aPARADOXON, a természettudomány ideiglenes kudarcai

A tudomány úgy gondolja, hogy már ismeri az univerzum egyik felét és tervbe vette a másik fele feltárását. Csak annyiban téved, hogy az "egyik felét" tévesen ismeri, mialatt halvány fogalma sem lehet arról, hogy mi is lenne a "másik fele". Tt

 

Kvarkok tömege

 a_kvarkok_tomege_fejlec.jpg

Az u és d kvark
  tömege

Az alábbi kvarkokra és nukleonokra vonatkozó gondolatok afféle kezdeti probálkozások voltak. Félig-meddig vállalom értük a felelősséget, mert az útirányt ma is jónak tartom.  Ámde jobb, rövidebb és megnyugtatóbb A proton belső szerkezete c. dolgozatom, először annak elolvasását javaslom.                                     2016 október  Tt

 

Az atomok magja protonokból és neutronokból áll, feltehetőleg apró golyócskák halmaza. A golyócskák mérete csak közelítőleg ismert – cca. 10 femtométer – miközben egyéb fizikai paramétereit már rendkívül nagy pontossággal kimérték. Az a szép a dologban, hogy a fizikusok kicsit „belelátnak” a golyócskákba.  Szerintük azokban kvarkok és gluonok vannak.

 

      A protont 3 kvark alkotja – u u d – melyek az általános vélekedés szerint a nukleonok tömegének nagyobb részét, 70%-át teszik ki.  A maradék az un. tengerkvark, a mai felfogás szerint nincs befolyással a protonok viselkedésére. 

      A proton tömege természetesen nagyon kicsi, 938 MeV.   A MeV energia-érték ugyan, de c2-el osztva akár kilogrammnak is tekinthetjük.  (Az átszámítási faktor értéke MeV egységről kilogramm egységbe 1,78*10-30.)  Átszámítás után azonban zavaróan kicsiny számértéket kapunk, ami ráadásul rosszul is memorizálható.  Célszerű tehát a továbbiakban is MeV-ben, millió-elektronvoltokban gondolkodni. 

      Az atommag másik alkotóelemét, a neutront is a fent említett kétféle kvark alkotja, csak másféle csoportosításban.  Ebben egy u kvark és két d kvark van.  Érdemes megemlíteni, hogy a neutron tömege egy árnyalattal nagyobb a protonénál, ~940 MeV. Ha a neutron nem az atommagban, a protonok védelmében tartózkodik, akkor 15 perc után elbomlik, és átalakul protonná.  A legújabb kutatások szerint egyébként sem a proton, sem a neutron nem tökéletesen gömb alakú. A pólusoknál kisé lapított, felszíne pedig rücskös.

      Mit tudunk a proton fő alkotóeleméről, az u kvarkról?  Töltése pozitív, az egységnyi elektromos töltés 2/3-a. A szubatomi részecskék további jellemző tulajdonságai —  irányultság, szín, íz, báj, stb. — már  régóta ismertek.  Sajnos, az u kvark legalapvetőbb tulajdonsága, a tömege  jóformán ismeretlen, szinte csak találgatásokra hagyatkozik. 

      Az a szomorú helyzet ugyanis, hogy a kvark nem hagyja magát kivenni a protonból, ezért nem lehet a szokásos eszközökkel vizsgálni.  Bár rendkívül magas hőmérsékleten és rendkívül rövid időre előállítható kvarkplazma, ám de gluonokkal keveredve.  A fizikusok kezében szinte egyetlen eszköz maradt, jelesül a matematika. A módszer a peremfeltételekből kiinduló un. rácsszámítás, az ehhez szükséges szuperszámítógépekkel és szuper-időfoglalással. 

 12_g__u_szepia.jpg

  Vannak kutatócsoportok, melyek igen-igen kicsi értéket számoltak ki az u kvark tömegére ( 0,1 MeV,  Fodor Z and coll.), bár mások is elég kicsi számot (2-4 MeV) adnak meg. Sajnos, ilyen tömegadatokkal a kvarkok nem illenek bele a nukleonokba.  Ezekkel a számértékekkel a részecskék kívül találnák magukat a protonon.  Másrészt a kimértnél nagyobb – sőt, extrém nagy – mágneses nyomatékok lépnének föl. 

