Az általunk közvetlenül észlelt világ - amely nem más, mint Naprendszerünk, valamint a világegyetemben észlelt világító anyag, azaz csillagok halmaza - tömegének túlnyomó többségét a proton teszi ki. A proton igen stabil, az elemi részecskék barionok nevû családjának legkönnyebb tagja. Stabilitásáról mindannyian könnyen meggyõzõdhetünk. A felnõtt emberben mintegy 2·10²⁸ darab proton van. Mármost, ha a protonok élettartama, mondjuk, a világegyetem életkorával, 13 milliárd évvel összemérhetõ lenne, akkor egy felnõttben másodpercenként mintegy 10¹⁰proton bomlana el, de egyikõnket sem találjuk radioaktívnak. Pontosabb mérések szerint, ha sok protonból találomra kettõt kiválasztunk, akkor legalább 10³¹évig (ez a világegyetem életkorának 10²¹-szerese) egyik sem bomlik el.

A proton tehát a világegyetem születése óta mindenütt jelen van. E központi szerepének megfelelõen világszerte sok fizikus tanulmányozza szerkezetét. Azt ugyan már tudjuk, hogy van szerkezete, de mintegy harminc év kutatásai után sem tudunk olyan határozott képet festeni a protonról, mint például az atomról. Tudjuk, hogy a proton igen piciny, jellemzõ mérete 10^-15m, ami alatt azt értjük, hogy egységnyi pozitív töltése ekkora tartományban oszlik szét¹. Tudjuk továbbá, hogy a proton fõ jellemzõit a benne található három, furcsa tulajdonságú, de legalábbis egyelõre szerkezet nélkülinek tartott (tehát igazán elemi) részecskék, a vegyértékkvarkok határozzák meg. A vegyértékkvarkokon kívül vannak még a protonban gluonok, valamint további kvarkok a kvarktengerben. Utóbbiak a proton bizonyos tulajdonságainak kialakításában fontosak, másokban viszont elhanyagolható szerephez jutnak.

Rutherford felfedezése (amelyért 1908-ban kémiai Nobeldíjat kapott) utat nyitott az atom szerkezetének feltérképezéséhez. Ha az atomból piciny részecskék jöhetnek ki, akkor az anyag akkoriban legkisebb építõkövének tartott atom nem lehet „a-tom", azaz oszthatatlan. Miután addigra az is kiderült, hogy b-sugárzáskor az anyagot az angol Thomson által 1897- ben felfedezett negatív elektromos töltésû részecske, az elektron hagyja el (Nobel-díj: 1906), kézenfekvõ volt feltételezni, hogy az atom valamiféle pozitív töltésû anyagból, és negatív elektronokból áll. A kérdés az volt, hogyan oszlanak el ezek az atomon belül?

Szóráskísérletünkre visszaemlékezve nyilvánvaló, ahhoz, hogy az atom szerkezetét felderítsük, nála kisebb méretû objektummal kell bombázni, és a kialakuló szóródási képet kell analizálni. Rutherfordnak rendelkezésére állt az atomnál kisebb objektum, az a-sugárzásban az atomok egy része lökõdött ki. Száz évvel ezelõtt persze mindez nem volt ilyen egyértelmû még az olyan zseniális tudósok számára sem, mint Rutherford. Akkoriban még nem tudták azt sem, hogy piciny objektumoknál nem igazán beszélhetünk a dolgok hétköznapi értelemben vett méretérõl, mert a világon mindennek kettõs természete van; a tárgyak egyrészt részecske-, másrészt hullámtulajdonságokkal rendelkeznek. Minél kisebb egy tárgy, hullámtermészete annál jelentõsebb, és az elemi részeknél, a francia de Broglie (Nobel-díj: 1929) nyomán, anyaghullámokról szoktunk beszélni. Amikor az atomoknál kisebb méretû objektummal bombázunk valamit, a feloldóképességet a hozzá rendelhetõ anyaghullám hullámhossza határozza meg csakúgy, mint a fénynél.

