Den stærke kernekraft er, som du måske har gættet, en meget stærk kraft. Den er så stærk, at den er i stand til at trække nogle af de mindste partikler i universet sammen i meget lange perioder, muligvis for evigt. Partikler, der er bundet af den stærke kraft, udgør byggestenene i vores hverdagsverden: protoner og neutroner. Men hvis man skar en proton eller en neutron op, ville man ikke finde en fin, simpel opstilling af subatomare partikler. I stedet ville du se de ulækre indvolde af måske en af de mest komplekse kræfter i universet.
Protoner og neutroner er ikke de eneste ting, som den stærke kraft er i stand til at lave, men vi forstår ikke rigtig de andre mere komplekse og eksotiske arrangementer. Hvad mere er, så er selv vores observationer og eksperimenter i sig selv meget skitseagtige. Men fysikere arbejder hårdt på at forsøge at samle indsigt i denne fundamentale naturkraft.
Relateret: De største uløste mysterier i fysikken
Stærk og kompleks
For at beskrive den stærke kraft er det bedst at sætte den i kontrast til dens langt mere kendte fætter, den elektromagnetiske kraft. Med den elektromagnetiske kraft er tingene enkle, nemme og ligetil; så meget, at videnskabsfolk i 1900-tallet var i stand til for det meste at regne den ud. Med den elektromagnetiske kraft kan enhver partikel deltage i festen, så længe den har en egenskab, der kaldes en elektrisk ladning. Hvis du har denne ladning, kan du føle og reagere på den elektromagnetiske kraft. Og alle slags partikler af alle mulige slags bærer en elektrisk ladning, som f.eks. din almindelige elektron.
En anden partikel, lyspartiklen (også kendt som fotonen), udfører arbejdet med at overføre den elektromagnetiske kraft fra en ladet partikel til en anden. Fotonen selv har ikke sin egen elektriske ladning og er masseløs. Den bevæger sig med lysets hastighed og flimrer frem og tilbage i universet og får elektromagnetismen til at ske.
Elektrisk ladning. En enkelt bærer af den elektromagnetiske kraft. Enkelt, ligetil.
I modsætning hertil er der seks partikler, der er underlagt den stærke kernekraft. Som gruppe er de kendt som kvarkerne og har tilstrækkeligt finurlige navne som up, down, top, bottom, strange og charm. For at kunne mærke og reagere på den stærke kernekraft har disse kvarker deres egen ladning. Det er ikke en elektrisk ladning (selv om de også har en elektrisk ladning og også føler den elektromagnetiske kraft), men af forskellige årsager, der gør tingene virkelig forvirrende, kalder fysikerne denne særlige ladning, der er forbundet med den stærke kernekraft, for farveladning.
Karksene kan have en af tre farver, der kaldes rød, grøn og blå. Bare for at gøre det klart, at det ikke er egentlige farver, men blot etiketter, som vi giver denne mærkelige, ladningslignende egenskab.
Kvarkerne føler altså den stærke kraft, men den bæres af en hel række andre partikler – otte for at være præcis. De kaldes gluoner, og de gør et rigtig godt stykke arbejde med at … vent på det … lime kvarker sammen. Gluonerne har tilfældigvis også evnen og lysten til at bære deres egen farveladning. Og de har masse.
Seks kvarker, otte gluoner. Kvarkerne kan ændre deres farveladning, og det kan gluonerne også, for hvorfor ikke.
Alt dette betyder, at den stærke kernekraft er langt mere kompleks og indviklet end sin elektromagnetiske fætter.
Skeligt stærk
Okay, jeg løj. Fysikerne kaldte ikke bare denne egenskab ved kvarker og gluoner for “farveladningen”, fordi de havde lyst til det, men fordi det tjener som en nyttig analogi. Gluoner og kvarker kan binde sig sammen og danne større partikler, så længe alle farverne tilsammen giver hvidt, ligesom rødt, blåt og grønt lys tilsammen giver hvidt lys. . Den mest almindelige kombination er tre kvarker, en af hver af rød, grøn og blå farve. Men analogien bliver lidt vanskelig her, fordi hver enkelt kvark kan få tildelt en hvilken som helst af farverne på et hvilket som helst tidspunkt; det afgørende er antallet af kvarker for at få de rigtige kombinationer. Så man kan have grupper af tre kvarker for at skabe de velkendte protoner og neutroner. Man kan også få en kvark til at binde sig med sin anti-kvark, hvor farven ophæver sig selv (som i: grøn parrer sig med anti-grøn, og nej, jeg finder ikke bare på det, mens jeg går rundt), for at lave en slags partikel, der kaldes en meson.
