|
Elementarpartikler og kræfter Et sammenhængende syn på stoffets fundamentale bestanddele og kræfterne, der styrer dem, er dukket op. Det omfatter ganske forskellige teorier, men de kan måske snart forenes i én omfattende beskrivelse af naturlige hændelser
Chris Quigg*
De fundamentale vekselvirkninger
Ideen, at der ligger en fundamental enkelhed til grund for det observerede univers’ mangfoldighed, har bragt fysikken langt. Historisk har listen over partikler og kræfter, der betragtes som elementære, hele tiden ændret sig, når granskning af stoffet og dets vekselvirkninger afslørede mikrokosmos inde i mikrokosmos: atomer inde i molekyler, kerner og elektroner inde i atomer og successive strukturniveauer inde i kernen. I løbet af det sidste årti har eksperimentelle resultater og sammenløbet af teoretiske ideer imidlertid bragt ny sammenhæng til emnet partikelfysik og rejst håbet om, at en varig forståelse af naturens love er indenfor rækkevidde. Højere acceleratorenergier har gjort det muligt at kollidere partikler med større voldsomhed og afsløre det subatomare rige i tilsvarende finere detaljer; grænsen for eksperimentel opløsning står nu ved omkring 10-16 centimeter, omkring en tusindedel af en protons diameter. For et årti siden anerkendte fysikken hundreder af tilsyneladende elementære partikler; ved vore dages opløsning er det blevet vist, at den mangfoldighed repræsenterer kombinationer af et meget mindre antal fundamentale entiteter. I mellemtiden er kræfterne, gennem hvilke disse bestanddele vekselvirker, begyndt at vise underliggende ligheder. En dyb forbindelse mellem to af kræfterne, elektromagnetisme og den svage kraft, der er velkendt i kernehenfald, er blevet fastslået og udsigterne er gode for en beskrivelse af fundamentale kræfter, der også omfatter den stærke kraft, som binder atomkerner sammen. Af de partikler, der nu ser ud til at være uden struktur og udelelige, og derfor fundamentale, kaldes dem, der ikke påvirkes af den stærke kraft, for leptoner. Der er blevet identificeret seks distinkte typer leptoner, som fantasifuldt kaldes flavors (aromaer, o.a.). Tre af leptonerne, elektronen, myonen og tau, bærer en identisk elektrisk ladning på -1; de adskiller sig imidlertid fra hinanden i masse. Elektronen er den letteste og tau den tungeste af de tre. De andre tre, neutrinoerne, er, som deres navn antyder, elektrisk neutrale. To af dem, elektron neutrinoen og myon neutrinoen, er blevet vist at være næsten masseløse. Til trods for deres varierede masser bærer alle seks leptoner præcis den samme mængde impulsmoment. De betegnes spin ½, fordi hver partikel kan spinde i en af to retninger. En lepton siges at være højrehåndet, hvis en højrehånds krumme fingre viser dens rotation, når tommelen peger i dens bevægelsesretning og venstrehåndet når fingrene og tommelen på venstre hånd viser dens spin og retning. For hver lepton er der en tilsvarende antilepton, en slags antipartikel. Antipartikler har den samme masse og det samme spin som deres respektive partikler men bærer modsatte værdier for andre egenskaber som elektrisk ladning. For eksempel inkluderer antileptonerne antielektronen, eller positronen, antimyonen og antitau, som alle er positivt ladede og tre elektrisk neutrale antineutrinoer. I deres vekselvirkninger synes leptonerne at følge grænser, der definerer tre familier, som hver er sammensat af en ladet lepton og dens neutrino. Familierne adskilles matematisk af lepton tal; for eksempel er elektronen og elektron neutrinoen tildelt elektron tal 1, myon tal 0 og tau tal 0. Antileptoner tildeles lepton tal med modsat fortegn. Skønt nogle af leptonerne henfalder til andre leptoner er henfaldsproduktets lepton tal lig med det, som den oprindelige partikel havde; derfor bevares familielinierne. Myonen er f.eks. ustabil. Den henfalder efter en middellevetid på 2,2 mikrosekunder til en elektron, en elektron antineutrino og en myon neutrino gennem en proces, der bringes i stand af den svage kraft. Totalt lepton tal er uændret i omdannelsen. Myon neutrinoens myon tal er 1, elektronens elektron tal er 1 og elektron antineutrinoens er -1. Elektron tallene udlignes og efterlader det første myon tal på 1 uændret. Lepton tal bevares også i henfaldet af tau, som varer en middellevetid på 3 x 10-13 sekund. Elektronen er imidlertid absolut stabil. Elektrisk ladning skal bevares i alle vekselvirkninger og der er ingen mindre massiv ladet partikel, som en elektron kunne henfalde til. Henfald af neutrinoer er ikke blevet observeret. Da neutrinoer er de mindre massive medlemmer af deres respektive familier, ville deres henfald nødvendigvis krydse familielinier. Hvor observeres leptoner? Elektronen er velkendt som bærer af elektrisk ladning i metaller og halvledere. Elektron antineutrinoer udstråles i neutroners beta henfald til protoner. Kernereaktorer, som producerer store antal ustabile frie neutroner, er rige kilder til antineutrinoer. De resterende arter af leptoner produceres hovedsageligt i højenergi kollisioner af subnukleare partikler, som hænder naturligt, når kosmiske stråler vekselvirker med atmosfæren og under kontrollerede forhold i partikelacceleratorer. Kun tau neutrinoen er ikke blevet observeret direkte, men de indirekte vidnesbyrd for dens eksistens er overbevisende.
