• Artiklens indhold er godkendt af redaktionen

elementarpartikler

Oprindelig forfatter JLPe Seneste forfatter Redaktionen

Elementarpartikler. En computer-rekonstruktion af en begivenhed i DELPHI-detektoren ved LEP-acceleratoren (CERN). De fuldt optrukne linjer er den tøndeformede detektor med en diameter på ca. 10 m. Elektronen og positronen kommer ind fra hver sin side langs detektorens akse og annihilerer i midten. Det dannede kvark-antikvark-par er forvandlet til to jets af hadroner (mest pi-mesoner); deres spor er optegnet. Sporenes krumning skyldes det påtrykte magnetfelt, som anvendes til at måle partiklernes impuls. De to partikelsprøjt kan opfattes som en af de mest slående bekræftelser på kvarkteorien. De to jets fungerer næsten som  kvarkspor. Jets bliver tydeligere ved højere energier; den viste begivenhed er optaget ved Z-massen 91,2 GeV.

Elementarpartikler. En computer-rekonstruktion af en begivenhed i DELPHI-detektoren ved LEP-acceleratoren (CERN). De fuldt optrukne linjer er den tøndeformede detektor med en diameter på ca. 10 m. Elektronen og positronen kommer ind fra hver sin side langs detektorens akse og annihilerer i midten. Det dannede kvark-antikvark-par er forvandlet til to jets af hadroner (mest pi-mesoner); deres spor er optegnet. Sporenes krumning skyldes det påtrykte magnetfelt, som anvendes til at måle partiklernes impuls. De to partikelsprøjt kan opfattes som en af de mest slående bekræftelser på kvarkteorien. De to jets fungerer næsten som kvarkspor. Jets bliver tydeligere ved højere energier; den viste begivenhed er optaget ved Z-massen 91,2 GeV.

elementarpartikler, de dele af stoffet, der er mindre end atomer og atomkerner. Studiet af elementarpartiklernes fysik er studiet af materiens inderste egenskaber og de fysiske loves mest fundamentale udtryk. Antallet af kendte elementarpartikler var få indtil 1940'erne, men i 1950'erne og 1960'erne steg antallet voldsomt. Mangfoldigheden af partikler virkede meget forvirrende, men i 1970'erne indtraf et gennembrud i forståelsen af elementarpartiklernes fysik. Resultatet omtales som Standardmodellen, der er et hovedresultat af 1900-t.s fysik.

Siden slutningen af 1940'erne har elementarpartikelfysik været en selvstændig gren af atom- og atomkernefysik. Der er betydelig forskel mellem atom-, atomkerne- og elementarpartikelfysik mht. såvel eksperimentelt udstyr som anvendte teoretiske metoder. Det skyldes dels store forskelle i størrelsen af atomer, atomkerner og elementarpartikler, dels forskellen i de karakteristiske energiniveauer. Mens dimensionerne i atomfysik er ca. 10-10 m, er de i kernefysik 10-15 m og i elementarpartikelfysik ned til 10-18 m. Tilsvarende måles energiforskelle i atomer i eV (elektronvolt), i atomkerner i MeV og i elementarpartikler i GeV. Sammenhængen er relateret til Heisenbergs ubestemthedsrelationer i kvantemekanikken. På grund af de store energier kaldes elementarpartikelfysik også højenergifysik. Navnet subatomar fysik refererer til både atomkerne- og elementarpartikelfysik.

Mens eksperimentelt udstyr i atomfysikken kan huses i et beskedent laboratorium, er de største acceleratorer til elementarpartikelfysik mange kilometer i omkreds. Disse kan accelerere protoner op til en energi på 6500 GeV (2016); de store energier er nødvendige for at studere de små partikler. De tilhørende laboratorier: CERN, DESY, FNAL, SLAC mfl. drives som store industrikomplekser med flere tusinde medarbejdere. Detektorsystemerne, som er på størrelse med huse, udnytter den nyeste informationsteknologi til at spore og registrere partiklerne, og hver detektor beskæftiger flere hundrede fysikere. De store energier og de små dimensioner betyder, at den teoretiske beskrivelse af elementarpartikler og deres vekselvirkninger bliver mere kompliceret end for atom- og atomkernefysik. Kun i elementarpartikelfysik kommer relativitetsteori og kvanteteori samtidig til fuld udfoldelse, og det er den gren af fysikken, der beskæftiger sig med de mest grundlæggende naturlove, hvorfra alle andre naturlove i princippet er afledt.