Men det stopper ikke her.
Theoretisk set er enhver kombination af kvarker og gluoner, der tilsammen udgør hvid, teknisk set mulig i naturen.
For eksempel kan to mesoner – hver med to kvarker indeni – potentielt binde sig sammen til noget, der kaldes en tetraquark. Og i nogle tilfælde kan man tilføje en femte kvark til blandingen, som stadig balancerer alle farverne, og som kaldes (du gættede det) en pentaquark.
Tetraquarken behøver ikke engang teknisk set at være bundet sammen i en enkelt partikel. De kan simpelthen eksistere i nærheden af hinanden, hvilket udgør det, der kaldes et hydronisk molekyle.
Og hvor skørt er det ikke: Gluonerne selv har måske ikke engang brug for en kvark for at danne en partikel. Der kan simpelthen være en kugle af gluoner, der hænger relativt stabilt ud i universet. De kaldes glukugler. Rækken af alle mulige bundne tilstande, der er tilladt af den stærke kernekraft, kaldes kvarkoniumspektret, og det er ikke et navn, der er fundet på af en forfatter til en Sci-Fi tv-serie. Der findes alle mulige skøre kombinationer af kvarker og gluoner, som måske kan eksistere.
Hvis de gør det?
Kvarkerregnbue
Måske.
Fysikere har kørt eksperimenter med stærk kernekraft i en del årtier nu, som Baber-eksperimentet og et par stykker ved Large Hadron Collider, og har langsomt gennem årene bygget op til højere energiniveauer for at undersøge dybere og dybere ind i kvarkoniumspektret (og ja, du har min tilladelse til at bruge den sætning i enhver sætning eller afslappet samtale, du vil, så fantastisk er det). I disse eksperimenter har fysikerne fundet mange eksotiske samlinger af kvarker og gluoner. Eksperimentalisterne giver dem sjove navne som χc2(3930).
Disse eksotiske potentielle partikler eksisterer kun flygtigt, men eksisterer i mange tilfælde endegyldigt. Men fysikerne har svært ved at forbinde disse kortvarigt producerede partikler med de teoretiske partikler, som vi formoder burde eksistere, som f.eks. tetraquarks og glueballs.
Problemet med at skabe forbindelsen er, at matematikken er virkelig svær. I modsætning til den elektromagnetiske kraft er det meget svært at lave solide forudsigelser, der involverer den stærke atomkraft. Det er ikke kun på grund af de komplicerede vekselvirkninger mellem kvarkerne og gluonerne. Ved meget høje energier begynder styrken af den stærke kernekraft faktisk at blive svagere, hvilket gør det muligt at forenkle matematikken. Men ved lavere energier, som f.eks. den energi, der er nødvendig for at binde kvarker og gluoner sammen til stabile partikler, er den stærke kernekraft faktisk, ja, meget stærk. Denne øgede styrke gør matematikken sværere at regne ud.
De teoretiske fysikere har fundet på en masse teknikker til at løse dette problem, men teknikkerne i sig selv er enten ufuldstændige eller ineffektive. Selv om vi ved, at nogle af disse eksotiske tilstande i kvarkoniumspektret eksisterer, er det meget vanskeligt at forudsige deres egenskaber og eksperimentelle signaturer.
Selvfølgelig arbejder fysikerne stadig hårdt, som de altid gør. Langsomt, over tid, opbygger vi vores samling af eksotiske partikler produceret i kollisionsmaskiner og laver bedre og bedre forudsigelser om, hvordan de teoretiske quarkoniumtilstande bør se ud. Matcherne er langsomt ved at blive samlet, hvilket giver os et mere komplet billede af denne mærkelige, men grundlæggende kraft i vores univers.
Paul M. Sutter er astrofysiker ved Ohio State University, vært på Ask a Spaceman og Space Radio og forfatter til Your Place in the Universe.
- 18 Times Quantum Particles Blew Our Minds in | Live Science
- Wacky Physics: Hvorfor har partikler smagsnuancer? | Live Science
- Skæve kvarker og myoner, oh my! Nature’s Tiniest Particles
Originally published on Live Science.