Rutherford ezt a kvantummechanikai összefüggést még nem ismerhette, hiszen azt csak húsz évvel késõbb fedezték fel, éppen az õ kísérleti eredményeire támaszkodva. Rutherford azonban kiváló kísérletezõi vénával megáldott, kíváncsi ember volt, ami sokszor helyettesíti a tudást.² Rutherfordot az izgatta, hogy amikor az általa felfedezett a-sugárzást vékony csillámlemezen engedte keresztül (ez is egy szóráskísérlet), akkor az a túloldalra helyezett fényképlemezen elmosódott képet alkotott. A csillám eltérítette az a-részecskéket, amint azok keresztülhaladtak a lemezen. Ez azért volt Rutherford számára meglepõ, mert amikor az a-részecskék elektromos töltésének kimutatására elektromos és mágneses mezõn eresztette át õket - annak ellenére, hogy nagyon erõs mezõket használt - az eltérülés mértéke sokkal kisebb volt, mint amikor pár mm vastagságú csillámlemezen engedte keresztül õket. Felfedezése azt sugallta, hogy a csillámlemez atomjain belül valamiféle, addig elképzelhetetlenül erõs kölcsönhatás hat a részecskék között.

A csillámrejtély tanulmányozására Rutherford szóráskísérletet állíttatott össze két fiatal kollégájával, a német Geigerrel és Marsdennel. Aranyfóliára a-sugarakat bocsátottak, és az átjutó részecskéket minden irányban megfigyelték egy cink-szulfiddal bevont lemezen, amely apró fényfelvillanásokat produkált a becsapódó a-részecskék hatására. A meglepetés akkor érte õket, amikor a szcintilláló lemezt az a-forrás felõli oldalra helyezték: nagy ritkán ott is észleltek felvillanásokat, ami az a-részecskék nagyszögû, közel 180°-os szóródását jelezte.

Miért volt a nagyszögû szórás meglepõ? Rutherfordék tudták, hogy a bombázó részecskék az atom anyagának csak töredékei. Az atomról alkotott addigi modell szerint az atomot pozitív töltésû anyag töltötte ki, amelyben apró negatív töltésû elektronok voltak, éppen annyi, hogy az atom kifelé semleges legyen. Gondoljuk el ebben a képben a Rutherford-féle szórás egy makroszkopikus modelljét! Egy m³ levegõ tömege 1,3 kg. Ehhez képest egy kicsiny acélgolyó elenyészõ tömegû (kb. 10 g). Ha egy acélgolyót elhajítunk a szobában, akkor - a Föld gravitációs vonzásának hatásától eltekintve - egyenesen repül át, és a falba csapódik (2.a ábra). Ha azonban a szobában a m³-enkénti levegõt piciny térfogatra összesûrítjük, mondjuk acélgolyó méretûre, máshol pedig légüres teret hagyunk, akkor dobásaink nagy része továbbra is egyenesen átrepül a szobán, viszont néhány dobással éppen telibe fogunk találni egy sûrített levegõbõl álló kis csomagot, amelynek tömege több, mint százszorosa az eldobott acélgolyó tömegének, így arról a golyó akár 180°-os szögben is visszapattanhat (2.b ábra). Modellünk és a valódi Rutherford-szórás között az a lényeges különbség, hogy az elõbbinél csak a „levegõgolyó" és az acélgolyó tényleges érintkezésekor észlelünk hátraszórást, míg az utóbbi esetben a kölcsönhatás elektromos jellegû, amely valódi érintkezés nélkül is érezteti hatását (távolható). A fizika megfelelõ törvényeinek alkalmazásával azonban ilyen esetben is könnyen meghatározható, hogy a kialakult szórási képhez a szórócentrumnak milyen szerkezetûnek kell lennie. Rutherfordot számításainak eredménye annyira megdöbbentette, hogy jegyzetfüzetében kézírásának jellege is megváltozott. Azt kapta, hogy hátraszóráskor a bombázó a-részecskének az atom közepére sûrített pozitív töltést 10^-12 cm-re kell megközelítenie - ez az atom sugarának tízezred része! Rutherford szóráskísérlete szerint a modern atommodell: a 10^-8 cm átmérõjû atom közepén egy kb. 10^-12 cm átmérõjû térrészen van a sûrített atom tömegének 99,9 százaléka, az atom térfogatának többi része pedig légüres tér, amit néhány pontszerûnek tartott (legalábbis az atommagnál legalább ezerszer kisebb) elektron tölt ki. Ez azt jelenti, hogy testünk és a környezõ tárgyak 99,999 százaléka légüres tér! Megrázó felfedezés, amely alapvetõen megváltoztatta a világról alkotott képünket. Történetünk szempontjából azonban kevésbé a kísérlet eredménye, mint inkább annak módszere a fontos. Ha valamely eleminek tartott részecske szerkezetét keressük, akkor a nagy energiájú részecskékkel való bombázás során a nagyszögû szórás nyújthat felvilágosítást.

