Den starka kärnkraften är, som du kanske har gissat, en mycket stark kraft. Den är så stark att den kan dra samman några av de minsta partiklarna i universum under mycket långa perioder, kanske för alltid. Partiklar som är bundna av den starka kraften utgör byggstenarna i vår vardagliga värld: protoner och neutroner. Men om du skulle skära upp en proton eller neutron skulle du inte hitta ett fint, enkelt arrangemang av subatomära partiklar. Istället skulle du se de äckliga inre delarna av kanske en av de mest komplexa krafterna i universum.
Protoner och neutroner är inte det enda som den starka kraften kan skapa, men vi förstår inte riktigt de andra mer komplexa och exotiska arrangemangen. Dessutom är till och med våra observationer och experiment i sig själva mycket skissartade. Men fysikerna arbetar hårt för att försöka få fram insikter om denna grundläggande naturkraft.
Relaterat: För att beskriva den starka kraften är det bäst att jämföra den med dess mycket mer kända kusin, den elektromagnetiska kraften. Med den elektromagnetiska kraften är saker och ting enkla, lätt och okomplicerade; så mycket att forskare på 1900-talet i stort sett kunde räkna ut den. Med den elektromagnetiska kraften kan vilken partikel som helst delta i festen så länge den har en egenskap som kallas elektrisk laddning. Om du har denna laddning får du känna och reagera på den elektromagnetiska kraften. Och alla sorters partiklar av alla sorter och smaker bär på en elektrisk laddning, som din trädgårdselektron.
En annan partikel, ljuspartikeln (även känd som fotonen), utför arbetet med att överföra den elektromagnetiska kraften från en laddad partikel till en annan. Fotonen i sig har ingen egen elektrisk laddning och är masslös. Den färdas med ljusets hastighet, flimrar fram och tillbaka genom universum och gör elektromagnetism möjlig.
Elektrisk laddning. En enda bärare av den elektromagnetiska kraften. Enkelt, okomplicerat.
Däremot finns det sex partiklar som är föremål för den starka kärnkraften. Som grupp är de kända som kvarkar och har tillräckligt finurliga namn som up, down, top, bottom, strange och charm. För att känna och reagera på den starka kärnkraften har dessa kvarkar en egen laddning. Det är inte en elektrisk laddning (även om de också har en elektrisk laddning och också känner den elektromagnetiska kraften), men av olika anledningar som gör saker och ting riktigt förvirrande kallar fysikerna denna speciella laddning som är förknippad med den starka kärnkraften för färgladdning.
Kvarkarna kan ha en av tre färger, som kallas röd, grön och blå. För att klargöra att det inte är verkliga färger, utan bara etiketter som vi ger denna märkliga, laddningsliknande egenskap.
Kvarkarna känner alltså av den starka kraften, men den bärs upp av en hel drös andra partiklar – åtta, för att vara exakt. De kallas gluoner, och de gör ett riktigt bra jobb med att… vänta på det… limma ihop kvarkar. Gluonerna råkar också ha förmågan och viljan att bära sin egen färgladdning. Och de har massa.
Sex kvarkar, åtta gluoner. Quarkarna kan ändra sin färgladdning, och gluonerna kan också göra det, för varför inte.
Allt detta betyder att den starka kärnkraften är mycket mer komplex och invecklad än sin elektromagnetiska kusin.
Skyggt stark
Okej, jag ljög. Fysikerna kallade inte bara denna egenskap hos kvarkar och gluoner för ”färgladdning” för att de kände för det, utan för att det fungerar som en användbar analogi. Gluoner och kvarkar kan binda ihop sig för att bilda större partiklar så länge alla färger summerar till vitt, precis som rött, blått och grönt ljus summerar till vitt ljus. . Den vanligaste kombinationen är tre kvarkar, en vardera av rött, grönt och blått. Men analogin blir lite knepig här, eftersom varje enskild kvark kan tilldelas vilken som helst av färgerna vid vilken tidpunkt som helst; det viktiga är antalet kvarkar för att få rätt kombinationer. Man kan alltså ha grupper av tre kvarkar för att skapa de välkända protonerna och neutronerna. Man kan också ha en kvark som binder sig med sin anti-kvark, där färgen upphäver sig själv (som i, grönt parar sig med anti-grönt, och nej, jag hittar inte bara på detta under tiden), för att skapa en sorts partikel som kallas meson.
