Atommagok és elemi részecskék...

Mindennapi tapasztalatunk, hogy a bennünket körülvevõ dolgok (és mi magunk is) egyrészt változnak, átalakulnak, másrészt viszont az állandóság, stabilitás jeleit is mutatják. A változás igen széles skálájú, a tárgyak egyszerû helyváltozásától a megtermékenyített petesejt emberré alakulásáig. Ugyanakkor a változatlanságra is sokféle példát találunk környezetünkben (használati tárgyaink vagy testrészeink nem tûnnek el különösebb ok nélkül). A változás és az állandóság kettõssége az atommagok és elemi részecskék világában is jelen van, de némileg másképpen, mint ahogy azt hétköznapi tapasztalataink alapján várnánk.

A 19. század második felében – az ókori Démokritosz sejtése, a középkori alkimisták elemátalakítási kudarcai, majd Dalton, Avogadro és mások kutatásai után – általánosan elfogadottá vált az atomelmélet, miszerint minden anyag az oszthatatlan és változhatatlan atomokból épül fel. Ez alapján minden változás a különbözõ típusú atomok mozgására, átrendezõdésére vezethetõ vissza (az egyes atomok nem változnak meg közben). Azonban a 19. század végén Thomson felfedezte az elektront, mint az atom fontos alkotórészét. Kiderült tehát, hogy az atom nem lehet oszthatatlan. Mindennapi életünk sok jelenségét (pl. az elektromos áramot, a televízió és a számítógép mûködését) az atomoktól elszakadó elektronok mozgásának köszönhetjük. Szintén a 19. század utolsó éveiben fedezte fel Becquerel és a Curie házaspár a radioaktivitás jelenségét. Világossá vált, hogy az atomok bizonyos esetekben átalakulhatnak egymásba, tehát nem tekinthetõk változhatatlanoknak.

Rutherford kutatásai nyomán kiderült, hogy a radioaktív bomlás fõ szereplõje az atom központi alkotórésze: az atommag.

Az atom közepén helyezkedik el a pozitív töltésû, pici atommag s körülötte keringenek a negatív töltésû elektronok. Az atom átmérõje nagyjából tízmilliószor kisebb 1 mm-nél, az atommag viszont még ennél a kicsi atomnál is százezerszer kisebb. Ennek ellenére az atom tömegének túlnyomó része ebben a pici atommagban van összezsúfolva. Az atommag pozitív töltésû alkotórészeit protonoknak hívjuk (a proton mintegy 1800-szor nehezebb az elektronnál). Az atommagban lévõ protonok száma az illetõ elem rendszáma (jele Z, a német Zahl=szám szóból), ez határozza meg, hogy az elem hányadik helyet foglalja el a periódusos rendszerben. A protonokon kívül vannak még semleges (töltés nélküli) részecskék is az atommagban, ezeket neutronoknak hívjuk (a neutron kicsit nehezebb a protonnál, de csak kb. 1 ezrelékkel). Egy meghatározott elem atommagjai különbözhetnek egymástól a bennük lévõ neutronok száma szerint (egy neutron hozzáadásával vagy elvételével egy teljesen különbözõ tulajdonságú atommagot kaphatunk). Az atommagot tehát a benne lévõ protonok és neutronok Z, ill. N száma határozza meg. Egy elem különbözõ neutronszámú atommagjait az illetõ elem izotópjainak hívjuk (izo-tóp azt jelenti: azonos hely; ugyanis ezek az atommagok, azonos rendszámuk következtében, a periódusos rendszer ugyanazon helyéhez tartoznak).

Az atom kémiai tulajdonságait a benne lévõ elektronok száma és mozgása határozza meg. A semleges atom elektronjainak száma azonos a protonok Z számával, és az elektronok nem „látják” az atommag semleges neutronjait, csak a töltött protonokat. Ezért egy elem különbözõ izotópjai kémiailag szinte teljesen azonos viselkedésûek (pl. kémiai módszerekkel nem lehet õket szétválasztani). Magfizikai szempontból viszont különböznek (pl. az egyik izotóp stabil, míg a másik radioaktív bomlásra képes). Látni fogjuk, hogy az izotópoknak ez a kettõs tulajdonsága sok fontos gyakorlati alkalmazáshoz vezet.

Az elemi részecskék között jelenleg négy alapvetõ kölcsönhatást ismerünk ([1]–[5]). Ezek közül a gyenge kölcsönhatás felelõs az atommagok b-bomlásáért, melynek során az atommag egyik neutronja protonná, illetve egyik protonja neutronná alakul át. Az atommag A = Z + N atomszáma tehát b-bomlásnál nem változik. A neutron protonná alakulásánál keletkezik még egy elektron, valamint egy semleges, nulla vagy nagyon kis tömegû részecske, az elektron-antineutrínó ([6] – [8]), amely csak a gyenge kölcsönhatásban vesz részt, ezért nagyon nehéz detektálni.

