ELTE-s publikáció a Science-ben
2015. március 27-én a világ egyik legrangosabb tudományos folyóiratában jelent meg az a publikáció, amelyben egy nemzetközi kutatócsoport sikerrel határozta meg a proton és neutron közötti tömegkülönbséget. A Science hasábjain közölt „Ab initio calculation of the neutron-proton mass difference” című tanulmányt többek között Fodor Zoltán és Katz Sándor, az ELTE Elméleti Fizika Tanszék professzorai jegyzik.
A látható világegyetemet alkotó atomok tömegének több mint 99 százaléka az atommagok tömegéből származik, melyeket protonok és neutronok alkotnak. A protonok és neutronok nagyon hasonló tömegűek, de meglepő módon nem a töltött proton (mely elektromágneses energiát is hordoz), hanem a semleges neutron nehezebb. A különbség mindössze 0,14 százaléka a proton tömegének, ez a parányi eltérés azonban nagyon fontos ahhoz, hogy a világegyetem olyan legyen, amilyennek ismerjük. Számottevően kisebb érték a hidrogén stabilitását veszélyeztetné, mivel a proton befogná az elektront, és stabil neutronná alakulna. A nagyobb érték pedig könnyebbé tenné a béta-bomlást, és ezáltal a korai világegyetem fejlődése során túl kevés neutront eredményezne.
A Budapest–Marseille–Wuppertal együttműködés kutatói megmutatták, hogy ez a kis tömegkülönbség két jelenség, a kvarkok eltérő tömegének és eltérő töltésének versengéséből adódik. A cikket jegyző tizenegy szerzőből öt magyar, akik az Eötvös Loránd Tudományegyetemen és a Wuppertali Egyetemen dolgoznak. A számításokhoz a világ élvonalába tartozó szuperszámítógépeket használták: a részecskefizika Standard Modelljének egyenleteit Monte-Carlo módszerekkel oldották meg, bizonyítva, hogy a két egymással versengő jelenséget és az eredményükként adódó neutron-proton tömegkülönbséget helyesen leírja az elemi részecskék fizikájának mai tudásunk szerint legteljesebb elmélete.
A tanulmányt a Nature online kiadásában méltatta Frank Wilczek, Nobel-díjas fizikus. A professzor hangsúlyozta: „ez az eredmény olyan mérföldkő, mely forradalmi fejlődést vetít előre a magfizikában.” A 2004-ben kitüntetett professzor cikkében a kutatócsoport eredményeiről így ír: „a világon elsőként meggyőzően demonstrálták, hogy a fundamentális elmélet helyesen adja meg a proton-neutron tömegkülönbség előjelét (mely nem triviális, hiszen csak az elektromágneses járulék ellentétes eredményt adna) és a helyes nagyságrendet is megadták húsz százalék pontossággal. Tágabb értelemben is mérföldkőnek tekinthető a kvantumszíndinamika és a kvantumelektrodinamika egyidejű figyelembevétele a számításokban.”
A nemzetközi csoport 2008-ban határozta meg a proton és a neutron tömegét, és megmutatták, hogy azok döntően nem a kvarkok tömegéből származnak, hanem a protonba és neutronba zárt kvarkok és gluonok mozgási és kölcsönhatási energiájából. Az akkor elérhető pontossággal nem volt lehetséges a két részecske közötti parányi különbséget felbontani. Az azóta eltelt időszakban a szuperszámítógépek fejlődése, számos új algoritmus, valamint a kutatócsoport több éves munkája és eredményei tették lehetővé, hogy a pontosságot két nagyságrenddel megnöveljék. A cikket akkor is a Science közölte.
Fodor Zoltán és Katz Sándor kutatásai évek óta a nemzetközi rácstérelméleti kutatások élvonalában állnak: az ArXiv adatbázis közel 25 éve archiválja a tudományos eredményeket, az ezen idő alatt írt több mit 10 000 rácstérelméleti cikk közül 2012-ben az ELTE-s szerzők egy 2006-ban írt dolgozatára hivatkoztak a legtöbbet.
Forrás: MTA