23.2 Kvarkar

Lykilhugtök kaflans

Kvarkar

„Frumorsakir alheimsins eru atóm og tómarúm. Allt annað er einungis talið vera til...“

„... Ennfremur eru atómin ótakmörkuð að stærð og fjölda, og þau berast með öllum alheiminum í hringiðu, og mynda þannig alla samsetta hluti – eld, vatn, loft, jörð. Því jafnvel þetta eru samansöfn tiltekinna atóma. Og það er vegna þéttleika þeirra sem þessi atóm eru ónæm og óbreytanleg.“

—Diogenes Laertius (dregur saman skoðanir Demókrítosar, um það bil 460–370 f.Kr.)

Leitin að grundvallareindum er ekki ný af nálinni. Atómhyggjumenn í grísku og indversku ríkjunum, til dæmis Demókrítos á fimmtu öld f.Kr., veltu opinskátt fyrir sér smæstu einingum alheimsins. Þótt þessi forvitni lægi að mestu í dvala um aldir vaknaði áhugi á atómgerð efnis á ný með gullþynnutilraun Rutherfords og uppgötvun kjarnans. Snemma á fjórða áratug tuttugustu aldar töldu vísindamenn sig hafa ákvarðað smæstu byggingareiningar efnis: róteindina, nifteindina og rafeindina.

Þetta væri aðeins að hluta til satt. Í dag vita vísindamenn að til eru hundruð einda sem svipar til rafeindarinnar og kjarneindanna okkar, og mynda þær allar það sem sumir hafa kallað eindadýragarðinn. Þótt við séum fullviss um að rafeindin sé áfram grundvallareind, er hún umkringd fjölda hugtaka sem hljóma svipað, eins og létteindir, sterkeindir, þungeindir og miðeindir. Jafnvel þótt ekki sé litið á hverja eind sem grundvallareind, gegna þær allar mikilvægu hlutverki í skilningi okkar á flókinni byggingu alheimsins.

Grundvallareind er skilgreind sem eind án undirbyggingar og án endanlegrar stærðar. Samkvæmt Staðallíkaninu eru til þrjár tegundir grundvallareinda: létteindir, kvarkar og burðareindir. Eins og þú gætir munað, bera burðareindir ábyrgð á að miðla grundvallarkröftum milli massa sem víxlverka. Létteindir eru hópur sex einda sem bindast ekki með sterka kjarnakraftinum, og er rafeindin ein þeirra. Hvað kvarka varðar, þá eru þeir grundvallarbyggingareiningar hóps einda sem kallast sterkeindir, hóps sem inniheldur bæði róteindina og nifteindina.

Nú stuttlega um sögu kvarka. Kvarkar voru fyrst lagðir til sjálfstætt af bandarísku eðlisfræðingunum Murray Gell-Mann og George Zweig árið 1963. Upphaflega voru lagðar til þrjár tegundir kvarka – eða kvarkabrögð – með nöfnunum upp (u), niður (d) og sérstaða (s).

Í fyrstu bjuggust eðlisfræðingar við því að með nægilegri orku ættum við að geta losað kvarka og skoðað þá beint. Þetta hefur hins vegar ekki reynst mögulegt, þar sem núverandi skilningur er sá að krafturinn sem heldur kvörkum saman er gríðarlega mikill og, líkt og gormur, eykst að styrk eftir því sem kvarkarnir eru aðskildir. Afleiðingin er sú að þegar mikil orka er sett í árekstra verða til aðrar eindir – en engir kvarkar koma fram. Með það í huga eru til sannfærandi sönnunargögn fyrir tilvist kvarka. Árið 1967 framleiddu tilraunir við SLAC National Accelerator Laboratory, þar sem 20-GeV rafeindum var dreift af róteindum, niðurstöður líkar þeim sem Rutherford hafði fengið fyrir kjarnann næstum 60 árum fyrr. Dreifitilraunir SLAC sýndu ótvírætt að það voru þrjár punktleitar (sem þýðir að þær höfðu stærðir talsvert minni en bylgjulengd rannsakans) hleðslur inni í róteindinni eins og sést á mynd 23.12. Þessi sönnunargögn fengu alla nema þá efinsömustu til að viðurkenna að kvarkaundirbygging sterkeinda væri réttmæt.

