HORVÁTH ÁKOS

A nagyenergiás részecskegyorsítók nem okoznak katasztrófát!

A világ fizikusainak figyelme ez év júniusában az amerikai Brookhavenben megépített legújabb részecskegyorsítóra irányult, mert világcsúcs-bejelentés történt. Az eddig mesterségesen előállított legnagyobb energiasűrűséget, a legnagyobb sebességű atommagütközést kezdték el vizsgálni. Ez természetesen számos kérdést vet fel, olyanokat is, hogy okoz-e katasztrófát egy ilyen csúcstechnológia. Azt a kérdéskört járjuk végig, hogy mennyire veszélyes egy ilyen ütközés. Milyen esély van kicsi fekete lyukak kialakulására, nagy energiák felszabadulására, vagy létrejöhetnek-e ún. ritkakvark-rögök, melyek átalakíthatják az anyag megszokott formáját, egyáltalán van-e már kísérleti tapasztalatunk az univerzumban ilyen nagy energiájú ütközésekre, vagy pusztán az elméleteinkre hagyatkozhatunk.
 

Amikor valamilyen, az adott kor technikai szintjét túlszárnyaló újdonságot vezetnek be, mindig felvetődik a kérdés, hogy nem veszélyes vállalkozás-e ez. Minden ilyen csúcstechnológia számos bizonytalan lehetőséget vet fel az egyik oldalról, egyszerűen azért, mert még nincs kipróbálva. A másik oldalról viszont tudományos ismereteink, működő modellekben kikristályosodott tapasztalataink biztonságos fogódzókat nyújtanak az új jelenségek vizsgálata során. Így történt ez eddig a legmagasabb toronyház építése során, a legújabb, leggyorsabb repülőgép első próbarepülésekor, vagy a leghosszabb híd tervezésekor egyaránt.

Energiasűrűség-világcsúcs a kvark-gluon-plazma keresése során

Napjaink legnagyobb energiájú részecskegyorsítói a svájci Európai Egyesített Részecskefizikai Kutatóintézetben (a CERN-ben) megépült 27 km-es sugarú gyorsító, a Chicago melletti Fermilab nagy pályasugarú gyorsítója és a New York állambeli Brookhavenben épült Relativisztikus Nehézion Gyorsító (RHIC). Ezekben a gyorsítókban évek óta vizsgálják az anyag legkisebb alkotóelemeit egyre nagyobb energiájú részecske- és atommagütközésekben. A legújabb RHIC kísérletben aranyatommagok ütköznek egymásnak frontálisan, relativisztikus sebességgel. Mennyire haladja meg az eddigi részecskegyorsítókban elért energiasűrűséget az új kísérlet? A két szembe mozgó nyaláb atommagjainak egy nukleonra (nukleon = atommag alkotórész = proton vagy neutron) eső mozgási energiája 100 milliárd elektronvolt, ami kb. tízszerese lesz az eddigi világcsúcsnak. Ez azért vált ki az átlagosnál nagyobb tudományos érdeklődést, mert ezekben az ütközésekben várható az anyag egy új állapotának a kvark-gluon-plazmának a megjelenése, ahol a protonokat és a neutronokat alkotó - oda bezárt - kvarkok szabaddá válnak. Ez az állapot az univerzum jelenlegi elfogadott és többszörösen alátámasztott modellje (Big Bang elmélet) alapján az ősrobbanás után nagyon rövid idővel már létezett, így most a világegyetem fejlődésének kérdéseiről is szerezhetünk kísérleti tapasztalatokat.

