A protonról az iskolában meglehetősen rendezett képet kapunk. Pozitív elektromos töltésű részecske, amely a neutronokkal együtt az atommagot alkotja, és három kvarkból áll: két up (u) és egy down (d) kvarkból. A két up kvark egyenként +2/3, a down kvark −1/3 elemi töltést hordoz, így az összeg pontosan +1. Szép, egyszerű modell – és bizonyos körülmények között valóban kiválóan működik.
Csakhogy amikor a fizikusok egyre nagyobb energiájú részecskékkel kezdték vizsgálni a protont, ez a rendezett kép fokozatosan eltűnt. A proton belseje a modern részecskefizika szerint nem három apró golyó, amelyek valamilyen módon egymás mellett üldögélnek, hanem egy rendkívül dinamikus kvantumrendszer, amelyben kvarkok, antikvarkok és gluonok állandóan kölcsönhatásban vannak egymással. Bizonyos kísérletekben valóban három domináns kvarkot látunk, más körülmények között viszont a proton szinte egy kavargó gluonfelhőként jelenik meg.
A történet egyik fordulópontját az 1960-as évek végén a Stanford Linear Accelerator Centerben végzett mélyen rugalmatlan szórási kísérletek jelentették. Nagy energiájú elektronokat lőttek protonokra, majd megvizsgálták, hogyan térülnek el az ütközések után. Az elektronok úgy viselkedtek, mintha a proton belsejében pontszerű objektumokkal találkoznának. Ezeket az objektumokat ma kvarkokként ismerjük, és az eredmények erős kísérleti bizonyítékot szolgáltattak a néhány évvel korábban kidolgozott kvarkmodell mellett.
A következő évtizedekben azonban egyre furcsábbá vált a helyzet. A proton tömege körülbelül 938 MeV/c², miközben a benne lévő két up és egy down kvark úgynevezett csupasz tömegének összege ennek csupán kis töredéke, nagyjából egy százalék körüli nagyságrend. Vagyis hétköznapi megfogalmazásban a proton tömegének túlnyomó része nem egyszerűen a három alkotó kvark nyugalmi tömegéből származik. A tömeg döntő része a kvarkokat és gluonokat összekötő erős kölcsönhatás dinamikájához, azok mozgási energiájához és a kvantumtérelméleti rendszer energiájához kapcsolódik. Az Einstein-féle (E=mc^2) itt egészen közvetlen jelentést kap: a bezárt energia hozzájárul a proton tömegéhez.
A protont összetartó kölcsönhatást a kvantum-színdinamika, vagyis a QCD írja le. A kvarkok úgynevezett színtöltést hordoznak, az erős kölcsönhatást pedig a gluonok közvetítik. A „szín” természetesen nem valódi színt jelent; a vörös, zöld és kék elnevezések egy matematikai tulajdonság címkéi. A proton egésze színsemleges állapotot alkot.
A gluonok ráadásul maguk is hordoznak színtöltést, ezért egymással is kölcsönhatásba léphetnek. Ez alapvetően megkülönbözteti az erős kölcsönhatást például az elektromágnesességtől, ahol a foton nem rendelkezik elektromos töltéssel. A proton belsejében ezért rendkívül összetett, önmagával is kölcsönható kvantummező alakul ki.
És akkor itt tesszük fel a kérdést, hogy hány kvark van egy protonban? Ha a proton kvantumszámait nézzük, három úgynevezett vegyértékkvarkot találunk: uud. Ha azonban nagy energián, nagyon rövid idő- és távolságskálán vizsgáljuk, számos további kvarkot és antikvarkot észlelhetünk. A gluonok energiája kvark–antikvark párokká alakulhat, majd ezek ismét eltűnhetnek. Ezt a dinamikus összetevőt gyakran kvarktengernek nevezik.
A hamburgi HERA gyorsító 1992 és 2007 között sokkal nagyobb energiákon vizsgálhatta az elektron–proton ütközéseket, mint a korábbi SLAC-kísérletek. Amikor a kutatók egyre kisebb impulzusrészt hordozó részecskéket kezdtek keresni, egyre több kvarkot, antikvarkot és különösen sok gluont találtak. Nagyon nagy energián a proton ezért már alig hasonlít a tankönyvek háromkvarkos rajzára: inkább egy rendkívül sűrű, folyamatosan változó felhőként írható le.