Annonce

Elementarpartikler. Såkaldte Feynman-diagrammer, der viser svage henfald af myon og en neutron. Ved hjælp af Feynman-regler kan diagrammerne anvendes til at beregne sandsynligheden for henfald. De giver også en idé om henfaldets tidslige forløb. Tiden skal tænkes løbende fra venstre mod højre. Hver linje repræsenterer en partikel. Fermioner har en pil i tidens retning, antifermioner en pil i modsat retning.

Elementarpartikler. Såkaldte Feynman-diagrammer, der viser svage henfald af myon og en neutron. Ved hjælp af Feynman-regler kan diagrammerne anvendes til at beregne sandsynligheden for henfald. De giver også en idé om henfaldets tidslige forløb. Tiden skal tænkes løbende fra venstre mod højre. Hver linje repræsenterer en partikel. Fermioner har en pil i tidens retning, antifermioner en pil i modsat retning.

Eksperimentel partikelfysik har bidraget indirekte til bl.a. udviklingen af informations- og superledningsteknologi og medicinsk udstyr. Se også baryon, meson, lepton og kvark.

Historie

Opdagelsen af radioaktiviteten, elektronen og protonen i slutningen af 1800-t. og begyndelsen af 1900-t. havde gjort det klart, at atomet ikke er udeleligt, men at det består af en atomkerne, indeholdende protoner, med elektroner kredsende omkring. Endvidere blev partikelfysikernes nøgleredskaber, den specielle relativitetsteori og kvantefysikken, udviklet i hhv. 1905 og ca. 1925.

1900-50

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.

Elementarpartikler. Målepunkter for hyppigheden af sammenstød mellem  e+ og  e- i LEP-acceleratoren ved forskellige energier hen over energien svarende til  Z0-resonansens masse på 91,19 GeV/c2. Resonansformen med en bredde på 2,49 GeV ses tydeligt. De tre kurver viser teoretiske forudsigelser baseret på eksistensen af hhv. to, tre og fire neutrinoarter. Der er perfekt overensstemmelse med antagelsen for tre neutrinoarter. Data er fra ALEPH-detektoren.

Elementarpartikler. Målepunkter for hyppigheden af sammenstød mellem e+ og e- i LEP-acceleratoren ved forskellige energier hen over energien svarende til Z0-resonansens masse på 91,19 GeV/c2. Resonansformen med en bredde på 2,49 GeV ses tydeligt. De tre kurver viser teoretiske forudsigelser baseret på eksistensen af hhv. to, tre og fire neutrinoarter. Der er perfekt overensstemmelse med antagelsen for tre neutrinoarter. Data er fra ALEPH-detektoren.

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.

1950-70

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.

1970-96

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.

Elementarpartikler. Henfald af en negativ kaon (K-) til en negativ pion (π-) og en neutral pion (π0) i et boblekammer ved Lawrence Berkely Laboratoriet. Den neutrale pion henfalder øjeblikkeligt til to gammakvanter (γ), hvis spor er afbildet med stiplede linjer i diagrammet. Idet de to gammakvanter rammer en blyplade i kammeret, omdannes begge til et elektron-positron-par (e+) og (e-). Pga. boblekammerets magnetiske felt drejer de negative partiklers spor mod højre, og de positive mod venstre. Spiralen for enden af den ene negative elektrons spor er en anden elektron, der er blevet slået ud af et atom i boblekammerets væske.

Elementarpartikler. Henfald af en negativ kaon (K-) til en negativ pion (π-) og en neutral pion (π0) i et boblekammer ved Lawrence Berkely Laboratoriet. Den neutrale pion henfalder øjeblikkeligt til to gammakvanter (γ), hvis spor er afbildet med stiplede linjer i diagrammet. Idet de to gammakvanter rammer en blyplade i kammeret, omdannes begge til et elektron-positron-par (e+) og (e-). Pga. boblekammerets magnetiske felt drejer de negative partiklers spor mod højre, og de positive mod venstre. Spiralen for enden af den ene negative elektrons spor er en anden elektron, der er blevet slået ud af et atom i boblekammerets væske.