Subnukleare partikler, som føler den stærke kraft, udgør den anden store klasse partikler, der studeres i laboratoriet. Det er hadronerne; blandt dem er protonerne, neutronerne og mesonerne. En skare andre mindre velkendte hadroner eksisterer kun kortvarigt som produkter af højenergi kollisioner, fra hvilke yderst massive og meget ustabile partikler kan materialiseres. Hundreder af arter hadroner er blevet katalogiseret med varierende masse, spin, ladning og andre egenskaber. Hadroner er imidlertid ikke elementarpartikler, da de har indre struktur. I 1964 forsøgte Murray Gell-Mann fra California Institute of Technology og George Zweig, som da arbejdede på CERN, det europæiske laboratorium for partikelfysik i Geneve, uafhængigt af hinanden at redegøre for den forvirrende variation af hadroner ved at foreslå, at de er sammensatte partikler, som hver er en forskellig kombination af et lille antal fundamentale bestanddele. Gell-Mann kaldte dem kvarker. Studier på Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) sent i 1960’erne, i hvilke højenergi elektroner blev affyret mod protoner og neutroner støttede hypotesen. Fordelingen i energi og vinkel på de spredte elektroner viste, at nogle kolliderede med punktlignende, elektrisk ladede objekter inde i protonerne og neutronerne. Partikelfysikken tilskriver nu alle kendte hadron arter kombinationer af disse fundamentale entiteter. Fem slags, også kaldet flavors, af kvark er blevet identificeret – up (u), down (d), charm (c), strange (s) og bottom (b) kvarker – og en sjette flavor, top (t) kvark, menes at eksistere. Som leptonerne har kvarkerne en halv enhed spin og kan derfor eksistere i venstre- og højrehåndede tilstande. De bærer også elektrisk ladning, som svarer til en præcis brøkdel af en elektrons ladning: d, s, og b kvarkerne har en ladning på -1/3, og u, c og den formodede t kvark har en ladning på + 2/3. De tilsvarende antikvarker har elektriske ladninger af samme størrelse, men med modsat fortegn.
Sådanne brøkdele af ladninger observeres aldrig i hadroner, fordi kvarker danner kombinationer, i hvilke summen af deres ladninger er heltallig. Mesoner består, f.eks., af en kvark og en antikvark, hvis ladninger tilsammen giver -1, 0 eller +1. Protoner og neutroner består henholdsvis af to u kvarker og en d kvark, hvilket giver en total ladning på +1, og af en u kvark og to d kvarker, som giver en total ladning på 0. Som leptoner føler kvarkerne svage vekselvirkninger, der ændrer en art, eller flavor, til en anden. I en neutrons beta henfald til en proton forvandler en af neutronens d kvarker sig, f.eks., til en u kvark og udsender en elektron og en antineutrino under processen. Lignende omdannelser af c kvarker til s kvarker er blevet observeret. Mønstret af henfald antyder to forskellige grupperinger, hvor en af dem menes at indeholde u og d kvarkerne og den anden c og s kvarkerne. I tilsyneladende kontrast til leptoners adfærd krydser nogle kvark henfald imidlertid familielinier; omdannelser af u kvarker til s kvarker og af c kvarker til d kvarker er blevet observeret. Det er ligheden mellem de to kendte kvark familier og lepton familierne, der først antydede eksistensen af en t kvark, til at virke som partner for b kvarken i en tredje familie. I modsætning til leptonerne er frie kvarker aldrig blevet observeret. Dog er indicierne for deres eksistens stadig steget. Et tegn på kvark modellens sundhed er dens succes med at forudsige resultatet af højenergi kollisioner mellem en elektron og en positron. Da de repræsenterer stof og antistof annihilerer de to partikler hinanden og frigør energi i form af en foton. Kvark modellen forudsiger, at fotonens energi kan materialisere til en kvark og en antikvark. Da det kolliderende elektron-positron par havde en netto impuls på 0, skal kvark-antikvark parret afbøjes i modsatte retninger med ens hastigheder, så deres netto impuls også er 0. Selve kvarkerne observeres ikke, fordi deres energi omdannes til yderligere kvarker og antikvarker, som materialiserer og kombinerer med det oprindelige par og danner to stråler af hadroner (de fleste af dem er pioner, en art meson). Sådanne stråler er faktisk observeret og deres fokuserede natur bekræfter, at hadronerne ikke opstod direkte fra kollisionen men fra enkelte, individuelle partikler, hvis baner strålerne bevarer. Sagen om kvarkernes virkelighed støttes også af den afveksling af energiniveauer, eller masser, ved hvilke visse arter hadron, især psi og ypsilon partiklerne, kan observeres i accelerator eksperimenter. Sådanne energispektre forekommer at være analoge med atomspektre: de synes at repræsentere kvantetilstandene i et bundet system af to mindre komponenter. Hver af dets kvantetilstande ville repræsentere en forskellig grad af excitation og en forskellig kombination af komponenternes spin og orbital bevægelse. For de fleste fysikere er konklusionen, at sådanne partikler er lavet af kvarker, uimodståelig. Psi partiklen antages at bestå af en c kvark og dens antikvark, og ypsilon partiklen menes at bestå af en b kvark og dens antikvark. Hvilke regler styrer kombinationerne af kvarker, der danner hadroner? Mesoner er sammensat af en kvark og en antikvark. Fordi hver kvark har et spin på ½ er en mesons nettospin 0, hvis dens bestanddele spinder i modsatte retninger og 1 hvis de spinder i samme retning, selvom mesoner i deres exciterede tilstande kan have større værdier af spin på grund af kvarkernes orbitale bevægelse. Den anden klasse hadroner, baryonerne, består hver af tre kvarker. Opsummering af kvarkbestanddelenes mulige spin og retninger giver to mulige værdier for de mindst energirige baryoners spin: ½ og 3/2. Ingen andre kombinationer af kvarker er blevet observeret; hadroner, der består af to eller fire kvarker, synes at være udelukket. Grunden til det er forbundet med svaret på en anden gåde. Ifølge Wolfgang Paulis udelukkelsesprincip kan to partikler, der optager en ganske lille del af rummet og besidder halvtallige spin, have det samme kvantetal – de samme værdier for impuls, ladning og spin. Pauli udelukkelsesprincippet redegør elegant for konfigurationerne af elektroner, der bestemmer et grundstofs plads i den periodiske tabel. Vi burde også forvente, at det var en pålidelig retningslinie for hadronernes fulde udrustning. Imidlertid ser det ud til, at princippet vil antyde, at eksotiske hadroner som delta plus plus og omega minus partikler, der materialiseres kort efter højenergi kollisioner, ikke kan eksistere. De består henholdsvis af tre u og tre s kvarker og besidder et spin på 3/2; alle tre kvarker i hver af hadronerne skal være identiske i spin såvel som andre egenskaber og skal derfor indtage den samme kvantetilstand.