Innleiðing sérstöðukvarkans í líkan Zweig og Gell-Mann olli eðlisfræðingum áhyggjum. Þó að upp- og niðurkvarkar sýndu nokkuð skýra samhverfu og væru til staðar í algengum grundvallareindum eins og róteindum og nifteindum, átti sérstöðukvarkurnn sér enga hliðstæðu. Þessi hugsun, ásamt þeim fjórum létteindum sem þekktar voru á þeim tíma, varð til þess að vísindamenn spáðu því að fjórði kvarkinn, sem enn átti eftir að finna, væri einnig til.

Árið 1974 uppgötvuðu tveir hópar eðlisfræðinga sjálfstætt eind með þessum nýja kvarka, sem nefndur var þokkakvarkur. Þetta fullkomnaði annað framandi kvarkaparið, sérstaða (s) og þokki (c). Endanlegt par kvarka var lagt til þegar þriðja par létteinda uppgötvaðist árið 1975. Tilvist botnkvarkans (b) og toppkvarkans (t) var staðfest með tilraunum árin 1976 og 1995, í þeirri röð. Þó að það kunni að virðast einkennilegt að svo langur tími hafi liðið milli upprunalegu kvarkauppgötvunarinnar árið 1967 og staðfestingar toppkvarkans árið 1995, skal hafa í huga að hver kvarki sem uppgötvaðist hafði sífellt meiri massa. Þar af leiðandi hefur hver nýr kvarki krafist meiri orku til að uppgötvast.

Einn af torskildustu eiginleikum kvarka er rafhleðsla þeirra. Lengi var gert ráð fyrir að rafhleðsla væri alltaf margfeldi af frumhleðslu rafeindarinnar, en rafhleðsla einstaks kvarks er brotahleðsla og virðist því við fyrstu sýn brjóta gegn þessari venju. Brotahleðslur kvarka eru ±2/3 qₑ og ±1/3 qₑ; þær eru einu þekktu náttúrulegu byggingareiningarnar með hleðslu sem er ekki heiltölumargfeldi af qₑ. Þetta brýtur þó ekki gegn skammtaeðli hleðslunnar, því frjálsir kvarkar finnast ekki í náttúrunni. Allir kvarkar eru bundnir í samsetningum þar sem heildarhleðslan er heiltölumargfeldi af frumhleðslunni.

Þó að hugtakið kvarkabragð sé notað til að greina á milli tegunda kvarka, er hugtakið litur meira í ætt við rafhleðslu að því leyti að það ber fyrst og fremst ábyrgð á kraftvíxlverkunum milli kvarka. Athugið – Takið augnablik til að hugsa um rafstöðukraftinn. Það er rafhleðslan sem veldur aðdráttarafli og fráhrindingu. Sama gildir hér en með litahleðslu. Litirnir þrír sem kvarki getur haft eru rauður, grænn og blár, en andkvarkar hafa litina and-rauðan (eða blágrænan), and-grænan (eða rauttóna) og and-bláan (eða gulan).

Hvers vegna eru litir notaðir þegar rætt er um kvarka? Þegar öllu er á botninn hvolft eru kvarkarnir ekki raunverulega litaðir með sýnilegu ljósi. Ástæðan fyrir því að litir eru notaðir er sú að eiginleikar kvarka eru hliðstæðir frum- og annars stigs litunum þremur sem minnst var á hér að ofan. Rétt eins og hægt er að blanda saman mismunandi litum ljóss til að búa til hvítt, má sameina mismunandi liti kvarka til að mynda eind eins og róteind eða nifteind. Reyndar verða kvarkarnir í hverri sterkeind að sameinast þannig að litur þeirra verði hvítur samanlagt! Rifjið upp að tveir upp-kvarkar og einn niður-kvarki mynda róteind, eins og sést á mynd 23.12. Summa litanna þriggja hjá kvörkunum – rauðs, græns og blás – gefur litinn hvítan. Þessi kenning um litavíxlverkun innan einda kallast skammtalitfræði, eða QCD. Sem hluta af QCD má útskýra sterka kjarnakraftinn með því að nota liti. Reyndar tala sumir vísindamenn um litakraftinn, ekki sterka kraftinn, sem einn af grundvallarkröftunum fjórum. Mynd 23.13 er Feynman-mynd sem sýnir víxlverkun milli tveggja kvarka með miðlun litaðrar límeindar. Takið eftir að límeindin er einnig talin vera hleðsluberi sterka kjarnakraftsins.