A neutron felfedezésével majdnem egy idõben találta meg az amerikai Anderson az elsõ olyan elemi részecskét (Nobel-díj: 1936), amely nem az atomon belülrõl jött, hanem a Földön kívülrõl érkezõ kozmikus sugárzásból. A ködkamra felvételei szerint az észlelt részecske ionizáló hatása nagyon hasonlított az elektron ionizáló hatásához. Erõs mágneses térben azonban, ami a mozgó töltéseket kör alakú pályára kényszeríti, az észlelt részecske éppen ellenkezõ irányba csavarodott, mint az elektron, ami az jelezte, hogy elektromos töltése éppen az elektron töltésének ellentettje (-1-szerese) volt. Ez volt az angol Dirac által pár évvel korábban elméleti úton megjósolt antirészecske (Nobel- díj: 1933), az antielektron vagy mai nevén pozitron.Felfedezésével megalapozódott az antianyag létezése, az hogy minden részecskének létezik antirészecskéje. (A modern fizika nyitott kérdése: mi lehet annak az oka, hogy a megfigyelt világ anyagból áll, antianyag ehhez képest csak elenyészõ mértékben található a kozmikus sugárzásban?)

Az 1950-es és 1960-as években több száz, a protonhoz hasonlóan nehéz (az elektron sokkal könnyebb: tömege mintegy kétezred része a proton tömegének) részecskét fedeztek fel, amelyeket többnyire a görög ábécé valamely betûjére kereszteltek: å, L,p, h, r, D stb., és összefoglaló néven hadronoknakhívnak. Mihelyt valamibõl ilyen sok van, az elméleti kutatókat nem igazán az érdekli, van-e még több, hanem az, hogy tulajdonságaik alapján lehet-e rendszert találni közöttük, ahhoz hasonlóan, ahogyan Mengyelejev periódusos rendszerbe foglalta az elemeket. A rendszer mögött mindig az anyag valamilyen alapvetõbb szintjének alkotórészeire jellemzõ, egyszerû tulajdonságok húzódnak.
 

3. ábra. A barionok Gell-Mann által javasolt két családja. A függõleges menti tulajdonság a ritkaság, az átlós az elektromos töltés. a) Barion oktett: nem ritka tagjai a semleges neutron és egyszeresen pozitív párja, a proton; egyszeresen ritka a három SS-részecske; kétszeresen ritka a két XX-részecske. Az oktett közepén található L-részecskében ugyanazok a kvarkok vannak, mint a szintén semleges S°-részecskében, csak némileg másként elrendezve. b) Barion dekuplett, amelynél degeneráció nincs, és amelynek van háromszorosan ritka tagja, a negatív töltésû W

Az elemi részek rendszerezésére az amerikai Gell-Mann és az izraeli Ne'eman1961-ben egymástól függetlenül dolgozott ki rendszert, amely szerint a részecskéket családokba osztályozzuk tulajdonságaik - elektromos töltés, spin, és egy új tulajdonság, a ritkaság (lásd Horváth Dezsõ cikkét) - alapján (3. ábra). Táblázatuk összes tagja azonban nem volt még ismert akkor. 1962-ben az Európai Magfizikai Kutatóközpontban, a CERNben volt egy nemzetközi konferencia, amelyen mindketten részt vettek - Gell-Mann akkor már híres elméleti fizikus volt. A konferencián két új részecske, a negatív töltésû X*^- és a semleges X*⁰ felfedezését jelentették be. Mind Gell-Mann, mind Ne'eman azonnal látta, hogy az új részecskék tulajdonságaik alapján a táblázatukba illenek, és hozzászólásra jelentkeztek. A szót a híresebb Gell-Mann kapta meg, aki a táblához ment, és megjósolta egy további részecske, az addig kísérletileg nem észlelt - nem véletlenül, hiszen háromszorosan ritka - W^- létezését. A táblázat többi tagja tulajdonságai ismeretében még a tömegét is megjósolta, miszerint az a proton tömegének 1,8-szerese kell legyen.