For at forklare sådanne observerede kombinationer er det nødvendigt at antage, at de tre ellers identiske kvarker kan skelnes ved et andet træk: en ny slags ladning, der på snurrig vis kaldes color, som den stærke kraft indvirker på. Hver slags kvark kan bære en af tre slags color ladning: rød, grøn eller blå. Til en rød kvark svarer en antikvark med en color ladning af antirød (som man kan forestille sig som cyan); andre antikvarker bærer ladninger af antigrøn (magenta) og antiblå (gul). Analogien mellem denne ny slags ladning og farve gør det muligt at specificere reglerne, under hvilke kvarker kombinerer. Hadroner udviser ikke en color ladning; summen af color for de kvarker, der er bestanddele, skal være hvid eller farveneutral. Derfor er de eneste tilladte kombinationer dem med en kvark og dens antikvark, hvilket forårsager mesoner og en rød, en grøn og en blå kvark, som giver baryonerne. Farvede tilstande ses aldrig i isolation. Dette skjul er konsistent med den kendsgerning, at frie kvarker, som bærer en enkelt color ladning, aldrig er blevet observeret. Den stærke krafts aktivitet mellem farvede kvarker må være ekstraordinært kraftig, måske kraftig nok til at begrænse kvarker permanent inde i farveløse, eller farveneutrale, hadroner. Beskrivelsen af kraftige elektron-positron kollisioner ifølge kvark modellen antager imidlertid, at kvarkerne, der giver anledning til de observerede stråler af hadroner, frit går i forskellige retninger i løbet af det første øjeblik efter kollisionen. Kvarkernes tilsyneladende uafhængighed på meget korte afstande kaldes asymptotisk frihed; den blev beskrevet i 1973 af David J. Gross og Frank Wilczek fra Princeton University og af H. David Politzer, som da var på Harvard University.
De fundamentale vekselvirkninger Naturen sørger for enorm kompleksitet i struktur og dynamik ud fra de seks leptoner og seks kvarker, som man nu mener, er stoffets fundamentale bestanddele. Fire kræfter styrer deres forhold: elektromagnetisme, gravitation og de stærke og svage kræfter. I den større verden, vi oplever direkte, kan en kraft defineres som et middel, der forandrer et legemes hastighed ved at ændre dets fart eller retning. I elementarpartiklernes rige, hvor kvantemekanik og relativitet erstatter den større verdens newtonske mekanik, er en mere omfattende ide om kraft på sin plads og med den en mere generel betegnelse, vekselvirkning. En vekselvirkning kan forårsage, at der sker ændringer af energi, impuls eller natur blandt adskillige kolliderende partikler; en vekselvirkning kan også påvirke en partikel i isolation i en spontan henfaldsproces. Kun gravitation er ikke blevet studeret på skalaen, hvor elementarpartiklerne eksisterer; dens virkninger på så ganske små masser er så små, at de med sikkerhed kan ignoreres. Fysikere har med betragtelig succes forsøgt at forudsige de andre tre vekselvirkningers adfærd gennem matematiske beskrivelser, der kaldes gaugeteorier. Ideen om symmetri er central i gaugeteorier. I den matematiske forstand opstår en symmetri, når løsningerne til et sæt ligninger forbliver de samme, selv om et kendetegn ved systemet, de beskriver, forandres. Hvis en matematisk teori forbliver gyldig, når et kendetegn ved systemet ændres med en identisk mængde i ethvert punkt i rummet, kan det siges, at ligningerne udviser en global symmetri med hensyn til det kendetegn. Hvis kendetegnet kan forandres uafhængigt i ethvert punkt i rummet og teorien stadig er gyldig, udviser dens ligninger lokal symmetri med hensyn til det kendetegn. Hver af de fire fundamentale kræfter menes nu at opstå fra en naturlovs uforanderlighed, som bevarelsen af ladning eller energi, under en lokal symmetrioperation, i hvilken en bestemt parameter forandres uafhængigt i hvert punkt i rummet. En analogi med en ideal gummiskive kan hjælpe med at synliggøre matematikkens virkninger. Hvis gummiskivens form sammenlignes med et naturprincip og forskydningen af et punkt inde i skiven betragtes som en lokal symmetrioperation, skal skiven beholde sin form selv om hvert punkt inde i skiven forskydes uafhængigt. Forskydningerne strækker skiven og indfører kræfter mellem punkter. På samme måde er de fundamentale kræfter i gaugeteorier den uundgåelige konsekvens af lokale symmetrioperationer; de kræves for at bevare symmetri. Af de tre vekselvirkninger, der studeres i elementarpartiklernes rige, er kun elektromagnetismen kendt fra dagligdagens oplevelser i form af sollys, gnisten fra en statisk udladning og kompasnålens blide udsving. På det subatomare niveau antager den en uvant side. Ifølge relativistisk kvanteteori, som kæder stof og energi sammen, formidles elektromagnetiske vekselvirkninger af fotoner: masseløse ”kraftpartikler” der indebærer præcise mængder energi. Kvanteteorien for elektromagnetisme, som beskriver elektrisk ladede partiklers fotonformidlede vekselvirkninger, kaldes kvanteelektrodynamik (QED). Fælles med andre teorier om de fundamentale vekselvirkninger er QED en gaugeteori. I QED kan den elektromagnetiske kraft udledes ved at kræve, at ligningerne, der beskriver en ladet partikels bevægelse, forbliver uændrede i løbet af lokale symmetrioperationer. Specifikt, hvis fasen af den bølgefunktion, der beskriver en ladet partikel i kvanteteori, ændres uafhængigt i ethvert punkt i rummet, kræver QED, at den elektromagnetiske vekselvirkning og dens formidlende partikel, fotonen, eksisterer for at opretholde symmetri. QED er den mest succesfulde af de fysiske teorier. Ved brug af beregningsmetoder, udviklet i 1940’erne af Richard P. Feynman og andre, har den opnået forudsigelser af enorm nøjagtighed, såsom den uendelig lille virkning af fotoner, der udstråles og absorberes af en elektron, på den magnetiske impuls frembragt af elektronens indre spin. Desuden er QED’s beskrivelser af den elektromagnetiske vekselvirkning blevet verificeret over et ekstraordinært område af rækkevidder, varierende fra mindre end 10-18 meter til mere end 108 meter.