Láthatjuk, hogy teljesül a természet egyik legszigorúbb megmaradási törvénye, az elektromos töltés megmaradása (a proton és elektron töltései azonos nagyságúak és ellentétes elõjelûek). A bomlásnál keletkezett elektron és antineutrínó elhagyja az atommagot, kisugárzódik.

Az atommag belsejében a proton is átalakulhat neutronná, méghozzá kétféleképpen. Egyrészt az elõbbihez hasonló módon, csak most a töltésmegmaradás miatt nem elektron, hanem pozitron keletkezik (ez az elektron antirészecskéje, a tömege pontosan egyenlõ az elektronéval, a töltése viszont a protonéval azonos). Ezenkívül még egy neutrínó is létrejön, és a pozitronnal együtt kisugárzódik. Másrészt, az is lehetséges, hogy az atommag egyik protonja egyesül az atom valamelyik elektronjával (a gyenge kölcsönhatás révén), miközben egy neutron és egy neutrínó keletkezik. Ezt az átalakulást elektronbefogásnak hívjuk.

A b-bomlást gyakran kíséri egy nagy energiájú ún. g-foton emissziója. Ennek az az oka, hogy a b-bomlásnál keletkezõ új atommag az alapállapotánál magasabb energiájú, gerjesztett állapotban lehet, s innen foton kibocsátásával mehet át az alapállapotába.

A radioaktív bomlások harmadik fajtája az a-sugárzás, amelynél az atommag egy másik atommagot, nevezetesen a hélium 2 protonból és 2 neutronból (Z=2, A=4) álló magját (az a-részecskét) emittálja (az a, b, g elnevezéseknek pusztán történeti okai vannak).

Nagyon sok kísérleti tapasztalat mutat arra, hogy az összes radioaktív bomlási folyamatot pontosan írja le az exponenciális bomlási törvény: N(t)=N(0).exp(–t/T), ahol N(t) a bomló atommagok száma t idõpillanatban, és T a bomlási folyamatra jellemzõ felezési idõ (T idõ elteltével megfelezõdik a bomló magok száma). Ezt a törvényt abból a feltételbõl lehet levezetni, amely szerint a bomlás valószínûsége valamely t és t+Dt idõpontok között független t-tõl (a bomló atommag vagy részecske nem öregszik).

Tegyük fel, hogy minden héten kitöltünk egy 90 számot tartalmazó lottószelvényt. Ekkor minden héten 2 százalék esélyünk van a kettes találatra, és ez átlagosan 1 év múlva következik be (ötös találat viszont csak 1 millió év múlva!) Ha 11 hónapig nem volt kettesünk, mondhatjuk-e azt, hogy most már 1 hónapon belül nagyon valószínû a kettes találat? A válasz: nem! Minden kezdõdik elölrõl, ismét egy év az átlagos várakozási idõ (ugyanis a 2 százalék idõközben nem változott).

Az idõegységre esõ bomlási valószínûség akkor függhetne az idõtõl, ha a természettörvények, illetve a bennük fellépõ természeti állandók idõfüggõk lennének. Erre azonban jelenleg semmi bizonyítékunk nincs.

Az atommagok b-bomlásainak rengeteg alkalmazása van. Az alábbiakban megpróbáljuk ezeket összefoglalni. Mindegyik esetben csupán röviden vázoljuk az alkalmazások lényegét, a részletekre vonatkozóan az ajánlott könyvekben, ill. cikkekben találhatunk bõvebb felvilágosítást.

Radioaktív kormeghatározás. Ha ismerjük egy radioaktívan bomló atommag felezési idejét, valamint az atommagok számainak arányát egy régebbi idõpontban és most, az exponenciális bomlási törvény alapján ki tudjuk számolni azt a bizonyos régebbi idõpontot. Így pl. a szén A=14 tömegszámú b-bomló izotópjának mérésével néhány ezer éves szerves anyagok (fa, papír, csont) korát 100 év pontossággal meg lehet határozni ([9]-[13]).

Itt jegyezzük meg, hogy az emberi testben másodpercenként kb. 3000 A=14-es (¹⁴C) szénatommag bomlik el. A szintén b-bomló és a természetben kis mennyiségben elõforduló, 40-es tömegszámú kálium atommagokkal együtt közel tízezer b-bomlás megy végbe a testünkben másodpercenként [13]. Ez is jól mutatja, hogy a kis dózisú sugárzásoktól fölösleges aggódnunk, ezekkel szemben védettek vagyunk.