„Könnyû" a kísérleti fizikusok dolga, ha ilyen pontosan megmondják nekik, mit kell keresni. 1964-ben az amerikai Brookhavenben meg is találták a Gell-Mann által elõre megadott tulajdonságú részecskét, amelynek a tömege a jósolt értéknél kevesebb, mint fél százalékkal tért el. A sikeres felfedezés azonnal hihetõbbé tette Gell-Mann elméletét, bár a teljes elfogadásig még éveket (a kedves olvasónak azonban csak néhány percet) kellett várni.

Milyen modellre is alapozta Gell-Mann a hadronok rendszerét? Alapfeltevése az volt, hogy a hadronok nem elemi részek, alkotóelemeik vannak: a mezonok kettõ (amelyek általában könnyebbek), a barionok pedig három alkotórészbõl állnak. Gell-Mann ezeknek a kvarknevet adta. A kvarkokat nem volt könnyû elfogadni, mert merõben új tulajdonságokat jósolt nekik Gell-Mann. Elektromos töltésük kétféle lehet, az elektron töltésének (+1/3)-a, illetve (-2/3)-a. Soha azelõtt senki nem észlelt az elektron töltésénél kisebb töltésû objektumot - ezért is nevezik azt elemi töltésnek! A kvarkoknak további speciális tulajdonsága is van, amelyet íznekneveztek el, noha nem a hétköznapi értelemben vett ízrõl van szó. Az 1960-as években háromféle kvarkot lehetett íz szerint megkülönböztetni. Késõbb kiderült, hogy a kvarkok hatféle ízben léteznek, a hatodikat csak az 1990-es évek közepén tudták kimutatni. Van a kvarkoknak egy másik tulajdonsága is, amelyrõl Gell-Mann-nak semmiféle kísérleti tapasztalata nem lehetett, és amelyet csupán a kvantummechanika törvényeire alapozva vezetett be Greenberg 1964-ben. Az utóbbi szerint minden kvarkízhez háromféle kvarktípus tartozik. Miután a fizikában a színkeverésben szerepel a hármas szám (a három alapszín a piros, a kék és a zöld, amelyekbõl szemünk az összes színt kikeveri), ezért ezt a tulajdonságot a kvarkok színének nevezték el. Színrõl persze igazi értelemben csak akkor beszélhetünk, ha látható fénnyel megvilágítható az adott tárgy, ami ugyebár a kvark esetében nem lehetséges, hiszen mérete jóval a látható fény felbontóképessége alatt van. Ezek szerint a kvarkból 6·3 =18-féle (és ugyancsak 18-féle antikvark) létezik.

A kvark elnevezést Gell-Mann alkotta meg. A szó J. Joyce „Finnegans Wake" címû regényében egy álomban szerepel, nem egészen világos jelentéssel („Három kvark sört Muster Marknak!"), és Gell-Mann-nak egyszerûen csak tetszett a szó hangzása.

Hogyan fognánk a kvarkok protonon belüli kimutatásához, ha meggyõzõ érvek szólnának létezésük mellett? Gondolom, a válasz már minden kedves olvasó számára nyilvánvaló. A protonnál kisebb részecskét kell olyan nagy sebességre gyorsítani, hogy a hozzá tartozó anyaghullám hullámhossza kisebb legyen a proton méreténél, 10^-15m-nél. A legésszerûbb megoldás a pontszerûnek ismert, könnyen elõállítható, stabil, elektromosan töltött, tehát elektromos térben gyorsítható részecske, az elektron közel fénysebességûre gyorsítása, és velük a protonok bombázása. Az elektron azért is jó, mert tömege a proton tömegének kétezred része, ha tehát eltalálja a protont, egyszerûen visszalökõdik róla anélkül, hogy a proton lényeges hátralökõdést szenvedne, valahogy úgy, ahogyan a Rutherford szórásban a bombázó a-részecske visszalökõdött a lényegesen nehezebb aranyatommagról.

