Hypotetisk partikkelkalender: 3. desember – Glueball

Hvilke partikler finnes i naturen? Vi vet om en hel del – men vi vet også at det må være flere igjen å finne. [Bilde: http://www.particlezoo.net]

Glueball – en klump av sterk kjernekraft?

Vi vet i dag omtrent hvilke partikler naturen består av. Samtidig er det mange mysterier igjen å forstå, og flere av dem antyder at det finnes enda flere partikler der ute enn de vi har oppdaget hittil. Men hvilke? Hva slags egenskaper må de ha, hvordan kan de lages, og ikke minst hvordan kan de eventuelt oppdages? I den stille adventstid gir kollokvium deg en hypotetisk partikkel hver dag, og ser fremover mot de store oppdagelsene fysikere kan håpe å gjøre i årene som kommer.

Vi så i går at den sterke kjernekraften bæres av partikler kalt gluoner. Disse har den artige egenskapen at de ikke bare kan lime sammen kvarker, som er partiklene atomkjernene er satt sammen av, men de kan også lime sammen hverandre. Eller på partikkelspråket: Gluoner vekselvirker med seg selv, de drar på hverandre.

Er det ikke da nærliggende å gjette at de kan klumpe seg sammen til en ball og være sin egen partikkel? En «glueball» eller «limklump»?

I mangel av bilder av ekte glueballs setter vi i steden inn et bilde av en «rice glue ball»: «Rice glue ball’s a sort of Chinese food usually eaten during the Lantern Festival on the fifteenth day of the first moon just after the Spring Festival.» Har noen smakt en sånn?

Det er en mulig komplikasjon her: Den sterke kjernekraften er litt blyg av seg. Se på elektronet, som vi gjerne sier har «negativ ladning». Hva betyr det? Jo, at det har én negativ enhet av det som gjør at den elektromagnetiske kraften legger merke til det – såkalt elektrisk ladning. Protonet, en av (de sammensatte) partiklene i atomkjernen, har én positiv enhet av samme ladning, og dermed trekker de på hverandre – altså via den elektromagnetiske kraften. Nøytronet, den andre av (de sammensatte) partiklene i atomkjernen, har ingen elektrisk ladning, og dermed påvirkes den heller ikke av elektriske felt.

Ser vi nærmere på protonet og nøytronet bryter dette bildet sammen. De er begge satt sammen av kvarker, partikler som har elektrisk ladning. Protonet har to oppkvarker, hver med ladning pluss to tredjedeler, og en nedkvark som har ladning minus en tredjedel. (Tredjedeler av hva? Jo, den ladningen som elektronet og protonet har. Den har en tallverdi, men den betyr ikke så mye så vi forkorter det gjerne til «en» eller «to tedjedel» snarere enn «én enhet elektromagnetisk ladning» o.s.v.) Nøytronet har to nedkvarker og en oppkvark, og hvis du regner litt vil du se at summen av deres ladninger blir null. (+2/3 -1/3 – 1/3 = 0).

Men dette var altså elektrisk ladning, det som den elektromagnetiske kraften reagerer på via utveksling av fotoner. Vi skulle snakke om den sterke kjernekraften, den som i steen bæres via utveksling av gluoner. Den sterke kjernekraften har ikke én type ladning, slik den elektriske har, men tre. Vi kaller dem rød, grønn og blå – eller fargeladning. Og så kommer blygheten: Naturen godtar ikke partikler som ikke er «hvite» eller fargeløse – akkurat som fargene rød, grønn og blå til sammen ser «hvitt» ut på en TV-skjerm.

Protonet og nøytronet består av tre kvarker hver. Hvorfor det? Jo, fordi da kan hver kvark ha hver sin ladning – rød, grønn og blå – og så blir totalen fargeløs.

Tilbake til glueballs, dagens hypotetiske partikkel. Fotonet, som bærer den elektriske kraften, har ikke selv elektrisk ladning. Gluonet, derimot, har fargeladning. Derfor reagerer gluoner på hverandre, og kan tiltrekke hverandre. Og ikke bare det: De har to fargeladninger hver – en farge og en antifarge. (Forvirret? Det er lov. Men det er ikke vanskeligere enn at elektrisk ladning kan være både positiv og negativ.) Ett gluon kan ha fargene rød og antigrønn, for eksempel. Og hva om dette gluonet møtte et annet, med fargene grønn og antirød? Da vil disse to kunne tiltrekke hverandre, og bli til en stabil, fargeløs partikkel. En glueball, altså.

