Kvarkit muodostavat kaiken aineen, mutta niitä ei ole koskaan nähty yksinään. Ja niillä on ”makuja” ja ”värejä” – vaikka kummallakaan termillä ei ole mitään merkitystä siihen, mitä ne oikeasti tekevät. Katsotaanpa, miksi tarvitsemme kvarkkeja ymmärtääksemme maailmaa ja mitä niiden ”värit” ja ”maut” oikeastaan tarkoittavat.

Monelle ihmiselle kuuluu kysymys, mihin me ylipäätään tarvitsemme kvarkkeja? Tämä nousee usein esiin, varsinkin kun ihmiset oppivat, että kvarkkeja ei voi erottaa toisistaan, joten emme ole koskaan nähneet yhtäkään niistä yksinään. Eivätkö alkeishiukkaset, kuten protonit ja neutronit, riitä? Miksi meidän on pilkottava niitä edelleen, jotta ymmärtäisimme maailmankaikkeutta?

Kvarkin runous

Ensimmäiset ongelmat ”perustavanlaatuisina” pidettyihin hiukkasiin liittyen alkoivat ilmaantua 1960-luvulla, kun tutkijat, jotka ampuivat elektroneja materiaan, havaitsivat, että ne poikkesivat eri suuntiin, näennäisesti ilman syytä. Tarkastellessaan, miten ja milloin elektronit muuttivat suuntaa, tutkijat päättelivät, että ytimen täytyi koostua pienemmistä osista, joista osaan elektronit ”törmäsivät”. Nämä osat olivat pienempiä kuin protonit, joita tutkijat tiesivät olevan atomiytimissä. Osien, he tajusivat, täytyi olla itse protonien sisällä.

Tämä oli hyvä uutinen tiedemiehille, jotka olivat yrittäneet yksinkertaistaa sitä, mitä oli alettu kutsua hiukkasten ”eläintarhaksi”. Vuosikymmenen alkupuolella kaksi eri fyysikkoa, George Zweig ja Murray Gell-Man, arvelivat ensin, että hiukkaset eivät olleet alkeishiukkasia, vaan koostuivat erilaisista hiukkasista, jotka kantoivat joko kolmanneksen tai kahden kolmasosan varausta jommastakummasta hiukkasesta. Molemmat keksivät ajatuksen kolmesta hyvin perustavanlaatuisesta alkeishiukkasesta, jotka muodostaisivat monet fysiikassa niin perusteellisesti lisääntyneet hiukkaset. Zweig nimesi hiukkaset ”ässiksi”. Gell-Man kutsui niitä ”kvarkkeiksi” luettuaan läpi James Joycen Finnegans Wake -teoksen ja hölynpölyrunon ”Kolme kvarkkia Muster Markille”.

Tämä uusi teoria toimi erittäin hyvin varauksen, spinin ja massan selittämisessä. Se auttoi asettamaan monet erilaiset subatomiset hiukkaset asiayhteyteen. Sen sijaan, että olisi ollut hämmentävä määrä erilaisia ominaisuuksia omaavia alkeishiukkasia, niitä oli vain kolme, joiden yhdistelmästä muodostui se hiukkasten kirjo, jonka tutkijat olivat löytäneet. Se oli vähän kuin oivallus siitä, että maailman monet aineet voitiin ymmärtää suhteellisen harvojen atomien yhdistelminä. Kaksi erilaista kvarkkiyhdistelmää voisi muodostaa protonin tai neutronin aivan samalla tavalla kuin kaksi erilaista vety- ja happiatomien yhdistelmää voisi muodostaa veden tai hapon. Ainoa ongelma oli, että kenelläkään ei ollut mitään todisteita kvarkkien olemassaolosta – kunnes jokin protonien sisällä alkoi saada elektronit lähtemään satunnaisiin suuntiin. Kun elektronit hajosivat, näennäisesti tarpeettomalta tuntunut teoria sai vahvistuksen.

Seuraavina vuosikymmeninä yksinkertaistettuun järjestelmään lisättiin lisää kvarkkeja, jolloin kvarkkien määrä nousi kuuteen. Ihmiset saivat selville, miksi emme olleet löytäneet kvarkkeja itsestään. Voima, joka vetää niitä yhteen pareittain tai kolmittain, voimistuu, kun ne siirtyvät kauemmas toisistaan, kuin kimmoinen nauha. Vain uskomattoman suuren energian tapahtumat voivat erottaa ne toisistaan edes lyhyeksi ajaksi. Kvarkit voivat myös muuttaa ”makua”. Vaikka kukaan ei ole tähän päivään mennessä koskaan ”nähnyt” kvarkkia sellaisenaan, kokeelliset tulokset ja hiukkasten havaitut ominaisuudet sopivat niin täydellisesti yhteen niiden olemassaolon teorian kanssa eivätkä yhtä hyvin minkään muun teorian kanssa, että tiedemiehet ovat vakuuttuneita niiden olemassaolosta. Ne selittävät liian monia asioita liian hyvin ollakseen olemassa jossakin.

