Joanna Rose
Materiens minsta beståndsdelar – kvarkar – lever ett liv i fångenskap för evigt fjättrade till varandra. Årets nobelpristagare, David J. Gross, Frank Wilczek och H. David Politzer, beskrev varför man nästan aldrig kan se dem fria.
Kvarkar dök upp i fysiken i ren desperation. Sedan 1950-talet har fysikerna ständigt upptäckt nya partiklar. Men de passade inte in i den bild man då hade av materien som bestående av atomer med neutroner och protoner i kärnan och elektroner runtom. Det grekiska alfabetet räckte knappt till när man försökte få ordning på de nya elementarpartiklarna. Något måste ligga under den kaotiska ytan – och detta blev just kvarkar.
Kvarken, uppkallad med ett nonsensord från James Joyce, kom till i huvudet på den amerikanske fysikern Murray Gell-Mann (och samtidigt hos en annan amerikansk fysiker, George Zweig), inte som en partikel men som en matematisk idé, en minsta legobit med vilken man kan pussla ihop materien. Kvarkarna hade en del overkliga egenskaper, som att de bar en laddning som bara var en bråkdel av den minsta kända elektriska laddningen hos elektronen.
Så förvåningen var stor när experiment i den linjära acceleratorn i Stanford, USA, visade att det inuti protoner faktiskt gömmer sig tre små gryn, kvarkarna. Fritt rör de sig därinne, omedvetna om de krafter som håller dem fångna. För att få syn på en ensam kvark krävs oerhört höga energier, för kvarkar förekommer bara i par, eller som trio inuti protonen eller neutronen. År 2003 upptäcktes också en kvarkkvintett. Men de släpper svårligen varandra. Hur kommer det sig?
I juni 1973 publicerades två artiklar i den ansedda tidskriften Physical Review Letters som löste gåtan med de inspärrade kvarkarna. Det är för det arbetet som Gross och hans då 21-åriga doktorand Wilczek samt en annan ung forskarstuderande, Politzer, då 23 år, får årets nobelpris i fysik. Alla tre pristagarna är amerikaner och verksamma vid universitet i USA. Asymptotisk frihet blev lösenordet för paradoxen med de på en gång fria och ofria kvarkarna. Inneslutna är kvarkarna fria, men så fort de försöker lämna sällskapet gör sig gränserna för friheten märkbara.
Den epokgörande idén var att beskriva kraftfältet runtom kvarkarna genom att vända på tecknet: från plus till minus. Den s.k. starka kraften, som råder mellan kvarkarna, ökar med avståndet mellan dem i stället för att avta, sade nobelpristagarna. Det vanliga är annars att kraften minskar – magnetiska fält är svagare längre bort från magneten, jordens dragningskraft minskar högre upp mot himlen. Men den starka kraften håller allt hårdare grepp om kvarkarna ju längre de glider från varandra.
Att slita isär kvarkarna är som att dela på magnetens två poler – det går inte. Så fort man tudelar magneten uppstår två nya magneter, båda med nord och syd i var sin ände. När man försöker åtskilja två kvarkar bildas i stället ett nytt kvarkpar, en s.k. mesonpartikel, som består av en kvark och en antikvark. Så snart energin räcker till bildas alltså en meson, medan det gamla kvarkparet återgår till sin vanliga tillvaro.
Upptäckten ledde också till att man nu har fått en teori för stark växelverkan, den s.k. kvantkromodynamiken, QCD. Teorin har många likheter med en annan teori som beskriver elektromagnetismen, kvantelektrodynamiken, QED. I QED förmedlar fotoner den elektromagnetiska kraften, som verkar mellan två laddade partiklar. QCD beskriver växelverkan mellan kvarkarna som utbyte av en annan partikel – gluon. Till skillnad från fotoner som inte är elektriskt laddade bär gluoner på en s.k. färgladdning. Häri ligger nyckeln till en annan gåta som plågade fysiken – hur tre lätta kvarkar kan bygga upp den nästan hundra gånger tyngre protonen. Med gluonernas hjälp går det utmärkt.
Teorin saknar dock fortfarande vissa andra förklaringar, som varför kvarkarna egentligen måste hållas inspärrade. Inte heller är det helt klart vad som händer när man försöker befria kvarkarna.
Men som beräkningsverktyg är teorin oöverträffad – utan den kan man inte tolka vad som händer i partikelacceleratorer när kvarkar krockar med varandra. Så kommer också att ske i världens kraftfullaste kollisioner mellan protoner i LHC-maskinen, som just nu är under uppförande vid CERN utanför Genève. Med hjälp av den hoppas man ta ännu ett steg mot att uppfylla den gamla drömmen om att förena alla fyra grundläggande naturkrafter i en teori om allting, ”the grand unified theory of everything” som den brukar kallas.
Temaartikel ur Nationalencyklopedins årsbok 2004
Nobelpriset 2004: Fysik
http://www.ne.se/rep/nobelpriset-2004-fysik
Nationalencyklopedin, 2012-05-27
Kopiera källangivelse
