kvark
Kvarker er elementarpartikler der, sammen med gluoner, udgør byggestenene for hadroner.
Kvarker er byggesten for de velkendte protoner og neutroner, som atomkerner består af. Dermed er kvarker en basal byggesten for alt det stof, vi kender til, både på Jorden og i universet. Selvom vi har kendt til kvarker siden 1964, er der stadig meget, vi ikke ved om dem. For eksempel ved vi ikke, hvorfor kvarkerne altid er indespærret i hadroner. Vi ved heller ikke, præcis hvor store kvarkerne er; måske er de uendeligt små? Fysikere forsøger at forstå disse ting bedre ved at smadre atomkerner sammen ved hastigheder tæt på lysets hastighed, observere hvad der kommer ud og forklare sammenhængen. Dette sker på store laboratorier som CERN i Schweiz.
Kvarker kan ikke iagttages direkte, men er altid fanget inde i hadronerne. Derfor kommer størstedelen af vores viden om kvarker fra eksperimenter med forskellige typer af hadroner, som alle har forskelligt indhold af kvarker.
Kvark-modellen er en hjørnesten i partikelfysikkens standardmodel – det nærmeste, fysikken i dag kommer en teori om alting. Hadronerne, som kvarkerne fungerer som byggesten for, står for omkring 85 % af universets synlige masse, ikke inklusive mørkt stof og mørk energi.
Der findes seks forskellige kvarker. De forskellige kvarktyper kaldes ofte kvarkens ”smag” (på engelsk flavour). Fra lettest til tungest kaldes kvarkerne: op, ned, sær, charme, bund og top. Disse oversatte navne bruges dog meget sjældent, og selv på dansk er det mere almindeligt at kalde kvarkerne ved deres engelske navne (up, down, strange, charm, bottom og top eller de alternative, ældre navne beauty og truth for de sidste to), eller ved det første bogstav i kvarkens navn, eksempelvis s-kvark.
I partikelfysikkens standardmodel anses kvarker for at være punktpartikler, dvs. partikler, der ikke i sig selv har en størrelse, eller med andre ord er uendeligt små. Det er ikke muligt for eksperimenter at påvise, at en partikel er uendeligt lille, men man kan sætte en eksperimentel øvre grænse for en partikels radius. For kvarker er denne (2016) på 0.43 x 10-16 cm, hvilket svarer til 1/2000 af en protons radius. Denne grænse betyder ikke, at kvarker ikke kan være mindre – eller uendeligt små – men blot at de ikke kan være større.
I strengteori er kvarker ikke fundamentale partikler, men består af endnu mindre vibrerende strenge. Hvis denne teori er korrekt, vil kvarker have en størrelse omkring plancklængden, men der findes ingen eksperimentelle beviser for strengteori.
Kvarkernes indespærring i hadroner gør, at det ikke er ligetil at definere en kvarks masse. Da kvarkerne ikke kan isoleres, kan man heller ikke måle deres masse isoleret set. Der findes derfor forskellige måder at definere kvarkers masse, og alt efter hvilken definition man vælger, kan masserne være ret forskellige. I standardmodellen er kvarkernes masser frie parametre. Det betyder at kvarkernes masser ikke kan udledes fra andre principper, men skal måles.
Kvarker har en elektrisk ladning på enten -1/3 eller 2/3 af elementarladningen. Kvarkerne op, charme og top (sammen ofte kaldet op-typer) har en ladning på 2/3e, mens kvarkerne ned, sær og bund (sammen ofte kaldet ned-typer) en ladning på -1/3e. Antikvarker har modsat ladning. En proton bestående af to op-kvarker og en ned-kvark har dermed elektrisk ladning e.
Kvarker har et spin på ½ gange Plancks konstant og klassificeres dermed som fermioner. Kvarkernes spin lægges sammen for at finde en hadrons spin, og da en kvarks spin enten kan være positivt eller negativt, betyder det, at hadroner med to kvarker (se mesoner) kan have spin på enten nul eller én gange Plancks konstant, altså heltalligt spin. Hadroner med tre kvarker (se baryoner) har med samme logik halvtallige spin.
Inde i hadronerne sidder kvarkerne sammen ved hjælp af den stærke kernekraft, undertiden kaldet ”farvekraften”. Én måde at forstå farvekraften på er ved at give kvarkerne kvantetal rød, grøn eller blå, altså en bestemt farve hver især. Dette er ikke en rigtig farve, for kvarker er for små til, at man overhovedet kan tale om, at kvarker kan have farver, som vi kender dem; der er blot tale om et matematisk redskab. Teorien bag dette kaldes kvantekromodynamik (se -krom) eller ved den engelsksprogede forkortelse QCD.