    Kellően nagy értéket senki nem tudott kiszámolni.  Olyan nagyot, amely kiadná a reménybeli 70%-ot a 3 kvark  össztömegére. Keressük a probléma lehetséges feloldását a fénysebességet közelítő tömegnövekedésben!  Egy 2 MeV tömegű u kvark 200 MeV tömegű lesz, ha a proton belsejében 99,9995% fénysebességre gyorsul fel.  Az efféle tömeg növekedésnek nincs elvi akadálya és felső korlátja. 

    Annak érdekében, hogy mélyebben belelássunk a proton belsejébe, vegyük vizsgálat alá az elemi részecskék két különös, és ezidáig mellőzött tulajdonságát. Az alapadatokat ezekkel a jellemzőkkel kiegészítve számítással tudjuk majd követni a proton belső viszonyait, akár egy zsebkalkulátor segítségével is. 

      A fent említet két jellegzetes mennyiség a részecskék mágneses nyomatéka, valamint a részecskék pörgése, az un. szpinje.  Ezekkel részletesebben is meg kell ismerkednünk. Ezt követően végre-valahára rangjához méltó helyére fog kerülni a kísérleti fizikának ezen két régóta ismert, és teljeséggel mellőzött eredménye. Egyébként ezek igen nagy pontossággal megmért fizikai jellemzők. 

 1.  A mágneses nyomaték

 A proton úgy viselkedik, mintha a belsejében egy mágnesrudacska lenne, melynek  erővonalai a gömb pólusainál lépnek ki a külső térbe.  Valójában nem mágnes rúd, hanem áramgyűrűk hozzák létre a mágneses teret. Magát az áramot pedig a kvarkok elektromos töltésének keringő mozgása szolgáltatja. 

    Az közismert, hogy egy hengerre csévélt áramjárta tekercs mágnesrúdként viselkedik.  A proton „tekercsét” 3 köröző kvark, mint 3 egymenetű tekercs alkotja.  Bár a menetszám kicsi, de ezekben igen erős áram folyik (ezt később részletezzük is). 

     Mint tudjuk egy tekercs mágneses tere annál erősebb, minél nagyobb áram folyik benne, és minél nagyobb az áram által körbezárt terület. A mágneses-tér erősségét protonok esetében a Tp = +14,1 számmal jellemezhetjük.  (A valódi értékhez úgy jutunk, ha ezt minden esetben beszorozzuk  10-27 értékkel.)   A precíz neve mágneses nyomaték, míg a mértékegysége Am2.  Ebben a mértékegységben az A az áram jelét, míg m2 az áramgyűrű által körbezárt felületet jelenti.  Az említett mágneses nyomaték minden egyes protonnál pontosan egy azon érték, mely az idő múlásával sem változik.  Ez  nem lehet véletlen!  Nyilvánvaló, hogy a háttérben egy nagy energiájú közeg rejtőzik, amely a világegyetem összes protonjának mágneses nyomatékát szigorúan egyazon értékre állítja be.

 12_2_abra_pn.jpg

     A neutron mágneses nyomatéka is igen pontosan kimért érték, Tn = -9,66.  Érdemes megemlíteni, hogy a közel 2000-szer kisebb tömegű elektron mágneses nyomatéka mintegy 1000-szer nagyobb.    Sajnos a mai fizikának nincs elképzelése a nukleonok mágneses nyomatékának mibenlétéről, bizonyára ezért nem használja fel őket.   Így aztán a szakirodalom egyetlen mondatot szokott vesztegetni erre a témára. Ez pedig magának a számértéknek a közlése. 