Athugið að kvarkabragð getur haft hvaða lit sem er. Til dæmis, á mynd 23.13, hefur niður-kvarkinn rauðan lit og grænan lit. Með öðrum orðum eru litir ekki bundnir við tiltekið kvarkabragð.

Sterkeindir og létteindir

Eindum má skipta á lýsandi hátt í hópa eftir því hvaða kraftar verka á milli þeirra. Allar eindir (jafnvel þær sem eru massalausar) verða fyrir áhrifum af þyngdarafli þar sem þyngdarafl hefur áhrif á rúmið og tímann sem eindirnar eru í. Allar hlaðnar eindir verða fyrir áhrifum af rafsegulkraftinum, sem og hlutlausar eindir sem hafa innri dreifingu hleðslu (eins og nifteindin með sitt segulvægi). Sérstök heiti eru gefin eindum sem finna fyrir sterka og veika kjarnakraftinum. Sterkeindir eru eindir sem finna fyrir sterka kjarnakraftinum, en létteindir eru eindir sem gera það ekki. Allar eindir finna fyrir veika kjarnakraftinum. Þetta þýðir að sterkeindir aðgreinast með því að geta fundið fyrir bæði sterka og veika kjarnakraftinum. Létteindir og sterkeindir aðgreinast einnig á annan hátt. Létteindir eru grundvallareindir sem hafa enga mælanlega stærð, en sterkeindir eru samsettar úr kvörkum og hafa þvermál af stærðargráðunni 10 –15 m. Sex eindir, þar á meðal rafeindin og fiseindin, mynda listann yfir þekktar létteindir. Það eru hundruð flókinna einda í flokki sterkeinda, og nokkrar þeirra (þar á meðal róteindin og nifteindin) eru skráðar í töflu 23.4.

Það á enn eftir að uppgötva og mæla miklu fleiri létteindir, miðeindir og þungeindir. Tilgangurinn með því að reyna að afhjúpa minnstu ódeilanlegu einingar tilverunnar er að útskýra heiminn í kringum okkur með kröftum og víxlverkunum milli einda, vetrarbrauta og hluta. Þetta er ástæðan fyrir því að fáeinir vísindamenn helga lífsstarf sitt því að láta smáar eindir rekast saman.

Hvaða innri bygging gerir róteind svo ólíka rafeind? Róteindin er, líkt og allar sterkeindir, gerð úr kvörkum. Nokkur dæmi um kvarkasamsetningu sterkeinda má sjá á mynd 23.14. Eins og sýnt er, er hver sterkeind samsett úr mörgum kvörkum. Eins og áður hefur komið fram, summast brotin hleðsla kvarkanna í öllum fjórum sterkeindunum upp í heiltölugildi eindarinnar. Takið einnig eftir að litasamsetningin fyrir hverja af eindunum fjórum leggst saman í hvítt. Hver þeirra einda sem sýndar eru er samsett úr upp-kvörkum, niður-kvörkum og andkvörkum þeirra. Þetta kemur ekki á óvart, þar sem kvarkarnir sérkenni, þokki, toppur og botn finnast aðeins í framandlegustu eindunum okkar.

Þið hafið ef til vill tekið eftir því að á meðan róteindin og nifteindin á mynd 23.14 eru samsettar úr þremur kvörkum, samanstanda báðar píeindirnar af aðeins tveimur kvörkum. Þetta vísar til lokaskiptingar í byggingu einda. Eindir með þremur kvörkum kallast þungeindir. Þetta eru þungar eindir sem geta hrörnað í aðra þungeind. Eindir með aðeins tveimur kvörkum – pari kvarka og andkvarka – kallast miðeindir. Þetta eru eindir með miðlungsmassa sem geta ekki hrörnað í hinar massameiri þungeindir.

Áður en haldið er áfram, gefið ykkur tíma til að skoða mynd 23.15. Á þessari mynd má sjá sterka kraftinn endurhugsaðan sem litakraft. Eindirnar sem víxlverka á þessari mynd eru róteindin og nifteindin, rétt eins og þær voru á mynd 23.6. Þessi nýja sýn á sterka kraftinn sem víxlverkun milli litaðra kvarka er lykilhugtakið að baki skammtalitfræði.

