elementarpartikler

I 1931 havde W. Pauli foreslået, at der ved processen, hvor elektroner blev udsendt som betapartikler af visse radioaktive kerner, også blev udsendt en usynlig partikel, neutrinoen, der bar en tilsyneladende manglende energi. Neutrinoen, der er elektrisk neutral og har en masse tæt på nul, blev først fundet i 1954. Den vekselvirker så uhyre svagt med stof, at den sagtens kan passere igennem Jorden uden at blive standset. Neutrinoer er karakteristiske for de svage vekselvirkninger, for hvilke E. Fermi i 1934 udviklede en foreløbig teori baseret på neutrinoen. I begyndelsen af 1930'erne kendte man alle fire vekselvirkninger eller naturkræfter, her listet efter stigende styrke: tyngdekraften, de svage vekselvirkninger, elektromagnetismen og de stærke vekselvirkninger.

I 1932 opdagede J. Chadwick neutronen. På dette tidspunkt var man begyndt at anvende den kosmiske stråling som partikelkilde, idet man udnyttede den sekundære stråling, der blev skabt af den kosmiske strålings kollision med den øvre atmosfære. Elementarpartikelfysikerne etablerede laboratorier på toppen af høje bjerge eller sendte eksperimenter op med balloner for at studere strålingen af de nye mystiske partikler.

Netop ved at observere sekundær kosmisk stråling i et tågekammer lykkedes det i 1932 C.D. Anderson at observere den positivt ladede elektron, også kendt som elektronens antipartikel eller positronen; den var blevet forudsagt af P.A.M. Dirac i 1930 ud fra hans ligning fra 1928.

I 1935 udledte den japanske fysiker H. Yukawa på baggrund af teoretiske overvejelser eksistensen af en partikel, der havde en masse med størrelse mellem elektronens og protonens. Yukawa indså, at kræfter, der har en vis karakteristisk rækkevidde, fx de stærke vekselvirkninger, måtte bæres af felter, hvis kvanter optræder som partikler med en masse, der afhænger af rækkevidden efter formlen: masse∙rækkevidde∙lyshastigheden = Plancks konstant; dermed forudsagde han pionens eksistens og masse.

I 1936 blev der faktisk fundet en partikel omtrent med den forudsagte masse. Det var dog ikke den, som Yukawa havde forudsagt, idet den vekselvirkede alt for svagt med atomkerner; partiklen blev (fejlagtigt) døbt my-meson, men blev senere omdøbt til myon, da man opdagede, at den tilhørte klassen af såkaldte leptoner, og at den derfor var beslægtet med elektronen. Yukawas pion eller pi-meson blev opdaget i 1947.

Kosmisk stråling var den vigtigste partikelkilde indtil slutningen af 1950'erne, men den var besværlig at bruge pga. strålingens lave intensitet. Partikelfysikerne kunne gå mere systematisk til værks, da den første accelerator, som kunne opnå energi af størrelsen GeV, var færdig i 1952. De nye kraftige acceleratorer blev anvendt til at søge efter antiprotonen, der blev fundet i 1955 med Bevatronen ved University of California ved Berkeley.

Fra midten af 1950'erne og indtil 1980'erne blev acceleratorernes partikelenergi ca. 10 gange højere for hvert årti. Detektorudstyret udviklede sig også. I begyndelsen af 1950'erne kom en mere avanceret erstatning for tågekammeret, det såkaldte boblekammer; senere kom der mange flere og endnu mere avancerede detektorer.

I begyndelsen af 1950'erne blev der opdaget nogle nye mesoner og baryoner, der blev betegnet som sære (eng. strange) partikler, fordi de villigt lod sig producere, men uvilligt henfaldt. I 1954 "forklarede" bl.a. M. Gell-Mann sære partikler med et særligt kvantetal, særhed, der var bevaret i stærke vekselvirkninger, men brudt i svage.

I 1964 foreslog Gell-Mann og G. Zweig uafhængigt af hinanden, at baryoner og mesoner bestod af mindre byggesten, som Gell-Mann kaldte kvarker. Ifølge kvarkteorien skulle en baryon bestå af tre kvarker, og en meson af en kvark og en antikvark. Herved kunne alle de mange kendte partikler forstås ved hjælp af blot tre forskellige kvarker, der blev kaldt up-, down- og strange-kvarken. Der blev senere opdaget yderligere tre kvarker.

