Den sterke kjernefysiske styrken er, som du kanskje har gjettet, en veldig sterk styrke. Den er så kraftig at den klarer å trekke sammen noen av de minste partiklene i universet i veldig lange perioder, muligens for alltid. Partikler bundet av den sterke styrken danner byggesteinene i vår hverdag: protoner og nøytroner. Men hvis du skulle skjære opp et proton eller nøytron, ville du ikke finne et fint, enkelt arrangement av subatomære partikler. I stedet vil du se de motbydelige innergårdene til kanskje en av de mest sammensatte kreftene i universet.
Protoner og nøytroner er ikke de eneste tingene den sterke styrken er i stand til å gjøre, men vi forstår ikke egentlig de andre mer komplekse og eksotiske ordningene. Dessuten er selv våre observasjoner og eksperimenter i seg selv veldig skissente. Men fysikere jobber hardt for å prøve å brette sammen innsikt i denne grunnleggende naturkraften.
Sterk og sammensatt
For å beskrive den sterke kraften, er det best å kontrastere den med den mye mer berømte fetteren, den elektromagnetiske kraften. Med den elektromagnetiske kraften er ting enkelt, enkelt og greit; så mye at forskere på 1900-tallet var i stand til det meste å finne ut av det. Med den elektromagnetiske kraften kan enhver partikkel bli med på festen så lenge den har en egenskap som kalles en elektrisk ladning. Hvis du har denne ladningen, får du føle og svare på den elektromagnetiske kraften. Og alle slags partikler av alle striper og smaker har en elektrisk ladning, som hagesektorens elektron.
En annen partikkel, lyspartikkelen (også kjent som fotonet), gjør arbeidet med å overføre elektromagnetisk kraft fra en ladet partikkel til en annen. Selve fotonet har ikke sin egen elektriske ladning, og er masseløs. Den beveger seg med lysets hastighet, flirer frem og tilbake over universet, og får elektromagnetisme til å skje.
Elektrisk ladning. En enkelt bærer av den elektromagnetiske kraften. Enkelt, greit.
Derimot er det seks partikler som er underlagt den sterke kjernekraften. Som gruppe er de kjent som kvarkene og har tilstrekkelig sære navn som opp, ned, topp, bunn, rart og sjarm. For å føle og svare på den sterke kjernefysiske styrken, har disse kvarkene et eget ansvar. Det er ikke en elektrisk ladning (selv om de også har en elektrisk ladning og også kjenner den elektromagnetiske kraften), men av forskjellige grunner som gjør ting virkelig forvirrende, kaller fysikere denne spesielle ladningen knyttet til den sterke kjernekraften fargeladningen.
Kvarkene kan ha en av tre farger, kalt rød, grønn og blå. Bare for å tydeliggjøre, de er ikke faktiske farger, men bare etiketter som vi gir til denne rare, ladelignende egenskapen.
Så, kvarker føler den sterke kraften, men den bæres av en hel rekke andre partikler - åtte, for å være presise. De kalles gluoner, og de gjør en veldig flott jobb med… vent på det… limer kvarker sammen. Gluonene har også evnen og lysten til å bære sin egen fargeladning. Og de har masse.
Seks kvarker, åtte gluoner. Kvarkene kan endre fargelading, og limene kan også, for hvorfor ikke.
Alt dette betyr at den sterke atomkraften er langt mer sammensatt og intrikat enn den elektromagnetiske fetteren.
Rart sterkt
Ok, jeg løy. Fysikere kalte ikke bare denne egenskapen til kvarker og gluoner "fargebladet" fordi de følte det, men fordi det fungerer som en nyttig analogi. Gluoner og kvarker kan bindes sammen og danne større partikler så lenge alle fargene legger seg til hvitt, akkurat som rødt, blått og grønt lys legger opp til hvitt lys ... Den vanligste kombinasjonen er tre kvarker, hver av rød, grønn, og blå. Men analogien blir litt vanskelig her, fordi hver enkelt kvark kan ha noen av fargene som er tilordnet det når som helst i tid; det som betyr noe er antall kvarker for å få de rette kombinasjonene. Så du kan ha grupper på tre kvarker for å lage de kjente protonene og nøytronene. Du kan også få et kvarkbind med dets anti-kvark, der fargen avbryter med seg selv (som i, grønne par med anti-grønt, og nei, jeg gjør ikke bare dette når jeg går sammen), for å lage en slags partikkel kjent som en meson.