 

2. Perdület avagy szpin

   A szpin a modern fizika egyik régóta számon tartott fogalma.  A szpin szó az elemi részecskék furcsa, elsőre érthetetlen tulajdonságát jelenti, miszerint a részecskék pörögnek. 1925-ben Goudsmit, mint végzős leydeni egyetemista csoporttársával, George Uhlenbeckkel arra a következtetésre jutott, hogy az elektron a mag körüli keringésén kívül saját tengelye körül is forog. ( A forgást jellemző szám érték a már korábban is emlegetett S0.) E forgás következtében a részecskéknek az atomban többlet mágneses nyomatéka van.  Ez az elképzelés, jelesül hogy „az elektron a saját tengelye körül forog” néhány éven belül befuccsolt. Az elektron felszíne pörgéskor meghaladná a fénysebességet, ami ugye  lehetetlen fizikai jelenség. Azonban az atomfizikusok azóta sem tudták más modellel helyettesíteni az elektronok tengely körüli pörgését. Ezért jelenleg mindenféle scifibe illő leírásokkal traktálják a témához tévedt Olvasót. Nem lennék meglepve, ha a szokásos 80 évre titkosítanák is a jelenséget.  Ez ám az igazán biztos módszer a kellemetlen problémák szőnyeg alá söprésére.

      A megoldás egyébként a részecskék köröző mozgása.  A részecskék a „semmi” körül köröznek.  A vákuum  belső energiája, valamint m0 mágneses permeabilitása kényszeríti őket arra, hogy állandó köröző mozgásban legyenek.  Egyetlen pillanatra sem tudnak megállni.  A „semmi” körüli körözés régóta ismert példája az un. buborékkamra.   Ebben az erős külső mágneses tér hatására a vizsgált részecskék kondenzcsíkot húznak maguk után, miközben köröző mozgást végeznek. 

      A körözés vagy pörgés vagy szpin egy igen pontosan kimért számmal, az S0=53*10-36 értékkel jellemezhető.  A szpin alapértelmezett képlete szerint S0=mvr.  Mértékegysége a képletben lévő mennyiségekből következik: kg,  m/s,  m, azaz a tömeg, a sebesség és a keringési sugár szorzata.    Fontos itt leszögezni, hogy nem csak az elektronnak, kvarkoknak stb. hanem az összes létező 0-nál nagyobb tömegű szubatomi részecskének S0 értékű szpinje van.  Bármekkora is legyen a tömege.  Nem fordult még elő például az S0 99%-a, vagy 101%-a, illetve még sohasem mértek effélét.  Az elemi részecskék csak megjelenítik a szpint, és valójában a háttérben lévő örvénylő vákuumpörgeti őket.  Bármennyi  részecske is van egy adott térrészben, a vákuum rájuk erőlteti saját belső pörgési tempóját, de darabonként csak S0 értéknyit, nem többet és nem kevesebbet.  A jelenség hasonlít a gázok mozgási energiájának belső eloszlásához.  Akár kicsi a molekula tömege, akár nagy, a környezete ugyanannyi energiát juttat neki.  Persze a nagyobb tömeghez kisebb sebesség tartozik. 

A minimális tömeg számítása

    A fent ismertetett pörgés (S0 = 53*10-36) lehetővé teszi számunkra, hogy meghatározzuk a legkisebb tömegű részecskét, amely még éppen belefér a protonba.  Az ennél is kisebb részecske ugyanis csak a protonon kívül tudna körözni, hogy meglegyen az elegendően nagy r sugara, és ezáltal a szükséges mértékű  perdülete.  A számításhoz a már említett S0 = mvr képletet kell használni, ahol a v sebesség értékét a c fénysebességgel lehet helyettesíteni.  Ha elvégezzük a számítást, akkor a minimális tömegre 20 MeV értéket kapunk.  Ez a legkisebb tömegű részecske, amely  még a proton belső terében keringhet. 

 12_3_abra_pn.jpg

     Jól gondoljuk, hogy ez a 20 MeV elég kicsiny érték.  Összehasonlításként megemlítjük a pionokat, a kísérletileg kimutatott legkisebb tömegű összetett részecskéket:  p-  p+  p0,   melyek tömege cca. 140 MeV.  Ezek keringési pályája már elég kicsiny,  bőven beleférnének a protonba.  De a magfizikusok helyettük a gluonokra voksolnak.  Ez utóbbiakkal az a gond, hogy deklaráltan 0 a tömegük, 0 az impulzusuk, valamint 0 a szpinjük.  Náluk a fénysebesség környékén sem számíthatunk tömegnövekedésre, így nemigen tudnak hozzájárulni a proton össztömegéhez.   