Særhed betød, at partiklen indeholdt en eller flere strange-kvarker. Kvarkerne måtte have meget mærkelige egenskaber — fx skæve elektriske ladninger på hhv. ²/₃ og −¹/₃ af en protonladning, hvilket aldrig var set. Endvidere måtte kvarkerne være påvirket af kræfter så stærke, at de aldrig slap ud af deres baryoner eller mesoner. Men de skulle også kunne bevæge sig næsten frit omkring inden i baryoner og mesoner. Derfor blev kvarkteorien i begyndelsen mødt med betydelig skepsis.

I løbet af 1960'erne havde S.L. Glashow, A. Salam og S. Weinberg uafhængigt af hinanden og ret ubemærket udviklet en ny forenet teori for de svage og de elektromagnetiske vekselvirkninger for elektroner og myoner. Denne GSW-teori var baseret på såkaldte Yang-Mills feltteori-konstruktioner fra begyndelsen af 1950'erne og inkluderede desuden kvanteelektrodynamikken fra omkring 1950, der redegør uhyre præcist for elektroners og myoners elektromagnetiske vekselvirkninger.

I denne periode forøgedes acceleratorernes størrelse voldsomt, og detektorer som boblekammeret blev afløst af komplicerede elektroniske detektorer med kapacitet til at opsamle og computeranalysere store mængder data på kort tid. Fra slutningen af 1960'erne gennemførtes ved SLAC-laboratoriet i Californien en række skelsættende eksperimenter med højenergetiske elektroner skudt mod atomkerner. Resultaterne kunne efterhånden fortolkes på den måde, at protoner og neutroner består af næsten frie, punktformede kvarker, der svæver omkring inden i dem.

Ca. 1970 fik man den idé at formulere GSW-teorien for kvarker i stedet for mesoner og baryoner, hvad man havde gjort i 1960'erne. Herved forudsagde man en fjerde kvark, charm-kvarken. Skepsis mod kvarkteorien blev ikke mindre af, at der nu yderligere skulle være en fjerde kvark, der ikke var blevet observeret endnu.

I 1974 indtraf elementarpartikelfysikkens "novemberrevolution". Eksperimenter ledet af S. Ting ved Brookhaven og B. Richter ved SLAC i Stanford fandt en ny, tung partikel, over tre gange tungere end en proton. Denne meson, der blev kaldt J ved Brookhaven og Psi ved SLAC, havde en forbavsende lang levetid på ca. 10^-20 s, hen ved 10.000 gange længere end man skulle vente. J-Psi-partiklens egenskaber viste sig at passe perfekt med, at den var en meson bestående af charm- og anti-charmkvarker. Efter dette forstummede al kritik af kvarkmodellen.

I 1975 fandt man endnu en lepton, kaldt tau, der var 17 gange så tung som myonen. I 1977 blev en endnu tungere meson observeret ved Brookhaven. Partiklen, der blev kaldt ypsilon, var ca. 10 gange tungere end en proton, og den bestod ligesom J-Psi af en kvark og en antikvark. Men dens masse indikerede, at den bestod af en ny kvark, der blev kaldt bottom-kvarken og dens antikvark. Den 6. kvark, top-kvarken, blev fundet i 1995.

I 1974 kom der en teori for de stærke vekselvirkninger, den såkaldte kvantekromodynamik, (Quantum Chromo Dynamics, QCD), der var formuleret for kvarker og var baseret på kvarkers farveladninger. Den er siden ligesom GSW-teorien blevet eksperimentelt eftervist med meget høj grad af overensstemmelse. Teorien forudsagde jet-fænomenet, hvad der overbevisende bekræfter kvarkernes eksistens. Ligesom elektricitet og magnetisme formidles af felter med fotonkvanter, formidles i kvantekromodynamikken de stærke vekselvirkninger af felter med såkaldte gluonkvanter, der i 1979 netop blev påvist som jets.

Ifølge GSW-teorien skulle de svage vekselvirkninger formidles af W⁺, W^- og Z⁰-partiklerne med masser på ca. 100 gange protonens. Før 1973 kendtes eksperimentelt kun svage vekselvirkninger formidlet af W-partikler, som fx neutronhenfaldet, men partiklerne var endnu ikke observeret. Det var de for tunge til med den tids acceleratorer. De første antydninger af Z⁰-partiklens eksistens blev fundet ved CERN i 1973. Op gennem 1970'erne gav nye eksperimenter en endnu større tro på teorien. W- og Z-partiklerne blev endelig fundet på CERN i 1983, efter at man havde ombygget acceleratoren, så den kunne lade antiprotoner kollidere med protoner. De observerede partiklers masser passede perfekt med GSW-teorien.