Især har QED forklaret den effektive svækkelse af den elektromagnetiske ladning med afstanden. Den elektriske ladning, der bæres af et objekt, er en fast og bestemt mængde. Når en ladning er omgivet af andre ladninger, der bevæger sig frit, kan dens virkninger imidlertid modificeres. Hvis en elektron bevæger sig ind i et miljø sammensat af molekyler, der har positive og negative ender, vil den f.eks. polarisere molekylerne. Elektronen vil frastøde deres negative ender og tiltrække deres positive ender med den virkning, at den skærmer sig selv i positiv ladning. Resultatet af polariseringen er, at elektronens effektive ladning reduceres med en mængde, der vokser med afstanden. Kun når elektronen undersøges på meget tæt afstand – på en subatomar skala, indenfor skærmen af positive ladninger – er dens fulde ladning synlig. En sådan skærmningsvirkning burde tilsyneladende ikke opstå i et vakuum, i hvilket der ikke er nogen molekyler til at blive polariserede. Werner Heisenbergs ubestemthedsprincip antyder imidlertid, at vakuumet ikke er tomt. Ifølge princippet vokser usikkerheden om et systems energi, når det undersøges på kortere og kortere tidsskalaer. Partikler kan overtræde loven om bevarelsen af energi i uobserverbare korte øjeblikke; virkningen er, at de kan materialisere sig fra intet. I QED ses vakuumet som et kompliceret og sydende medium, i hvilket par af ladede ”virtuelle” partikler, især elektroner og positroner, har en flygtig eksistens. Disse kortvarige kvantefluktuationer kan polariseres ligesom molekylerne i en gas eller væske. Derfor forudsiger QED, at i et vakuum vil elektrisk ladning også blive skærmet og effektivt reduceret på store afstande. Den stærke vekselvirkning, der påvirker kvarker, som er baseret på color ladningen, varierer også med afstanden, skønt på en omvendt måde: i stedet for at svækkes med afstanden ser color ladningen ud til at vokse sig stærkere. Kun på afstande mindre end omkring 10-13 centimeter, en protons diameter, formindskes den nok til at tillade gensidigt bundne kvarker en grad af uafhængighed. Dog findes forklaringen på denne ejendommelige adfærd i en teori, der er en nær model af QED. Det er en teori, der kaldes kvantekromodynamik (QCD), de stærke vekselvirkningers gaugeteori. Som QED postulerer QCD kraftpartikler, der formidler vekselvirkninger. Farvede kvarker vekselvirker gennem udvekslingen af entiteter kaldet gluoner, ligesom ladede partikler udveksler fotoner. Hvor QED kun anerkender en slags foton, giver QCD imidlertid plads for otte slags gluon. I modsætning til fotonerne i QED, som ikke ændrer ladningen af de vekselvirkende partikler, kan udsendelsen eller absorbtionen af en gluon ændre en kvarks color; hver af de otte gluoner formidler en forskellig omdannelse. Den formidlende gluon er i sig selv farvet, den bærer både en color og en anticolor. Den kendsgerning, at gluonerne er colorladede, i modsætning til de elektrisk neutrale fotoner i QED, redegør for den forskellige adfærd på afstand af de elektromagnetiske og stærke vekselvirkninger. I QCD styrer to konkurrerende virkninger den effektive ladning: 1. Skærmning, analog til skærmningen i QED, og 2. En ny virkning kaldet camouflage. Skærmningen, eller vakuum polariseringen, minder om den i elektromagnetiske vekselvirkninger. Vakuum er i QCD befolket af par af virtuelle kvarker og antikvarker, der blinker ind og ud af eksistens. Hvis en kvark indføres i vakuumet, vil virtuelle partikler, der bærer modsatte color ladninger, blive tiltrukket til kvarken; dem, der har en lignende ladning, vil blive frastødt. Derfor vil kvarkens color ladning være skjult inde i en sky af ulig farver, hvilket reducerer kvarkens effektive ladning på større afstande.
