Quarks utgör all materia, men har aldrig setts själva. Och de har ”smaker” och ”färger” – även om ingen av dessa termer har någon betydelse för vad de egentligen gör. Låt oss ta en titt på varför vi behöver kvarkar för att förstå världen, och vad deras ”färger” och ”smaker” egentligen betyder.

För många människor är frågan varför vi behöver kvarkar överhuvudtaget? Denna fråga dyker upp ofta, särskilt när folk får veta att kvarkar inte kan separeras från varandra och att vi därför aldrig har sett ett kvark på egen hand. Räcker det inte med elementarpartiklar som protoner och neutroner? Varför måste vi dela upp dem ytterligare för att förstå universum?

Kvarkens poesi

De första problemen med vad som ansågs vara ”fundamentala” partiklar började dyka upp på 1960-talet, när forskare som sköt elektroner mot materia såg hur de svängde iväg åt olika håll, till synes utan anledning. När forskarna tittade på hur och när elektronerna ändrade riktning kom de fram till att kärnan måste vara uppbyggd av mindre delar, av vilka elektronerna ”sprang in i” några. Dessa delar var mindre än de protoner som forskarna visste fanns i atomkärnorna. Delarna, insåg de, måste finnas inuti själva protonerna.

Detta var goda nyheter för forskare som försökt förenkla det som kommit att kallas för ett ”zoo” av partiklar. I början av decenniet spekulerade först två olika fysiker, George Zweig och Murray Gell-Man, om att partiklarna inte var elementära utan bestod av olika partiklar som bar antingen en tredjedel eller två tredjedelar av laddningen av endera partikeln. Båda kom med idén om tre mycket grundläggande elementarpartiklar som skulle utgöra många av de partiklar som så djupt förökade sig inom fysiken. Zweig kallade partiklarna för ”ess”. Gell-Man kallade dem ”kvarkar”, efter en genomläsning av James Joyces Finnegans Wake och nonsensdikten ”Tre kvarkar för Muster Mark.”

Denna nya teori fungerade mycket bra när det gällde att förklara laddning, spin och massa. Den hjälpte till att sätta de många olika subatomära partiklarna i ett sammanhang. Istället för ett förvirrande antal elementarpartiklar med olika egenskaper fanns det bara tre, vars kombination utgjorde den mångfald av partiklar som forskarna hade upptäckt. Det var lite som insikten att de många ämnena i världen kunde förstås som kombinationer av ett relativt litet antal atomer. Två olika kombinationer av kvarkar kunde utgöra en proton eller en neutron på samma sätt som två olika kombinationer av väte- och syreatomer kunde utgöra ett vatten eller en syra. Det enda problemet var att ingen hade några bevis för att kvarkar existerade – tills något inuti protoner började få elektroner att rusa iväg i slumpmässiga riktningar. När elektronerna spreds bekräftades den till synes överflödiga teorin.

Under de följande decennierna lades fler kvarkar till det förenklade systemet, vilket förde upp antalet kvarkar till sex. Folk tog reda på varför vi inte hade hittat några kvarkar på egen hand. Den kraft som drar ihop dem i par eller tre blir starkare när de rör sig längre bort från varandra, likt ett elastiskt band. Endast händelser med otroligt hög energi kan skilja dem åt ens under en kort tid. Kvarkar kan också ändra ”smak”. Även om ingen hittills har ”sett” en kvark på egen hand, stämmer experimentella resultat och observerade egenskaper hos partiklarna så perfekt överens med teorin om deras existens, och stämmer inte lika bra överens med någon annan teori, att forskarna är övertygade om att de existerar. De förklarar för många saker för bra för att inte finnas där någonstans.

Färgerna och smakerna

Namnet ”kvark” kommer från en nonsensdikt, vilket är rimligt – men en snabb titt på en sammanfattning av deras egenskaper gör att det verkar som om nonsenset inte slutar vid namnet. De finns i ”smaker”, vilket, eftersom de inte kan smakas, inte betyder någonting. De har färger, och studiet av dem kallas kvantkromodynamik, men det är uppenbart att de inte har någon färg som vi faktiskt kan se. Vad är dessa märkliga egenskaper och varför måste de benämnas i egenskaper som de inte har?

Som tidigare nämnts hittas kvarkar inte på egen hand. De vandrar i par, och vissa par slår sig alltid ihop. Paren är som följer, uppåt och nedåt, charm och konstigt, topp och botten. Den första kvarken som nämns i vart och ett av dessa par hade en laddning på två tredjedelar av en protonens laddningsenhet. Den andra kvarken i varje par har en laddning på negativ en tredjedel. I den ursprungliga teorin ger två uppåtriktade kvarkar och en nedåtriktad kvark tillsammans en laddning på positiv en – eller en proton. Två downs och en up har laddningar som adderas till noll och bildar neutroner. Men om tre kvarkar har positiva laddningar på två tredjedelar och tre kvarkar har negativa laddningar på en tredjedel, varför finns det då inte bara två kvarkar totalt? Vad är skillnaden? Var och en av kvarkarna har bara lite olika massa. Detta är anledningen till att protoner och neutroner, när de studerades, visade sig ha något olika massa. Den olika kombinationen av kvarkar gav dem olika massa. Denna kombination av laddning och massa, liksom några mer esoteriska egenskaper, utgör ”smaken” för varje kvark. När det gäller varför de inte bara kan kallas ”typer” – kanske vi ska fråga James Joyce.

Färger är en annan twist på kvarkar. De är en kombination av teoretisk nödvändighet och experimentella bevis. Kvarkar är sammanpressade i ett mycket litet utrymme, och Pauli-exlusionsprincipen säger att inga två partiklar kan existera i samma tillstånd samtidigt. Två uppåtriktade kvarkar borde inte kunna sitta i samma proton. Något måste vara annorlunda. Vi kommer in på ”färgerna” av kvarkar. Blå, röda och gröna kvarkar finns i varje smak. De går samman för att bilda färglösa partiklar – analogt med hur många olika färgade ljus smälter samman för att bilda ett färglöst vitt ljus. Detta skulle kanske bara ha betraktats som en fudge-faktor för fysiken, men experimentella kollisioner av elektroner och antiprotoner har visat att det finns tre gånger så många sorters kvarkar som det skulle finnas enbart baserat på ”smaker”

I slutändan är kvarkar så mystiska därför att deras egenskaper inte alls liknar det som vi upplever i makrovärlden, och ändå är de namngivna efter egenskaper som vi är helt bekanta med. Att översätta mellan en färg som vi ser den och en färg, som i ett läge som dikteras av matematiska och experimentella resultat, är desorienterande. Det bästa sättet att förstå kvarkar är att förstå att de, snarare än att vara exotiska, tjänar som ett sätt att organisera och förenkla den spretiga subatomära världen. De är ett slags periodiskt system av grundämnen – för grundämnena. Kommer forskarna att hitta något mindre? Vem vet, men om de gör det får vi hoppas att de döper det till något från Jabberwocky. Jag skulle vilja se en fysikföreläsning om ”mome raths.”

Toppbild: Yarnalgo
Partikelbild: Io9
Tabell av kvarkar:: Io9
MissMJ

Via NASA två gånger, Hyperphysics tre gånger, Particle Adventure och Duke.