Men det slutar inte där.
Teoretiskt sett är alla kombinationer av kvarkar och gluoner som tillsammans blir vita tekniskt sett tillåtna i naturen.
Till exempel kan två mesoner – var och en med två kvarkar inuti – potentiellt binda ihop till något som kallas en tetrakvark. Och i vissa fall kan man lägga till en femte kvark till blandningen, som fortfarande balanserar alla färger, och som kallas (du gissade det) en pentaquark.
Tetrakvarken behöver inte ens tekniskt sett vara sammanbunden i en enda partikel. De kan helt enkelt existera i närheten av varandra och bilda vad som kallas en hydronisk molekyl.
Och hur galet är inte detta: Gluonerna själva kanske inte ens behöver en kvark för att bilda en partikel. Det kan helt enkelt finnas en boll av gluoner som hänger runt, relativt stabilt i universum. De kallas för gluonkulor. Området av alla möjliga bundna tillstånd som tillåts av den starka kärnkraften kallas för kvarkoniumspektrumet, och det är inte ett namn som en författare till en sci-fi-tv-serie har hittat på. Det finns alla möjliga galna kombinationer av kvarkar och gluoner som bara kan existera.
Och gör de det?
Kvark regnbåge
Kanske.
Fysiker har kört experiment med stark kärnkraft i flera decennier nu, som Baber-experimentet och några vid Large Hadron Collider, och sakta under årens lopp byggt upp till högre energinivåer för att undersöka djupare och djupare in i kvarkoniumspektrumet (och ja, du har min tillåtelse att använda den frasen i vilken mening eller avslappnad konversation som helst, det är så häftigt). I dessa experiment har fysikerna hittat många exotiska samlingar av kvarkar och gluoner. Experimentatorerna ger dem lustiga namn, som χc2(3930).
Dessa exotiska potentiella partiklar existerar bara flyktigt, men existerar i många fall slutgiltigt. Men fysikerna har svårt att koppla ihop dessa kortvarigt producerade partiklar med de teoretiska partiklar som vi misstänker borde existera, som tetraquarks och glueballs.
Problemet med att göra kopplingen är att matematiken är riktigt svår. Till skillnad från den elektromagnetiska kraften är det mycket svårt att göra solida förutsägelser som involverar stark kärnkraft. Det beror inte bara på de komplicerade interaktionerna mellan kvarkarna och gluonerna. Vid mycket höga energier börjar styrkan i den starka kärnkraften faktiskt att försvagas, vilket gör att matematiken kan förenklas. Men vid lägre energier, som den energi som behövs för att binda ihop kvarkar och gluoner till stabila partiklar, är den starka kärnkraften faktiskt, tja, mycket stark. Denna ökade styrka gör matematiken svårare att räkna ut.
De teoretiska fysikerna har kommit på en massa tekniker för att ta itu med detta problem, men själva teknikerna är antingen ofullständiga eller ineffektiva. Även om vi vet att några av dessa exotiska tillstånd i kvarkoniumspektrumet existerar, är det mycket svårt att förutsäga deras egenskaper och experimentella signaturer.
Fysikerna arbetar ändå hårt, som de alltid gör. Långsamt, med tiden, bygger vi upp vår samling av exotiska partiklar som produceras i kollisionsmaskiner och gör bättre och bättre förutsägelser om hur de teoretiska quarkoniumtillstånden bör se ut. Matcherna börjar sakta komma samman och ger oss en mer komplett bild av denna märkliga men grundläggande kraft i vårt universum.
Paul M. Sutter är astrofysiker vid Ohio State University, värd för Ask a Spaceman och Space Radio samt författare till Your Place in the Universe.
- 18 gånger som kvantpartiklar blåste oss ur häpnad i | Live Science
- Wacky Physics: Varför har partiklar smaker? | Live Science
- Skilda kvarkar och myoner! Nature’s Tiniest Particles
Originally published on Live Science.
