Az atomot felépítő elemi részecskék atommagot alkotó, pozitív töltésű részei a protonok, amelyek száma az adott elem periódusos rendszerben elfoglalt helyét, rendszámát is meghatározza. A protonok felépítését a kvarkok felfedezése után sikerült tisztázni: ezeknek a szubatomi részecskéknek a létezését Murray Gell-Mann amerikai fizikus és tőle függetlenül George Zweig jósolta meg 1964-ben, hogy magyarázatot adjanak azoknak a folyamatoknak a nem várt eredményeire, amelyeket manapság már sokkal nagyobb létesítményekben, hatalmas részecskegyorsítókban vizsgálnak a kutatók.

Az első részecskeütköztető terveit már 1943-ban szabadalmaztatta Rolf Widerøe norvég mérnök, de az igazán alapos és a részecskék tulajdonságaiba jobb betekintést nyújtó kísérletek elvégzésére lehetőséget adó Nagy Hadronütköztetőt és más, modern társait csak jóval később építették fel, azt azonban már Gell-Mann idejében is tudni lehetett, hogy a sokáig a legalapvetőbb, további részekre bonthatatlannak hitt egységeket nem a protonok, neutronok és elektronok jelentik, hanem ezeknél is kisebb részecskék.

Végül Gell-Mann adta a kvark elnevezést az új építőelemeknek, a név méghozzá sajátos módon született meg: a fizikus ugyanis először a kifejezés hangzását találta ki (ami angolul leírva "kworknak" hangzott), majd ehhez később csatlakozott a szó konkrét betűzése, amelyet James Joyce Finnegans Wake regényéből kölcsönzött, bár azt, hogy a Joyce által használt kifejezést valóban kworknak ejtette-e ki az író, Gell-Mann sem tudta teljes bizonyossággal eldönteni. A kvarkok mindenesetre lényegi részévé váltak a fizikai leírásoknak és a vizsgálatok alapján már lehetett sejteni, hogy a protonok mennyi és milyen típusú kvarkokból állnak össze. Az általános meghatározás szerint három kvark alkot egy protont, amelyekből kettő fel és egy le kvark. A fel és le kvarkok a hat típus (íz) közül a könnyűek közé tartoznak, míg a bájos, a furcsa, a felső és alsó kvarkok jóval nagyobb tömegűek náluk.

Egy újabb kutatás szerint azonban időnként az a különös eset is előfordulhat, hogy a protonok szerkezete egy, a proton saját tömegénél nehezebb kvarkot is tartalmaz.

Erre akkor kerül sor, mikor egy bájos kvark is megjelenik a proton összetételében, de nem egészen olyan módon, mint ahogy a könnyebb, fel és le kvarkok. A bájos kvark ebben az esetben alapvető részét alkotja ugyan a részecskének, de a proton nem veszi fel a teljes tömegét a kvarknak, így a tömegének csak egy kis százaléka tulajdonítható a bájos elemnek - írja az Amszterdami Vrije Egyetem elméleti fizikusa, Juan Rojo és csapata a Nature-ben megjelent tanulmányában. A számítások szerint ilyenkor egy 1 GeV tömegű proton egy 1,3 GeV tömegű bájos kvarkot és antirészecske párját is tartalmazhatja.

Az NNPDF Collaboration vizsgálataiból kiderült, hogy a bájos részecske ilyen jellegű felbukkanása nem protonütközetések hatására, hanem természetes módon, beavatkozás nélkül történik meg, de rendkívül ritkán, a protonok energiájának kevesebb mint egy százalékát adják a bájos részecskék. A mérések során a Nagy Hadronütköztetőben zajló ütközetések évtizedek alatt összegyűjtött adataira támaszkodtak a fizikusok, azonban nem kifejezetten az ütközések következtében fellépő hatásokat elemezték, hanem azt kutatták, hogy vajon önmagától is megtörténhet-e, hogy megjelenik a protonban a nehezebb elem is.

Az elemzéseket és a valószínűségi számításokat algoritmusok segítségével végezték el, amelyek megkeresték a lehetséges mintákat a nagy mennyiségű adat átfésülése közben.

A valószínűsége a rendhagyó szerkezetű proton kialakulásának azonban egészen csekély.

Az ilyen típusú struktúrákat évtizedek óta keresik a laboratóriumokban végzett vizsgálatok során a kutatók, de az eredmények mégis meglepőek. Az, hogy a proton egy nála nagyobb tömegű részecskét is tartalmazhat Rojo elmondása szerint "a józan ész ellen szól".

"Olyan, mintha vennénk egy kilós csomagnyi sót és két kiló homok jönne ki belőle. De a kvantummechanikában ez is lehetséges."

(Fotó: CERN/Daniel Dominguez, Getty Images/Jesper Klausen/Science Photo Library)

Kisebbek lehetnek a protonok, mint eddig gondoltuk Néhány éve egy új mérési technikával kimutatták, hogy a protonok valószínűleg kisebbek, mint azt a kilencvenes évek óta feltételezték – most egy új módszerrel próbáltak az eltéréseknek utánajárni.