Jóslatok és tudományos elméletek

A katasztrófajóslatok tudományos gondolatokat is felvetnek azon túl, hogy a részleteket kevésbé ismerő (a nem természettudományos igényű média híreire támaszkodó) érdeklődőkben félelemmel párosuló gondolatokat ébresztenek. Tényleg beszippant minket egy mikroszkopikus fekete lyuk? Valóban léteznek a ritka kvarkokat is tartalmazó atommagszerű kvarkrögök? A veszély lehetősége természetes gondolat, de a kételyekre a tudomány mai állása szerint megnyugtató válaszok adhatók.
Mennyire építhetünk fizikai elméleteinkre új körülmények között, azaz mennyire tud "jósolni" a fizika? Azt mindenki tudja, hogy az eldobott kő, vagy a bolygók és a Nap mozgását pontosan ismerjük és előre ki tudjuk számolni De vajon az elemi részek világában is ilyen nagy biztonsággal tájékozódunk? Századunk második felében egyre több elemi részt fedeztek fel, ezek közül több létezését előre megjósolták az elméleti fizikusok. Chadwick 1932-ben fedezte fel a neutront. Ezzel ért el tudásunk arra a szintre, hogy az atommagok szerkezetét sikerült helyesen leírni. Az atommagok mérete már ismert volt (az atomok mé - retének tízezredrésze) és ebből egyenesen következett, hogy a bennük lévő protonok taszítását valamilyen új erőnek kell ellensúlyozni. Ez az új erő a magerő, melynek modelljét Yukawa japán fizikus adta meg. Modelljének lényege az volt, hogy a részecskék (proton vagy neutron) egy náluk könnyebb, de az elektronnál több százszor nehezebb részecskét cserélnek ki egymás között. Később ezt a részecskét fel is fedezték, jelezve az előbbi jóslat helyességét. Az első atomreaktor összeállításakor is pontos modellekből számította ki Szilárd Leó és Enrico Fermi, hogy mi fog történni. Minden az előre vártak szerint zajlott. Egy másik nagyszerű elméleti jóslat volt Gell-Mann gondolata, mely a kísérletekben felfedezett nagyszámú elemi részecskét állította rendszerbe a kvarkok gondolatának bevezetésével. Később, megfelelő energiájú ütközések technikai szintjét elérve, ezeket a kísérletek kimutatták. A jóslat ismét működött. A legutóbbi sikeres jóslat az elemi részek világában a top-kvark felfedezése volt a Fermilabben. Napjainkban olyan sok kísérleti tapasztalatot sikerült gyűjteni, hogy ismerjük a részecskék Standard Modelljét. Az elmélet egyik fő sarkköve azonban a top-kvark létezése volt. A Standard Modellben - mint azt több cikkben is olvashatjuk - azonban vannak még nyitott kérdések. Ennek megfelelően az elméletekhez mindig hozzátartozik, hogy a fizikusok tudják, modelljük meddig működik, mik a jóslások határai.
A katasztrófajóslatoknak is van már hagyománya. Az egyik legismertebb az, hogy a kísérleti hidrogénbomba-robbantások során feltételezték: a légkör ,,begyullad". Ezt a korrekt számítások nem támasztották alá, ezért a kísérletek elvégzésére engedélyt adtak. A tapasztalat szerint a katasztrófát elvető jóslatnak volt sikere. Az atomreaktorok működésével kapcsolatban is sok kétely vetődik fel a közvéleményben. Ehhez a témához hozzátartozik, hogy a fizikusok már évtizedekkel ezelőtt jelezték, hogy a Csernobil-típusú grafitmoderátoros reaktorok veszélyesek lehetnek (az ún. negatív üregtényezőjük miatt). Ezért építenek azóta kizárólag más elven működő (többnyire nagy nyomású víz moderátoros) reaktorokat,  melyek biztonságosak, és ezen típusok jó működését a tapasztalat is alátámasztja. A paksi magyar atomerőművi blokkok is a legbiztonságosabbak közé tartoznak.

Relativisztikus és hétköznapi részecskegyorsítók

Mielőtt egy csúcstechnikát bevezetnek, mindig meg kell vizsgálni, hogy megéri-e ez egyáltalán a tudománynak és a társadalomnak. Jelen esetben a kvark-gluon-plazma előállítása nagy tudományos előrelépést jelent, ez ügyben nagy a várakozás. A kvarkanyagról és az univerzum fejlődéséről értékes információkkal fog szolgálni a legújabb kísérlet. De vajon a társadalom számára hasznosak-e egyáltalán az egyre nagyobb részecskegyorsítók!
Napjainkban leginkább az orvostudomány használja fel a korábban alapkutatásra kifejlesztett gyorsítók kisebb méretű rokonait. Összességében több millió volttal felgyorsított proton- vagy kisebb atommagnyalábok precíz fókuszálásával a daganatos megbetegedések gyógyítása sok új eredményt hozott. Nem kell azonban ilyen messzire menni. Több gyorsítóval találkozhatunk a hétköznapok során is: a század elején használt gyorsítótechnikát ma már a mindennapi életben is alkalmazzák. Elég csak a neoncsövekre vagy a képcsövekre gondolnunk. Ezekben elektronokat gyorsítanak fel; a televízió monitorjában például kb. ezer volt feszültséggel. Ilyenkor az elektron mozgási energiáját elektronvolt egységekben célszerű megadni, melynek jele eV. (Egy elektronvolt az a mozgási energia, amelyre az elektron 1 V feszültség befutásakor tesz szert.) A televízióban a felgyorsított elektronok mozgási energiája keV nagyságrendű (k=kilo=ezer). A gyorsítókban használt nagyfeszültségek nem tudnak túllépni egy technikai határt, ezért a nagyobb energiákat többszörös gyorsítással lehet elérni. Ezt megoldhatjuk egy egyenes mentén vagy úgy, hogy a részecskék pályáját kör alakúra hajlítjuk, ezzel elérve a ciklikus - és így egyre nagyobb energiájú - gyorsítás lehetőségét. Napjainkban a relativisztikus gyorsítók eljutottak a nukleononkénti milliárd elektronvoltos mozgási energiákig. Ez összességében a képcsőben alkalmazott gyorsítófeszültség milliószorosát jelenti. Ilyenkor az atommagok és a bennük található részecskék közel fénysebességgel mozognak. Ilyen relativisztikus gyorsítóra a világ több részén számos működő példa van. Ez idáig a meglévő ismereteink szerint működtek, tudásunk szélesítéséhez vezettek. Semmi bonyodalom nem fordult elő, és nem fog a legújabb csúcstechnika bevezetése során sem.