Farverne kan nu kombineres med hinanden, med regler inspireret af farvelære. Det styrende princip er, at kun farveløse (”hvide”) kombinationer af kvarker kan eksistere frit, altså fx tre kvarker, der kan have farverne rød, grøn og blå, der tilsammen giver hvid.
Anti-kvarkerne har en tilsvarende anti-farve, anti-rød, anti-grøn eller anti-blå, og kombineres en farve med sin anti-farve, får man igen hvid. Dermed kan man også have kombinationer af en kvark og en anti-kvark, der for eksempel er rød og anti-rød.
En farveløs, bunden tilstand af en kvark og en anti-kvark kaldes en meson, og kombinationer af tre kvarker kaldes en baryon. Tre anti-kvarker kan også lave en farveløs kombination, som kaldes en anti-baryon.
Tilstande med flere kvarker, multikvarker, kan også eksistere, men er meget sjælde. Disse navngives efter antallet af kvarker: Eksempelvis tetrakvarker (med 4 kvarker), pentakvarker (med 5 kvarker), hexakvarker (6 kvarker) osv., hvor første led af betegnelserne er de græske talord.
I 1950'erne og -60erne var partikelfysik domineret af, hvad man kaldte en ”zoologisk have” (på engelsk ”particle zoo”) af forskellige partikler, hvor der konstant blev opdaget nye partikler, som hver især havde individuelle egenskaber. Da der eksisterer hundredevis af forskellige hadroner, blev det en stor, og måske ofte kedelig, opgave blot at holde styr på dem alle sammen. Den berømte fysiker Wolfgang Pauli skal angiveligt have sagt: ”Hvis jeg havde forudset dette, var jeg blevet botaniker”, med reference til botanikkens mange forskellige arter og deres klassifikationer.
I 1961 indførte fysikeren Murray Gell-Mann en teori for, hvordan de hidtil opdagede hadroner kan organiseres i grupper baseret på deres egenskaber. Han kaldte teorien for Den ottedelte vej (inspireret af den ædle ottedelte vej indenfor buddhisme), fordi baryonerne med spin på ½ gange Plancks konstant kan organiseres i en såkaldt oktet, et begreb fra matematikkens gruppeteori. En af de egenskaber, partiklerne blev klassificeret efter, var deres ”særhed”, et kvantetal, der fik navnet s.
Teorien kunne også organisere baryoner med spin på 3/2 gange Plancks konstant, men forudsagde desuden en baryon med kvantetal s = -3; en baryon der ifølge teorien skulle eksistere, men som endnu ikke var opdaget. Den kaldtes Ω- (græsk bogstav, stort omega), og blev opdaget ved et eksperiment i 1964, som dermed bekræftede teorien.
Allerede inden Ω- blev opdaget, foreslog Gell-Mann og fysikeren George Zweig i 1964, uafhængigt af hinanden, at principperne i den ottefoldige vej skyldes at hadronerne i virkeligheden består af mindre partikler. Zweig kaldte disse partikler for ”esser” (på engelsk aces), men det var Gell-Manns navn, ”kvarker”, der fandt almindelig anvendelse, og som bruges i dag. Denne første udgave af kvarkmodellen indeholdt kun de tre letteste kvarker, u, d og s, med hvilke man kan beskrive de hadroner, der dengang var kendt.
Der gik imidlertid ikke længe fra Gell-Mann og Zweigs kvarkmodel var udgivet, før de første forslag til udvidelser kom frem – hvad nu hvis der fandtes flere kvarker? Sheldon Glashow og James Bjorken foreslog senere i 1964 – mens de begge var ved Niels Bohr Institutet i København – at der kunne findes en fjerde kvark, som de gav navnet charme-kvarken. Man skulle dog vente helt til 1974, før det første eksperiment så en partikel bygget af charme-kvarker. Dette var J/ψ -partiklen (med det græske bogstav lille psi), en meson der består af en charme-kvark og dens antipartikel. Partiklen blev opdaget af to forskellige eksperimenter, og bærer derfor stadig begge de navne, den blev givet ved sin opdagelse: J og ψ.
Allerede året inden charme-kvarken blev fundet i et eksperiment, var den første forudsigelse af endnu flere kvarker på banen. De japanske fysikere Kobayashi og Maskawa foreslog i 1973 at to ekstra kvarker ville kunne forklare, hvorfor den såkaldte CP-symmetri er brudt (se CKM-matricen). I 1977 blev Υ-mesonen (græsk bogstav, stort ypsilon), der består af en bund-kvark og dens antikvark, opdaget.
Da eksistensen af bund-kvarken dermed var blevet kendt, gik jagten ind på den sidste manglende kvark: top-kvarken. Da den er meget tungere end de andre kvarker – over 180 gange massen af en proton – skulle der dog gå længe, inden den blev fundet. Først i 1995, mere end 20 år efter den blev forudsagt, fandt to eksperimenter ved Fermilabs TeVatron beviset på topkvarken. Da topkvarken er så tung, er det den eneste kvark, der ikke findes indespærret i hadroner. Den er så ustabil, at hadroner ikke kan nå at forme sig, før den er henfaldet.