I 1989 åbnede CERN sin LEP accelerator (Large Electron Positron Collider), med en omkreds på ca. 27 km. Dens modsatrettede elektron- og positronstråler masseproducerede Z⁰-partikler frem til 2000. Disse undersøgelser har i meget høj grad understøttet Standardmodellen.

Hadroner består af kvarker, der er fermioner, dvs. har halvtalligt spin. Hadronerne kan opdeles efter deres kvarkindhold: Baryonerne består af tre kvarker, og mesoner består af en kvark og en antikvark.

Kvarker har helt specielle egenskaber, fx har de elektriske ladninger af størrelsen −¹/₃ og +²/₃ af protonladningen, som ellers blev anset som den elementære enhed for ladning. Anti-kvarker har modsatte ladninger.

Kvarker kan ikke eksistere enkeltvis, men kun sammen med andre kvarker i det indre af hadronerne. Kvarkers status som fermioner gav oprindelig anledning til en alvorlig vanskelighed. Visse baryoner forstås nemlig kun, når deres tre kvarker tilsyneladende er i samme kvantetilstand, hvilket ikke er tilladt ifølge Pauliprincippet. Løsningen har været at tillægge alle kvarker en ny egenskab (en indre frihedsgrad), symbolsk kaldt farve. Dette "farve"-begreb i elementarpartikelfysikken har intet at gøre med farve i sædvanlig forstand. Der findes tre forskellige farver (blå, rød og grøn), og de tre kvarker i en baryon er i forskellige farvetilstande; derved bliver baryonen "hvid". Kvarken og antikvarken i en meson har "komplementærfarve": Mesoner er også "hvide". Det har været muligt eksperimentelt at påvise, at der findes netop tre kvarkfarver.

Der er fundet seks forskellige varianter af kvarker: up og down, charm og strange, top og bottom. På nær top-kvarken, der lever for kort tid, er disse kvarker hadronernes byggesten. Fx har en proton ladningen +1. Protonens kvarkindhold er up+up+down, hvor up-kvarken har ladningen ²/₃, og down-kvarken har ladningen −¹/₃. Neutronen, der indeholder kvarkerne up+down+down, er elektrisk neutral.

De seks forskellige kvarker, seks leptoner og gaugebosonerne er tilsyneladende fuldstændigt elementære partikler og er som sådan strukturløse, i hvert fald ved de energier vi kan producere i dag. Kvarkerne og leptonerne inddeles i tre generationer: up- og down-kvarken sammen med elektronen og dens neutrino; charm- og strange-kvarken sammen med myonen og myon-neutrinoen; og endelig top- og bottom-kvarkerne med tau-partiklen og tau-neutrinoen.

De tre generationer afviger fra hinanden ved de energiniveauer, hvorved de dannes. Kun den første generation kan overleve i Universet ved de energitilstande, der hersker nu. Således består atomer kun af neutroner og protoner (begge er opbygget af up- og down-kvarkerne) og elektroner. De to andre partikelgenerationer kræver højere energier for at blive dannet, dvs. energitilstande, som eksisterede ved big bang og i meget kort tid derefter, eller som kan frembringes i acceleratorer eller ved kollision mellem kosmisk stråling og partikler i den øvre atmosfære. Når de dannes, henfalder de næsten straks til partikler af første generation.

I elementarpartikelfysik udnyttes det, at elementarpartikler kan dannes og forsvinde ved vekselvirkning med andre partikler. Der kan ske en delvis omdannelse mellem energi og masse. Oprindeligt blev den mest almindelige type eksperimenter udført ved, at en partikelstråle fra en accelerator bliver sendt mod et fast target ('mål') som fx kernerne i et boblekammer. En del af partikelstrålens energi bliver så omdannet til nye elementarpartikler.