Katasztrófajóslatok

Nézzük meg közelebbről azokat a fizikai folyamatokat, melyekre a katasztrófajóslatok támaszkodnak.
Az első és legtermészetesebb félelem az eddigi más irányú negatív tapasztalatokból ered (pl. az atombomba esete): van-e esély arra, hogy nagy energiák szabaduljanak fel, vagy radioaktivitás keletkezzen? Ezekre a kérdésekre egyszerű a válasz. Ezek a részecskegyorsítókban létrehozott atommagütközések összességében nem energiatermelő folyamatok. Az atommag részecskéit felépítő kvarkok között ható erőket már elég jól ismerjük. Ez az erős kölcsönhatás, melynek másodlagos megjelenési formáját nevezzük magerőknek (ami például a nukleonok között is hat). Ismereteink forrásai azok az ütközések, melyek során a részecskékből a kvarkok nem szabadulnak ki, a részecskék és így a kvarkok csak átalakulnak. Az erős kölcsönhatás ismeretében ki tudjuk számítani, hogy a most előállítandó kvark-gluon-plazma keletkezése (ha sikerül) milyen energiafelszabadulással jár. Kevesebbel, mint amekkora energiát belefektetünk az atommagok felgyorsításakor. Robbanás tehát kizárva. A részecskegyorsítók egy másik jellegzetessége, hogy bennük a részecskenyaláb intenzitása olyan, hogy az érdekes ütközések száma nem túl nagy, hogy a kísérletben létrejövő jelenségeket egyenként elemezni lehessen. Ez kizárja jelentősebb radioaktivitás keletkezését és szó sincs arról, hogy ez a környezetünkbe juthatna.
A másik három folyamat sokkal érdekesebb. Azzal kapcsolatosak, hogy nagy energiasűrűség esetén milyen folyamatoknak van hipotetikus elvi lehetősége. Először azt a feltételezést vizsgáljuk meg, hogy keletkezhetnek-e fekete lyukak ilyen nagy energiasűrűség elérése esetén, és azok be tudják-e kebelezni az egész Földet.

Mindenevő parányi fekete lyukak?

Először tisztázzuk, mik is azok a fekete lyukak. A csillagok fejlődése érdekes folyamat. A legfontosabb paraméter, ami eldönti a csillag sorsát, a tömege. A csillagtömeg egysége a mi Napunk tömege. A fekete lyuk az elmélet szerint a 10-15 naptömegnél nehezebb csillagok fejlődésének végállapota. Az ilyen nagy csillagok fejlődése sokkal gyorsabb. A csillag élete során energiát termel a benne lévő atommagok átalakulása révén, fúzióval. Először a hidrogén fuzionál és hélium keletkezik, majd elfogy, és a csillag áttér a nehezebb hélium fúziójára, közben egyre nehezebb elemeket épít fel. A csillagfejlődés dinamikus viselkedése során, amikor kifogy a fúziós üzemanyag, a belső energiaforrás csökken, a csillag belsejéből a részecskék - főleg fotonok - kifelé történő áramlása megszűnik. Így a csillag kezd összeroppanni, az addiginál nagyobb sűrűségek jönnek létre, melyek újra energiatermelő folyamatokat indítanak be, csak sokkal gyorsabban, a csillag felrobban (szupernóvarobbanás). Ilyenkor a csillag a külső tartományainak egy részét nagy erővel ledobja, és a visszamaradó rész a gravitáció hatására elkezd összezsugorodni. Nincs több nukleáris energiatermelő folyamat, a csillag tömege szabályozza, hogy a gravitáció milyen sűrűre húzza össze ezt a hatalmas tömeget. A fekete lyukak esetében annyira, hogy a felszínen létrejövő gravitációs erő intenzitása olyan nagy, hogy még a kifelé induló fotonokat is visszatéríti. Az így kialakult objektum ezek szerint első ránézésre nem is látszik: fekete, és tömege irtózatosan nagy.
A fekete lyukakat csak közvetett módon lehet felfedezni az égbolton, de jó pár olyan eseményt találtak már az asztrofizikusok és a csillagászok, amit fekete lyuknak fogadunk el. Ilyen közvetett észlelésre példa, amikor egy látszó objektum olyan körpályán mozog, amiből a nem látható, nagy tömegű vonzócentrum tulajdonságaira következtethetünk. A gravitációs lencse esetében a nagy tömeg miatt a fekete lyuk a mellette elhaladó fénysugarak irányát eltéríti, fókuszálja. Amikor egy távolabbi objektum a Földről nézve egy fekete lyuk mögé ér, akkor fénye így intenzívebb lesz (több irányból jut a fénye a Földre, nem csak az egyenesből). Ha elég részletgazdagon tudjuk megfigyelni az eseményt, azt is látjuk, hogy nem pusztán egy fényfolt keletkezik, mint általában, hanem több folt látható egy körív mentén. Ezt az effektust galaxisok is produkálhatják, tehát ilyenkor gondosan meg kell vizsgálni ezt az eshetőséget is. Mindent figyelembe véve nincs kétségünk a fekete lyukak létével kapcsolatban az univerzumban.