Ez magyarázza a Quanta Magazine animációinak furcsa látványát is . A színes objektumok nem három konkrét kvark klasszikus pályáját mutatják. Egy proton belsejéről nem készíthetünk olyan filmet, mint három bolygóról egy csillag körül. Az animációk kísérleti adatokon és elméleti leírásokon alapuló vizualizációk, amelyek azt próbálják érzékeltetni, mennyire eltérő képet kapunk ugyanarról a protonról különböző energiákon és felbontásokon.
Van egy még különösebb következmény. A protonban időnként charm kvarkok és charm antikvarkok jelenlétének nyomai is kimutathatók. Ez azért meghökkentő, mert egyetlen charm kvark tömege önmagában nagyobb a proton tömegénél. Ez azonban nem jelenti azt, hogy a proton egyszerűen tartalmaz egy nála nehezebb elemi részecskét. Kvantumtérelméleti rendszerről beszélünk, amelynek állapotát nem lehet klasszikus alkatrészek tömegeinek egyszerű összegeként kezelni. Egy nagy adathalmazokon végzett elemzés arra is talált bizonyítékot, hogy a proton hullámfüggvényének lehet egy kis, úgynevezett intrinsic charm, azaz belső charm komponense.
Hasonló rejtély alakult ki a proton spinje körül. Mivel a proton spinje 1/2, sokáig természetesnek látszott, hogy ezt nagyrészt a három vegyértékkvark spinje adja. Az 1980-as évek végén végzett mérések azonban azt mutatták, hogy a kvarkok spinje csak a teljes érték egy részét magyarázza. A hiányzó részhez a gluonok spinje, valamint a kvarkok és gluonok pályaimpulzus-momentuma is hozzájárul. Ez lett a híres protonspin-rejtély, amelynek részleteit ma is kutatják.
Mindez egy mélyebb problémához vezet. A kvantum-színdinamika alapegyenleteit ismerjük, ám éppen azon az energiatartományon nehéz velük számolni, ahol a proton hétköznapi tulajdonságai kialakulnak. Nagyon kis távolságokon és nagy energiákon az erős kölcsönhatás gyengül – ezt nevezzük aszimptotikus szabadságnak –, ezért perturbációs módszerekkel jól kezelhető. Nagyobb távolságokon azonban a kölcsönhatás olyan erőssé válik, hogy a számítások rendkívül nehézzé válnak. Ez az oka annak is, hogy szabad kvarkokat nem figyelünk meg: a kvarkok hadronokba, például protonokba és neutronokba vannak bezárva.
A proton tehát attól függően mutat más arcot, hogy milyen „mikroszkóppal” nézzük. Alacsonyabb felbontásnál három vegyértékkvark dominál, nagyobb energián megjelenik a kvark–antikvark tenger, még nagyobb felbontásnál a gluonok sokasága válik meghatározóvá. Ezek nem egymást kizáró protonmodellek, hanem ugyanannak a kvantumobjektumnak különböző skálákon érvényes leírásai.
Ez pedig azért különösen érdekes, mert a proton nem valamilyen egzotikus részecske, amely csak részecskegyorsítókban létezik. Testünk atommagjainak jelentős része protonokból áll, ahogy a körülöttünk lévő hétköznapi anyagé is. Tömegünk jelentős része végső soron ennek a gluonokkal és kvarkokkal teli, folyamatosan változó kvantumrendszernek az energiájából ered.
Több mint száz évvel a proton felfedezése után tehát az anyag egyik legközönségesebb építőkövéről derült ki, hogy a természet egyik legösszetettebb kvantumobjektuma. A következő nagy lépést az amerikai Electron-Ion Collider (EIC) hozhatja, amely minden korábbinál részletesebben térképezheti fel a kvarkok és gluonok térbeli, impulzus- és spineloszlását. A cél lényegében egy háromdimenziós protonportré elkészítése – annak megértése, hogyan lesz a kvarkok és gluonok kvantumdinamikájából az a stabil proton, amelyből végül a körülöttünk lévő anyagi világ felépül.
Forrás, ábrák: Quanta Magazine – Inside the Proton