Men man har også med stort held anvendt en anden teknik, hvor modsatrettede stråler af partikler og antipartikler bringes til at annihilere med hinanden, fx annihilationen af et elektron-positron-par. Elektronerne dannes omtrent som i elektronstrålen i et gammeldags fjernsyns billedrør. Positronerne kan dannes ved sammenstød mellem energirige elektroner og et stationært mål, fx en kobberplade. Positronerne sorteres fra og accelereres. Elektroner og positroner opsamles i modsat rettede stråler, og i eksperimentet bringes de to slags partikler til at annihilere. Når elektroner og positroner annihilerer ved relativt lave energier, dannes to eller tre gammakvanter (fotoner) med den totale energi 2mc², hvor m er elektronens og positronens hvilemasse, og c er lysets hastighed. Henfald til en enkelt foton er umulig, da en sådan proces ikke både kan bevare energien og impulsen. Men ved store energier, som de der anvendes i partikelfysikeksperimenter, opstår netop i et kortvarigt øjeblik en såkaldt "virtuel" foton, som straks derefter materialiserer sig i nye partikler. Der kan fx dannes et nyt elektron-positron-par eller et myon-antimyon-par eller, hvad der er mest almindeligt, et kvark-antikvark-par. I alle tilfælde er den samlede energi af partiklerne i begyndelsessituationen lig med den samlede energi af partiklerne i slutsituationen. Dannes et kvark-antikvark-par, bliver de to kvarker til to byger, såkaldte jets af hadroner. Jo større sammenstødsenergien er, desto mere energi er der til rådighed til dannelsen af nye partikler. I f.eks. Cern's seneste accelerator, LHC acceleratoren, studeres sammenstød mellem modsatrettede protonstråler.

Protoner, elektroner, fotoner og neutrinoer er stabile partikler. Med undtagelse af neutronen, som har en middellevetid på omkring et kvarter, er de øvrige ustabile og henfalder meget hurtigt til de nævnte. Nogle få elementarpartikler lever så lang tid, at de kan bevæge sig op til flere meter, nok til at kunne afsætte et spor i en detektor. Således lever myonen 2,2∙10^-6 s og pionen 2,6∙10^-8 s.

Men langt de fleste elementarpartikler lever så kort tid, at de ikke kan nå at afsætte spor, og så kort at deres levetid ikke direkte kan måles. Disse såkaldte resonanser lever ca. 10^-23 s. De observeres ved, at når de henfalder i hvile, så har den samlede energi af deres henfaldsprodukter en karakteristisk værdi, der er knyttet til resonansens masse efter Einsteins formel: E = mc². Resonansens masse er udtværet med en karakteristisk bredde, der efter kvanteteorien er relateret til levetiden efter formlen: levetid∙resonansbredde = Plancks konstant.

QCD er baseret på en gaugegruppe, som er ikke-abelsk, hvor altså rækkefølgen af to gaugetransformationer spiller en rolle. Gruppen baseres på kvarkers indre frihedsgrad, farven, som forekommer med tre uafhængige værdier. Et kvarkfelt afviger fra elektronfeltet ved at kunne pege i en indre retning i det abstrakte tredimensionale, komplekse farverum. En gaugetransformation af kvarkfeltet beskriver en drejning af feltet i dette rum. Sådanne drejninger udgør en matematisk gruppe, kaldt SU(3).

QCD generaliserer elektromagnetismen derved, at farverne erstatter de elektriske ladninger. Der optræder herved farveelektriske og farvemagnetiske felter, som selv får farver. Et almindeligt elektrisk felt begynder i en positiv ladning og ender i en negativ. De farveelektriske felter kan begynde i en kvarkfarve (fx blå) og ende i en anti-kvarkfarve (fx antirød). Da der er tre af hver slags farve, giver det i alt ni forskellige felter, men én kombination er fuldstændig neutral (hvid) og kan identificeres med fotonen. Der er således otte egentlige gluonfelter tilbage. En rød kvark kan skifte farve og blive blå, hvis den udsender en gluon med rød+antiblå farver. De otte uafhængige gluonfelter må tillægges ganske bestemte gaugetransformationer, og kravet om gaugeinvarians fastlægger sammen med kravet om renormaliserbarhed teorien fuldstændigt, altså hvordan kvarker vekselvirker med gluoner og via dem med hinanden. En afgørende ny pointe ved ikke-abelske gaugeteorier er, at også gaugefelterne indbyrdes vekselvirker med hinanden.