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.

Elementarpartikelfamilien

Man kender i 2000-t. flere hundrede elementarpartikler; medlemmerne af hver art er fuldstændig identiske. Alle elementarpartikler har antipartikler, men hos enkelte er partikel og antipartikel ens. Kun ganske få elementarpartikler er stabile, de øvrige henfalder i løbet af ganske kort tid til de stabile.

Historisk blev elementarpartiklerne først navngivet efter deres masser. Partiklerne med lavest masse blev kaldt leptoner; den mest kendte er elektronen. Senere er der fundet to tungere leptoner: myonen og tau-partiklen, der dog er tungere end atomkernepartiklerne, neutronen og protonen. Dertil kommer tre forskellige neutrinoer: elektron-neutrinoen, myon-neutrinoen og tau-neutrinoen. De antoges oprindeligt at have masse = nul lige som fotonen og dermed altid flyve med lyshastighed. Undersøgelser siden 1998 har godtgjort, at deres masser faktisk ikke er nul, men dog henved en million gange mindre end elektronmassen, den ellers mindste kendte masse. Det forhold, at nutrinoerne har masse, medfører den ejendommelige mulighed, at de ifølge kvanteteorien kan skifte identitet, så en elektron-neutrino for eksempel kan forvandles til en myon-neutrino. Denne omstændighed har overbevisende kunnet forklare en tilsyneladende mangel på elektron-neutrinoer fra Solen, det såkaldte solar neutrino problem.

Mesoner var oprindelig partikler med masser mellem myonens og atomkernepartiklernes, men siden er der fundet langt tungere mesoner. De mest almindelige mesoner i partikelfysikeksperimenter er pionen og K-mesonen.

Protonen, neutronen og tungere beslægtede partikler, der kaldes hyperoner, kaldtes samlet baryoner, fordi de var de tungeste, men nu kendes mesoner langt tungere end nogen baryon. Alle baryoner henfalder før eller siden til en proton.

Fermioner og bosoner

Ifølge kvanteteorien forekommer elementarpartikler med spin, der er hele eller halve multipla af Plancks konstant. Partikler med heltalligt spin kaldes bosoner, partikler med halvtalligt spin kaldes fermioner. Fermioner kaldes også "stofpartikler". De adlyder Pauliprincippet, der forbyder to fermioner at være i samme kvantetilstand; fermioner virker derfor "hårde". Fermionerne omfatter leptonerne, der ikke påvirkes af de stærke vekselvirkninger, og baryonerne, der påvirkes af samtlige vekselvirkninger. Bosoner kaldes "kraftpartikler", idet de formidler vekselvirkninger mellem elementarpartiklerne. De kan optræde i samme kvantetilstand og fx danne klassiske felter, som når fotoner danner elektriske og magnetiske felter. Bosonerne omfatter mesonerne og de såkaldte gaugebosoner.

Elementarpartikler
GAUGEBOSONER
navnsymbolmasse [GeV/c2]spintypisk henfaldresonans-breddeopdaget
fotonγ01stabilstabilo. 1900
gluong01--1979
W-bosonW8012 jets2,1 GeV1983
Z-bosonZ91,1912 jets2,49 GeV1983
LEPTONER OG KVARKER
navnsymbolladning masse [GeV/c2]spintypisk henfaldmiddel-levetidopdaget
leptoner (hertil kommer alle antileptoner; anti-neutrinoer noteres med en streg over neutrinosymbolet)
elektron-neutrinoVe0ca. 10-91/2formentlig stabilformentlig stabil1931/1954
elektrone--10,0005109991/2stabilstabil1897
myon- neutrinoVμ0ca. 10-91/2formentlig stabilformentlig stabil1962
myonμ--10,10565841/2Vμe-e2,1970∙10-6 s1936/1947
tau- neutrinoVτ0ca 10-91/2formentlig stabilformentlig stabil(1975)
tauτ--11,7771/2 + 2 jets2,9∙10-13 s1975
kvarker (hertil kommer alle antikvarker)
upu +2/30,0051/2stabilstabil1911/1964
downd-1/30,011/2ue-e-1932/1964
charmc+2/31,51/2se+Ve10-13 s1974
stranges-1/30,21/2ue-e10-8 s1947/1964
topt+2/3172,41/2be+Ve5∙10-25 s1995
bottomb-1/34,71/2ce-e10-13 s1977
Higgs-bosonen
Higgs-bosonenH001250W+ W-1,56∙10-22 s2012