Efni og andefni

Andefni uppgötvaðist fyrst í formi jáeindarinnar, sem er jákvætt hlaðin rafeind. Árið 1932 uppgötvaði bandaríski eðlisfræðingurinn Carl Anderson jáeindina við rannsóknir á geimgeislum. Með því að nota þokuklefa sem var breytt til að beygja ferla geimgeisla, tók Anderson eftir því að ferlar sumra einda fylgdu ferli neikvæðrar hleðslu, á meðan aðrar beygðu eins og jákvæð hleðsla. Jákvæða beygjan sýndi hins vegar ekki massa róteindar heldur massa rafeindar. Þessi niðurstaða er sýnd á mynd 23.16 og bendir til tilvistar jákvætt hlaðinnar útgáfu af rafeindinni, sem verður til við eyðingu sólar-ljóseinda.

Andefni er talið vera andstæða efnis. Fyrir flestar andeindir þýðir þetta að þær hafa sömu eiginleika og upprunalegu eindirnar þeirra að undanskilinni hleðslunni. Þess vegna má líta á jáeindina sem jákvæða rafeind á meðan andróteindin telst vera neikvæð róteind. Hugmyndin um andstæða hleðslu fyrir hlutlausar eindir (eins og nifteindina) getur verið ruglingsleg, en hún er skiljanleg þegar litið er á hana frá sjónarhóli kvarka. Rétt eins og nifteindin er samsett úr einum upp-kvarka og tveimur niður-kvörkum (með hleðslurnar charge + 2 3 og - 1 3 - 1 3, í þessari röð), er andnifteindin samsett úr einum and-uppkvarka og tveimur and-niðurkvörkum (með hleðsluna - 2 3 - 2 3 and + 1 3, í þessari röð). Þótt heildarhleðsla nifteindarinnar haldist sú sama, gera eindirnar sem mynda hana það ekki!

Nokkur orð um andeindir: Líkt og venjulegar eindir gætu andeindir virkað vel einar og sér. Í raun gæti alheimur úr andefni virkað nákvæmlega eins og okkar eigin efnisheimur gerir. Við vitum þó ekki með vissu hvort svo sé. Ástæðan fyrir þessu er eyðing (e. annihilation). Eyðing er ferli tortímingar sem á sér stað þegar eind og andeind hennar víxlverka. Um leið og tvær eindir (eins og jáeind og rafeind) mætast, umbreyta þær massa sínum í orku samkvæmt jöfnunni E = m c 2. Þessi umbreyting massa í orku, sem leiðir venjulega til losunar ljóseinda, gerist samstundis og gerir vísindamönnum mjög erfitt fyrir að rannsaka andefni. Þrátt fyrir það hafa vísindamenn náð árangri í að búa til andefni með háorku-eindaárekstrum. Bæði andnifteindir og andróteindir voru búnar til með hraðlatilraunum árið 1956, og and-vetnisatóm var meira að segja búið til hjá CERN árið 1995! Eins og vísað er til á mynd 22.40, er eyðing andeinda nú notuð í læknisfræðilegum rannsóknum til að ákvarða staðsetningu geislasamsæta.

Viðtekna líkanið í öreindafræði fullgert

Viðtekna líkanið í öreindafræði vísar til núverandi vísindalegrar sýnar á grundvallareiningar og víxlverkandi krafta efnis. viðtekna líkanið (mynd 23.17) sýnir kvarkana sex sem bindast saman og mynda allar sterkeindir (hadrons), létteindirnar (leptons) sex sem þegar voru taldar grundvallareindir, burðareindirnar fjórar (eða kvörðunarbóseindir) sem miðla kröftum milli létteinda og kvarka, og Higgs-bóseindina sem nýlega bættist við (og verður rædd bráðlega). Þetta gerir samtals 17 grundvallareindir, en samsetningar þeirra bera ábyrgð á öllu þekktu efni í öllum alheiminum! Þegar andkvarkarnir og andlétteindirnar eru teknar með, mynda 31 einingar viðtekna líkanið.