Värit ja maut

Nimi ”kvarkki” on peräisin hölynpölyrunosta, mikä on ihan reilua – mutta pikainen vilkaisu yhteenvetoon hiukkasten ominaisuuksista saa aikaan sen vaikutelman, että hölynpöly ei lopu nimeen. Niitä on ”makuja”, mikä, koska niitä ei voi maistaa, ei tarkoita mitään. Niillä on värejä, ja niiden tutkimusta kutsutaan kvanttikromodynamiikaksi, mutta on selvää, että niillä ei ole mitään väriä, jonka voisimme nähdä. Mitä nämä oudot ominaisuudet ovat ja miksi ne täytyy nimetä ominaisuuksilla, joita niillä ei ole?

Kuten sanottu, kvarkkeja ei löydy itsestään. Ne vaeltavat pareittain, ja tietyt parit lyöttäytyvät aina yhteen. Parit ovat seuraavat: ylös ja alas, viehätys ja outo, ylhäältä ja alhaalta. Kussakin näistä pareista ensimmäisenä mainitulla kvarkilla oli varaus kaksi kolmasosaa protonin varausyksiköstä. Kunkin parin toisen kvarkin varaus on negatiivinen kolmasosa. Alkuperäisessä teoriassa kaksi up-kvarkkia ja yksi down-kvarkki muodostavat yhteensä positiivisen yhden varauksen – eli protonin. Kahden down-karkin ja yhden up-karkin varausten summa on nolla, ja ne muodostavat neutronit. Mutta jos kolmella kvarkilla on positiivinen kahden kolmanneksen varaus ja kolmella kvarkilla negatiivinen yhden kolmanneksen varaus, miksi kvarkkeja ei ole yhteensä vain kaksi? Mitä eroa siinä on? Kvarkkien massat ovat vain hieman erilaiset. Tämän vuoksi protoneilla ja neutroneilla havaittiin tutkittaessa olevan hieman erilaiset massat. Kvarkkien erilainen yhdistelmä antoi niille erilaisen massan. Tämä varauksen ja massan yhdistelmä sekä muutama muu esoteerinen ominaisuus muodostavat kunkin kvarkin ”aromin”. Mitä tulee siihen, miksi niitä ei voi kutsua vain ”tyypeiksi” – ehkä meidän pitäisi kysyä James Joycelta.

Värit ovat toinen kierre kvarkkien suhteen. Ne ovat yhdistelmä teoreettista välttämättömyyttä ja kokeellista näyttöä. Kvarkit on puristettu yhteen hyvin pieneen tilaan, ja Paulin poissulkemisperiaate sanoo, että kaksi hiukkasta ei voi olla samassa tilassa samaan aikaan. Kahden ylöspäin suuntautuvan kvarkin ei pitäisi voida istua samassa protonissa. Jotain piti olla toisin. Kvarkkien ”värit” tulivat esiin. Sinisiä, punaisia ja vihreitä kvarkkeja on jokaista makua. Ne yhdistyvät muodostaakseen värittömiä hiukkasia – samaan tapaan kuin monet eriväriset valot sekoittuvat yhteen muodostaakseen väritöntä valkoista valoa. Tätä on saatettu pitää vain fysiikan huijaustekijänä, mutta elektronien ja antiprotonien kokeelliset törmäykset ovat osoittaneet, että kvarkkeja on kolme kertaa enemmän kuin pelkästään ”makujen” perusteella voisi olla.

Viime kädessä kvarkit ovat niin salaperäisiä siksi, että niiden ominaisuudet eivät ole mitenkään samankaltaisia kuin ne, joita koemme makromaailmassa, ja silti ne on nimetty niiden ominaisuuksien mukaan, jotka tunnemme täysin hyvin. Siirtyminen värin, sellaisena kuin me sen näemme, ja värin, sellaisena kuin se on matemaattisten ja kokeellisten tulosten sanelemassa tilassa, välillä on hämmentävää. Paras tapa ymmärtää kvarkkeja on ymmärtää, että eksoottisuuden sijaan ne ovat pikemminkin tapa järjestää ja yksinkertaistaa rönsyilevää subatomista maailmaa. Ne ovat eräänlainen alkuaineiden jaksollinen järjestelmä – alkuaineille. Löytävätkö tutkijat mitään pienempää? Kuka tietää, mutta jos he löytävät, toivottavasti he nimeävät sen jonkin Jabberwockyn kappaleen mukaan. Haluaisin nähdä fysiikan luennon aiheesta ”mome raths.”

Top Image: Yarnalgo
Partikkelikuva: Io9
Kvarkkien taulukko: MissMJ

Kahdesti NASA:n kautta, kolmesti Hyperphysicsin kautta, Hiukkasseikkailun kautta ja Duken kautta.