10. februar 2025
Hvad består kvarker og neutrinoer af?
Spørgsmål:
Når en proton og en antiproton møder hinanden, omdannes de til elektromagnetisk stråling og neutrinoer. Men det er jo faktisk kvarkerne der omdannes.
De kan jo ikke alene bestå af elektriske og magnetiske kræfter. Der må være en 3. kraft, som er medvirkende til dannelse af kvarkerne og neutrinoerne.
Kan det være gravitationskraften? Kunne det være, at videnskaben ikke, på nuværende tidspunkt, kan se gravitationskraften som værende en kraft med to ladninger, som der vel egentlig skulle være, for at kvarkerne skulle kunne have de 6 forskellige egenskaber.
Med venlig hilsen
Lars Johannes Kristensen
Svar:
Hej Lars,
Kvarker og neutrinoer er, i vores nuværende forståelse af partikelfysikken, elementarpartikler. Det vil sige, at de ikke består af noget, men er "fundamentale". Det betyder dog ikke, at de er ingenting, da de trods alt har energi, spin, og andre egenskaber, men du kan ikke skille dem ad i mindre bestanddele.
Kvantefeltteori
Når jeg siger "i vores nuværende forståelse", er det fordi det passer med både teori og eksperimenter. Men de partikelacceleratorer vi har i dag, er ikke kraftige nok til at undersøge disse mindste byggesten, så det er meget muligt, at vores forståelse ændrer sig i fremtiden.
Den måde vi beskriver partikler på i dag er vha. "kvantefelter". Et "felt" er en fysisk størrelse, som har en værdi alle steder, og eventuelt en retning. Du kender f.eks. Jordens tyngdefelt, som har en værdi, der bliver mindre jo længere du er fra Jorden, og har en retning ind mod Jordens centrum. Et kvantefelt er lidt på samme måde, men er "kvantiseret", dvs. det kan ikke have alle værdier, men kun bestemte værdier. Feltet kan være "exciteret" (eller "anslået") til en bestemt værdi, og denne excitation er så dét, vi kalder en partikel.
Hver elementarpartikel har sit eget kvantefelt. En "elektron" er en excitation af elektronfeltet, en "neutrino" er en excitation af neutrinofeltet, og en "foton" er en excitation af det elektromagnetiske felt (som fik sit navn før man fandt ud af denne sammenhæng, så derfor kaldes det ikke bare "fotonfeltet").
En proton, derimod, er ikke en elementarpartikel, men består af to "op-kvarker" (som er excitationer er op-kvarkfeltet), en "ned-kvark" (som er en excitation af ned-kvarkfeltet). Derudover består protonen i vores beskrivelse af den faktisk også af et "hav" af afsindigt mange "kortlivede excitationer" af kvarkfelterne, såkaldte "virtuelle kvarker". Alle disse kvarker bindes sammen hverken af tyngdekraft eller af elektromagnetisk kraft, men ganske rigtigt af en tredje kraft, den såkaldte stærke kernekraft.
Ligesom partikler beskrives også kræfter vha. kvantefelter, som overfører kraften. Den elektromagnetiske kraft overføres af (virtuelle) fotoner, mens den stærke kernekraft overføres af (virtuelle) gluoner, som protonen derfor også er fuld af. Gluoner er elementarpartikler, altså excitationer af gluonfeltet.
Som krusninger i et sjippetov
Du kan sammenligne det med, hvis du har et langt sjippetov, som du holder i den ene ende. Hvis du giver tovet et lille sving med hånden, skaber du en lille krusning — en "excitation" — som bevæger sig afsted langs tovet. Denne krusning er en bølge, der udbreder sig, og den bærer noget energi afsted. Men den "er" ikke andet end sjippetov.
På samme måde er elementarpartikler krusninger i deres respektive felter, små pakker af energi, som kan bevæge sig afsted i deres felt.
Nogle af felterne kan "tale" sammen, og overføres deres energi til hinanden, mens andre ikke kan. For eksempel kan elektronerne overføre energi fra elektronfeltet til det elektromagnetiske felt, dvs. de kan udsende en foton. Det kan neutronerne til gengæld ikke, så neutrinoer er fuldstændig ligeglade med elektromagnetisme.