A hetvenes években Stephen Hawking angol elméleti fizikus vizsgálta a fekete lyukakat. O vetette fel kutatásai során, hogy kialakulhatnak kisebb tömegű fekete lyukak is, melyeknek a mérete is sokkal kisebb, mint az univerzumban található társaiké. A számunkra érdekes egyik katasztrófajóslat ezen kicsi fekete lyukak létére alapozódik. A baljós árnyékú feltevés szerint a relativisztikus atommagütközés során ilyen mikro-feketelyuk keletkezik. Ez még önmagában nem katasztrófa, csak egy érdekes objektum. A baj az, ha a kicsi fekete lyuk be is kebelezi a Földet.
 

Vizsgáljuk meg, hogy mekkora tömegű fekete lyukat lehet egy ilyen atommagütközésben létrehozni. A részecskenyalábban az atommagok egymástól a méretüknél több nagyságrenddel nagyobb távolságra vannak, így egy-egy szembefutó atommag ütközésével kell számolnunk. Összesen legfeljebb akkora tömeg áll rendelkezésre, amekkora a két ütköző aranyatommag tömege, plusz a felgyorsításkor befektetett energia tömeggé alakítva, az E=mc2 képletnek megfelelően. A tervezett arany-arany ütközés energiája 200 milliárd eV nukleonpáronként. Ha ezeket mind összevetjük, akkor kb. 80 ezer darab proton tömegének megfelelő tömeget kapunk. Sok ez, vagy kevés? Összehasonlításképpen nézzük meg, hogy ha ezekhez a protonokhoz ugyanannyi darab elektront adunk és hidrogénmolekulákat formálunk belőlük, akkor ezek standard körülmények között (25 °C, normál légköri nyomás) mekkora térfogatot töltenek ki. Az eredmény 1,5·10-16deciliter. Ez egy 1 decis pohár térfogatának milliomod részének milliomod részénél még 4 nagyságrenddel kisebb. Ez tehát kevés tömeg, főleg a természetben megtalálható hatalmas fekete lyukakhoz képest, melyek tömege a Nap tömegének is sokszorosa!
Milyen kis térrészre kell összegyúrnunk ezt a tömeget, hogy a fekete lyuk sűrűségét elérjük? Az atommagok mérete a méter 1015-ed részének tartományában van (kb. a látható fény hullámhosszának milliárdod része). Ez tehát igen pici méret. Lehetséges volna, hogy ilyen kis méret már elegendő? Nem! Ha kiszámítjuk a fekete lyuk tömegé - nek és sugarának összefüggése alapján (Schwarzchild-sugár), hogy mekkorára kellene ezt a rendszert összezsugorítani, akkor az eredmény az atommagok méretének 1018-ad részénél is jóval kisebb lenne. Ennek már nincs fizikai értelme. Ilyen kicsi méretekről nem tudunk még eleget. A feketelyuk-katasztrófa első kizáró oka tehát az, hogy a fekete lyukhoz kellő energiasűrűségnél legalább 18 nagyságrenddel kisebb energiasűrűséget érnek csak el a kísérletben.
Ezzel még nem jártuk körül, hogy milyen messze van a brookhaveni részecskegyorsító a fekete lyuk előállításától. A kis energiasűrűség csak az egyik kizáró oka a katasztrófajóslatnak. De van még több is! A következő momentum a mikro-feketelyuk gravitációs ereje. Az előbb kiszámolt apró térfogatú hidrogéngáz tömege nem hoz létre nagy gravitációs mezőt! Még egy pohárnyi sem, hát még annak a sokadrésze. Ez azt jelenti, hogy egy ilyen parányi tömegű objektum nem is tud minket beszippantani. Ellenben egy csillagászati tömegű fekete lyuk azt tenné.

Felvetődhet a kérdés, hogy nem nőhet-e meg a lyuk tömege azáltal, hogy a környezete nekiütközik. A tömeget nem beszippantja, hanem az önként vándorol bele. Ilyen esetben sok-sok évig kellene várni, amíg jelentős tömegnövekedést tapasztalhatnánk. Itt jön a katasztrófajóslatot kizáró harmadik független tényező: a kis tömeg? fekete lyuk életideje véges, gyorsan elpárolog. Ezt fedezte fel Hawking a hetvenes években. A véges élettartam oka a Hawking-sugárzás. Eszerint a fekete lyuk felszínéhez közel a fizikai törvények megengedik, hogy részecskepárok keletkezzenek: egy pozitív és egy negatív energiájú ré - szecske. Ezek a fekete lyukon kívül vannak (az eseményhorizontján kí - vül), tehát még van az egyiknek esélye arra, hogy ne zuhanjon bele a lyukba. A folyamat úgy játszódik le, hogy a pár negatív energiájú tagja bezuhan a lyuk felszínére, de a pozitív energiájú tag el tud szökni. Azaz a fekete lyuk párolog, folyamatosan csökken a tömege. A sugárzás eloszlásából a fekete lyuknak hőmérsékletet tulajdoníthatunk. A kisugárzott energia függ a környezet hőmérsékletétől is. A mikro-feketelyuk melegebb (nagy a sugárzása), mint a szobahőmérséklet, a csillagászati fekete lyuk viszont hidegebb, mint az univerzum 2,7 K hőmérséklete. A termodinamika második főtétele alapján hidegebb testből nem áramlik energia a melegebb felé. Így a fekete lyukak az univerzumban nem párolognak. Az általunk feltételezett porszemnél kisebb fekete lyukak azonban erősen, így tömegüket hamar elvesztik és nincs idejük és lehetőségük sem arra, hogy felhízzanak. Mint láttuk, ezen kívül még létre sem tudnak jönni. Ezt a fajta katasztrófát mai tudásunk élesen és egyértelműen kizárja.