Inde i dette polariserede vakuum udsender og genabsorberer selve kvarken imidlertid hele tiden gluoner og ændrer dermed sin color. De color ladede gluoner udbreder sig til betragtelige afstande. Virkningen er, at de spreder color ladningen gennem rummet og således camouflerer den kvark, der er kilde til ladningen. Jo mindre et tilfældigt område af rummet, der er centreret på kvarken, er, jo mindre del af kvarkens color ladning vil det indeholde. Således vil color ladningen, der føles af en kvark med en anden color, svinde hen efterhånden, som den nærmer sig den første kvark. Kun på store afstande vil color ladningens fulde størrelsesorden være synlig. I QCD repræsenterer den stærke krafts adfærd nettovirkningen af skærmning og camouflage. QCD’s ligninger giver en adfærd, der er konsistent med kvarkernes observerede paradoks: de er både permanent begrænsede og asymptotisk fri. Den stærke vekselvirkning beregnes til at blive ekstraordinært stærk på betragtelige afstande, hvilket resulterer i kvarkbegrænsning, men at blive svag og befri kvarkerne på meget nær afstand. I det område af korte afstande, som sonderes i højenergi kollisioner, er stærke vekselvirkninger så svækkede, at de kan beskrives ved brug af metoderne, der blev udviklet indenfor QED’s rammer for den meget svagere elektromagnetiske vekselvirkning. Derfor kan noget af den samme præcision, som karakteriserer QED, overføres til QCD. Udviklingen af stråler af hadroner fra en kvark og en antikvark, frembragt i en elektron-positron annihilation, er f.eks. en stærk vekselvirkning. QCD forudsiger, at hvis kollisionens energi er høj nok, kan kvarken og antikvarken, der bevæger sig bort i modsatte retninger, måske frembringe ikke to men tre stråler af hadroner. En af partiklerne vil udstråle en gluon, der bevæger sig i en tredje retning. Den vil også udvikle sig til hadroner og give anledning til en tredje distinkt stråle – et træk der virkelig ofte ses i højenergi kollisioner.
De tre stråler fortsætter ad baner sat af kvarker og gluoner, der bevæger sig indenfor et yderst begrænset rum, mindre end 10-13 centimeter. Kvark-antikvark parret kan ikke fortsætte som isolerede partikler ud over den afstand, grænsen for asymptotisk frihed. Dog er begrænsningen af kvarker og deres vekselvirkninger ikke absolut. Skønt en hadron som helhed er color-neutral, reagerer dens kvarker på de individuelle color ændringer af kvarker i nabohadronerne. Vekselvirkningen, som er svag sammenlignet med color kræfterne inde i hadroner, frembringer den bindende kraft, der holder protonerne og neutronerne i kerner sammen. Desuden forekommer det sandsynligt, at når hadronstof komprimeres og opvarmes til ekstreme temperaturer, mister hadronerne deres individuelle identiteter. Hadron boblerne på billedet overlapper og smelter sammen og frigør muligvis de kvarker og gluoner, de består af, så de kan vandre over store afstande. Den resulterende stoftilstand, som kaldes kvark-gluon plasma, eksisterer måske i kernen på kollapsende supernovaer og i neutronstjerner. Man studerer nu muligheden for at skabe kvark-gluon plasma i laboratoriet gennem kollisioner af tunge kerner ved meget høj energi [se ”Hot Nuclear Matter,” af Walter Greiner og Horst Stöcker; Scientific American, januar 1985].
Forståelse af den tredje vekselvirkning, som elementarpartikelfysikken skal regne med, den svage vekselvirkning, har også gjort fremskridt ved analogi med QED. I 1933 konstruerede Enrico Fermi den første matematiske beskrivelse af den svage vekselvirkning, som den viser sig i beta radioaktivitet, ved direkte analogi med QED. Efterfølgende arbejde afslørede adskillige vigtige forskelle mellem den svage og elektromagnetismens vekselvirkninger. Den svage kraft virker kun over afstande mindre end 10-16 centimeter (i modsætning til elektromagnetismens lange rækkevidde), og den er nært forbundet med de vekselvirkende partiklers spin. Kun partikler med venstrehåndet spin påvirkes af svage vekselvirkninger, i hvilke elektrisk ladning ændres som i betahenfaldet af en neutron, hvorimod højrehåndede ikke påvirkes.
Til trods for disse forskelle strakte teoretikerne analogien og foreslog, at den svage vekselvirkning som elektromagnetismen bæres af en kraftpartikel, som kom til at hedde boson også kaldet W (for weak partikel). For at formidle henfald, i hvilke ladning ændres, ville W bosonen være nødt til at bære elektrisk ladning. En krafts rækkevidde er omvendt proportional med massen af den partikel, der overfører den; da fotonen er uden masse, kan den elektromagnetiske vekselvirkning fungere over uendelige afstande. Den svage krafts meget korte rækkevidde antyder en yderst massiv boson. Et antal tilsyneladende forbindelser mellem elektromagnetisme og den svage vekselvirkning, inkluderende den kendsgerning, at partiklen, der formidler den svage vekselvirkning, er elektrisk ladet, opmuntrede nogle forskere til at foreslå en syntese. Et øjeblikkeligt resultat af forslaget, at de to vekselvirkninger blot er forskellige manifestationer af et enkelt underliggende fænomen, var en vurdering af W bosonens masse. Den foreslåede forening betød, at på meget korte afstande og derfor ved meget høje energier er den svage kraft lig med den elektromagnetiske kraft. Dens tilsyneladende svaghed i eksperimenter udført ved lavere energier afspejler blot dens korte rækkevidde. Derfor må hele forskellen i de to vekselvirkningers tilsyneladende styrker skyldes W bosonens masse. Under den antagelse