TechtudSzerző: magyarnemzet 2026. 08. 18. 5 percnyi olvasás
A mikrokozmosz egyik legizgalmasabb kérdése, hogy meddig osztható, és hogy mi az anyag.
A kvantumok és az elemi részecskék a hétköznapok világához képest olyan furcsa és különleges mikrokozmoszt alkotnak, amelyben sok minden teljesen másként zajlik, mint a makrokozmoszban.
A kvázi részecskék, mint például a magonok, az angulonok, dropletonok és polaritonok megértésének egyik legjobb módja, ha először tisztázzuk, hogy mit is tekintünk részecskének.
A részecskefizikában az elemi részecske fogalma kétféle értelemben használatos.
Az általános definíció szerint elemi részecske alatt azokat a részecskéket értjük, amelyek – legalábbis a tudomány jelenlegi ismeretei szerint –, nem bonthatók tovább.
A másik és kiterjesztőbb megközelítés szerint az elemi részecskék közé tartozik az összes olyan részecske, amelyek más és nagyobb részecskék építőkövei. Az atomok például kisebb részecskékből, protonokból, neutronokból és elektronokból épülnek fel.
Csakhogy a proton és a neutron még kisebb elemi részecskékből, kvarkokból, illetve gluonokból áll, éppen ezért az első és általánosabb értelmezés szerint -a példánál maradva-, a proton és a neutron nem is számít elemi részecskének. A részecskefizika legfontosabb célkitűzése, hogy megtalálja azokat a legelemibb részecskéket, amelyekből felépül az összes többi is, és amiknek már nincsenek még elemibb összetevőik – ez az alapvető jellemzőjük, ami megkülönbözteti őket a szubatomi részecskéktől.
A részecskefizika standard modellje tizenkétféle elemi fermiont, vagyis anyagi részecskét, és ötféle bozont, azaz közvetítő részecskét, valamint ezek antirészecskéit és a nemrég felfedezett Higgs-bozont, a többi részecske tömegéért felelős elemi részecskét tartalmazza. A standard modell azonban nem tekinthető végelegesnek, mivel idővel kiderülhet, hogy valamelyik komponense mégsem alapvető, hanem összetett részecske. De olyan részecskék is létezhetnek, amiket még nem ír le a standard modell. Ilyen jelölt lehet például az egyelőre még csak hipotetikusan megjósolt gravitron, a gravitációs kölcsönhatást közvetítő részecske.
„A részecske standard képe sokáig olyan volt, mint egy diszkrét tárgyé” – mondja Douglas Natelson, a houstoni Rice Egyetem kondenzált anyag fizikusa, akit a Live Science tudományos hírportál idéz.
A részecskéknek ez a klasszikus képe azonban alaposan megváltozott az 1920-as évektől, a kvantumfizika térhódításától kezdve, ami feltárta, hogy az univerzum a legkisebb szintjein igencsak homályossá válik. Így például Louis de Broglie Nobel-díjas francia fizikus már 1924-ben kimutatta, hogy az olyan részecskék, mint az elektronok, nem csak részecskeként, hanem hullámként is viselkedhetnek.
A modern fizika azt sugallja, hogy olyan mezőkben, amelyek áthatják az egész univerzumot, a részecskék egy kicsit ahhoz hasonlóak, mint a víz fodrozódása egy tóban – mondja Ross McKenzie, elméleti fizikus, a Queenslandi Egyetem emeritus professzora. Minden részecsketípusnak megvan a saját megfelelő mezője. Például a fény fotonjai az elektromágneses mező fodrozódásai. A részecskék kvantumtermészete azt jelenti, hogy nemcsak az üres vákuumban, hanem az anyagban is képesek hullámszerűen tovaterjedni.
Így például a fotonok átsuhanhatnak az átlátszó és az áttetsző anyagokon, az elektronok pedig az elektromos vezetékekben áramolhatnak. Ha egy standard részecskét, például az elektront az anyagban mozgó fodrozódásként értelmezzük, akkor másfajta gerjesztéseket is el tudunk képzelni az anyagon belül.
A tizenkét alapvető anyagi részecskét, vagyis fermiont három családba sorolhatjuk, amelyek mindegyikének négy tagja van. Ezek közül hat részecske kvark, hat pedig lepton. Ez utóbbiból három neutrinó, míg a további három részecske pedig az elektron, a müon és a tau -lepton.