Fotonen (lyskvantet) er den mest velkendte gaugeboson. Den er masseløs, og den har spin 1. Den formidler de elektromagnetiske kræfter, som bl.a. holder den negativt ladede elektron i "bane" om den positive atomkerne. Teorien for, hvordan elektroner påvirkes af elektromagnetismen kaldes kvanteelektrodynamikken eller QED (eng. Quantum Electro Dynamics).

Den anden naturkraft, de svage vekselvirkninger, der bl.a. er årsag til beta-radioaktivitet, formidles af tre gaugebosoner W-, W+ og Z0-partiklerne, der som de eneste gaugebosoner har masser; deres masse err næsten 100 gange protones masse. De svage vekselvirkninger og elektromagnetismen bliver samlet kaldt de elektrosvage vekselvirkninger, der bliver beskrevet af GSW-teorien.

De stærke vekselvirkninger er ansvarlige for de stærke kernekræfter; de formidles af nogle gaugebosoner, kaldt gluoner, der som fotoner er masseløse. De stærke vekselvirkninger beskrives af kvantekromodynamikken. Partikler, der påvirkes af de stærke vekselvirkninger, kaldes hadroner; de omfatter alle mesoner og baryoner. Hadronerne udgør hovedparten af de flere hundrede kendte elementarpartikler.

Teorierne for elektromagnetisme samt de stærke og svage vekselvirkninger udgør tilsammen Standardmodellen.

Kvarker

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.

Partikelgenerationer

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.

Fast-target eksperimenter og partikelannihilation

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.

Ustabile partikler og resonanser

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.

Elementarpartikler og kosmologi

At vi i dag forstår elementarpartiklernes fysik op til energier på flere 1000 GeV betyder, at man i kosmologien kan beskrive skabelsesprocessen, fra da Universet var mindre end 10-11 s gammelt. Vi kan tegne et billede af, hvad der skete, baseret på kosmologiske modeller fra den almene relativitetsteori kombineret med elementarpartikelfysik.

Ifølge disse modeller var Universet 1015 grader varmt, da det var 10-11 s gammelt. På dette tidspunkt udskilte de svage vekselvirkninger sig fra de elektromagnetiske. Der var næsten lige mange kvarker og antikvarker med en meget svag overvægt af kvarker. Kvarker, antikvarker, gluoner og leptoner annihilerede og gendannedes til stadighed, indtil Universets alder var 10-6 s, hvor kvarkers og antikvarkers annihilation dominerede over gendannelse. Alle antikvarker og næsten alle kvarker forsvandt efterhånden, men ved 10-4 s ophørte annihilationen; antikvarkerne var brugt op, og de resterende kvarker dannede protoner og neutroner. Det er det stof, Universet består af i dag.

Ét sekund efter skabelsen var temperaturen 10 mia. grader; neutrinoerne kunne ikke længere deltage i processer, da de vekselvirkede for svagt. Omdannelsen af protoner og neutroner til heliumkerner bestående af to protoner og to neutroner gik i gang, men ophørte efter få minutters forløb, da temperaturen var faldet til 1 mia. grader. Da var der dannet 20 % helium, mens resten af stoffet stort set var brint. Dette forhold mellem brint og helium observeres i dag som grundsubstansen af Universets stof; det præcise forhold er kritisk afhængigt af den temperatur, ved hvilken neutrinoerne ophører med at vekselvirke, hvilket igen er afhængigt af, om der findes flere end de tre omtalte neutrinotyper. Forholdet mellem brint og helium i Universet bekræfter faktisk, at der kun findes tre kvark-lepton-generationer.