Mynd 23.17 sýnir allar eindir innan viðtekna líkansins í öreindafræði. Þetta kort skiptir ekki aðeins öllum þekktum eindum niður eftir litakóðuðum hópum, heldur veitir það einnig upplýsingar um stöðugleika einda. Athugið að litakóðunarkerfið á þessu korti er aðskilið frá rauða, græna og bláa litamerkingarkerfi kvarka. Fyrstu þrír dálkarnir tákna hinar þrjár fjölskyldur efnis. Fyrsti dálkurinn, sem telst fjölskylda 1, táknar eindir sem mynda venjulegt efni, það er að segja róteindir, nifteindir og rafeindir sem mynda hinn almenna heim. Fjölskylda 2, sem nær frá þokkakvarka til mýeinda-fiseindar, samanstendur af eindum sem eru massameiri. Létteindirnar í þessum hópi eru óstöðugri og líklegri til að sundrast. Fjölskylda 3, sem þriðji dálkurinn táknar, eru enn massameiri og sundrast enn hraðar. Röð þessara fjölskyldna táknar einnig á þægilegan hátt þá röð sem þessar eindir uppgötvuðust í.

viðtekna líkanið dregur einnig saman þá grundvallarkrafta sem eru til staðar þegar eindir víxlverka. Nánari skoðun á viðtekna líkaninu, eins og sýnt er á mynd 23.18, leiðir í ljós að niðurröðun burðareinda lýsir þessum víxlverkunum.

Hvert skyggðu svæðanna táknar grundvallarkraft og þær eindir sem honum tilheyra. Rauða skyggða svæðið sýnir allar eindir sem koma að sterka kjarnakraftinum, sem við vitum nú að stafar af skammtalitfræði. Bláa skyggða svæðið samsvarar rafsegulkraftinum, en græna skyggða svæðið samsvarar veika kjarnakraftinum, sem hefur áhrif á alla kvarka og létteindir. Rafsegulkrafturinn og veiki kjarnakrafturinn eru taldir sameinaðir í rafveika kraftinum innan viðtekna líkansins. Einnig, þar sem afgerandi sönnunargögn um þyngdareindina hafa ekki enn fundist, er hún ekki innifalin í viðtekna líkaninu.

Higgs-bóseindin

Einn áhugaverður eiginleiki viðtekna líkansins sem sýndur er á mynd 23.18 er að á meðan límeindin og ljóseindin hafa engan massa, eru Z- og W-bóseindirnar mjög massamiklar. Hvað veitir þessum hratt hreyfandi eindum massa en ekki límeindum og ljóseindum? Ennfremur, hvað veldur því að sumir kvarkar hafa meiri massa en aðrir?

Á sjöunda áratugnum settu breski eðlisfræðingurinn Peter Higgs og aðrir fram þá hugmynd að W- og Z-bóseindirnar væru í raun jafn massalausar og límeindin og ljóseindin. Þegar W- og Z-bóseindir ferðast frá einni eind til annarrar hægist hins vegar á þeim vegna Higgs-sviðsins, líkt og fiskur sem syndir í vatni. Hugmyndin var sú að Higgs-sviðið hægði á bóseindunum, minnkaði orku þeirra og breytti þannig orku í massa. Samkvæmt þessari kenningu fara allar eindir í gegnum Higgs-sviðið, sem er til staðar um allan alheiminn. Límeindin og ljóseindin fara einnig í gegnum sviðið en verða ekki fyrir áhrifum af því.

Tilvist krafts frá Higgs-sviðinu bendir til tilvistar eigin burðareindar þess, Higgs-bóseindarinnar. Þessi fræðilega bóseind víxlverkar við allar eindir nema límeindir og ljóseindir og flytur kraft frá Higgs-sviðinu. Eindir með mikinn massa (eins og topp-kvarkinn) eru líklegri til að taka við krafti frá Higgs-bóseindinni.

Þótt erfitt sé að rannsaka svið, er nokkuð einfaldara að finna sönnunargögn um burðareind þess. Þann 4. júlí, 2012, staðfestu tveir hópar vísindamanna við LHC sjálfstætt tilvist eindar sem líktist Higgs-eindinni. Með því að rannsaka billjónir árekstra róteinda við róteindir við orkuna 7 til 8 TeV, gátu vísindamenn LHC ákvarðað þær eindir sem mynduðu róteindirnar. Í þessum gögnum fundu vísindamenn eind með svipaðan massa, spuna, jöfnuð (parity) og víxlverkanir við aðrar eindir og pössuðu við Higgs-bóseindina sem spáð hafði verið fyrir um áratugum áður. Þann 13. mars, 2013, var tilvist Higgs-bóseindarinnar staðfest með fyrirvara af CERN. Peter Higgs og Francois Englert hlutu Nóbelsverðlaunin árið 2013 fyrir „fræðilega uppgötvun á gangverki sem stuðlar að skilningi okkar á uppruna og massa öreinda.“

Athugaðu skilning þinn