Ritkító ritkakvark-rögök

Sokkal reálisabb tudományos kérdés a következő katasztrófajóslat. Ez a kvarkanyag állapotát vizsgálja. Az általunk a természetben megismert kvarkanyag a részecskékbe - ún. „zsákokba" - van zárva. Ez a természetes kvarkanyag két típusú (ízű) kvarkból, a közel azonos tömegű up és a down kvarkokból áll. Részecskeátalakulások során felfedeztek azonban másik négy kvark-ízt is (ritka, bájos, top, bottom). Ezek a kvarkok nehezebbek, mint az up és a down. Ezért egyrészt nagyobb energia kell a keletkezésükhöz, másrészt az energiaminimumra való törekvés szellemében elbomolhatnak a könnyebb kvarkokra. Az idén ősszel várható energiasűrűség-világcsúcs alkalmával Brookhavenben a sűrűség fekete lyukak előállítására nem lesz alkalmas, de várhatóan alkalmas lesz nagyszámú ritka kvark létrehozására. A kvark-gluon-plazma egyik elméletileg alátámasztott sajátsága a ritka kvarkok számának megnövekedése.
 
 

Miért kedvezőbb állapot az, ha egy nehezebb ritka kvarkunk van, a könnyebb up és down kvarkok helyett. Azért, mert mozgási energiája kisebb lehet. A kvark-gluon-plazma, ami a gyorsítóban kialakul, nagy sűrűség?. Ilyen nagy energiasűrűségnél az up és down kvarkok kis helyen összezsúfolva nagyon gyorsan mozognak. A kvantummechanika egyik pillére, a Pauli-elv szerint azonban egy helyen két, azonos energiájú azonos kvark nem létezhet (ez azért van, mert a kvarkok 1/2 spinű részecskék). Az up és down kvarkok - akárcsak az elektronok az atomi elektronfelhőben - egyre nagyobb energiájú állapotokat foglalnak el. Szemléletesen (persze egyszerűsítve a helyzetet), mintha egy létra fokain egyre magasabban helyezkednének el az egyre gyorsabb kvarkok. A sűrű kvarkanyagban rendkívül magas létrafokokon is vannak up, illetve down kvarkok, és egy adott nagyságú energiaszint felett már a nehezebb, de lassú (alsóbb létrafokon elhelyezkedő) ritka kvarkok az energetikailag kezdezőbb állapot. Még nagyobb energiasűrűségnél aztán a még nehezebb bájos, top, bottom kvarkok megjelenésének is van valószínűsége. A számolások szerint a ritka kvarkok megjelenése a döntő a kvark-gluon-plazma típusú sűrű kvarkanyagban. Ez egyelőre csak a plazma felismerését teszi könnyebbé. Miért okozna ez katasztrófát?
Problémát az okozhatna, ha olyan, nagy méretű, atommagszerű objektumok keletkeznének, melyek tartalmaznának ritka kvarkokat. Ezeket az objektumokat nevezzük ritka kvark-rögöknek. Hasonlítanak a normális atommagokhoz, bennük normál sűrűségű kvarkanyag foglal helyet, de a kvarkok nincsenek hármasával zsákokba zárva. Gyorsítókban már létrehoztak több olyan részecskét (pl. W-), amely tartalmaz ritka kvarkot. Ezek azonban 10-10s idő alatt elbomlanak. A rögök nagyobbak, bennük sok kvark van. A ritka kvarkot tartalmazó rögök alapállapota mélyebben lehet, mint a ritkaságnélkülié (lásd az ábrát). A ritkakvark-rögök csak akkor lehetnek veszélyesek, ha negatív töltésűek és stabillá válnak. Ezt a logikai lehetőséget azonban a pontos elméleti számolások nem támasztják alá.
A környező világunkban lévő atommagokban csak up és down kvark található, ha összehasonlítjuk az azonos töltésű atommagot egy ritkakvark-röggel, ez utóbbi tömegszáma jóval (ötször, tízszer) nagyobb. (A kvarkok tömegszáma 1/3, így egy A tömegszámú atommag, vagy ritka rög háromszor Adarab kvarkot tartalmaz.) Példaként képzeljünk el néhány - az elmélet által legalább metastabilnak jósolt - rögöt, ame - lyekről azonban egyáltalán nem igazolt, hogy ki is tudnak alakulni. Az első rög töltése legyen +7, tömegszáma 100, és a benne lévő 300 kvark közül 86 ritka kvark, a többi kvark up és down egyenlő számban. A rög töltését a kvarkok töltéseiből számolhatjuk ki. Az up kvark töltése +2/3 elemi töltés, a down és a ritka kvarkok egyaránt -1/3 nagyságú töltéssel rendelkeznek. Ezt a leírt rögöt a hagyományokhoz illeszkedve 100N-nel jelölhetjük. A pozitív töltésű kvarkrögök ugyanis maguk köré befognak elektronokat, az atommagokhoz teljesen hasonlóan semleges (kvarkrög-)atomokat alkotva. Az említett rög töltése 7, tehát kémiai tulajdonságait tekintve azonos lesz a nitrogénnel, annak egy egzotikusan nehéz izotópjáról van szó. Egy másik példa a Z=+2 töltésű és 20 tömegszámú rög, melyben 16 ritka-kvark található ( 20He). A harmadik, kissé meglepőbb eset az az A=20 tömegszámú rög, melyben 22 ritka kvark van 19 up és 19 down kvark mellett. Ekkor a rög össztöltése -1. Abban az esetben kaphatunk negatív töltésű rögöt, ha az up, down és ritka kvarkok közül legtöbb a ritka kvarkból van a rögben. (Az elmélet szerint jó közelítés, ha úgy vesszük, hogy az up és a down kvarkok száma megegyezik az ilyen rögökben.) Az elmélet tehát azt mondja, hogy két fajta ritkakvark-rög létezik, a pozitív és a negatív össztöltés?.
Azt mondtuk, hogy az elmélet metastabilnak (rövid felezési idejűnek) jósol ilyen alakzatokat. Ki kell emelni, hogy az elmélet a nagyon sok ritka kvarkot tartalmazó rendszereket tartja stabilnak. Ez azt jelenti, hogy a természetes kvarksűrűség esetén több száz ritka kvarkot kell tartalmazni a rögnek ahhoz, hogy stabil legyen. Néhány ritka kvarkot tartalmazó rög még nem stabil rendszer. A hatnál kisebb ritkaságú rög teljesen ki van zárva, 10-30 közötti ritkakvark-szám esetén az elméletben lévő nem teljesen pontosan ismert állandók miatt legrosszabb esetben is csak metastabil állapot jöhet létre, nagyon kis valószínűséggel.