4. ábra. Az elektron-proton szórás leírásához használt fizikai mennyiségek: az elektron szóródási szöge (Q); az elektron végsõ (E') és kezdeti (E) energiája; a proton tömege (M)

Mielõtt kísérletünk megvalósításához fognánk, nem árt elgondolkodnunk azon, milyen szórási képet várunk. Jól figyeljünk, mert nehéz rész következik! A szórási kép leírásában a következõ mennyiségek játszanak lényeges szerepet (4. ábra): (i) az elektron szóródási szöge, q (mennyivel tér el eredeti mozgásának irányától); (ii) az elektron energiájának változása (-DE, a negatív elõjel csak megegyezés kérdése): a végsõ (E') és a kezdeti (E) energia különbsége, -DE=E'-E; (iii) a céltárgy tömege (M) (az elektron tömegét egyszerûen nullának vesszük). Minél nagyobb az energia és a szóródási szög, annál nagyobb hatású az ütközés. Az ütközés hatásosságára a Q²-nek nevezett (Q²=4 E E' sin² (Q/2)) mennyiséget használjuk: kis Q² lágy ütközést, gyenge feloldóképességet, nagy Q2 viharos ütközést, nagy feloldóképességet jelent. Ezekbõl a mennyiségekbõl képezhetünk egy mértékegység nélküli számot: x=Q²/(2 DE M c²) (c a fénysebesség).

A skálázás, a skálázás-sértés, majd az újra skálázás fenti váltakozása valóban megfigyelhetõ, amikor az elektronok egyre növekvõ Q² értékekkel szóródnak anyagon, ami az anyag egymásra épülõ rétegeinek (atom, atommag, proton, kvark) létezését bizonyítja. Ezt szemlélteti sematikusan a 6. ábra.

A proton alkotórészeinek kimutatásához az elektronokat elõször a stanfordi kutatóközpontban levõ SLAC-gyorsítóban tudták megfelelõ sebességre gyorsítani 1969-ben. Az elektronok protonokon történõ mélyen rugalmatlan szórása során egyértelmûen kimutatták, hogy az x=1-nél található rugalmas csúcs Q² növelése esetén Q²=0,5 GeV²-nél³ kezd eltûnni, és helyette x=1/3-nál jelenik meg egy kvázi-rugalmas csúcs, amely Q²>1 GeV² értékekre határozott skálázást mutat (5. f-h ábra; Friedman, Kendall és Taylor, Nobel-díj: 1990). Megfontolásaink alapján az eredményt úgy tudjuk értelmezni, hogy a protonban három (skálázás 1/3-nál) pontszerûnek tekinthetõ alkotórész van, amelyeket a kísérlet kiértékelésében segítõ amerikai elméleti fizikus J.Björkennyomán azóta is partonoknaknevezünk.

Gondolom, a kedves olvasóban kezd összeállni a kép. Van egyrészt Gell-Mann kvarkmodellje, amely szerint a protonban három kvark van, és kísérletileg sikerült kimutatni, hogy a protonban három pontszerûnek „látott" parton van. Kézenfekvõ a kvarkokat a partonokkal azonosítani, hiszen mindkettõbõl éppen három van a protonban. Az ilyen látszólagos egyezés azonban nem kielégítõ a fizikusok számára. A partonok létezése kísérleti tény, a kvarkmodell pedig, mint neve is mutatja, csak modell. A fizikusoknak azonban elméletrevan szükségük, amely leírja a kvarkok kölcsönhatását úgy, ahogy az elektronok kölcsönhatását leírja az elektromágnességtan (Maxwell, 1860) vagy annak pontosabb változata, a kvantum-elektrodinamika (Feynman, Schwingerés Tomonaga, Nobel-díj: 1965).