Izotópos nyomjelzés. Mint említettük, egy elem különbözõ izotópjai kémiailag nagyon hasonlóan viselkednek, magfizikailag (tehát pl. a b-bomlás szempontjából) viszont teljesen különbözõek. Ha egy elem egyik b-bomló izotópját (amelyet atomreaktorban vagy gyorsítóval állítottunk elõ) hozzákeverjük az illetõ elem stabil izotópjaihoz, a b-bomlás detektálásával nyomon követhetjük a bomló (tehát megjelölt) atommagok útját egy kémiai vagy biológiai rendszerben (élõlényben). Az elektronokat kisugárzó izotópoknál általában a b-bomlást követõ fotonokat lehet detektálni (ezek vastag anyagrétegen is át tudnak hatolni, míg az elektronok már 1-2 mm megtétele után elnyelõdnek). Ezeket az izotópokat atomreaktorban viszonylag könnyû elõállítani (neutronbefogás után nyilván egy neutron bomlik el protonra, így elektron keletkezik). Sajnos, nem mindig van jól detektálható foton.

Könnyebb a helyzet a pozitronsugárzó izotópoknál, mert a keletkezõ pozitron egy elektronnal találkozva annihilálódik (megsemmisül), ezáltal két nagy (az elektron tömegével ekvivalens) energiájú foton jön létre, ezeket pedig könnyen lehet detektálni. A keletkezõ pozitron a bomlási helyétõl 1–2 mm távolságban alakul át két fotonná, amelyek egymással szemben sugárzódnak ki. Ezáltal, ha sok kis fotondetektorunk van és sok bomlást tudunk regisztrálni, a b-bomlások helyérõl eléggé pontos háromdimenziós képet kaphatunk (megfelelõ számítógépes analízis után). Rákos sejtek gyakran az egészséges sejteknél nagyobb mértékben használnak fel pl. cukormolekulákat, amelyeket egy pozitront emittáló izotóppal megjelölve a keletkezõ fotonok detektálása útján meghatározhatjuk a rákos sejtek testen belüli pontos helyét és eloszlásukat. A diagnosztikai módszer neve: pozitron emissziós tomográfia (PET). Kelet- és Közép-Európa (Ausztriát is beleértve) egyetlen PET-központja Debrecenben mûködik, nagy szolgálatot téve hazánk orvostudományának ([14], [15]).

A b-bomló izotópok segítségével emiatt beláthatunk különbözõ anyagok, folyamatok, illetve élõlények belsejébe. Radioaktív jódizotóppal tanulmányozható pl. a pajzsmirigy mûködése (a beteg pajzsmirigy túl sok vagy túl kevés jódot halmoz fel); radioaktív kalciummal megfigyelhetõ a kalcium csontba való beépülése; különbözõ izotópokkal láthatóvá tehetõ a vér szervezeten belüli áramlása; a már említett 14-es tömegszámú szénizotóppal vizsgálható a növények fotoszintézise; radioaktív foszforral lehet ellenõrizni a mûtrágyák talajba való kötõdését stb. (sok más érdekes példát találhatunk a következõ munkákban: [9]-[13], [16], [17]).

Az izotópos nyomjelzés módszerét a magyar származású Hevesy György dolgozta ki, ezért 1944-ben kémiai Nobel-díjat kapott.

Aktivációs analízis. Ez az anyagvizsgálati módszer hasonló az elõzõhöz, csakhogy itt a radioaktív izotópokat nem kívülrõl juttatjuk be, hanem a vizsgálandó anyagot besugározzuk (aktiváljuk) pl. neutronokkal. Ekkor az illetõ anyagban lévõ elemek radioaktívvá válnak, s a különbözõ elemek különbözõ felezési idejû és energiájú b-, ill. g-sugárzást bocsátanak ki. Ezáltal, az aktiválás utáni sugárzás mérésével pontos információt kaphatunk az illetõ anyag elemösszetételérõl (nagyon kis mennyiségû elemek jelenléte is kimutatható). Csak élettelen anyagokra alkalmazható ez a módszer ([9], [10], [12], [17]).

Sugárterápia. A radioaktív sugárzást nemcsak diagnosztikai (vizsgálati), hanem terápiás (gyógyító) célra is jól lehet használni. A rákos sejtek általában érzékenyebbek a b- és g-sugárzások ionizáló hatására, mint az egészséges sejtek, így megfelelõ besugárzással elpusztíthatók a daganatok. Nagyon fontos ennél a módszernél a daganat pontos térbeli képe és az, hogy a pusztító sugárzás nagyobb része csak a rákos sejteket érje ([9], [11], [12], [18]).