I teorien.

Vi kan til og med, via en teknikk som kalles lattice QCD (mer om det en annen gang), beregne hvor tunge glueballs bør være. Det viser seg at de egentlig for lengst burde vært oppdaget hvis de faktisk finnes – hvis det ikke var for at teorien også sier at de liker å kle seg ut som andre partikler (mixed states, hvis du er ekspert…) og dermed vil være like vanskelige å finne som et spesifikt barn i vampyrdrakt på Halloween.

Så dermed letes det, ganske intenst, ved flere av verdens store partikkelakseleratorer. Å finne en glueball ville nemlig gi oss veldig verdifull informasjon om den fortsatt ganske mystiske sterke kjernekraften. Akkurat hvor tunge er de? Hvordan reagerer de med andre partikler? Er de like uavhengig av om de har rød, grønn eller blå ladning og antiladning i seg? Alt dette ville vært supernyttig kunnskap å få. På den annen side vil det også være interessant hvis de viser seg å ikke eksistere, for ut fra teorien burde de finnes. Hvorfor, i såfall, gjør de ikke det?

Letingen etter glueballs vil fortsette i årene som kommer. Finner vi noe? Følg med, følg med.

7 comments

  1. Bjørn Sørhøy · desember 3, 2012

    Dette må være den flotteste julekalenderen jeg har fått. Lekende forklart, spennende emner og fornøyelig tankevekkende og interessant 🙂

  2. Mathias · desember 4, 2012

    Å, dette er et fantastisk tiltak!

    Utrolig gøy å lese dette for en meget interessert, ung mann (det er greit å si mann når man er 19?), kun med videregåendefysikk – det er så mye vi aldri lærte, som er greit med tanke på tidsbruken, men hjernen tørster alltid etter mer kunnskap!

    Dette med kvarkene (dvs. opp- og nedkvarkene i nøytroner og protoner) leste jeg meg til selv for mange år siden, og det er noe av det mest geniale naturen «har skapt» (som jeg vet om) – hvor perfekt er det ikke at to ulike partikler kan skape noe så «forskjellig» som ladningene 0 og 1? Jeg klarer ikke beskrive hvor perfekt, genialt, utrolig og fascinerende jeg syntes dette var. Jeg ble nesten frelst (hvis det er lov å si).

    Vitenskapen er virkelig noe utrolig vakkert og viser oss utrolig vakre ting. Jeg synes synd på alle som velger bort realfagene på videregående, de går glipp av veldig mye – selv om de selv nok skulle ønske de slapp matematikken allerede på barneskolen.

    Tusen, tusen takk for denne bloggen, eller hva dere nå kaller det, mye forskning og vitenskap er vanskelig nok at det hjelper om den kan formidles på morsmålet 🙂

    God jul, Bjørn og dere andre – jeg ser veldig opp til dere, her og når noen dukker opp i Ekko i P2.

    Dette ble kanskje litt i overkant sentimentalt, men noen lidenskaper skal man jo ha også!

  3. Tilbaketråkk: Hypotetisk partikkelkalender: 5. desember – Pentakvark | Kollokvium
  4. henry · mars 9, 2013

    Simply wish to say your article is as amazing. The clearness to your publish is simply spectacular and that i could assume you’re an expert in this subject. Fine with your permission allow me to take hold of your feed to keep updated with drawing close post. Thank you one million and please carry on the rewarding work.

  5. avoidcowboybuilders.wordpress.com · august 7, 2013

    I have read so many content about the blogger lovers but this piece of writing is genuinely a good paragraph, keep it up.

Legg igjen en kommentar

Fyll inn i feltene under, eller klikk på et ikon for å logge inn:

WordPress.com-logo

Du kommenterer med bruk av din WordPress.com konto. Logg ut / Endre )

Twitter-bilde

Du kommenterer med bruk av din Twitter konto. Logg ut / Endre )

Facebookbilde

Du kommenterer med bruk av din Facebook konto. Logg ut / Endre )

Google+-bilde

Du kommenterer med bruk av din Google+ konto. Logg ut / Endre )

Kobler til %s