Om kvarker
Hvad er der inde i et atom? Hvad er der inde i en proton? Det er spørgsmål, som stilles af fysikere, der søger at forstå materien på det mest fundamentale niveau.
Et atom indeholder en kerne, der består af protoner og neutroner, og som er omgivet af en sky af elektroner. Eksperimenter, der undersøger dybere, finder ud af, at elektronerne ikke viser nogen struktur, men det gør protonerne og neutronerne. De indeholder fundamentale partikler kaldet kvarker, som tiltrækker hinanden så stærkt, at de ikke kan eksistere som frie partikler under almindelige forhold. Kosmologer har en teori om, at kvarker under de utrolige forhold lige efter Big Bang kunne eksistere frit i det, der kaldes kvark-gluonplasma, en stoftilstand, som nogle partikelfysikere forsøger at skabe i laboratoriet. (Se kerneknuder)
Diagram af kvarkstruktur af protoner og neutroner (diagram med venlig hilsen fra Brookhaven National Laboratory)
Hvordan ved vi, at kvarker eksisterer? Vi er nødt til at udlede det af indirekte målinger, da vi ikke kan observere en fri kvark. Når for eksempel elektroner med meget høj energi kolliderer med protoner, viser fordelingen af partikler efter kollisionen, at der er små partikler inde i protonerne.
Kvarker findes i seks stemningsfulde “smagsvarianter” – opad, nedad, underlig, charmeret, bund og top – og for hver af disse findes der en antikvark. (Se omtalen af antimaterie)
Kombinationer af op- og ned-kvarker udgør kernepartiklerne – to op-kvarker og en ned-kvark for protonen, og en op-kvark og to ned-kvarker for neutronen, som vist i diagrammet. Karkernes ladninger kombineres for at give protonens og neutronens ladning, som vist nedenfor og i tabellen.
Proton = op-kvark + op-kvark + ned-kvark
Protonens ladning:
+1 = 2/3 + 2/3 – 1/3
Neutron = op-kvark + ned-kvark + ned-kvark
Nutronens ladning:
0 = 2/3 -1/3 – 1/3
En anden slags partikel, mesonen, er sammensat af to kvarker, eller mere specifikt en kvark og en antikvark. F.eks. består pi-plus af en up-kvark og en anti-down-kvark. Det giver os to slags partikler, der består af kvarker, nemlig atomare subatomare partikler (protoner og neutroner) og mesoner. Kan der være flere?
Forskning
I henhold til standardmodellen er protoner, neutroner, pi-mesoner og andre beslægtede partikler sammensat af forskellige kombinationer af kvarker. I denne teori er en partikel bestående af fem kvarker – pentavarken – mulig. Der er et gammelt ordsprog i fysikken, som siger: “Alt, hvad der ikke er forbudt, er nødvendigt”. Måske med dette i baghovedet har fysikere i 30 år ledt efter en partikel med fem kvarker. I 1997 fik denne søgen en ny retning med en forudsigelse fra tre russiske fysikere om, at en pentaquark bestående af to op-kvarker, to ned-kvarker og en anti-strange kvark ville have ca. 1.5 gange protonens masse og kunne påvises med den nuværende partikelfysik-teknologi.
Produktion af en pentaquark gennem absorption af en gammastråle (wiggly line) af en kerne. Pentavarken henfalder så hurtigt, at den ikke kan observeres, så dens eksistens må udledes af observationer af gammastrålerne og af de K+ mesoner, der dannes, når pentavarken henfalder (billedet er venligst udlånt af Physics News Graphics, American Institute of Physics).
K-mesondetektoren på Jefferson Lab (JLab), et af de laboratorier, hvor pentavarken blev observeret (billede venligst udlånt af Greg Adams, Jefferson Lab).
Pentavarken produceres ved at bombardere lette atomkerner med højenergigammastråler, som vist i diagrammet. Selve pentaquarken kan ikke påvises, da den kun lever ca. 10-20 sekunder, før den henfalder til en neutron og en K+ meson (se øverste højre del af diagrammet). Observationer af mesonen og gammastrålerne fastslog tilstedeværelsen af pentaquark’en, og tre yderligere eksperimenter har bekræftet dette resultat.
Denne eksotiske nye partikelart har skabt en del røre i fysikverdenen. Som det ofte sker, har opdagelsen rejst nye interessante spørgsmål, for det viser sig, at selve den teori, der førte eksperimentalisterne frem til deres opdagelse, ikke forudsiger alle pentaquarkens egenskaber korrekt. Der er allerede dukket en konkurrerende teori op, og da begge teorier forudsiger endnu ikke opdagede partikler med forskellige masser, vil fremtidige eksperimenter måske løse denne uenighed. Under alle omstændigheder er det en spændende tid inden for partikelfysikken.
Links
Lawrence Berkeley National Lab
- The Particle Adventure
Stanford Linear Accelerator
- Partikelteori
Den Exploratorium/CERN
- Standardmodellen
Bygning af Jefferson Lab-detektor (foto venligst udlånt af Jlab/energiministeriet).
Skriv et svar