Napjainkban még nincs bizonyíték arra, hogy egyáltalán léteznek-e ilyen rögök. Jelenlegi tudásunk azonban nem zárja ki létüket. Egy „katasztrófa" szempontjából a legfontosabb kérdés az, hogy a pozitív vagy a negatív töltésű ritkakvark-anyag az energetikailag stabilabb. Ha a pozitív töltésű, akkor nincs veszély, az nem alakítja át a környezetét, az őt körülvevő elektronfelhő és a többi atommag elektromos taszításának védelme miatt. Ellenben a negatív töltésű rögök természetüknél fogva átalakítják a környező anyagot. Elkezdik őket bekebelezni, és bennük egyre több ritka kvarkot hoznak létre (ilyen értelemben ritkítanak).
Ezen veszélyes folyamat mechanizmusa a következő. A negatív töltésű rög könnyen behatol egy semleges atomba, és a pozitív töltésű természetes atommag elkezdi vonzani. Ugyanúgy, mint az elektronok, a negatív rög egyre mélyebb energiájú atompályákra áll, a végén olyan közel kerül az atommaghoz, hogy néhány nukleont magá - ba olvaszt, egyre nagyobb rögöt alkotva. Ilyenkor a töltése előbbutóbb pozitív lesz. Azzal a feltételezéssel éltünk azonban, hogy a negatív rög a stabilabb, ezért néhány elektron befogása segítségével a down kvarkok néhány lépésben ritka kvarkká alakulhatnak, így az össztöltés ismét negatív lesz. A folyamat zajlana, egészen addig, amíg a Föld egy nagy tömegű ritkakvark-anyagból álló cseppé alakulna át. Ehhez azt kellett feltételeznünk, hogy a negatív töltésű állapot a stabilabb. Ezen kívül a második feltétel az, hogy a ritkakvark-rögök ki tudnak alakulni.
Az első feltételről a legfejlettebb elméletek is az állítják, hogy nem valósul meg. Ha egyáltalán a ritkakvark-rögök létrejönnek, akkor az pozitív töltésű anyag lesz, azaz up és down kvarkból több lesz, mint ritkából. Ez alapvetően azért van, mert a ritka kvarkok nehezebbek. A helyzetet egy kicsit komplikálja, ha a kvarkok közötti kölcsönhatás rejtelmeibe tekintünk. A kvarkok között ható erős kölcsönhatás mechanizmusa során a kvarkok ún. gluonokat (egyenes fordításban ez ,,ragasztót" jelent) cserélnek ki, miközben a zsákba vannak bezárva. A gluonok taszítást okoznak, a zsák viszont egyben tartja az objektumot. A gluoncsere kisebb valószínűségű a nehezebb ritka kvarkok esetében, ezért rájuk nézve a taszítás is kisebb. A gluoncsere erősségére nézve az elmélet ez idáig csak határokat tud megállapítani, konkrét intenzitása nem ismert. Ezért tételezzük fel a legrosszabb esetet, az erős gluoncserét. Ilyenkor a ritka kvarkok előnyben részesülnek. Minél nagyobb a gluoncsere, annál több ritka kvark alakulhat ki egy stabil rögben. Ezen gondolkodásnak véget vet azonban az a tény, hogy az erős gluoncsere miatti taszítás már a zsák egybetartó erejét is legyőzi, és az egész zsák (részecske) szétesik. Így a ritka kvarkok számát a természet kisebbre szabja, mint az up és down kvarkokét egy stabil rögben, ezzel elkerülve a katasztrófát.
A másik feltétel a ritkakvark-rögök kialakulásának kérdése. Ezek a rögök a természetes kvarkanyag sűrűségével rendelkeznek. A nehézion ütközésben, amikor arany atommagok relativisztikus sebességgel egymásnak ütköznek, a maganyag nagy sűrűségű és nagy hőmérsékletű lesz. Ilyen környezetben kis sűrűségű rögök nem találhatók. Először le kell hűlni az anyagnak. Veszélyes rögök csak olyan esetben képzelhetők el, ha valamilyen módon a ritka kvarkok felhalmozódhatnak. Erre is van egy spekulatív elmélet. Az ütközésben a ritka kvarkok antirészecskéjükkel együtt keletkeznek, és szívesen alkotnak K-mezonokat. Az up és down kvarkok az anti-ritkakvarkkal állnak párba, míg a ritka kvark társa anti-up vagy anti-down kvark lehet (mert egy mezon = egy kvark-antikvark pár). Ha a plazma up és down kvarkban gazdagabb mint antirészecskéikben, akkor létezhet a ritkaság-halmozódási mechanizmus. A K-mezonok ugyanis elpárologhatnak a plazma felületéről, növelve annak ritkaságát. Mivel több az up és a down kvark, mint antirészük, ezért több anti-ritkát visznek magukkal a párolgáskor. Ez az elmélet több szempontból nem helytálló. A korábbi ütközések eredményeiből már ismerjük a sűrű kvarkanyag lehűlésének mechanizmusát. Ez nem a párolgás, hanem az adiabatikus tágulás. A másik kizáró ok pedig az, hogy az ütközésben nem lesz számottevő különbség a természetben előforduló kvarkok és az antirészecskéik száma között. Emiatt semmi esély a felhalmozódásra.
Marad az a folyamat, hogy a lehűlő plazmában a stabil röghöz szükséges több mint száz ritka kvark véletlenül összeáll. Ennek a valószínűségét ki lehet számolni, és az az eredmény adódik, hogy nagyobb a rög kialakulásának valószínűsége a mostani világcsúcsnál kisebb ütközési energiák esetén. Szerencsére az eddigi, ilyen kisebb energiájú atommag-ütköztetéses kísérletekben mind pozitív, mind negatív töltésű ritkakvark-rögök érzékelésére fel voltak készülve. Egyetlen ilyen eseményt sem detektáltak azonban.
Határozottan állíthatjuk tehát, hogy több, egymástól független feltétel lehetetlensége miatt a ritkakvark-rögök kialakulása ki van zárva a relativisztikus atommag ütközésekben.