Kobayashi og Maskawas forklaring af CP-brud ved hjælp af i alt seks kvarker er blevet yderligere undersøgt af flere eksperimenter, og i 2008 fik de Nobelprisen i fysik for denne opdagelse.
Kvarkernes indespærring i hadroner (på engelsk colour confinement) er et af de store tilbageværende mysterier om kvarkerne. Fysikerne har en god forståelse for, hvordan denne mekanisme virker (se afsnittet om kvarkernes farve ovenfor), men det er ikke lykkedes at vise, hvorfor de grundlæggende fysiske love i standardmodellen skal medføre, at kvarker er indespærret i hadroner. Der findes dog både modeller skabt til at beskrive denne opførsel samt grænsetilfælde, hvor kvarkerne faktisk ikke er indespærret.
En af de lettest forståelige beskrivelser for, hvordan (men ikke hvorfor) kvarkers indespærring fungerer, bruger en streng – altså et stykke snor – som analogi.
Man skal forestille sig en kvark og en anti-kvark som enderne af et stykke udspændt snor eller elastik. Når kvarkerne bevæger sig væk fra hinanden, vil de overføre kinetisk energi fra deres bevægelse til potentiel energi i strengen. Kvarkerne vil med andre ord bevæge sig langsommere og langsommere, fordi strengen trækker dem tilbage mod deres udgangspunkt. På et tidspunkt vil al kvarkernes kinetiske energi være blevet lavet om til potentiel energi i strengen, og kvarkerne vil vende om. Deres baner vil krydse hinanden på midten, på dette tidspunkt vil al potentiel energi igen være blevet til kinetisk energi, kvarkerne vil fortsætte ud indtil de igen vender om osv. Denne konfiguration kaldes en yo-yo,fordi dens bevægelse frem og tilbage minder om en yo-yo. Den fungerer som en model for mesoner, der som nævnt består af en kvark og en antikvark, med snoren som den kraft, der binder dem sammen.
Hvis der på et tidspunkt i denne proces kan vindes energi ved at strengen knækker, vil den gøre det. Men ligesom man, hvis man knækker et stykke snor, bare står med to nye stykker snor, står man nu bare med to nye mesoner. Strengmodellen bruges derfor ofte som en model for, hvordan kvarker (og gluoner) laves om til hadroner i sammenstød mellem partikler i acceleratoreksperimenter som fx på CERN.
Den moderne strengmodel har rødder i den tidlige strengteori, der blev skabt som en teori for netop at beskrive hadroner. Fra denne type teoris opdagelse af Veneziano i 1968 og op til midten af 1980'erne behandlede man strengteori netop som en teori for hadroner. Herefter delte forskningen sig i to grene. En del begyndte at undersøge strengteori ved meget mindre størrelser som en mulig teori for alting (se den primære artikel om strengteori), mens andre forsatte med at anvende hadronisk strengteori som en model for kvarkindespærring.
I dag anvendes strengmodellen primært i såkaldte Monte Carlo-begivenhedsgeneratorer (se Monte Carlo-metoder), hvor den anvendes til at beskrive overgangen fra kvarker til hadroner i simulationer af partikelsammenstød.
Kvarker fanget inde i hadroner kan under særlige omstændigheder behandles, som om de var frie partikler. Hvis en kvark rammes af et projektil, fx en foton, med tilstrækkelig høj energi, opfører den sig i kollisionen, som om den er en fri partikel. Man kan stadig ikke observere den frie kvark direkte, men denne egenskab er nyttig som et værktøj, der tillader én at beregne tværsnit for reaktioner, der involverer kvarker. Denne egenskab, som kaldes asymptotisk frihed, blev opdaget af Frank Wilczek og David Gross samt David Politzer i 1973. De modtog alle tre Nobelprisen i fysik i 2004 for denne opdagelse.
Når en kvark på denne måde er blevet ”frigjort”, vil resultatet af kollisionen være en såkaldt jet: En stråle af hadroner, der flyver ud i den ramte kvarks retning.
Når hadroner er fanget i et konstant volumen, øges temperaturen, og den kan den blive så høj, at kvarker og gluoner på et tidspunkt frigøres fra hadronerne og skaber et plasma af kvarker og gluoner, et såkaldt kvark-gluon-plasma. Man mener, at universet omkring et mikrosekund (0.000001 sekunder) efter big bang* var et kvark-gluon-plasma. Flere eksperimenter lader tunge atomkerner som dem i guld eller bly kollidere for at genskabe sådanne betingelser med henblik på at undersøge kvark-gluon-plasmaet.