Csakhamar megszületett a kívánt elmélet, amelyet (a kvarkok „színesek" lévén) kvantum-színdinamikának neveztek el (Gell- Mann és Fritzsch, 1972). A kvantum-elektrodinamika és a kvantum- színdinamika hasonló elméletek egy lényeges különbséggel. Az elektronok között a kölcsönhatást az elektromos töltéssel nem rendelkezõ elektromágneses tér közvetíti. A kvarkok között azonban a kölcsönhatást az ugyancsak színes gluonokközvetítik, amelyek színességük folytán egymással is kölcsönhatnak. Az elmélet szerint a gluonok átalakulhatnak kvark-antikvark párokká. Ha a gluonok valóban léteznek, és a kvarkok közötti kölcsönhatást közvetítik, akkor a protonon belül is ott kell lenniük, sõt nemcsak azoknak, hanem a belõlük keletkezõ kvark-antikvark pároknak is. Az utóbbiak alkotják a kvarktengert. A modern kísérletek mind a gluonok, mind a kvarktenger jelenlétét megerõsítik. A mélyen rugalmatlan elektron-proton szórásban Q² további növelésével a skálázás sérül, és kicsiny xértékeknél megjelenik a gluonok és a kvarktengerbeli kvark-antikvark párok járuléka, ami azt mutatja, hogy a három kvarkból álló barionok modellje elegendõ fõ tulajdonságaik szerinti rendszerezésükhöz, de ahhoz például már nem, hogy megadják a felgyorsított proton teljes impulzusát (lendületét) - ahhoz a gluonok és a kvarktenger kvark-antikvark párjai is lényegesen hozzájárulnak.

Az elemi részek tulajdonságai két csoportra oszthatók. Az elsõbe olyan mennyiségek tartoznak, amelyek csak meghatározott adagokban (szaknyelven: kvantumokban) változhatnak. Erre példa a 3. ábránrendszerezésre használt elektromos töltés, ritkaság. Ahadronok kvantumos fizikai tulajdonságait a kvarkmodellel tudjuk leírni: a mennyiségnek a hadronhoz tartozó értékét a vegyértékkvarkokhoz tartozó megfelelõ értékek összege adja. A protonban például két u-típusú és egy d-típusú vegyértékkvark van, amelyek töltése az elemi töltésnek (+2/3)-a, illetve (-1/3)-a, ezért a proton töltése az elemi töltés 2·(+2/3)+(-1/3)=1-szerese.

A fizikai tulajdonságok másik csoportja folytonosan változhat, amire az impulzust vehetjük példának. A protonok partonmodelljéhez vezetõ mélyen rugalmatlan szóráskísérletekbõl tudjuk, hogy a proton impulzusát minden alkotórésze (vegyértékkvarkok, gluonok, kvark-antikvark párok a kvarktengerben) impulzusának összege adja.

Az elemi részek fontos jellemzõje a részecskék saját impulzusmomentuma (perdülete) vagy rövid nevén spinje is, amely kvantált fizikai mennyiség, minden részecskére jól meghatározható. Számszerûen a Planck-állandó felének, azaz /2~~5,27·10^-35 kgm²/s-nak egész számú többszöröse lehet. A proton, valamint a kvarkok spinje /2, a gluonoké . Kvantált mennyiségrõl lévén szó, azt várjuk, hogy a proton spinje a vegyértékkvarkok spinjébõl kapható meg, egyébként nehéz elképzelni, hogy a sok járulékból hogyan kaphatunk éppen /2-t.

A proton-spin eredetének megfejtésére az 1980-as években több kísérletet is terveztek, amelyek azonban igencsak meglepõ eredményeket szolgáltattak. Kiderült, hogy a proton spinjét nem sikerült a vegyértékkvarkok spinjének összeadásával megkapni, sõt ez utóbbiak összege, a kísérleti bizonytalanságot figyelembe véve akár nulla is lehet. Erre, az addigi proton-képnek ellentmondani látszó eredményre, „protonspin-krízis" néven hivatkoznak a részecskefizikusok. A korábbi elképzeléseknek ellentmondani látszó eredményeknek mindig nagyon örülnek a kutatók, mert azok teret nyitnak új kutatási irányok felfedezésére, új elméleti modellek megalkotására. Különösen így van ez a modern részecskefizikában, ahol az elmúlt mintegy negyedszázad során alig születtek megrázó kísérleti eredmények: szinte minden új felfedezés beleillett a részecskefizika Standard Modelljébe (lásd Horváth Dezsõ cikkét), megerõsítvén azt. A spin-krízis megoldásától ugyan nem várjuk, hogy a Standard Modellt alapjaiban megrendítse, de finomítani fogja azt, amit a proton szerkezetérõl tudunk. Az elméleti szakemberek ötletek tucatjaival álltak elõ megoldásként, azonban mindeddig nem sikerült kísérletileg egyértelmûen bizonyítani egyiket sem. A legegyszerûbb javaslatot hétköznapi nyelven is könnyen megfogalmazhatjuk: a gluonok és a tengerkvarkok valamilyen oknál fogva polarizálódnak, és ez utóbbiak „kioltják" a vegyértékkvarkok spinjét, így a gluonok spinjébõl áll össze a proton spinje. Más elképzelés szerint a kvarkok keringenek a protonban, és a keringésbõl származó pályaimpulzus- momentumot is figyelembe kell venni annak érdekében, hogy megkapjuk a proton teljes spinjét. Létezik a spinkrízis feloldására olyan elképzelés is, amely a kvarkmodell helyett másféle modelljét adná a protonnak. A kérdést ma sem sikerült tisztázni, így szerencsére az olvasónak is jut fejtörõ a proton szerkezetét illetõen.

