később Carl Andersson erős mágneses térben repülő részecskéket figyelve felfedezett mind pozitív, mind negatív töltésű ismeretlen részecskéket, amelyek pályáját a tér jobban elhajliította, mint a protonokét, de kevésbé, mint az elektronokét. Mivel az elhajlás nagysága függ a részecske tömegétől, ebből kiszámította, hogy az ismeretlen részecske tömege négyszázszor nagyobb az elektron tömegénél és megegyezik a Jukawa által megjósolt mezonnal. Később felfedezte, hogy kétféle mezon létezik: a légkör felső rétegeiben a kozmikus sugárzás hatására keletkező pi mezon (pion) és a pionból spontán bomlás folyamán keletkező mű mezon (müon). Az elemi részecskék közül alig féltucat stabil, a többi nagyon rövid életű, gyorsan elbomlik. Ez a felismerés vezette a kutatókat arra, hogy nagy teljesítményű gyorsítókban, ütköztetés útján állítsanak elő elemi részecskéket. A második világháboú után a részecskefizika annak jóvoltából indult rohamos fejlődésnek, hogy elsősorban a Szovjetunió, az Egyesült Államok és néhány nyugat-európai ország nagy teljesítményű gyorsítókat épített. Nemzetközi együttműködés keretében a dubnai Egyesített Atomkutató Intézetben hazánk tudósai is részt vesznek ezekben a kísérletekben. Az egyik leghatásosabb módszer az elektron — pozitron ütköztetésben alapszik. A két részecske nagy energiával csapódik egymásba, megsemmisülésük folyamán egy harmadik részecske, rövid életű (virtuális 1 foton keletkezik, amely ű) részecske — antirészecske párt hív életre. Az ily módon létrejött ún. C-pár nem repül szét, a két részecske egymás körül kering.. Ezzel a módszerrel fedezték fel 1974-ben a pszi részecske „családfáját“. A részecskéket keringési távolságuk szerint osztályozzák, mivel különböző szintű pályák másmás állapotnak felelnek meg. A C-pár a keringés folyamán nem szakad szét, bármikor megsemmisülhet, vagy elektron — pozitron párrá alakulhat vissza. Ezek a megfigyelések sokszor roppantul nehezek, meggondolva, hogy egy részecske átmérője esetleg csak 10—15 cm (tizennégy nulla és aztán egy egyes centiméter! 1 élettartamuk néha csak 10—18 (tizenhét nulla után egyes) másodperc. Hamarosan felfedezték az ún. Ká részecskéket is. A részecskék világa szinte naponta tartogat valamilyen meglepetést a tudósok számára. Napjainkban kb. 200—300 elemi részecskét ismerünk, ami a mikrovilág fantasztikus gazdagságát bizonyítja. Ha meggondoljuk, hogy ez több mint kétszerese a Mengyelejev-táblázat ismert elemeinek, tudatosítjuk, micsoda gazdag világ feltárásán dolgoznak a kutatók. A felfedezett részecskék mai tudásunk szerint három fő csoportra oszthatók: könnyű részecskékre (leptonok), hadronokra és mértékbozonokra. A leptonok sorába a legkisebb kiterjedésű és tömegű, pontszerű részecskék tartoznak. Ezek közül legismertebbek az elektron, a müon, a kétféle neutrínó (amelyek tömege talán zérus), „perdülete“ (spinje): A hadronok összetett, kiterjedt rendszerek, átmérőjük 10—12 centiméter. Ide tartozik a proton, neutron, pion, kaon, stb. A mértékbozonok eddig egyetlen ismert tagja az elektronmágneses tér kvantuma, a foton. Elméleti megfontolások szerint számos egyes spinű mértékbozon létezik, amelyek a részecskék közötti (erős, elektromágneses, gyenge) kölcsönhatásokhoz rendelhetők, azokat közvetítik. A tudósok számára gyanússá vált, hogy valóban ilyen sok a tovább már oszthatatlan elemi részecskék száma, ezért megkockáztatták azt a feltevést, hogy ezek még kisebb tömegű, egyszerűbb, kisszámú összetevőből állnak. Gell-Mann és Zweig 1964-ben elméletileg megjósolták, hogy az eleminek nevezett részecskék kisebb összetevőkből, ún. kvarkokból állnak. Feltételezték pl., hogy a proton és neutron három, a mezonok két kvarkból állnak. A kvarkok a leptonokhoz hasonlóan szintén pontszerűek és fél perdüle- tűek. Elméleti fejtegetések szerint az elemi részecskék építőkockái a leptonok és a kvarkok, a kötőanyagok a mértékbozonok. A kvarkok azonban különböznek a leptonoktól, mivel az előbbiek erős kölcsönhatásra is képesek, az utóbbiak csak gyengére és elektromágnesesre. A kvarkok legmeglepőbb tulajdonsága elektromos töltésük: az elméleti fizika mindeddig úgy tudta, hogy az elektron töltése egységnyi és oszthatatlan, addig a kvarkok töltése az elektron töltésének 1/3, vagy 2/3 része! Mint minden feltételezést, ezt is sokan bírálták, míg Fairbank és He- bard be nem jelentette 1977- ben; a stanfordi elektronágyúval végzett kísérleteik során megfigyelték, hogy a proton kisebb részekből, kvarkokból áll. Az elektronokkal bombázott protonmagok belsejéből visz- szapattanó elektronok mozgásából és pályájából (szóródásából) következtettek a kvarkok tulajdonságaira. Erős bombázás esetén a magból két kvarkból álló hadron repült ki. Ez ideig nem sikerült szabad kvarkokat megfigyelni, egyes tudósok szerint csak párokban léteznek, mivel nagyon erős kölcsönhatás van közöttük. (Kvarkbezárás elmélete.) A három eddig ismert kvark mellett 1974-ben S. Ting és B. Richter felfedezte az ún. charmónium spektrográfia segítségével a negyedik kvarkot, a J-pszi részecskét, amely az ún. bájos (charmed) kvark és antikvark kötött állapota. A két tudós felfedezéséért 1976-ban Nobel-díjat kapott. A később felfedezett többféle ún. char- mőnia állapottal együtt ez idáig ötfajta kvarkot ismerünk. Elméleti feltételezések szerint 3 könnyű és 3 nehéz kvark létezik. A kutatások napjainkban fokozott ütemben folynak, szinte naponta várhatók olyan felfedezések, amelyek alapjaiban változtathatják meg a mikrovilágról, a természet alapköveiről eddig felállított elméleteinket, s lehetővé teszik az anyag legbensőbb titkainak megismerését és megértését. OZOGÁNY ERNŐ 1978. VI. 11, N zn 3 16
