Fysikerne pulveriserer atomet

Selv om atom betyr udelelig, har fysikerne splittet det i enda mindre byggesteiner. Og nå vil de helt tett på universets miniputter: fra kvarkene i protonet til milliarder av spøkelsespartikler som akkurat nå suser gjennom kroppen din.

Selv om atom betyr udelelig, har fysikerne splittet det i enda mindre byggesteiner. Og nå vil de helt tett på universets miniputter: fra kvarkene i protonet til milliarder av spøkelsespartikler som akkurat nå suser gjennom kroppen din.

Uansett hvor hardt du tråkker på betonghellene i fortauet, gir de ikke etter den minste smule – selv om de atomene som utgjør betongen, nærmest utelukkende består av tomrom.

Atomene er så tomme at selv tomrommet mellom universets galakser blekner, og det er nok den mest forbløffende erkjennelsen de siste 100 årenes forskning på atomet har gitt oss.

Alle atomer har en ørliten kjerne, som inneholder 99,94 prosent av atomets masse, omgitt av en elektronsky som er 26 000-60 000 ganger større.

Avstandene i atomet svarer til at kjernen er en klinkekule som er plassert på midtsirkelen på et fotballstadion, mens elektronskyene omkranser toppen av tribunene.

Selv om kjernen er liten, er massetettheten absurd høy. Tettheten i atomkjernen er så ekstrem at en fyrstikkeske med kjernestoff ville veie like mye som sju milliarder m3 vann – altså 2,8 millioner svømmebasseng med olympiske dimensjoner.

Til tross for mengden av tomrom holder elektromagnetiske krefter atomkjernen og elektronskyen sammen, slik at de danner solide og stabile byggesteiner i alle faste og flytende stoffer, og alle gasser.

Fysikerne har for lengst avslørt at atomkjernen består av protoner og nøytroner, og at disse kjernepartiklene inneholder enda mindre byggesteiner.

Likevel har reisen inn i universets absolutt minste bestanddeler først så vidt begynt, for selv om protoner og nøytroner er velkjent, holder de stadig fast i flere av hemmelighetene sine – men det skal avanserte fysikkforsøk i Europa og USA nå endre på.

Atomet åpnes inn til kjernen

Ideen om at alt består av bitte små byggesteiner, stammer fra antikken. I år 400 f.Kr. tenkte de greske filosofene Leukippos og Demokrit seg fram til at alt stoff var bygget opp av små, massive kuler.

Fenomenet ble døpt «atomos», noe som betyr udelelig.

De to grekerne forestilte seg at atomene i faste stoffer som jern var harde og utstyrt med kroker som bandt dem sammen, mens atomene i væsker som vann var myke og glatte.

I Thomsons atommodell beveget elektroner med negativ ladning seg rundt i en positivt ladet deig – som rosinene i en bolledeig.

© Shutterstock

Ideen om at alt består av bitte små byggesteiner, stammer fra antikken. I år 400 f.Kr. tenkte de greske filosofene Leukippos og Demokrit seg fram til at alt stoff var bygget opp av små, massive kuler.

Fenomenet ble døpt «atomos», noe som betyr udelelig. De to grekerne forestilte seg at atomene i faste stoffer som jern var harde og utstyrt med kroker som bandt dem sammen, mens atomene i væsker som vann var myke og glatte.

Atomteorien gikk lenge i glemmeboken, men i1897 beviste den engelske fysikeren J.J. Thomson beviste at grekerne tok feil – atomet var ikke udelelig.

Thomson undersøkte strålingen fra to elektroder og oppdaget at den negative elektroden sendte ut stråler som ble tiltrukket av metallplater med positiv ladning og frastøtt av plater med negativ ladning.

Ifølge Thomson bestod strålene av partikler med negativ ladning, sendt ut fra atomene i elektroden. Partiklene fikk navnet elektroner. Ifølge Thomsons atommodell bestod det massive, kulerunde atomet av en positivt ladet «deig» med innebyggede negative «rosiner», altså elektronene.

Teorien falt imidlertid fra hverandre da den engelske fysikeren Ernest Rutherford i 1909 sendte stråler av alfapartikler med positiv ladning inn i en tynn folie av gull.

De bitte små positive partiklene burde ifølge Thomsons modell passere tvers gjennom folien, for hvis elektronene var mikset inn i en positiv kjerne som rosinene i en bolledeig, ville kjernen være nøytral og derfor ikke frastøte de positive alfapartiklene.

Video: Fysikere har animert reisen inn i atomet

Men Rutherford observerte at en del av alfapartiklene ble sendt ut til sidene. Det måtte innebære at gullatomenes positive ladning var konsentrert i en ørliten kjerne omgitt av en mye større negativ elektronsky, som fikk alfapartiklene til å endre kurs.

Fysikerne utviklet en teori om at atomkjernen i tunge atomer, for eksempel jern, var bygget opp av hydrogenkjerner.