A modern kísérleti részecskefizikában a gyorsítókat nemcsak az eddig bemutatott mikroszkóp formájában használjuk, hanem úgy is, hogy minél nagyobb energiát sûrítsünk a lehetõ legkisebb térfogatra, és ezzel a világegyetem születésekor fennálló körülményeket hozzunk létre abból a célból, hogy a korábban még meg nem figyelt részecskéket, az anyag új halmazállapotait észleljük. Einsteinhíres E=m·c² összefüggése szerint az energia (E) és a tömeg (m) egymással arányos mennyiségek, az arányossági tényezõ a fénysebesség (c) négyzete. Ezt az összefüggést használják fel az atomreaktorok úgy, hogy piciny tömegeket nagy mennyiségû energiává alakítanak; és ezt használják a részecskegyorsítókban arra, hogy energiabefektetés árán tömeget hozzanak létre, méghozzá korábban ismeretlen formában. Az ideális gyorsító az, amely egy részecskét és annak antirészecskéjét azonos sebességre gyorsítja fel egymással szemben és úgy ütközteti azokat. Az ütközés során a két részecske megsemmisül, a felszabaduló energia pedig elegendõ lehet ahhoz, hogy új típusú részecskék keletkezzenek. Ilyen ütközõgyûrûs gyorsító a genfi székhelyû CERN kutatóközpont LEP gyorsítója, ahol elektront és pozitront ütköztetnek, és többnyire egészen más részecskék érkeznek az észlelõrendszerbe (Rutherford szcintillálólemezeinek modern megfelelõi). Mintha két követ összeütve kenyerek jönnének elõ.

Az elektron-pozitron ütközõgyûrûben az ütközésben felszabaduló energia, és így az újonnan keletkezhetõ részecske tömege viszonylag szûk tartományra rögzített érték, a két ütközõ részecske teljes energiája. Ez akkor hasznos, ha már tudjuk a kelteni kívánt részecske tömegét (elméleti megfontolásokból, mint Gell-Mann tudta az W- tömegét), azonban ismeretlen részecskéknél ez nincs így. Ilyenkor jobb, ha ugyanazzal a gyorsítóval sokféle energiájú ütközést tudunk létrehozni, és ekkor, szerencsés esetben lesz olyan energiájú is, amely éppen egy új részecske tömegének felel meg: azt akkor felfedezzük. Ha még emlékszünk arra, hogy adott energiára gyorsított protonok halmazában a kvarkok energiája meghatározható valószínûséggel bármilyen értéket felvehet, kézenfekvõen adódik az univerzális gyorsító megalkotásának lehetõsége: protonokat kell protonokkal ütköztetni. Ilyen folyamatok során többnyire a két protonban repülõ kvarkok közül fog egy-egy ütközni.⁴ Ahhoz, hogy a szórási képbõl pontos mennyiségi következtetést tudjunk levonni, fontos tudni, milyen volt a kezdeti állapot, azaz a két ütközõ kvark az õket hordozó protonok mekkora energiáját szállította. Többek között ezt a kérdést tanulmányozzák nagyon alaposan a Hamburg melletti DESY-ben, ahol 27,5 GeV-re felgyorsított elektronokat vagy pozitronokat ütköztetnek 820 GeV-re felgyorsított protonokkal.