Partikkelfamilien får nye medlemmer: Møt multikvarkene!
Naturens minste byggesteiner, de såkalte kvarkene, kan settes sammen på mange flere måter enn fysikerne trodde. Oppdagelsen kan avsløre hva som limer sammen både de minste partiklene og universets galakser.
Naturens minste byggesteiner fungerer akkurat som legoklosser. Du kan sette dem sammen på mange måter og bygge små ting som igjen kan settes sammen til større ting.
I partiklenes verden kan kvarker for eksempel samle seg til protoner og nøytroner, som til sammen blir til atomkjerner – som igjen settes sammen til molekyler.
For de minste byggesteinene, kvarkene, er det imidlertid ikke fritt spillerom. Her gjelder strenge regler som fysikerne har stilt opp i løpet av de siste femti årene. Reglene sier for eksempel at kvarker bare kan settes sammen to eller tre om gangen og bare i bestemte kombinasjoner.
Men nå har reglene blitt utfordret. Ved å få partikler til å dundre sammen i store akseleratorer har fysikere ved blant annet CERN de siste årene funnet spor av nye kombinasjoner med fire, fem og til og med seks kvarker. De såkalte multikvarkene kan gi forskerne mer kunnskap om de kreftene som holder alt rundt oss sammen – fra atomer til galakser.
Farger binder verden sammen
I motsetning til legoklosser sitter ikke kvarker sammen av seg selv. De trenger en kraft som kan lime dem sammen. Fysikerne kaller ofte denne kraften for «fargekraften» fordi den utviser egenskaper som minner om den måten ulike farger blander seg på.
De tre kvarkene som til sammen utgjør et proton, har fargekreftene rød, grønn og blå.
Når lys med de tre fargene blandes sammen, utligner de hverandre slik at resultatet er hvitt lys. Tilsvarende balanserer kvarkenes fargekrefter hverandre, og det er akkurat det som skal til for å holde protonet stabilt.
Prinsippet gjelder for alle partikler fysikerne kan observere. De kan bare eksistere hvis kvarkenes fargekrefter utligner hverandre.
I et proton (t.v.) utligner kvarkenes fargekrefter hverandre fordi kvarkene henholdsvis har fargene rødt, grønt og blått – akkurat som lys med de tre fargene blir til hvitt lys når de blandes (t.h.).
I fysikernes katalog over partikler har alle en såkalt antipartikkel med en motsatt fargekraft. Det motsatte av «rød» er i denne forbindelsen «antirød», så her bryter sammenligningen med de vanlige fargene sammen.
En kvark og en antikvark, for eksempel en oppkvark og en antinedkvark, kan til sammen danne et såkalt pion så lenge fargekreftene utligner hverandre. Faktisk kan alle kvarker og antikvarker gå sammen to og to og danne partikler – selv en kvark med sin egen antikvark, selv om en slik partikkel raskt vil henfalle.
Utallige forsøk har bekreftet regelen om at fargekreftene må utligne hverandre, og derfor har fysikerne heller aldri sett frie kvarker i akseleratorene.
Det må to eller tre kvarker til for å danne fargeløse partikler som kan observeres. Det utelukker imidlertid ikke at det også er mulig med fire eller fem kvarker.
Multikvarkene dukker opp
I 2003 dukket det aller første sporet av en mulig tetrakvark – en partikkel med fire kvarker – opp i en akselerator i Japan. Senere har over ti, og mer sikre, funn blitt gjort med andre eksperimenter.
I 2015 fant fysikerne ved den store akseleratoren LHC ved CERN i Sveits det første sporet av en pentakvark – en partikkel med fem kvarker.
LHCb-detektoren ved CERN var i 2015 den første som viste spor av at partikkelsammenstøt i akseleratoren hadde skapt en pentakvark.
Oppdagelsen av pentakvarken var en sensasjon, og derfor var fysikerne også skeptiske.
Når partikler i akseleratorene dundrer sammen, oppstår det myriader av partikler som bare eksisterer i brøkdeler av et sekund, og det er derfor lett å feiltolke resultatene.
Kurven viser antallet partikler (y-aksen) og massen de har, målt i gigaelektronvolt (x-aksen). Toppen av kurven avslører henfall av en partikkel med fem kvarker.
Kurver over henfall viste vei til pentakvarken
Oppdagelsen av pentakvarken som inneholder fem kvarker, ble gjort i 2015 da forskere ved akseleratoren LHC målte henfall av en lang rekke partikler med kort liv.
På kurven over de samlede dataene så forskerne en «topp» ved en bestemt masse. Analyser har senere vist at den bare kan skyldes en partikkel som består av fem kvarker.