A radioaktív izotópok és sugárzásaik sok más érdekes és fontos gyakorlati alkalmazására találhatunk példákat a fentiekben említett mûvekben.

A Föld belseje és az élet fejlõdése a Földön. Már a múlt században is tudták, hogy a Föld belseje több ezer fok hõmérsékletû, és a hõvezetés törvényének segítségével kiszámították, hogy a Föld nem lehet idõsebb 40 millió évnél, különben régen kihûlt volna a belseje. Ez az idõ azonban túl kevés volt Darwin számára. Az élõlények tulajdonságainak kis változások igen hosszú sorozatán alapuló evolúciós elmélete több idõt követelt a földi élet kialakulásához ([19]). A radioaktivitás felfedezésével világossá vált, hogy az urán, a tórium és a kálium radioaktív bomlásainak hatalmas energiája évmilliárdokig biztosíthatta a Föld belsejének melegét (a kálium 40-es tömegszámú izotópja b-bomló, az urán és a tórium a- és b-bomlásokat tartalmazó radioaktív bomlási sorok kezdõ elemei). A radioaktivitás szolgáltatja az energiát a földrengésekhez, vulkánkitörésekhez, és a kontinensek vándorlásához ([13], [20], [21]).

A Föld valószínûleg kisebb szilárd részekbõl keletkezett, majd a radioaktivitás hatására megolvadt (nagyobb test lassabban hûl). A belsejében lévõ nagy mennyiségû víz a radioaktivitás melege által mûködtetett vulkáni tevékenység során tudott a felszínre törni [22]. Radioaktivitás nélkül valószínûleg nem lenne víz a Föld felszínén, tehát magasabb rendû élet sem alakulhatott volna ki.

Itt jegyezzük meg, hogy a-bomlás létezne b-bomlás nélkül is, de az urán, tórium és a kezdeti ²⁴⁴Pu (²³²Th-ba torkolló) bomlási sorai már az elején elakadnának b-bomlás nélkül.

A Nap. Szabad állapotban a proton nem alakulhat át neutronná, tiltja ezt az energiamegmaradás törvénye (a neutron nagyobb tömegû a protonnál). Atommag belsejében viszont energetikailag lehetséges ez az átalakulás, ha a keletkezõ mag és a pozitron tömegeinek összege kisebb az eredeti mag tömegénél (a különbség a pozitron és a neutrínó mozgási energiájára fordítódik). Van egy másik lehetõség is: ha két proton eléggé meg tudja közelíteni egymást, az egyik proton b-bomlásából keletkezõ neutron hozzáragadhat (az erõs kölcsönhatás révén) a másik protonhoz. Az így kialakuló atommagot deuteronnak hívjuk (a hidrogénnek ezt a természetben is kis menynyiségben elõforduló izotópját tartalmazza a nehézvíz). A deuteron és a pozitron tömegeinek összege kisebb két proton tömegénél, így ez a különleges b-bomlás energetikailag nem tiltott. A Földön természetes körülmények között ez a folyamat nem megy végbe, mert az egymást taszító protonok kis mozgási energiájuk miatt nem tudnak egymás közelébe jutni. A Nap belsejében viszont 15 millió fok a hõmérséklet, s ez már elég ahhoz, hogy a fenti ún. proton-proton fúzió beindulhasson. A deuteronokból már könnyen lesz néhány magreakció után ⁴He atommag, miközben hatalmas energia szabadul fel. A sokak által rettegett nukleáris energia nyújtja tehát számunkra a Nap éltetõ melegét.

Gyenge kölcsönhatás nélkül nem lenne proton-proton fúzió, enélkül nem mûködne a hidrogént héliummá elégetõ „nukleáris kályha”, amely a csillagok és a Nap fõ energiaforrása; nem lenne tehát élet sem a Földön.

Érdekes viszont, hogyha a gyenge kölcsönhatás jóval erõsebb lenne, magasabbrendû élet akkor sem alakulhatott volna ki a Földön. Ekkor ugyanis a proton-proton fúzió gyorsabb lett volna, nagyobb ütemben fogyott volna a hidrogén a Nap belsejében, s ezáltal jóval rövidebb lett volna a Nap sugárzó élettartama. Az evolúció számára nem lett volna elég idõ a fejlettebb élõlények megjelenéséhez.

