Den stærke atomkraft er, som du måske har gætt, en meget stærk styrke. Det er så magtfuldt, at det er i stand til at samle nogle af de mindste partikler i universet i meget lange perioder, muligvis for evigt. Partikler bundet af den stærke styrke danner byggestenene i vores hverdag: protoner og neutroner. Men hvis du skulle skære en proton eller neutron op, ville du ikke finde et pænt, enkelt arrangement af subatomære partikler. I stedet for kunne du se de oprørende indre af måske en af de mest komplekse kræfter i universet.
Protoner og neutroner er ikke de eneste ting, som den stærke styrke er i stand til at gøre, men vi forstår ikke rigtig de andre mere komplekse og eksotiske arrangementer. Derudover er selv vores observationer og eksperimenter i sig selv meget tegneserie. Men fysikere arbejder hårdt på at forsøge at samle indsigt i denne grundlæggende naturkraft.
Stærk og kompleks
For at beskrive den stærke kraft er det bedst at kontrastere det med sin meget mere berømte fætter, den elektromagnetiske kraft. Med den elektromagnetiske kraft er tingene enkle, lette og ligetil; så meget, at forskere i 1900'erne var i stand til for det meste at finde ud af det. Med den elektromagnetiske kraft kan enhver partikel slutte sig til festen, så længe den har en egenskab kaldet en elektrisk ladning. Hvis du har denne ladning, får du at føle og reagere på den elektromagnetiske kraft. Og alle slags partikler af alle striber og smag bærer en elektrisk opladning, ligesom din elektronik i haven.
En anden partikel, den lette partikel (også kendt som fotonen), udfører arbejdet med at overføre elektromagnetisk kraft fra en ladet partikel til en anden. Selve fotonen har ikke sin egen elektriske ladning og er masseløs. Det bevæger sig med lysets hastighed, der flipper frem og tilbage over hele universet, hvilket får elektromagnetisme til at ske.
Elektrisk ladning. En enkelt bærer af den elektromagnetiske kraft. Enkel, ligetil.
I modsætning hertil er der seks partikler, der er underlagt den stærke atomkraft. Som en gruppe er de kendt som kvarkerne og har tilstrækkeligt finurlige navne som op, ned, top, bund, underlig og charme. For at føle og reagere på den stærke nukleare styrke har disse kvarker deres egen opladning. Det er ikke en elektrisk ladning (selvom de også har en elektrisk ladning og også føler den elektromagnetiske kraft), men af forskellige grunde, der gør tingene virkelig forvirrende, kalder fysikere denne specielle ladning forbundet med den stærke atomkraft farveladningen.
Kvarkerne kan have en af tre farver, kaldet rød, grøn og blå. Bare for at afklare, er de ikke faktiske farver, men bare mærker, som vi giver til denne underlige, opladningslignende egenskab.
Så kvarker føler den stærke kraft, men den bæres af en hel række andre partikler - otte for at være præcise. De kaldes gluoner, og de gør et rigtig godt stykke arbejde med… vent på det… limer kvarker sammen. Limerne har også tilfældigvis evnen og ønsket om at bære deres egen farveopladning. Og de har masse.
Seks kvarker, otte gluoner. Kvarkerne kan ændre deres farveladning, og limerne kan også, fordi hvorfor ikke.
Alt dette betyder, at den stærke atomkraft er langt mere kompliceret og kompliceret end dens elektromagnetiske fætter.
Mærkeligt stærk
Okay, jeg løj. Fysikere kaldte ikke bare denne egenskab af kvarker og gluoner "farveopladningen", fordi de følte det, men fordi det fungerer som en nyttig analogi. Gluoner og kvarker kan bindes sammen og danne større partikler, så længe alle farverne tilføjes hvidt, ligesom rød, blåt og grønt lys tilføjer hvidt lys ... Den mest almindelige kombination er tre kvarker, hver af rød, grøn, og blå. Men analogien bliver lidt vanskelig her, fordi hver enkelt kvark kan have en hvilken som helst af de farver, der er tildelt det på ethvert tidspunkt; hvad der betyder noget er antallet af kvarker for at få de rigtige kombinationer. Så du kan have grupper på tre kvarker til at fremstille de velkendte protoner og neutroner. Du kan også få et kvarkbind med dets anti-kvark, hvor farven annulleres med sig selv (som i, grønne par med anti-grøn, og nej, jeg gør ikke bare det op, når jeg går sammen), for at lave en slags partikel kendt som en meson.