Metastabil-e az üres tér?

A katasztrófajóslatok harmadik fajtája egy általánosabb kételyt fogalmaz meg. Ennek fizikai alapja az, hogy jelenlegi elméleteink szerint, melyek az eddig elvégzett kísérletekkel összhangban vannak, az üres térnek is van szerkezete. Alapvető kvantummechanikai elvek szerint van ez így, és ez a tény beleilleszkedik mai fizikai világképünkbe. Habár semmilyen elmélet vagy kísérleti tény nem jósol ilyet, mint lehető - ség felmerülhet az a gondolat, hogy létezik egy másik szerkezetű üres tér is. A veszély akkor adódik, ha ez a „más" alacsonyabb energiájú, mint a mienk. Ilyen spekulatív esetben a körülöttünk lévő világ csak egy metastabil állapot, amit valamilyen elég nagy intenzitású zavar átbillenthet az alacsonyabb energiájú állapotba. Ezzel szokásos világunk anyaga is hamar valami egészen mássá alakulna. Ahelyett, hogy ezen feltételezés kizárásán kezdenénk el fáradozni, inkább vizsgáljuk meg ezt a lehetőséget a kísérlet oldaláról. A tervezett kísérletekben előidézett ütközések száma sokkal kisebb, mint amennyi hasonló nagy energiájú ütközés az univerzumban lezajlott! Meglepő, de már sok ilyen esemény történt, és ezt a következő fejezetben tárgyaljuk részletesebben. Emiatt tehát nem kell aggodalmakat fenntartanunk ez a részleteiben amúgy sem kellően megalapozott, pusztán logikai lehetőség miatt.