Kvantefelter fylder hele det tredimensionale rum. Sjippetovet er en éndimensional analogi, og her ses en todimensional analogi, hvor hvert punkt i rummet kan tænkes som som kugler, der kan vibrere, hvis de exciteres, og som kan overføre denne excitation til et nabopunkt (her vha. små elastikker). På den måde kan excitationen bevæge sig gennem rummet. Kredit: Peter Laursen/DAWN.
Ikke alle kræfter er lige
Kvarkerne har elektromagnetisk ladning. Op-kvarken har +⅔ og ned-kvarken har –⅓ (derfor giver "2 op plus 1 ned" protonens +1, mens "1 op plus 2 ned" giver neutronens 0). De kan altså tiltrække og frastøde hinanden med den elektromagnetiske kraft.
Kvarkerne har også masse. Op- og ned-kvarken vejer hhv. ca. 4 og 9 gange så meget som en elektron. De kan altså også tiltrække hinanden med tyngdekraften.
Men disse to kræfter overgås i usigelig grad af den stærke kernekraft. Denne kraft er nemlig over hundrede gange så stærk som elektromagnetismen, som i sig selv er en billion billion billioner gange så stærk som tyngdekraften (en "billion" er en million millioner, så tyngdekraften er altså virkelig en svækling).
For at mærke den stærke kernekraft, må en partikel have en egenskab som lidt fjollet kaldes "farveladning", men ikke har noget med farvelade at gøre. Kvarkerne kan have "farverne" rød, grøn og blå, mens antikvarker kan være antirøde, antigrønne eller antiblå. Og igen, det har intet med farver at gøre, kvantemekanikerne i 1970'erne havde bare brug for tre ord, og var åbenbart for fantasiløse til at finde på nogle nye 🤷♂️
Annihilation
En antiproton består af to anti-op-kvarker og en anti-ned-kvark. Møder den en proton, annihilerer kvarkerne ganske rigtigt hinanden og omdannes til andre partikler. Lige præcis en neutrino er så vidt jeg ved mulig, men ikke så sandsynlig. Oftere vil der dannes pioner og kaoner, men det afhænger af, hvor hurtigt de banker ind i hinanden.
Partikelfysikere elsker at tegne deres formler i såkaldte "Feyman-diagrammer", som illustrerer hvordan partiklerne udbreder og ændrer sig i både rum og tid. Normalt tegnes tiden opad, men her skal man forestille sig, at tiden går fra venstre mod højre. I denne omgang kan du ignorere alt det, der står i paranteser, som er en slags ekstra information om partiklernes retning og energi. En proton (p) kommer nedefra og møder en antiproton (p̄, udtalt "p-bar"). Pilene viser ikke deres retning, men at de bærer ladning. De to partikler annihilerer, og bliver til en midlertidig vektormeson (V, som kan være flere slags, ofte en ω-meson), som "formidler" interaktionen. Vektormesonen bliver på samme sted (går hverken op eller ned), men lever kun i kort tid, før den henfalder til en foton (γ), der bevæger sig op, og en pion (π⁰), der bevæger sig ned. Fra Kuraev et al. (2012).
Netop fordi protoner ikke er elementarpartikler, er denne form for annihilation ret kompleks, da sandsynligheden for, at alle kvarkerne møder antikvarkerne samtidig og annihilerer til fotoner er lille. Så det vil nærmere være noget med at ét kvark-antikvark-par annihilerer og splitter de andre ad, som så danner andre partikler.
Så tyngdekraft og elektromagnetiske kræfter kan altså negligeres fuldstændigt i denne sammehæng, til fordel for den stærke kernekraft.
Bedste hilsener,
Peter Laursen, Cosmic Dawn Center
PS: Hvis du sidder og tænker "Hmm, hvis elektromagnetismen overføres af fotoner, og den stærke kernekraft overføres af gluoner, hvad overføres tyngdekraften så af?", og du måske endda har hørt om, at det skulle være "gravitoner", må jeg skuffe dig. Det er ikke lykkedes partikelfysikerne af kvantisere tyngdekraften, så den beskrives slet ikke med kvantemekanik, men med generel relativitetsteori, og disse to ellers ekstremt succesfulde teorier er desværre endnu ikke er forenet (selvom der arbejdes hårdt på det).