Men nå har ny forskning bekreftet oppdagelsen. Forskere ved universitetet i Pittsburgh i USA og universitetet i Swansea i Storbritannia har gjennomgått dataene fra LHC-forsøket og regnet på dem ut fra en ny modell.
I modellen behandler forskerne pentakvarkerne som molekyler, og da viser det seg at det faktisk ikke kreves hele seks pentakvarker for å forklare LHC-resultatene.
«Vi har nå en modell som på vakreste vis forklarer dataene og for første gang inneholder alle de begrensningene dataene gir», sa fysikeren Tim Burns fra universitetet i Swansea ved offentliggjøringen.
Oppdagelsen av pentakvarken ble endelig bekreftet i 2022 da fysikerne Eric Swanson (øverst) og Tim Burns fortolket måleresultatene med en ny modell.
Den største begrensningen i dataene er at pentakvarker lever i så utrolig kort tid at de ikke kan observeres direkte.
I detektorene kan fysikerne bare se de partiklene pentakvarkerne henfaller til, og i noen tilfeller faktisk bare henfallspartiklenes henfallspartikler. Derfor må forskerne ofte regne langt tilbake for å finne ut om en pentakvark har vært til stede.
0,00000000000000000001 sekunder er levealderen for en pentakvark. Det er tiden det tar lyset å gå gjennom et enkelt atom.
Den nye bekreftelsen av pentakvarkernes eksistens viser at fem kvarker kan henge sammen ved hjelp av fargekraften. Kombinasjonen av fargekreftene kan variere, men den kan for eksempel bestå av to røde, en antirød, en grønn og en blå.
Skal avsløre atomenes lim
Nærmere studier av pentakvarker og andre multikvarker kan forhåpentligvis gi forskerne enda mer kunnskap om fargekreftenes natur.
Ifølge teorien sørger ikke kreftene bare for å holde kvarkene sammen inne i for eksempel protoner og nøytroner, men strekker seg lenger ut slik at de også er limet som binder atomkjerner sammen. Uten fargekraften ville den positive ladningen i atomkjernens protoner tvinge dem fra hverandre, slik at kjernen gikk i stykker.
Akkurat hvordan fargekraften gjør atomkjerner stabile, er likevel et åpent spørsmål, og kanskje kan multikvarkene hjelpe til med å svare på det.
Også på en enda større skala forventer fysikerne seg mye av multikvarkene.
Et av universets største mysterier er at det inneholder ukjent – såkalt mørk – materie som vi ikke kan se. Vi vet bare at det må være der, for ellers ville ikke stjernene i galaksene rotere så raskt som de gjør. Rotasjonshastigheten er bare mulig hvis det er en stor mengde mørk materie til stede som påvirker stjernene med tyngdekraften sin.
Noen fysikere mener at den mørke materien kanskje er dannet av multikvarker, nærmere bestemt heksakvarker – altså partikler satt sammen av seks kvarker.
Jakten på heksakvarker har bare så vidt begynt, og så langt har bare en enkelt type blitt målt i et eksperiment.
Multikvarker åpner en ny verden
Fire kvarker kan sitte sammen parvis
Tetrakvarken som første gang ble oppdaget i 2003, har med sine fire kvarker fortsatt et begrenset antall måter den kan være bygd opp på. Forskerne mener at de fire kvarkene vanligvis sitter sammen to og to med en forbindelse mellom parene.
Fem kvarker gir flere kombinasjoner
Med sine fem kvarker har pentakvarken, som ble oppdaget i 2015, flere mulige oppbygninger. Forskerne forestiller seg for eksempel en konstruksjon der to par av kvarker er forbundet med hverandre via et knutepunkt som den femte kvarken også er knyttet til.
Seks kvarker gir fantasien fritt spillerom
Heksakvarken er så langt bare oppdaget en enkelt gang, i en tysk akselerator, og vi vet lite om strukturen. Men med sine seks kvarker har den massevis av muligheter. Kanskje opptrer fire av kvarkene i par som er forbundet med hverandre via de to siste.
Heksakvarkerne er enda flyktigere enn pentakvarker, men fysikerne mener at de kan være dannet i store mengder rett etter big bang.
Her kan de ha klumpet seg sammen i skyer med en spesiell aggregattilstand som kalles Bose-Einstein-kondensat, og hvis de raskt har fanget inn nok elektroner, kan skyene ha overlevd.
Hvis denne teorien holder, vil heksakvarker være de usynlige legoklossene som utgjør 85 prosent av all materie i universet.