Óriási energiasűrűségek a természetben!

A kozmikus sugárzást már több évtizede felfedezték a Föld felszínén. Érdekes azonban, hogy milyen meglepően nagy energiájú részecskék érkeznek a világűrből felénk. Az nem meglepő, hogy néhány millió elektronvolt mozgási energiájú részecskéket találunk a kozmikus sugárzásban, hiszen az atommagokkal lejátszódó folyamatok során ilyen nagyságrendű energia szabadul fel. Ennél sok nagyságrenddel nagyobb mozgási energiájú részecskéket is találtak azonban, sőt nemcsak protonok és könnyebb atommagok, hanem nehezebb atommagok is száguldanak a csillagközi térben. Egyes kozmikus atommagok energiája eléri a 1020 eV energiát is! Honnan származnak ezek a gyors részecskék? Erre két lehetőség kínálkozik. Lehet, hogy ilyen nagy energiával keletkeztek, mondjuk egy szupernóva-robbanásban. Másik lehetőség,  hogy felgyorsultak inhomogén mágneses térben az univerzum valamelyik zugában. Ám ilyen speciális helyből nem sok van, és ez ellentmond annak az aránynak, amekkora a nagy energiájú részecskék aránya a lassabb kozmikus részecskékhez képest.
A kozmikus sugárzás részecskeösszetétele és fluxusa (hány ilyen részecske halad át másodpercenként és négyzetméterenként egy négyzeten) jól ismert. A 70-nél nagyobb tömegszámú kozmikus atommagok részaránya a teljes fluxusban 0,01 ezrelék, ami meglepően magas. Sok, aranyhoz hasonló objektum van a kozmikus sugárzásban. Az eddigi technikai fejlettség mellett a vasatommagokat vizsgálták leginkább a kozmikus sugárzásban. Ezek energiaeloszlása a brookhaveni gyorsító energiájának több mint tízszereséig ismert.
Az univerzum tehát még sokáig jobb részecskegyorsító marad, mint a földi mesterséges gyorsítók. Ezeknek a kozmikus szupergyors részecskéknek megvan a lehetőségük, hogy másik atommagnak ütközzenek, megvalósítva ezzel a relativisztikus nehézion-ütköztetőben tervezett, és annál nagyobb energiájú ütközéseket. Például alkalmas céltárgy egy olyan bolygó, aminek nincs légköre. Ilyenkor a bolygó felszínén található nehezebb atomok magjának számottevő valószínűséggel ütközhet szupergyors kozmikus atommag. Jó alany erre a Hold, sőt ennek felszíni összetételét is ismerjük. Az elméleti számolások azt mutatják, hogy a Holdat évmilliárdok óta érik ilyen relativisztikus részecskék. Kiszámították azt is, hogy a brookhaveni gyorsítóban a tervezett nyalábintenzitás és mérési idők mellett hány ütközés zajlik le, és ez mennyi időnek felel meg a kozmikus részecs - kék + Hold természetes kísérletben. A legkonzervatívabb becslések szerint is néhány ezer év alatt lezajlott annyi ,,veszélyes" ütközés a Holdon, mint amit terveznek a földön. Ez a Hold koránál milliószor kisebb. Úgy is fogalmazhatunk, hogy hányszor több a gyorsítóban alkalmazandó ütközéssel analóg ütközés zajlott már le a Hold élete során. Az előbb 106-os faktort állapítottunk meg, de reálisabb (egyébként elég bonyolult) becslések szerint ez az arány még több mint 10 nagyságrenddel nagyobb.
A Holdon semmi jel nem mutat arra, hogy katasztrófafolyamatok bekövetkeztek volna. Ezért biztonságosan kutathatunk a kvark-gluon-plazma után a Földön!
Ebben a témában az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma kezdeményezett részletes tanulmányt. Jelen írás erre támaszkodik, és ebben a számolások részletesen megtalálhatók. Ez elérhető az interneten is: http://xxx.lanl.gov/abs/hep-ph/9910333.
A katasztrófát elvető előrejelzés időközben ténnyé vált. A RHIC gyorsító 2000 júniusa óta működik. A gyorsítókörön lévő négy nagy detektor a négy hónap alatt sok százezer nehézion ütközést detektált, és több érdekes új fizikai jelenséget mutatott ki. Minden az előre tervezett biztonságos működésnek megfelelően történt, és fog történni az elkövetkezendő évek során. A katasztrófajóslatok nem váltak be. Ezek szerint fizikai modelljeink sikeresen jósolnak meg jelenségeket, és ál - talában azt is meg tudjuk előre mondani nagy pontossággal, hogy mi NEM fog bekövetkezni.
 
IRODALOM
[1] Stephen W. Hawking: Az idő rövid története. Maecenas Könyvkiadó, Budapest, 1989
[2] Steven Weinberg: Az első három perc. Gondolat Könyvkiadó, Budapest, 1982