Om kvarkar
Vad finns inuti en atom? Vad finns inuti en proton? Det är frågor som ställs av fysiker som försöker förstå materien på den mest grundläggande nivån.
En atom innehåller en kärna som består av protoner och neutroner, omgiven av ett moln av elektroner. Experiment som undersöker djupare finner att elektronerna inte uppvisar någon struktur, men att protonerna och neutronerna gör det. De innehåller fundamentala partiklar som kallas kvarkar, vilka attraherar varandra så starkt att de inte kan existera som fria partiklar under vanliga förhållanden. Kosmologer har en teori om att under de otroliga förhållandena direkt efter Big Bang skulle kvarkar kunna existera fritt i det som kallas quark-gluon-plasma, ett materiatillstånd som vissa partikelfysiker försöker skapa i laboratoriet. (Se Kärnor Knockdown)
Diagram över kvarkstrukturen hos protoner och neutroner (diagram med artighet av Brookhaven National Laboratory)
Hur vet vi att kvarkar existerar? Vi måste härleda det från indirekta mätningar, eftersom vi inte kan observera en fri kvark. När till exempel elektroner med mycket hög energi kolliderar med protoner visar partikelfördelningen efter kollisionen att det finns små partiklar inuti protonerna.
Kvarkar finns i sex suggestiva ”smaker” – uppåt, nedåt, konstigt, charmat, nedre och övre – och för var och en av dessa finns det en antikvark. (Se The Buzz about Antimatter)
Kombinationer av uppåt- och nedåtkvarkar utgör kärnpartiklarna – två uppåtkvarkar och en nedåtkvark för protonen och en uppåtkvark och två nedåtkvarkar för neutronen, som visas i diagrammet. Kvarkarnas laddningar kombineras för att ge protonens och neutronens laddning, vilket visas nedan och i tabellen.
Proton = up-kvark + up-kvark + down-kvark
Protonens laddning:
+1 = 2/3 + 2/3 – 1/3
Neutron = up-kvark + down-kvark + down-kvark
Nutronens laddning:
0 = 2/3 -1/3 – 1/3
En annan typ av partikel, meson, består av två kvarkar, eller närmare bestämt en kvark och en antikvark. Till exempel består pi-plus av en upp-kvark och en anti-ned-kvark. Detta ger oss två typer av partiklar som består av kvarkar – kärnans subatomära partiklar (proton och neutron) och mesoner. Kan det finnas fler?
Forskning
Enligt standardmodellen består protoner, neutroner, pi-mesoner och andra relaterade partiklar av olika kombinationer av kvarkar. I denna teori är en partikel som består av fem kvarkar – pentakvarken – möjlig. Det finns ett gammalt ordspråk inom fysiken som säger att ”Allt som inte är förbjudet är nödvändigt”. Kanske med detta i åtanke har fysikerna letat efter partikeln med fem kvarkar i 30 år. År 1997 fick detta sökande en ny inriktning genom att tre ryska fysiker förutspådde att pentaquarken, som består av två uppåtriktade kvarkar, två nedåtriktade kvarkar och en anti-strange-kvark, skulle ha ungefär 1,5 %.5 gånger protonens massa och skulle kunna upptäckas med dagens partikelfysikteknik.
Produktion av en pentaquark genom absorption av en gammastråle (wiggly line) av en atomkärna. Pentaarkin sönderfaller så snabbt att den inte kan observeras, så dess existens måste härledas från observationer av gammastrålarna och av K+ mesonerna som produceras när pentaarkin sönderfaller (bilden är en artighet av Physics News Graphics, American Institute of Physics).
K-mesondetektorn vid Jefferson Lab (JLab), ett av de labb där pentaarkern observerades (bild med tillstånd av Greg Adams, Jefferson Lab).
Pentaarkern framställs genom att bombardera lätta atomkärnor med högenergetiska gammastrålar, som visas i diagrammet. Själva pentaquarken kan inte detekteras, eftersom den bara lever cirka 10-20 sekunder innan den sönderfaller till en neutron och en K+-meson (se övre högra delen av diagrammet). Observationer av mesonen och gammastrålarna fastställde förekomsten av pentaark, och tre ytterligare experiment har bekräftat detta resultat.
Denna exotiska nya typ av partikel har orsakat en hel del uppståndelse i fysikvärlden. Som ofta händer har upptäckten gett upphov till nya intressanta frågor, för det visar sig att just den teori som ledde experimentatorerna till deras upptäckt inte förutsäger alla pentaquarks egenskaper korrekt. En konkurrerande teori har redan dykt upp, och eftersom båda teorierna förutspår ännu oupptäckta partiklar, och med olika massa, kan framtida experiment komma att lösa denna oenighet. I vilket fall som helst är det en spännande tid inom partikelfysiken.
Länkar
Lawrence Berkeley National Lab
- Partikeläventyret
Stanford Linear Accelerator
- Partikelteori
Den Exploratorium/CERN
- Standardmodellen
Konstruktion av Jefferson Lab-detektorn (foto med tillstånd av Jlab/Energidepartementet).
Lämna ett svar