kan W bosonens masse vurderes til at være omkring 100 gange protonens masse. At komme videre fra ideen om en syntese til en levedygtig teori, der forener de svage og de elektromagnetiske vekselvirkninger, har krævet et halvt århundredes eksperimenter og teoretisk indsigt, som kulminerede i det arbejde, for hvilket Sheldon Lee Glashow og Steven Weinberg, som da var på Harvard University, og Abdus Salam fra Imperial College of Science and Technology i London og International Center for Theoretical Physics i Trieste vandt 1979 Nobelprisen i fysik. Som selve QED er den forenede, eller elektrosvage, teori en gauge teori udledt fra et symmetriprincip, der manifesterer sig i kvarkernes og leptonernes familiegrupperinger. Ikke en men tre bosoner virker sammen med fotonen som kraftpartikler i elektrosvag teori. De er de positivt ladede W + og negativt ladede W – bosoner, som henholdsvis formidler udvekslingen af positiv og negativ ladning i svage vekselvirkninger og Z 0 partiklen, som formidler en klasse svage vekselvirkninger, der kaldes neutral strøm processer. Neutral strøm processer, som den elastiske spredning af en neutron fra en en proton, en svag vekselvirkning i hvilken ingen ladning udveksles, blev forudsagt af den elektrosvage teori og først observeret på CERN i 1973. De repræsenterer et yderligere punkt af sammenløb mellem elektromagnetisme og den svage vekselvirkning ved, at elektromagnetiske vekselvirkninger heller ikke ændrer ladningen af de deltagende partikler. For at redegøre for den kendsgerning, at de elektromagnetiske og svage vekselvirkninger antager forskellige forklædninger, selv om de er intimt forbundne, hævder den elektrosvage teori, at symmetrien, der forener dem, kun er synlig ved høje energier. Ved lave energier er den skjult. Der kan drages en analogi til jerns magnetiske adfærd. Når jern er varmt, er dets molekyler, der kan betragtes som et sæt meget små magneter, i hektisk termisk bevægelse og derfor tilfældigt orienterede. Betragtet som helhed er jernets magnetiske adfærd den samme fra alle retninger og afspejler elektromagnetismens loves rotationssymmetri. Når jernet afkøles under en kritisk temperatur, retter dets molekyler sig ind i en tilfældig retning og efterlader metallet magnetiseret langs en akse. De underliggende loves symmetri er nu skjult. Den vigtigste skuespiller i brydningen af den symmetri, der forener elektromagnetisme og den svage vekselvirkning ved høje energier, er en postuleret partikel kaldet Higgs bosonen. Det er gennem vekselvirkninger med Higgs bosonen, at bosonernes symmetri-skjulende masser frembringes. Man mener også, at Higgs bosonen er ansvarlig for den kendsgerning, at kvarker og leptoner indenfor den samme familie har forskellige masser. Ved meget høje energier menes alle kvarker og leptoner at være masseløse; ved lavere energier giver vekselvirkninger med Higgs partiklen kvarkerne og leptonerne deres forskellige masser. Da Higgs bosonen er flygtig og kan være meget mere massiv end selve bosonerne, vil man sandsynligvis behøve eksperimentelle energier, der er meget højere end dem i de nuværende acceleratorer, for at producere den. De tre bosoner, der kræves af den elektrosvage teori, er imidlertid blevet observeret. Energier høje nok til at producere sådanne massive partikler opnås bedst i direkte kollisioner af protoner og antiprotoner. I en ud af omkring fem millioner kollisioner smelter en kvark fra protonen og en antikvark fra antiprotonen sammen og giver en boson. Bosonen går i stykker mindre end 10 -24 sekund efter sin dannelse. Dens korte eksistens kan imidlertid detekteres fra dens henfaldsprodukter. I en triumf af acceleratorkunst, eksperimentel teknik og teoretisk fornuftslutning anviste internationale hold på CERN ledet af Carlo Rubbia fra Harvard og Pierre Darriulat eksperimenter, som i 1983 detekterede W bosonerne og Z 0 partiklen. En kompliceret detektor identificerede og optog enkelte elektroner i affaldet fra voldsomme proton-antiproton kollisioner, hvis baner passede med dem, man ville forvente i en W – partikels henfald; detektoren optog også elektroner og positroner, der bevægede sig i præcist modsatte retninger, hvilket var ufejlbarligt vidnesbyrd om Z 0 partiklen. For deres deltagelse i eksperimenterne og i konstruktionen af proton-antiproton collideren og detektoren blev Rubbia og Simon van der Meer fra CERN tildelt 1984 Nobelprisen i fysik.
Med QCD og den elektrosvage teori på hånden, hvad mangler man så at forstå? Hvis begge teorier er korrekte, kan de så også være fuldstændige? Mange observationer er kun delvist forklaret, om overhovedet, af de særskilte teorier om de stærke og de elektrosvage vekselvirkninger. Nogle af dem synes at invitere til en yderligere forening af de stærke, svage og elektromagnetiske vekselvirkninger. Blandt antydningerne af dybere mønstre er den slående lighed mellem kvarker og leptoner. Partikler i begge grupper er uden struktur ved den nuværende eksperimentelle opløsning. Kvarker besidder color ladninger, hvor leptoner ikke gør, men de bærer begge en halv enhed spin og tager del i elektromagnetiske og svage vekselvirkninger. Desuden antyder selve den elektrosvage teori en forbindelse mellem kvarker og leptoner. Medmindre hver af de tre lepton familier (elektronen og dens neutrino, for eksempel) kan kædes sammen med den tilsvarende kvarkfamilie (u og d kvarkerne i deres tre farver), vil den elektrosvage teori være plaget af matematiske uoverensstemmelser.