I 1925 døpte Ernest Rutherford hydrogenkjernene til protoner og fastslo at antallet protoner i en atomkjerne bestemmer hva slags grunnstoff det tilhører – for eksempel inneholder et oksygenatom åtte protoner og et jernatom 26 protoner.

Protonet svinner inn

Selv om protonet snart har vært kjent i et århundre, utfordrer det fortsatt forskerne; for eksempel var det først i 2019 de oppdaget hvor liten atomets bærende byggestein faktisk er.

Utgangspunktet for målingene var et hydrogenatom med ett proton i kjernen og ett elektron. En amerikansk forskergruppe under ledelse av W.

Xiong fra Durham University i North Carolina sendte elektronet, ved hjelp av radiobølger, opp i en høyere energitilstand og målte frekvensen når den falt tilbake til grunntilstanden.

Dermed fastslo fysikerne den energien som skal til for å få elektronet til å hoppe.

Siden denne energimengden er avhengig av protonets størrelse, kunne de fastslå at protonets radius er 0,833 billiarddeler av en meter – fem prosent mindre enn hittil antatt.

Nøytronets levetid er gåtefull

Protonets faste makker i atomkjernen, nøytronet, ble oppdaget i 1938, da den engelske fysikeren James Chadwick bombarderte en målskive av beryllium med alfapartikler.

Berylliumatomene sendte ut ekstremt energirike nøytrale stråler, som kunne trenge 20 centimeter inn i en blokk av bly.

0,833 billiarddeler av en meter er radiusen på et proton.

Chadwick beviste at strålene bestod av nøytrale kjernepartikler.

Nøytronets eksistens forklarer de små vektforskjellene mellom atomer av samme art; for eksempel rommer et vanlig oksygenatom åtte protoner og åtte nøytroner, men oksygen finnes også i en tyngre utgave med ti nøytroner i kjernen.

Utenfor atomkjernen blir nøytronet ustabilt og henfaller til et proton, et elektron og en nøytrino.

Men ingen har klart å måle levetiden til frie nøytroner helt presist, blant annet fordi de to anerkjente målemetodene gir to ulike resultater.

Atomkjernen er så tettpakket at det svarer til å mose 6,2 milliarder personbiler med en gjennomsnittsvekt på to tonn ned i en kasse som måler 30 x 30 x 30 centimeter.

© Shutterstock & Ken Ikeda Madsen

Derfor har fysikerne utviklet en teori om et speilbilde-univers med speilbilde-atomer som eksisterer side om side med vårt eget univers, og at denne speilbilde-verdenen utgjør den ukjente mørke massen i galaksene.

Ifølge teorien kan forskjellen i målingene av levetid skyldes at nøytroner kan å bevege seg fram og tilbake mellom vårt univers og speilbilde-universet.

Hvis én av 100 frie nøytroner skifter identitet til speilbildet og forsvinner over til den andre siden før den henfaller til et proton, kan det forklare forskjellen i de to resultatene.

Antikvarker skal fram i lyset

For tiden er imidlertid forskernes største hodepine kvarkene – atomets innerste byggesteiner.

Et proton inneholder for eksempel to oppkvarker og en nedkvark, mens et nøytron er bygget av to nedkvarker og en oppkvark.

I 1968 oppdaget fysikerne at protoner og nøytroner kan splittes i kvarker, som holdes sammen av limpartikler som kalles gluoner. Kvarkene kan deles opp i tre familier, der de to siste bare flyktig oppstår ved protonsammenstøt i store akseleratorer og under energirike begivenheter i universet, som supernovaer.

© Shutterstock & Ken Ikeda Madsen

Bunnkvark

Masse: 4,18 GeV
Elektrisk ladning: -1/3-del

© Shutterstock & Ken Ikeda Madsen

Sjarm-kvark

Masse: 1,275 GeV
Elektrisk ladning: +2/3-deler

© Shutterstock & Ken Ikeda Madsen

Sær-kvark

Masse: 95 MeV
Elektrisk ladning: -1/3-del

© Shutterstock & Ken Ikeda Madsen

Nedkvark

Masse: 4,7 MeV
Elektrisk ladning: -1/3-del

© Shutterstock & Ken Ikeda Madsen

Oppkvark

Masse: 2,2 MeV
Elektrisk ladning: +2/3-deler

© Shutterstock & Ken Ikeda Madsen

Toppkvark

Masse: 173 GeV
Elektrisk ladning: +2/3-deler

Fysikerne har også registrert fire tyngre kvarker, som bare oppstår i for eksempel supernovaer og lynraskt henfaller til lettere partikler og stråling.

Frie kvarker eksisterte bare i det første mikrosekundet etter big bang, da det nyfødte universet var en glovarm ildkule med en diameter på under fem kilometer og en temperatur på 2000 milliarder grader.