Men det slutter ikke der.
Teoretisk set er enhver kombination af kvarker og gluoner, der føjer sig til hvidt, teknisk tilladt.
For eksempel kan to mesoner - hver med to kvarker inde i dem - potentielt bindes sammen til noget, der kaldes et tetraquark. Og i nogle tilfælde kan du tilføje en femte kvark til blandingen, mens du stadig balanserer alle farver, kaldet (du gætte det) en pentaquark.
Tetraquarken behøver ikke engang at være teknisk bundet sammen i en enkelt partikel. De kan simpelthen eksistere i nærheden af hinanden, hvilket skaber det, der kaldes et hydronisk molekyle.
Og hvor skør er dette: Gluonerne i sig selv har muligvis ikke engang brug for et kvark for at fremstille en partikel. Der kan ganske enkelt være en kugle af gluoner hængende, relativt stabil i universet. De kaldes gluballs. Omfanget af alle mulige bundne stater, der er tilladt af den stærke atomkraft, kaldes quarkonium-spektret, og det er ikke et navn, der består af en Sci-Fi-tv-showforfatter. Der er alle mulige skøre potentielle kombinationer af kvarker og gluoner, der muligvis bare eksisterer.
Så gør de det?
Quark Rainbow
Måske.
Fysikere har kørt stærke atomkrafteksperimenter i ganske mange årtier nu, ligesom Baber-eksperimentet og nogle få i den store Hadron Collider, langsomt gennem årene opbygget til højere energiniveau for at undersøge dybere og dybere ind i quarkoniumspektret (og ja du har min tilladelse til at bruge denne sætning i enhver sætning eller afslappet samtale, du ønsker, det er så fantastisk). I disse eksperimenter har fysikere fundet mange eksotiske samlinger af kvarker og gluoner. Eksperimenterne giver dem funky navne, ligesom χc2 (3930).
Disse eksotiske potentielle partikler findes kun flygtigt, men findes i mange tilfælde endeligt. Men fysikere har svært ved at forbinde disse kort producerede partikler med de teoretiske, som vi formoder at skulle eksistere, som f.eks. Tetraquarks og limboller.
Problemet med at oprette forbindelsen er, at matematikken er virkelig hård. I modsætning til den elektromagnetiske kraft er det meget vanskeligt at komme med faste forudsigelser, der involverer en stærk atomkraft. Det er ikke kun på grund af de komplicerede interaktioner mellem kvarkerne og gluonerne. Ved meget høje energier begynder styrken af den stærke atomkraft faktisk at svækkes, hvilket giver matematikken mulighed for at forenkle. Men ved lavere energier, ligesom den energi, der er nødvendig for at binde kvarker og gluoner til dannelse af stabile partikler, er den stærke atomkraft faktisk, ja, meget stærk. Denne øgede styrke gør matematikken sværere at finde ud af.
Teoretiske fysikere har fundet en masse teknikker til at tackle dette problem, men selve teknikkerne er enten ufuldstændige eller ineffektive. Selvom vi ved, at nogle af disse eksotiske tilstande i quarkoniumspektret findes, er det meget vanskeligt at forudsige deres egenskaber og eksperimentelle signaturer.
Stadig arbejder fysikere hårdt, som de altid gør. Langsomt, med tiden, bygger vi op vores samling af eksotiske partikler produceret i kollider og fremsætter bedre og bedre forudsigelser om, hvordan de teoretiske quarkoniumtilstande skal se ud. Kampe samles langsomt, hvilket giver os et mere komplet billede af denne underlige, men grundlæggende kraft i vores univers.
Paul M. Sutter er en astrofysiker hos Ohio State University, vært for Spørg en Spaceman og Space Radio, og forfatter af Dit sted i universet.