Det, man ved om de fundamentale kræfter, peger også på en forening. De kan alle tre beskrives af gauge teorier, som er ens i deres matematiske struktur. Desuden synes styrken af de tre kræfter at løbe sammen på meget korte afstande, et fænomen der kun ville være synligt ved yderst høje energier. Vi har set, at den elektromagnetiske ladning vokser sig stærk på korte afstande, hvorimod den stærke, eller color, ladningen bliver mere og mere svag. Kunne alle vekselvirkningerne måske blive sammenlignelige ved en eller anden gigantisk energi? Hvis vekselvirkningerne fundamentalt er de samme, begynder forskellen mellem kvarker, som reagerer på den stærke kraft, og leptonerne, som ikke gør, at opløses. I det enkleste eksempel på en forenet teori, som blev fremsat af Glashow og Howard Georgi fra Harvard i 1974, giver hvert sæt kvarker og leptoner, som passer sammen, anledning til en udvidet familie, der indeholder alle de forskellige tilstande af ladning og spin i hver af partiklerne. Den matematiske overensstemmelse i den foreslåede organisering af stoffet er imponerende. Desuden kræver regelmæssigheder i planen, at elektrisk ladning fordeles blandt elementarpartiklerne i mangefold af nøjagtig 1/3 og redegør derved for det stabile stofs elektriske neutralitet. Atomet er kun neutralt, fordi kvarkerne grupperes tre af gangen, som de er i kernen, og deres individuelle ladninger kombinerer, så de giver en ladning, der er et præcist heltal, lig med og modsat ladningen af et heltalligt antal elektroner. Hvis kvarker ikke var forbundet med leptoner, kunne det præcise forhold mellem deres elektriske ladninger kun være et bemærkelsesværdigt sammentræf. I en sådan forening kræves der kun én gauge teori til at beskrive alle stoffets vekselvirkninger. I en gauge teori kan hver partikel i et sæt omdannes til enhver anden partikel. Omdannelser af kvarker til andre kvarker og af leptoner til andre leptoner, formidlet af gluoner og bosoner, er velkendt. En forenet teori antyder, at kvarker kan ændres til leptoner og omvendt. Som i enhver gauge teori ville en sådan vekselvirkning blive formidlet af en kraftpartikel: en postuleret X eller Y boson. Som andre gauge teorier beskriver den forenede teori variationen med afstanden af vekselvirkningernes styrke. Ifølge den enkleste af de forenede teorier løber de adskilte stærke og elektrosvage vekselvirkninger sammen og bliver til en enkelt vekselvirkning på en afstand af 10-29 centimeter, svarende til en energi på 1024 elektronvolt. En sådan energi er langt højere end man nogensinde kan opnå i en accelerator, men visse konsekvenser af foreningen kunne måske være synlige selv i den lavenergi verden vi bor i. Antagelsen om, at omdannelserne kan krydse grænsen mellem kvarker og leptoner betyder, at stoffet, hvoraf meget af massen består af kvarker, kan henfalde. Hvis, f.eks., de to u kvarker i en proton skulle nærme sig hinanden mere end 10-29 centimeter, ville de måske kombinere og danne en X boson, som ville gå i stykker og blive til en positron og en d antikvark. Antikvarken ville så kombinere med den ene resterende kvark fra protonen, en d kvark, og danne en neutral pion, som selv hurtigt ville henfalde til to fotoner. I løbet af processen ville meget af protonens masse blive omdannet til energi. Observationen af proton henfald ville give betragtelig støtte til en forenet teori. Den ville også have interessante kosmologiske konsekvenser. Universet indeholder meget mere stof end antistof. Da stof og antistof er ækvivalente i næsten enhver henseende, er det nærliggende at tænke sig, at universet blev dannet med samme mængde af begge. Hvis antallet af baryoner – tre-kvark partikler som protonen og neutronen, der udgør størstedelen af almindeligt stof – kan ændre sig, som henfaldet af protonen ville betyde, så behøver det nuværende overskud af stof ikke repræsentere universets første tilstand. Almindeligt stof og antistof kan virkelig have været til stede i lige store mængder, men i løbet af de første øjeblikke af big bang, mens universet forblev i en tilstand af ekstremt høj energi, kunne processer, der ændrer baryontallet, have ødelagt balancen. Der er blevet opstillet et antal eksperimenter for at lede efter proton henfald. Den store foreningsenergi betyder, at protonens middellevetid skal være ekstraordinært lang – 1030 år eller mere. For at have en rimelig chance for at observere et enkelt henfald er det nødvendigt at overvåge et ekstremt stort antal protoner; en nøglefaktor ved proton-henfald eksperimenter har derfor været stor skala. Det mest ambitiøse eksperiment til dato er en instrumenteret tank med renset vand på 21 meters længde og bredde i Morton saltminen nær Cleveland. I løbet af næsten tre års overvågning har man ikke observeret nogen af vandets mere end 1038 protoner henfalde, hvilket antyder, at protonens levetid er endnu længere end den enkleste forenede teori forudsiger. I nogle konkurrerende teorier er protonens levetid imidlertid betragteligt længere og der er andre teorier, i hvilke protonen henfalder på måder, der ville gøre det vanskeligt at detektere i eksisterende eksperimenter. Endvidere antyder resultater fra andre eksperimenter, at protoner faktisk kan henfalde.
Ud over at vise vej til en mulig forening har standardmodellen, bestående af QCD og den elektrosvage teori, antydet talrige skarpe spørgsmål til nuværende og fremtidige acceleratorer. Blandt de mange mål for nuværende faciliteter er en indsats for at afprøve QCD’s forudsigelser i større detaljer. I løbet af det næste årti vil acceleratorer med de højere energier, der kræves for at producere de massive W og Z0 bosoner i tilstrækkeligt antal, også tilføje detaljer til den elektrosvage teori. Det ville være formasteligt at sige, at disse undersøgelser ikke ville give nogen overraskelser. Standardteoriens sammenhæng og eksperimentelle succes ved velkendte energier antyder imidlertid stærkt, at vi for at løse fundamentale spørgsmål behøver at tage et stort skridt op i vekselvirkningsenergi fra de adskillige GeV (milliarder elektronvolt), som kan opnås i de kraftigste acceleratorer, der bygges nu. Skønt standardmodellen er bemærkelsesværdigt fri for uoverensstemmelser, er den ufuldstændig; man efterlades sulten efter yderligere forklaringer. Modellen redegør ikke for mønstret af kvark og lepton masser eller for den kendsgerning, at selv om de svage omdannelser sædvanligvis respekterer familielinjerne, så overskrider de dem lejlighedsvis. Selve familiemønstret mangler at blive forklaret. Hvorfor skulle der være tre sæt kvarker og leptoner, der passer sammen? Kunne der måske være flere? Der kræves tyve, eller flere, parametre for at specificere standardmodellen fuldstændigt. Disse inkluderer de stærke, svage og elektromagnetiske vekselvirkningers koblingsstyrker, kvarkernes og leptonernes masser og parametre, der specificerer Higgs bosonens vekselvirkninger. Endvidere løber de tilsyneladende fundamentale bestanddele og kraftpartikler op i mindst 34: 15 kvarker (fem arter, hver i tre farver), seks leptoner, fotonen, otte gluoner, tre bosoner og den postulerede Higgs boson. Ved enkelhedens kriterium synes standardmodellen ikke at repræsentere fremskridt frem for det gamle syn på stoffet som bestående af jord, luft, ild og vand, der vekselvirker gennem kærlighed og strid. Opmuntret af historiske fortilfælde redegør mange fysikere for mangfoldigheden ved at foreslå, at disse tilsyneladende fundamentale partikler er lavet af endnu mindre partikler i forskellige kombinationer.