Az elemi részecskék minden egyes kölcsönhatási fajtájához tartozik egy vagy több közvetítõ részecske. A töltött részecskék közti elektromágneses kölcsönhatás közvetítõ részecskéje a foton. Létrehozásához tetszõlegesen kis energia is elegendõ, hiszen zérus tömegû (egy m tömegû részecske keltéséhez legalább mc² energiamennyiség szükséges, Einstein híres energia-tömeg ekvivalencia egyenlete értelmében, ahol c a fénysebesség). Ezenkívül a fotonnak nincs töltése, így a töltésmegmaradás törvénye sem akadályozza a fotonok nagy számban való keletkezését. A foton így a mindennapi életünknek is szerves része (rádióhullámok, mikrohullámú sütõ, fény, röntgensugár stb.).

A gyenge kölcsönhatásnak a b-bomlásban részt vevõ közvetítõ részecskéit W-bozonoknak hívjuk ([1]; a W az angol weak-gyenge szóból származik). A W-bozon töltött, van pozitív és negatív változata is (W⁺, W^–). Tömege a protonénak 85-szöröse, ezért csak igen nagy energiájú gyorsítóval lehet elõállítani (ez elõször a CERN-ben sikerült 1983-ban ). Az elemi részecskék elméletének fontos sajátsága, hogy egy m tömegû részecske ugyan mc²-nél kisebb energiákon is megjelenhet, de ebben az esetben csak nagyon kis ideig létezhet, utána ismét el kell tûnnie (minél nagyobb az m tömeg, annál kevesebb ideig élhet így a részecske). Azt mondjuk, hogy ilyenkor a részecske virtuális állapotban keletkezik. A neutront úgy is elképzelhetjük, hogy néha átváltozik protonná és W^–-bozonná, majd ezek visszaalakulnak neutronná. A W^–-bozon létezési ideje ilyenkor hihetetlenül rövid: 10^–26 s. Egy ilyen virtuális W^–-bozon átalakulhat elektronná és antineutrínóvá, amelyek kisugárzódnak az atommagból. Ezáltal a proton már nem tud visszaalakulni neutronná: megtörtént a b-bomlás. Hasonlóan a proton is átváltozhat neutronná és virtuális W⁺-bozonná, az utóbbi pedig tovább alakulhat pozitronná és neutrínóvá. A W-bozon hatalmas tömege és az ebbõl következõ nagyon kicsi virtuális létezési ideje az oka annak, hogy a gyenge kölcsönhatással lezajló folyamatok sokkal lassúbbak az erõs és elektromágneses kölcsönhatással végbemenõ folyamatoknál. (Láttuk pl., hogy a gyenge kölcsönhatású proton-proton fúzió évmilliárdokig elnyújtja a Nap sugárzását.)

A W-bozon majdnem minden elemi részecskével kölcsönhatásba tud lépni, s az egyik típusú részecskét át tudja alakítani a másikba (a foton pl. nem képes erre). Azonban a W-bozon eléggé speciális módon kapcsolódik a részecskékhez. Ennek megértéséhez be kell vezetnünk a helicitás (csavarodás) fogalmát. A tömegen kívül az elemi részecskék fontos tulajdonsága a spin ([1]). Ha ez a belsõ perdület (forgás) olyan irányú, hogy a részecske mozgásirányával jobbmenetû csavart alkot, azt mondjuk, hogy a részecske jobbkezes helicitású (balmenetû csavarodás esetén értelemszerûen balkezes helicitásról beszélünk). A W-bozon különös módon jobban szeret balkezes helicitású részecskékhez, illetve ezek jobbkezes helicitású antirészecskéihez csatolódni. Sõt, a zérus (vagy nagyon kicsi) tömegû neutrínó esetében kizárólag a balkezes neutrínóhoz és a jobbkezes antineutrínóhoz kapcsolódik. Neutrínók és antineutrínók csak a b-bomlás során (W-bozon révén) keletkeznek, ezért jobbkezes neutrínók és balkezes antineutrínók valószínûleg nincsenek is a természetben.

A balmenetû csavar tükörben jobbmenetûnek látszik. Hasonlóan, tükrözési transzformáció után (melynél az egyik vagy mindhárom térkoordináta elõjelét megváltoztatjuk) a balkezes neutrínó jobbkezes neutrínóba megy át. Ilyen viszont nem létezik, illetve a W-bozon ezzel nem lép kölcsönhatásba. Ezért azt mondjuk, hogy a gyenge kölcsönhatás nem tükrözés-szimmetrikus (ellentétben az erõs és elektromágneses kölcsönhatásokkal, amelyek szimmetrikusak a tükrözési transzformációra nézve). Úgy is mondhatjuk, hogy a gyenge kölcsönhatás meg tudja különböztetni egymástól a balt és a jobbot.