 

Kvarktömeg számítás 

1. módszer

Tegyük fel, hogy mind a protonban, mind a  neutronban lévő kvarkok azonos tömegűek. Tegyük fel továbbá, hogy a protonban a két u kvark azonos pályán kering, hasonlóan az atomok belső elektronhéjához. Ez esetben az a szerencsés helyzet áll elő, hogy a bemenő adatokból a tömegekre csak egyetlen egy érték adódik ki. Más tömegérték nem jöhet számításba, mert akkor nem kapjuk meg az S0 szpin illetve a Tp és Tn mágneses nyomatékok értékét.  Az eredményül nyert tömegek: u kvark 125 MeV (13,3%), d kvark 71 MeV (7,6%). Enyhe sajnálkozással kell megállapítanunk, hogy így a kvarkok csak a teljes tömeg 1/3-át teszik ki a remélt 2/3 helyett.   

      Ekkor a protonban a két u kvark ru = 0,8 fm sugarú körön egyazon irányban, közel fénysebességgel kering.  Ketten együtt 12930 amper áramot hoznak létre. Egy nagyobb körpályán (rd=1,4 fm) azonos irányban keringő d kvark árama -1830 amper. Ennek mágneses nyomatéka ellentétes, levonódik, és így adják ki a 14,1 értéket.  

      A 3 egy irányba keringő kvark szpinje 3S0. Annak érdekében, hogy a szpin S0 értékű legyen, szükségünk van két további részecskére, melyek forgásiránya és szpinje is ellentett. Legyen az egyik a semleges p0 mezon, 600 MeV tömeggel. (Ámbár lehetne bármi más semleges részecske is.) Ehhez a tömeghez 0,17 fm keringési sugár tartozik. Így a pion lesz a legbelső részecske.  A hiányzó 20 MeV tömeget talán nevezhetjük mi is tenger-kvarknak, bármi is legyen az.  Eme feltételezések után pontosan kiadódik a proton 938 MeV tömege, 14,1 mágneses nyomatéka és S0 szpinje. 

      A neutron kimunkálása során is alkalmazhatók az eddigi kiegészítések.  A geometriai méretek az 2. ábrán láthatók. 

      A proton kialakításakor elképzelhető lenne a forgási irányok olyan kombinációja is, melynél a második áramgyűrűt alkotó d kvark mozgásiránya ellentett.  Ekkor a szpin értéke a háttér igénybevétele nélkül is a helyes S0 értéket adná.  Így azonban kisebb sugarak, és ezzel együtt a szpin értékének megtartása miatt nagyobb tömegek adódnának ki.  A 3 kvark össztömege 24%-al meghaladná a nukleon tömegét, mire sikerülne elérni a Tp mágneses nyomaték értékét.  Az elgondolás tehát életképtelen. 

   Kvarktömeg számítás

2 módszer

   A p-p ütköztetések során a proton belsejében 3 gömbhéjat mértek ki.  Ezek sugarai rendre 0,2; 0,44; 0,87 fm.  A méréseket Islam és munkatársai végezték el a CERN-ben és a Fermi Laboratóriumban.  Publikáció: 2009.

     A hivatkozott kísérlet egy további állítása, hogy a belső  gömbben van a három vezetési kvark.  Ha a belső gömbnek utánaszámolunk, akkor kiderül, hogy a töltések ilyetén elrendeződése nem állhat elő.   A szpin-feltétel miatt 58% tömeg túllépés áll be.  Ezen közben a mágneses nyomaték még mindig 43%-kal kevesebb lenne az elvárt értéknél.  Tehát  vagy az idézett mérés nem pontos, vagy ez az ellenőrző számítás nyugszik hiányos alapokon. Most, hogy ezek az ellentmondások felszínre kerültek, nem tudunk a kísérlet által megszabott úton tovább haladni. Kénytelenek vagyunk eltérő méretekkel és meggondolásokkal próbálkozni.