Gluonfelternes farveladning er årsagen til den såkaldte asymptotiske frihed, der går ud på, at kvarker optræder frit dybt i det indre af protoner og neutroner, men ikke kan slippe fri af deres "partikelfængsel" og optræde frit udenfor. Det er endnu ikke lykkedes at udlede kvarkindespærring som en konsekvens af QCD, selvom lignende fænomener nu er forstået ved lidt andre og mere symmetriske teorier. Det er også kun i store træk forstået, hvorledes kvarker og gluoner formidler kernekræfter ved hjælp af især pionen, som Yukawa beskrev det.

GSW-teorien forener delvis de svage vekselvirkninger og elektromagnetismen. Teorien er baseret på gruppen, SU(2), af rotationer i et todimensionalt komplekst rum samt på U(1)-gruppen ligesom i QED. De to dimensioner skyldes, at kvarker og leptoner forekommer i par: elektronen med sin neutrino, up-kvarken med sin down-kvark. GSW-teoriens generaliserede elektriske felter kan så begynde og ende i to slags generaliserede ladninger. Derfor er der fire slags felter, hvis kvanter er W⁺, W^-, Z⁰ og fotonen. De har alle spin 1 ligesom gluonerne.

GSW-teorien adskiller sig afgørende fra QED og QCD ved to forhold:

1) For en proces, der optræder i QCD og QED, kan processens spejlbillede optræde med samme sandsynlighed; QCD og QED er spejlings- eller paritetsinvariante. Tilsvarende gælder det, at QCD og QED er invariante under partikel-antipartikel-ombytning eller ladningskonjugering. I 1956 opdagede man, at sådan er det ikke med de svage vekselvirkninger. Fx findes neutrinoer kun med ét spin, eller mere korrekt én såkaldt helicitet, der gør dem til venstreskruer; spejlbilledet, en højreskrue, findes ikke. Antineutrinoer findes derimod kun som højreskruer. Denne beskrivelse gælder strengt taget kun, hvis neutrinoerne er eksakt masseløse, og vi ved nu, at de faktisk har en masse, om end den blot er henved en milliontedel af elektronmassen. Dette forhold ændrer dog ikke den formelle matematiske beskrivelse, hvad angår neutrinoers koblinger til W- og Z-bosoner. Forholdet betyder alene, at det ikke er helt (men dog næsten) korrekt at tale om neutrinoer med kun en enkelt helicitet.

2) Gluoner i QCD (og fotoner i QED) er masseløse, mens W- og Z-partiklerne er blandt de tungeste kendte fundamentale partikler; deres masser er ca. 600 gange større end pionernes masser. Det betyder, at W- og Z-felternes rækkevidde er meget lille: ¹/₆₀₀ af de stærke kernekræfters rækkevidde, som ca. er en protondiameter, 10^-15 m. Fænomenet behandles i Standardmodellen som helt analogt til Meissner-effekten i superledning, hvor magnetfelter har en begrænset rækkevidde i et superledende metal. Et særligt Higgs-felt (analogt til feltet af Cooperpar i en superleder) bevirker, at det tomme rum (vakuum) opfører sig som en superleder for W- og Z-partiklerne. Dette kaldes Higgs-mekanismen. Det er den meget begrænsede rækkevidde for disse felter, der får de svage vekselvirkninger til at se svage ud. Inden for deres rækkevidde er de ikke svagere end elektriske kræfter.

Mange års omhyggelige eksperimentelle undersøgelser har eftervist GSW-teorien i stor detalje. Specielt tyder alt på, at det omtalte Higgs-felt eksisterer som forudsagt. Den endelige bekræftelse herpå kom i 2012. Tidligere kunne man kun bekræfte Higgs-feltets eksistens i dets vakuumtilstand, hvor det så at sige ligger helt stille, men – mærkeligt nok – med en værdi forskellig fra nul. Men man ønskede naturligt nok at undersøge, om feltet nu også kunne ”anslås” som de øvrige felter og derved danne en karakteristisk bølge, der skulle vise sig som den berømte Higgs-boson, en elementarpartikel med ganske kort levetid og en række karakteristiske egenskaber. I 2012 blev partiklen fundet ved det europæiske partikelfysikcenter, CERN, og siden har yderligere undersøgelse bekræftet, at den netop har de egenskaber, der blev forudsagt af Standardmodellen, som derved har fået eksistensen af sin sidste forudsagte partikel bekræftet.