Az elõbbiek alapján a 85 protontömegû W-bozont balkezesnek hívhatjuk. Egyes elméleti elképzelések szerint létezik jobbkezes W-bozon is (amely csak jobbkezes helicitású neutrínóval hat kölcsön), ennek azonban sokkal nagyobb a tömege a balkezes tömegénél, ezért az elemi részecskékkel való kölcsönhatása sokkal gyengébb. Ez az elmélet tehát a gyenge kölcsönhatás tükrözési aszimmetriáját a kétféle W-bozon lényegesen eltérõ tömegeire vezeti vissza.

A bomló atommagok és elemi részecskék belsõ perdületét (spinjét) be lehet állítani egy fix irányba (ilyenkor polarizált magokról, ill. részecskékrõl beszélünk). A tükrözési aszimmetria egyik következménye, hogy polarizált részecskék (atommagok) bomlásából kirepülõ elektronok (pozitronok) és antineutrínók (neutrínók) térbeli eloszlása aszimmetrikus. Például a neutronbomlásnál keletkezõ antineutrínók nagyobbik része repül a bomló neutron spinjének irányába, és kisebbik része az ellenkezõ irányba. Persze ezeket az antineutrínókat rendkívül gyenge kölcsönhatásuk miatt nem lehet (illetve csak nagyon keveset lehet) közvetlenül detektálni, viszont a keletkezõ elektronok és protonok mérésével – az impulzus (lendület) megmaradását felhasználva – visszakövetkeztethetünk az antineutrínók térbeli eloszlására. Polarizált neutronok, müonok és különféle atommagok b-bomlásaiból keletkezõ részecskék pontos méréseivel alsó határt kaphatunk a jobbkezes W-bozon tömegére (ez jelenleg kb. 400-500 protontömeg, tehát ötször nagyobb a balkezes W-bozon tömegénél).

A b-bomlásnál keletkezõ elektron (pozitron) és antineutrínó (neutrínó) repülési irányai közti szög valószínûségi eloszlásának mérésével fontos információt kaphatunk a gyenge kölcsönhatás elméleti szerkezetérõl. Legyen q ez a szög és n/c az elektron (pozitron) sebességének és a fénysebességnek az aránya. Ekkor az atommagok és a neutron bomlásainál a q szög általános valószínûségi eloszlása ilyen alakú: 1+a . n/c . cosq, ahol az a az ún. elektron-neutrínó korrelációs paraméter.

A b-bomlásban részt vevõ részecskék hullámfüggvényeibõl építhetjük fel azt a bizonyos komplex amplitúdót (ez a részecskék impulzusaitól és spinirányaitól függõ komplex szám), amelybõl a b-bomlás összes lehetséges kísérletileg megfigyelhetõ mennyiségét és eloszlását ki lehet számítani. A hullámfüggvényekbõl képezhetünk olyan mennyiséget, ami térbeli forgatáskor skalárként viselkedik. Ha ilyen mennyiségekbõl építjük fel a bomlási amplitúdót, skalár típusú csatolásról beszélünk; ekkor a=–1. Képezhetünk azonban vektorként viselkedõ mennyiségeket is a hullámfüggvényekbõl. Ebbõl az ún. vektorcsatolást kapjuk, a megfelelõ elektron-neutrínó korrelációs paraméter a=1. Térbeli tükrözéskor (x ® –x, y ® –y, z ® –z) a vektorok iránya ellentétesre változik. Ugyanakkor az axiálvektor iránya nem változik meg a tértükrözés hatására; az axiálvektorként viselkedõ mennyiségekbõl felépített b-bomlási amplitúdót axiálvektor csatolásúnak nevezzük (a=–1/3). Ezen kívül még tenzorcsatolás is lehetséges (két vektor komponensei tenzorként viselkednek térbeli forgatás hatására); ekkor: a=+1/3.

Az elektron-neutrínó korrelációs paraméter mérésével tehát fontos információt kaphatunk a b-bomlás elméletérõl, arról, hogy a fenti 4 lehetséges csatolási típusból valójában melyik valósul meg a természetben. Nagyon sok kísérleti tapasztalat alapján ma már tudjuk, hogy a b-bomlásban a vektor- és axiálvektor-csatolás sokkal erõsebb a másik kettõnél. A vektorcsatolás szerepel az elektromágneses kölcsönhatásnál is, ezáltal vált lehetõvé a két, meglehetõsen különbözõ tulajdonság kölcsönhatás egyesítése az elektrogyenge elmélet (Glashow–Weinberg–Salam-modell) keretében. Az axiálvektor-csatolás jelenléte (a vektor mellett) okozza a gyenge kölcsönhatás tükrözési aszimmetriáját (láttuk, hogy a vektorok és az axiálvektorok különbözõképpen viselkednek a tértükrözési transzformáció során).