Men det slutter ikke der.
Teoretisk sett er enhver kombinasjon av kvarker og gluoner som er opp til hvitt, teknisk mulig.
For eksempel kan to mesoner - hver med to kvarker inni seg - potensielt binde seg sammen til noe som kalles et tetraquark. Og i noen tilfeller kan du legge til en femte kvark til blandingen, fortsatt balansere alle fargene, kalt (du gjettet det) en pentaquark.
Tetraquark trenger ikke en gang å være teknisk bundet sammen i en enkelt partikkel. De kan ganske enkelt eksistere i nærheten av hverandre, og lage det som kalles et hydronisk molekyl.
Og hvor gal er dette: Gluonene i seg selv trenger kanskje ikke en kvark for å lage en partikkel. Det kan ganske enkelt være en ball av gluoner som henger ut, relativt stabil i universet. De kalles limkuler. Omfanget av alle mulige bundne stater som er tillatt av den sterke kjernefysiske styrken, kalles quarkonium-spekteret, og det er ikke et navn som består av en Sci-Fi TV-programforfatter. Det er alle slags vanvittige potensielle kombinasjoner av kvarker og gluoner som bare kan eksistere.
Så gjør de det?
Quark Rainbow
Kan være.
Fysikere har kjørt sterke kjernefysiske eksperimenter i ganske mange tiår nå, som Baber-eksperimentet og noen få i Large Hadron Collider, som sakte gjennom årene bygger seg opp til høyere energinivåer for å undersøke dypere og dypere inn i quarkoniumspekteret (og ja du har tillatelse til å bruke den setningen i en hvilken som helst setning eller uformell samtale du ønsker, det er så fantastisk). I disse eksperimentene har fysikere funnet mange eksotiske samlinger av kvarker og gluoner. Eksperimentellistene gir dem funky navn, som χc2 (3930).
Disse eksotiske potensielle partiklene eksisterer bare flyktig, men eksisterer i mange tilfeller endelig. Men fysikere har vanskelig for å koble disse kortproduserte partiklene til de teoretiske som vi mistenker burde eksistere, som tetraquarks og glueballs.
Problemet med å få tilkoblingen er at matte er veldig vanskelig. I motsetning til den elektromagnetiske kraften, er det veldig vanskelig å komme med gode spådommer som involverer sterk atomkraft. Det er ikke bare på grunn av de kompliserte interaksjonene mellom kvarkene og gluonene. Ved veldig høye energier begynner styrken til den sterke kjernekraften faktisk å svekkes, slik at matematikken forenkles. Men ved lavere energier, som energien som trengs for å binde sammen kvarker og gluoner for å lage stabile partikler, er den sterke kjernekraften faktisk, vel, veldig sterk. Denne økte styrken gjør matematikken vanskeligere å finne ut av.
Teoretiske fysikere har kommet med en mengde teknikker for å takle dette problemet, men selve teknikkene er enten ufullstendige eller ineffektive. Selv om vi vet at noen av disse eksotiske tilstandene i quarkonium-spekteret eksisterer, er det veldig vanskelig å forutsi deres egenskaper og eksperimentelle signaturer.
Likevel jobber fysikere hardt, som de alltid gjør. Sakte, over tid, bygger vi opp samlingen vår av eksotiske partikler produsert i kollider, og lager bedre og bedre spådommer om hvordan de teoretiske kvarkoniumtilstandene skal se ut. Kampene kommer sakte sammen, og gir oss et mer fullstendig bilde av denne rare, men grunnleggende kraften i vårt univers.
Paul M. Sutter er en astrofysiker hos Ohio State University, vert av Spør en Spaceman og Space Radio, og forfatter av Din plass i universet.
