Ez a leggyorsabb dolog a Földön

Egy űrhajó kilövése, egy versenyautó a pályán, egy gepárd, amely a prédája felé száguld. Bolygónk tele van nagy sebességű mutatványokkal. De melyik a leggyorsabb?

A Live Science cikke alapján a válasz attól függ, hogyan határozzuk meg a „dolog” és a „Földön” fogalmát. A leggyorsabb jelöltek – a neutrínók és a fotonok – pedig szabad szemmel nem láthatók.

A legkézenfekvőbb válasz a fény

Vákuumban a fény másodpercenként körülbelül 300 000 kilométert tesz meg. A világegyetemben semmi, amiről tudunk, nem képes ezt a sebességet meghaladni.

De vajon a fény egy dolog? A fizikusok ebben nem értenek teljesen egyet. Egyesek szerint nem, mert a fénynek nincs tömege. Mások szerint igen – a kvantummechanika furcsaságai miatt a fény egyszerre hullám és részecske. A legtöbb fizikus pedig egyetért abban, hogy a részecskék dolgok.

John Matthews, a Utah-i Egyetem fizikusa szerint az űr vákuumában a fotonoknak nevezett részecskék a leggyorsabb dolgok.

A Földön ez egy kicsit bonyolultabb, hacsak nem egy vákuumkamrában vagyunk. Amint egy foton a Föld légkörébe ér, kissé lelassul. És akkor, megfelelő körülmények között, lehet némi konkurenciája. Ez azért van, mert nem minden részecskét lassít le a légkör úgy, mint a fotonokat – mondta Matthews a Live Science-nek.

„Istenem, de gyors!”

Matthews tagja annak a kutatócsoportnak, amely számos nagyon gyors részecskét észlelt, amelyek az ultranagy energiájú kozmikus sugárzásból, az űrből a Földre záporozó szubatomi részecskékből származnak. Az egyik ilyen részecskét, amelyet Oh-My-God részecskének neveztek el, kollégái 1991-ben fedezték fel. A legnagyobb energiájú kozmikus sugárzásból származik, amelyet eddig még nem észleltek.

Az ilyen részecskék a vákuumban a fénysebességhez közel indulnak. De amikor a Föld légkörébe érnek, „természetüknél fogva egyszerűen tovább száguldanak” – mondta Matthews. „Tehát a légkörben meghaladják a fénysebességet.”

Ezzel az Oh-My-God részecskék a leggyorsabb tömegű dolgok közé tartoznak a Földön, de nem a csúcson vannak. Ehelyett a neutrínó viszi ezt a díjat Justin Vandenbroucke, a Wisconsin-Madison Egyetem részecskefizikusa szerint.

A neutrínók trükkje

Az Oh-My-God részecske valószínűleg egy proton, vagy legalábbis protonszerű – a szubatomi részecskék skáláján meglehetősen nagy tömegű. Egy neutrínó tömege legalább 10 milliárdszor kisebb, mint egy protoné, így a fizika alaptörvényeinek köszönhetően még gyorsabban tud utazni, ha ugyanannyi energiát kap.

De bár a neutrínók elméletileg nagyon gyorsan tudnak haladni, a gyakorlatban elég nehéz őket lekövetni.

Egy hosszú távú kísérletben a Déli-sarkon a fizikusok egy 1 köbkilométeres jégdarab belsejében helyeztek el detektorokat, remélve, hogy nagy energiájú neutrínókat találnak. A jég belsejében egy kellő energiájú neutrínó gyorsabban tud haladni, mint a fény. Amikor ez a nagy energiájú neutrínó ütközik a jégben lévő atommaggal, akkor a jégben lévő atommagból a fénynél is gyorsabban terjedő töltött szubatomi részecskék keletkezhetnek. Ezek a gyors részecskék a Cserenkov-sugárzás néven ismert fényvillanást bocsátanak ki, így a neutrínó közvetve kimutathatóvá válik.

2016-ban aztán ki is mutatták a legnagyobb energiájú neutrínót, amelyet eddig gondosan kiértékeltek.

„Amennyire tudjuk, ezek a valaha látott leggyorsabb részecskék” – mondta Bill Louis, a Los Alamos Nemzeti Laboratórium fizikusa. Egyetlen tömegű részecske sem képes elérni a vákuum fénysebességét, de ha nagyon könnyű és sok energiával rendelkezik, akkor nagyon közel kerülhet hozzá.

De mennyire közel?

Hogy a sebességeket egyenesben tartsuk, Vandenbroucke szeret 9-es számokban gondolkodni. Valami, ami 99,99%-ban a fénysebességgel mozog, négy 9-est kapna. A 2016-ban észlelt szupergyors neutrínónak 33 9-ese lenne, mondta Vandenbroucke. Az Oh-My-God részecske pedig számításai szerint valahol 20 és 24 9-es között lehet. Ennek a részecskének több energiája volt, de sokkal nagyobb tömegű is.

Összehasonlításképpen, az ember által készített részecskegyorsítókban, például a CERN nagy hadronütköztetőjében a részecskék által elért legnagyobb sebesség mindössze hét 9-es.

Ezeket a rekordot jelentő szupergyors részecskéket „a világegyetemben természetesen előforduló részecskegyorsítók állítják elő” – mondta Vandenbroucke. „Nem tudjuk, hogyan működnek, de ez tényleg elárulja, hogy a természet milyen csodálatos az emberhez képest.”