Az elektron-neutrínó korrelációs paramétert meg lehet határozni a neutronbomlásnál keletkezõ protonok, ill. az atommagok b-bomlásainál létrejövõ atommagok energiaspektrumának pontos mérésével. Jelenleg is több helyen folynak, ill. tervezés alatt állnak ilyen kísérletek, melyek segítségével az eddigieknél lényegesen kisebb felsõ korlátokat lehet meghatározni a skalár- és tenzorcsatolások szerepére a b-bomlásokban.

A neutronbomlás és atommagok b-bomlásainak kísérleti analíziseinél felvetõdõ különféle elméleti és szisztematikus korrekció számítások végzésében a szerzõ is tevékenyen részt vesz.

Mai tudásunk alapján az elektron és a neutrínó (valamint ezek antirészecskéi) mindenféle belsõ szerkezet, alkotórészek és térbeli kiterjedés nélküli, valódi elemi részecskék. Azt is tudjuk viszont, hogy a proton és a neutron valójában nem tekinthetõk elemi részecskéknek. Alkotórészeik, a kvarkok és a gluonok ([1], [2], [3], [4]) már valóban elemiek (az elektronhoz, neutrínóhoz és fotonhoz hasonlóan). A proton és neutron fõ alkotórészei az u és d kvarkok (az angol up-fel és down-le szókból). Az u-kvark elektromos töltése +2/3·e, a d-kvarké –1/3·e (ahol e a pozitron töltése). A proton 2 u- és 1 d-kvarkból, a neutron 1 u- és 2 d-kvarkból épül fel (ehhez jönnek még a semleges gluonok, amelyek mintegy ragasztóként összekötik a kvarkokat egymással).

A W-bozon valójában nem a proton, ill. a neutron egészével, hanem csak a bennük lévõ u- és d-kvarkokkal hat kölcsön (a gluonokat a fotonhoz hasonlóan õ sem „látja”).

A neutron b-bomlásánál a neutron egyik d-kvarkja u-kvarkká és virtuális W^–-bozonná alakul át, ez utóbbi pedig tovább bomlik elektronra és antineutrínóra. A proton b-bomlásánál viszont az egyik u-kvark alakul át d-kvarkká és W⁺-bozonná.

Kvarkokból és antikvarkokból az összes, erõsen kölcsönható részecskét fel lehet építeni (ezeket hadronoknak nevezzük). Kétfajta hadron van: mezon és barion. A mezonok egy kvarkból és egy antikvarkból állnak, a barionok pedig három kvarkból (ezek antirészecskéi, az antibarionok értelemszerûen három antikvarkból). A hadronok b-bomlásai a következõ alapfolyamatokra vezethetõek vissza: egy kvark (vagy antikvark) átalakulása (W-bozon által) egy másik fajta kvarkká (vagy antikvarkká), illetve egy kvark-antikvark pár annihilációja W-bozonná.

Láthatjuk tehát, hogy b-bomlás során a kvarkszám (vagyis a kvarkok és antikvarkok számának különbsége) megmaradó mennyiség. Ez a szabály az erõs és elektromágneses kölcsönhatásra is érvényes (ezeknél még a kvarkok fajtája sem változik). A kvarkszám egyharmadát barionszámnak hívjuk (tehát a proton és a neutron barionszáma: 1). A proton a legkönnyebb barion, s mivel a barionszám megmaradó mennyiség, a protonnak abszolút stabilnak kell lennie (kísérletileg mért élettartama legalább 10³¹ év; a nagy egyesítési elméletek szerint még a proton is elbomolhat, de ezt még eddig nem sikerült kimutatni). A barionszám megmaradását a magyar származású, Nobel-díjas Wigner Jenõ fedezte fel.

Az elektron és a neutrínó összefoglaló neve: lepton. b-bomlás során a W-bozon nemcsak két különbözõ kvarkot alakít át egymásba, hanem ezt a kétfajta leptont is. Természetes tehát, hogy a leptonok számára is létezik hasonló megmaradási törvény. Sõt, itt még szigorúbb a helyzet, mert a W-bozon nem tud pl. egy elektronból egy müont csinálni. Tehát van elektron-leptonszám, müon-leptonszám és tau-leptonszám, s mindegyik külön-külön megmaradó mennyiség. A leptonszám-megmaradás törvényét legelõször Marx György ismerte fel.