Da universet vokste og ble kjølt ned, ble kvarkene fanget inn av en slags limpartikler som kalles gluoner, som senere har bundet kvarkene sammen tre og tre. Den tradisjonelle modellen av protonet inneholder for eksempel tre gluoner som holder de tre kvarkene sammen i et jerngrep.

Men nye fysiske teorier tyder på at protonets indre liv er mye mer dynamisk og komplisert.

Den enkle modellen kan nemlig ikke forklare hvorfor de tre kvarkene til sammen bare utgjør fem prosent av protonets masse og bare er ansvarlige for en liten del av protonets egenrotasjon.

En ny teori spår at protonet har en kompleks indre dynamikk der kvarker og antikvarker hele tiden oppstår og utsletter hverandre i en suppe der mange gluoner også oppstår og forsvinner.

For å teste teorien skal den 3,8 kilometer lange akseleratoren RHIC i New York bygges om og gjenoppstå som Electron-Ion Collider.

Akseleratoren skal dundre elektroner og protoner sammen ved høyere energier enn noensinne før.

Et elektronbombardement i Stanford Linear Accelerator beviste i 1968 at protoner og nøytroner består av enda mindre partikler som kalles kvarker.

© Brookhaven National

Kvarkene ble oppdaget ved at protoner ble beskutt med elektroner, som ble reflektert fra tre bitte små, punktformede partikler inne i protonet.

Med den nye akseleratoren vil elektronene trenge dypere inn i protonene og også avsløre gluonenes samspill.

Nøytrinoer suser gjennom alt

Selv om kvarkene er ufattelig små, er nøytrinoer enda mindre. De sendes ut av ustabile radioaktive atomer med et ekstra nøytron i kjernen.

For å bli stabilt gjennomgår atomet en såkalt beta-henfall, der nøytronet gjøres om til et proton ved å sende ut et elektron og en nøytrino.

De fleste nøytrinoer blir skapt av fusjonsprosessene i stjerner og farer av sted med nesten lysets hastighet.

Hvert sekund treffer trilliarder av solnøytrinoer jorden, men mesteparten blåser tvers gjennom planeten, ettersom nøytrinoer bare reagerer med atomer hvis de treffer den ørlille atomkjernen.

65 milliarder nøytrinoer passerer hver cm2 av kroppen din hvert sekund.

Fram til 1998 trodde fysikerne at nøytrinoen var masseløs, men så viste målinger i en japansk og en kanadisk detektor at nøytrinoer fra solen utfører en forbløffende tryllekunst på vei til jorden.

I alt eksisterer det tre typer nøytrinoer, men solen sender bare ut den ene typen. I 30 år hadde fysikerne forsøkt å forstå hvorfor bare 33–50 prosent av nøytrinoene nådde fram til oss.

Men så oppdaget de at nøytrinoer kan skifte mellom de tre typene underveis. Det kan sammenlignes med at solen sender ut appelsiner, og noen av dem gjør om seg til epler og pærer på vei mot jorden.

Nøytrinoenes identitetsskift er bare mulig hvis de har en uhyre begrenset masse.

Gjennom to tiår har forskerne forsøkt å veie dem, og nå har den tyske detektoren Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment (KATRIN) fastslått en maksgrense for nøytrinoens masse som er 1/500 000 av et elektron.

I de kommende årene vil de tyske fysikerne forsøke å veie nøytrinoen presist, noe som vil hjelpe astronomene med å forstå den rollen nøytrinoer har spilt for universets utvikling helt siden big bang.

Mørk materie som ekstra gevinst

Studier av nøytrinoenes evne til å skifte identitet kan kanskje komme til å nedlegge et enda større bytte: gåten om mørk materie.

De tre kjente nøytrinoene vekselvirker med atomkjerner via den svake kjernekraften, for eksempel ved radioaktivt beta-henfall.

Men en ny fysisk teori forutsier en tung storebror som kalles en steril nøytrino fordi den bare reagerer med atomer via tyngdekraften.

Hvis den sterile nøytrinoen finnes, er den en opplagt kandidat til den mørke materien som utgjør 85 prosent av massen i galaksene.

KATRIN ble laget 400 kilometer unna, i Bayern, men måtte ut på en 9000 kilometer lang omvei via elver, Svartehavet, Middelhavet og Atlanterhavet til forskningssenteret i Karlsruhe.

© Karlsruhe Institue of Technology

Den nye teorien forutsier at de tre kjente nøytrinoer ikke bare kan gjøre seg om til hverandre, men også til den tunge storebroren, som vil forsvinne ut av enhver detektor uten å etterlate seg spor.

USA har nettopp bestemt seg for å bygge om den pensjonerte akseleratoren på Fermilab til å produsere stråler av nøytrinoer og sende dem gjennom tre detektorer som måler identitetsskiftet.

Hvis forsøkene avslører den sterile nøytrinoen og dermed finner den mørke materien, vil atomets minste og mest forunderlige byggestein ha skapt fysikernes største gjennombrudd i det 21. århundret.