Ezek a más típusú fodrozódások az úgynevezett kvázi részecskék.
A houstoni Rice Egyetem kondenzált anyag fizikusa e mechanizmus lényegét egy szemléletes példával illusztrálja. „Gondoljunk például egy sporteseményen a szurkolók által keltett »hullámra«. Láthatjuk, ahogyan ez tova terjed a futballstadionban; mivel van helye és sebessége is” – mondja Douglas Natelson. „Ez (a hullám) azonban csak a stadionon belül létezik, és az összes interakcióban lévő szurkoló kollektív reakciójából tevődik össze” -fűzi hozzá.
„Ugyanígy a kvázi részecskék is csak valamilyen közegben vagy anyagban létezhetnek, mivel az adott anyag alkotóelemeinek vagy építőelemeinek a válaszából épülnek fel, ezzel szemben az olyan részecskék, mint az elektronok és a protonok a szabad térben is létezhetnek” -hangsúlyozza a fizikus. A kvázi részecskék nem létezhetnek vákuumban, és önmagukban sem, mert a létezésük a részecskék együttműködésétől és attól az anyagtól függ, amelyben létrejöhetnek.
Ross McKenzie megjegyezte, hogy a kvázi részecskékkel kapcsolatban inkább filozófiai kérdés az, hogy vajon valóságosak-e. Végül is a „kvázi” latinul azt jelenti, hogy „szinte”.
Amíg a standard elemi részecskék a vákuumban elszigetelten létezhetnek, ezzel szemben a kvázi részecskéknek sok kölcsönható részecskére van szükségük ahhoz, hogy létezhessenek – hangsúlyozza McKenzie. „Mégis azt mondanám, hogy a kvázi részecskék minden szempontból ugyanolyan valóságosak, mint a standard részecskék, abban az értelemben, hogy kimutathatók és manipulálhatók” -fűzi hozzá a Rice Egyetem kutatója.
A kvázi részecskék koncepciója az 1950-es évekből Lev Landau elméleti fizikustól származik, amiért Landau 1962-ben megkapta a fizikai Nobel-díjat.
A tudósok mára több tucat kvázi részecske-típus létezését feltételezik, beleértve a következőket:
„De hányféle kvázi részecske létezhet?” – teszi fel a kérdést Ross McKenzie. „Ahogyan az anyagnak végtelen számú lehetséges halmazállapota létezik, úgy azt mondanám, hogy elvileg végtelen számú és típusú kvázi részecske is létezhet” – magyarázza a Queenslandi Egyetem emeritus professzora.
A tudósok az anyagban zajló aktivitást kvázi részecskékként írják le, „mert ez drámaian leegyszerűsít mindent” – mondja Ross McKenzie. Douglas Natelson ugyanebben a szellemben úgy véli, hogy „a szilárd anyagok fizikai jelenségei mögött meghúzódó matematikai összefüggéseket nagyon gyakran jól leírják a kvázi részecskék”.
A kutatók jellemzően kvázi részecskék, például elektronlyukak és excitonok formájában írják le az elektronikus eszközökben lévő elektromosság viselkedését. Összességében a kvázi részecskék valóságosságának kérdésére adott válasz tulajdonképpen értelmezés kérdése.
Ha az a kérdés, hogy egy kvázi részecske olyan standard elemi részecske-e, mint például az elektron, akkor a válasz nemleges,
mert nem létezhetnek önmagukban, és azoktól az anyagoktól függenek, amelyekben megnyilvánulnak.
Ha azonban úgy tesszük fel a kérdést, hogy a kvázi részecskék valódi jelenségeknek tekinthetők -e, akkor már igen a válasz, mert ezek olyan dolgok, amelyeket a tudósok meg tudnak mérni, és amik részecskékként viselkednek, továbbá gyakorlatilag ugyanazokkal a tulajdonságokkal rendelkeznek, mint más elemi részecskék. A kvantumfizika birodalmában végül is szinte semmi sem lehetetlen, és ami a makrovilágban képtelenségnek tűnik, az itt maga lehet a megtestesült valóság.
Napi