A hadronok b-bomlásainak tanulmányozásából fontos információkhoz jutunk az erõs kölcsönhatásról, a hadronok belsõ szerkezetérõl, valamint természetesen magáról a gyenge kölcsönhatásról is. A b-bomlási kísérletek különbözõ mért eloszlásainak és az erõs, illetve gyenge kölcsönhatás elméleti számításainak összehasonlításánál általában zavaró körülmény az ún. sugárzási korrekciók jelenléte. Ennek az az oka, hogy töltött részecskéket tartalmazó folyamatoknál mindig jelen vannak a töltések által kisugárzott fotonok is. Ezek pontos figyelembevétele a sugárzási korrekció számításoknak a kísérleti analízisbe való megfelelõ beillesztését jelenti. Barionok néhány kísérletileg fontos b-bomlása esetében az RMKI munkatársai – Tóth Kálmán, Szegõ Károly,Margaritis Tamás és a szerzõ – a nyolcvanas évek elejétõl foglalkoztak sugárzási korrekciók számításával.

A hadronok és leptonok b-bomlásai segítségével nagyon sok információhoz jutottunk az anyag legelemibb építõköveinek, illetve legalapvetõbb törvényszerûségeinek tanulmányozásában. Ugyanakkor a gyakorlati alkalmazások szempontjából már nem ilyen jó a helyzet. A fõ gondot a rendkívül kicsi felezési idõk okozzák. Erre a következõ igen fontos példát említhetjük. Müonok segítségével szobahõmérsékleten is létre lehet hozni deuteronok fúzióját (az elektronnál 200-szor nehezebb negatív müon nagyon közel tudja húzni a deuteronokat egymáshoz), miáltal egy gyakorlatilag kimeríthetetlen és olcsó energiaforráshoz juthatnánk (a vízben elég sok deuteron van). Sajnos a müon kb. a másodperc 500 000-ed része alatt elbomlik, ezért túl kevés fúziós folyamatot képes a létezése alatt katalizálni. Ha tízszer nagyobb lenne a müon életideje, már most lehetséges volna technikailag egy olyan erõmûvet építeni, amelynek alapelve a müonkatalizált fúzió lenne. Sajnos, a természet itt nem volt nagyon kegyes hozzánk. Persze, az is lehet, hogy egy új, eredeti ötlettel mégiscsak ki lehet játszani a müon túl kicsi felezési idejét, és talán valamikor a jövõben az emberiség szolgálatába állhat ez az energiafajta.

[ 1] Horváth Dezsõ: A Standard Modell (Természet Világa különszám).
[ 2] Harald Fritsch: Kvarkok
[ 3] A. Sz. Potupa: Utazás az elemi részecskék világába
[ 4] Katona Zoltán: Elemi részek
[ 5] Bõdy Zoltán: Legyen áldott a gyenge ! (Természet Világa, 1999. január)
[ 6] Patkós András: A neutrínó befejezetlen története (Természet Világa, 1999. március)
[ 7] Toró Tibor: A neutrínó.
[ 8] Marx György: A neutrínó (Fizikai Szemle, 1959. június,).
[ 9] K. N. Muhin: Magfizika – mindenkinek
[10] Tölgyessy György: Az atomkorszak detektívjei
[11] Tölgyessy/Kenda: Éltetõ és pusztító sugárzások
[12] Kroó Norbert, Quittner Pál: Radioaktív izotópok gyakorlati alkalmazása
[13] Marx György: Atommagközelben
[14] G. Arrhenius, H. Levi: A kozmokémia és geokémia korszaka (Fizikai Szemle, 1987. március)
[15] Gyenes György: A pozitronemissziós tomográfia (Természet Világa, 2000. február); Magyar Tudomány, 1999. október (különszám); Trón Lajos: Pozitronemissziós tomográfia (Természet Világa, 1997. március, Fizikai Szemle 1995. május, 1996. október)
[16] Dr. Baráth Péter: Nyomjelzés a biológiában (Természet Világa, 1974. június)
[17] Kiss Dezsõ, Kajcsos Zsolt: Nukleáris technika
[18] Bozóky László: Fizikusok szerepe a korszerû sugárterápiában (Fizikai Szemle, 1987. április)
[19] Horváth Gábor: Buffon, Fourier, Kelvin kontra Lamarck, Darwin (Fizikai Szemle, 1988.); Kihûl a Nap? (Fizikai Szemle, 1994. március)
[20] Marx György: Lemeztektonika és radioaktivitás (Fizikai Szemle, 1996. március)
[21] Müller Pál: Az élet története és a lemeztektonika
[22] Lukács Béla, személyes közlés

GLÜCK FERENC (1963), PhD. Munkahely: MTA KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet,Elméleti Fõosztály (1525 Bp. Pf. 49). Fõ kutatási terület: sugárzási korrekciók számítása, b-bomlás fenomenológiája, szisztematikus effektusszámítások neutronbomlás kísérleteknél.E-mail: gluck@rmki.kfki.hu