      Például megpróbálhatjuk a protont úgy felépíteni, hogy a belső gömböt egyetlen, viszonylag nagy tömegű u kvark formázza. (3. ábra) Mint láttuk, e gömb sugara 0,2 fm. A középső áramgyűrűt a d kvark alkotja, a p-p ütköztetési kísérlet eredményének megfelelő 0,44 fm sugárral. A második u kvarkot már nem lehet pontosan ráhelyezni a bemért 0,87 fm sugárra, mert nem érnénk el a szükséges 14,1 mágneses nyomatékot. Ennek a második u kvarknak kicsit kijjebb, a 0,90 fm sugáron kell keringenie. A kvarkok össztömege 828 MeV-nek adódik, ami a proton tömegének 88 %-a.

      A hiányzó 110 MeV tömeget 2 darab tenger-kvarkkal tudjuk pótolni, melyek az előbbiekkel ellentett irányban forognak. Összesen 5 részecskénk van, melyek  perdülete irány szerint összegezve a várt S0  érték lesz.

      Hasonló szemlélettel tervezhetünk egy neutront is.  Ez esetben a legbelső 0,2 fm sugarú gömböt egy d kvark alkotja. A középső 0,44 fm sugárra helyezhetjük rá  az u kvarkot. A második d kvarkot ismét nem lehet ráhelyezni a bemért 0,87 fm sugárra, mert nem érnénk el a protonnál bemért szükséges -9,66 mágneses nyomatékot. Ezt jóval nagyobb, 1,90 fm sugarú gömbre kell ráhelyezni. Az eddigiekből a három kvark össztömege 798 MeV-re adódik. Ez az össztömeg 85%-át teszi ki. Látjuk, hogy ez a v.2 verzió kedvező abból a szempontból, hogy bőven meghaladja a várakozásokban szereplő 2/3 kvark tömegarányt.

       A hiányzó 142 MeV tömeg pótlására használhatunk például négy darab tenger-kvarkot ellentett forgás iránnyal.  Keringési sugaruk 2,32 fm-re adódik. Ezen kiegészítő részecskékkel együtt a protonhoz hasonlóan itt is kiadódik a neutron  S0 szpinje.

 * * *

 

A fenti két számítás valójában két kezdeti próbálkozás a proton belsejének bemutatására és a benne lévő kvarkok elhelyezésére. Ezektől nem várhatjuk el, hogy megadják a végleges megoldást. Azonban szinte biztos, hogy ezek az első ábrák az atommag-fizika történetében, melyek megpróbálják bemutatni a három kvark elhelyezkedését a nukleonokban, azaz a protonban és a neutronban.

 

12_tablazat.jpg

 2013. április hó

Tassi Tamás

aparadox.hupont.hu

 


 

 

 

E cikk eredetijének nyomtatható változata A4-es jpg formában elérhető a következő helyen:

 

                        12_tartalom_jpg.jpg

 

Ikerparadoxon Lánczos Kornél űrrakéta,óraparadoxon, Einstein, idődilatáció, relatív, sebesség, cézium, atomóra, Hafele, Keating, kísérlet, Kelly 

 

 

<< Vissza        Tovább >> 13

Protonmodellek

 

 

 

 

 

 





Weblap látogatottság számláló:

Mai: 61
Tegnapi: 96
Heti: 157
Havi: 2 697
Össz.: 138 417

Látogatottság növelés
Oldal: Kvarkok tömege
aPARADOXON, a természettudomány ideiglenes kudarcai - © 2008 - 2017 - aparadox.hupont.hu

Az, hogy weboldal ingyen annyit jelent, hogy minden ingyenes és korlátlan: weboldal ingyen.

Adatvédelmi Nyilatkozat

A HuPont.hu ingyen honlap látogatók száma jelen pillanatban:


▲   Itt: e=mc2 - Vatera.hu
X

A honlap készítés ára 78 500 helyett MOST 0 (nulla) Ft! Tovább »