Der er to andre afgørende punkter, hvor standardmodellen synes at slå fejl. Hverken de adskilte teorier om de stærke og de elektrosvage vekselvirkninger eller den forening, man gætter på, redegør for gravitationen. Hvorvidt gravitationen kan beskrives i en kvanteteori og forenes med de andre fundamentale kræfter forbliver et åbent spørgsmål. En anden grundlæggende mangel ved standardmodellen drejer sig om Higgs bosonen. Den elektrosvage teori kræver, at Higgs bosonen eksisterer, men angiver ikke præcist, hvordan partiklen skal vekselvirke med andre partikler eller hvad dens masse skal være, undtagen i de bredeste vendinger.
Hvilken energi skal vi nå og hvilke nye instrumenter behøver vi for at kaste lys over så fundamentale problemer? Spørgsmålene, der omgiver Higgs bosonen, er, skønt de på ingen måde er de eneste udfordringer, vi står overfor, særlig godt definerede og deres svar vil have betydning for hele foreningens strategi. De sætter et nyttigt mål for den næste generation maskiner. Det er blevet foreslået, at Higgs bosonen slet ikke er en elementarpartikel men snarere et sammensat objekt bestående af elementære bestanddele analoge til kvarker og leptoner men udsat for en ny slags stærk vekselvirkning, som ofte kaldes technicolor, hvilket ville begrænse dem indenfor 10-17 centimeter. Fænomenerne, der ville afsløre en sådan vekselvirkning, ville blive synlige ved energier på omkring 1 TeV (trillion elektronvolt). En anden indfaldsvinkel til spørgsmålet om Higgs bosonens masse og adfærd anvender et postuleret princip kaldet supersymmetri, som forbinder partikler, der har forskelligt spin. Supersymmetri medfører eksistensen af et helt nyt sæt flygtige, ekstremt massive partikler. De nye partikler ville svare til kendte kvarker, leptoner og bosoner, men ville have anderledes spin. På grund af deres masse ville sådanne partikler kun afsløre sig helt i vekselvirkninger, der fandt sted ved meget høj energi, sandsynligvis omkring 1 TeV. Vort bedste håb om at producere vekselvirkninger ved energier på 1 TeV er en accelerator, der kaldes Superconducting Supercollider (SSC). Den blev formelt anbefalet til Department of Energy i 1983 af High Energy Physics Advisory Panel og ville indbefatte afprøvet teknologi på en skala uden fortilfælde. Et antal konstruktioner er blevet fremsat, men de forestiller sig alle en proton-proton eller proton-antiproton collider. Stråler af højenergi protoner produceres nemmere med den nuværende teknologi end stråler af elektroner og positroner, skønt elektron-positron kollisioner generelt er enklere at analysere; da protoner er sammensatte partikler, giver deres kollisioner en større variation af vekselvirkninger end kollisioner mellem elektroner og positroner. Et andet fælles træk ved konstruktionerne er brugen af superledende magneter, som først blev anvendt i stor skala i Tevatron Collider på Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) i Batavia, Ill. Teknologien forøger feltstyrken og sænker kraftforbruget af de magneter, der bøjer og begrænser strålen. En af de mere kompakte konstruktioner anvender magneter af en legering af niobium og titanium, der nedkøles til 4,4 grader Celsius over absolut nul. Hvis magneterne frembragte felter på fem tesla (100.000 gange styrken af jordens magnetfelt), kunne to modsat roterende stråler af protoner, accelereret til energier på 20 TeV (som behøves for at frembringe 1 TeV vekselvirkninger af kvarkerne og gluonerne inde i protonerne), begrænses indenfor en ring på omkring 30 kilometer i diameter. I andre konstruktioner er magnetfelterne lavere og den foreslåede konstruktion tilsvarende større. Man mener, at en sådan maskine kunne være køreklar i 1994 for en omkostning på 3 milliarder dollars. Department of Energy har opmuntret til etableringen af en Central Design Group til at formulere et specifikt konstruktionsforslag indenfor tre år og financierer i øjeblikket udviklingen af magneter til SSC på adskillige laboratorier. SSC repræsenterer grundlæggende forskning med omkostninger uden fortilfælde på en skala uden lige. Men belønningerne vil svare dertil. Fremskridt i det sidste årti har bragt os fristende tæt på en dyb ny forståelse af naturens fundamentale bestanddele og deres vekselvirkninger. Nuværende teori antyder, at grænsen for vor uvidenhed ligger ved energier på omkring 1TeV. Hvad tegnene på foreningen af naturens kræfter og stoffets bestanddele, der venter bag den grænse, end er, så vil SSC sandsynligvis afsløre dem.
* Chris Quigg er leder af afdelingen for teoretisk fysik på Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) i Batavia, Ill.; han underviser også i fysik som professor på University of Chicago. Han er kandidat fra Yale University, hvor han fik sin B.S. i fysik i 1966 og fra University of California at Berkeley, hvor han modtog sin Ph.D. i 1970. Indtil 1974 var han på Institute for Theoretical Physics på State University of New York at Stony Brook, først som forskerassocieret og så som medlem af fakultetet. Det år flyttede han til Fermilab, hvor han i 1977 indtog sin nuværende stilling. Mens han var på École Normale Supérieure i Paris fra 1981 til 1982 som besøgende professor, skrev Quigg en lærebog om gauge teorier.
Fra Scientific American, april 1985. Siderne 64-75.
25. oktober, 2008.
|