Standardmodellen

Standardmodellen bygger ikke alene på en forståelse af stoffet som opbygget af kvarker og leptoner. Standardmodellen indeholder en præcis redegørelse for naturkræfterne mellem dem. Denne forståelse baserer sig på de såkaldte gaugeteorier.

Gaugeteorierne er en særlig klasse af feltteorier, som beskriver elementarpartiklernes fysik. Den simpleste gaugeteori er QED. De stærke og de svage kernekræfter er beskrevet af to andre gaugeteorier, hhv. QCD- og GSW-teorien. Det må anses for en af de mest grundlæggende opdagelser i 1900-t.s fysik, at naturkræfterne på det mest fundamentale niveau beskrives af gaugeteorier. I alle gaugeteorier er der altid tale om generaliserede elektriske og magnetiske felter. Disse gaugefelters kvanter er gaugebosonerne. De har som fotonen et spin på 1 (gange Plancks konstant). Den generelle udformning af gaugeteorier blev fastlagt af de såkaldte Yang-Mills-teorier i 1951.

Gaugeteorier har store matematiske lighedspunkter med differentialgeometri og med den almene relativitetsteori. Gaugefelterne kan således opfattes som en regel for paralleltransport af lepton- eller kvarkfelter. De generaliserede elektriske og magnetiske felter spiller en rolle analogt til krumning i geometri. Dette peger mod en mere dybtliggende teoridannelse, hvor geometriske aspekter spiller en fremtrædende rolle, måske som i strengteori.

Alle gaugeteorier baserer sig på det matematiske begreb en gruppe, her en gruppe af gaugetransformationer. I kvanteelektrodynamikken er gruppen abelsk, dvs. at rækkefølgen af to transformationer er ligegyldig. Gruppen i kvanteelektrodynamikken kaldes U(1).

Kvantekromodynamik

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

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:

Standardmodellens stof- eller fermiongenerationer

partikeltype

ladning1. generation2. generation3. generation
op-agtig kvark+2/3uct
ned-agtig kvark-1/3dsb
neutrino0νeνµντ
ladet lepton-1eµτ

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.

Efter Standardmodellen

Trods Standardmodellens succes repræsenterer den næppe den endegyldige teori. En lang række spørgsmål trænger sig nemlig på: Hvorfor er Standardmodellen matematisk baseret på grupperne SU(3), SU(2) og U(1)? Hvad er det nærmere slægtskab mellem leptoner og kvarker? Hvorfor er der netop tre stofgenerationer? Hvorfor har partiklernes masser de værdier, som de har? Nylige studier af neutrinoers fysik viser, at Standardmodellen før eller senere må modificeres.

Topkvarken, der er langt tungere end de andre fem kvarker, har en masse, der nu er bestemt til 174±5 GeV/c2. Den store masse er dog sammenlignelig med W- og Z-partiklernes masser (ca. dobbelt så stor), og det er således snarere de andre kvarkers masser, der må anses for forbavsende små.

Men der er udbredt enighed om, at Standardmodellen umuligt kan repræsentere den endelige forståelse af ”de fundamentale naturkræfter”. Der er for eksempel alt for mange frie parametre og andre detaljer i teorien til, at den kan anses for at udgøre en tilfredsstillende afrunding af vores forståelse. Dertil kommer for eksempel opdagelsen af neutrinoernes masse. Formelt kan en sådan neutrinomasse indpasses i teoriens rammer, men den helt eksceptionelt lille værdi for massen peger efter de flestes mening mod eksistensen af nye fænomener, der først vil vise sig tydeligt ved langt højere energier. Om end der findes skitser til, hvordan de kunne tænkes at fremstå, må disse forhold indtil videre anses for uafklarede.

Et andet muligt tegn på ”ny fysik” ved højere energier kunne være Universets såkaldt ”mørke stof”. I mange år har den foretrukne forklaring således baseret sig på eksistensen af en helt ny type elementarpartikel, der ikke findes i Standardmodellen. En populær forskningsretning har bestået i at studere såkaldt supersymmetriske udvidelser af Standardmodellen. Sådanne udvidelser er karakteriseret (blandt meget andet) ved, at alle partikler har en særlig ”supersymmetrisk partner”, en elektron (der jo er en fermion) således en såkaldt ”selektron” (der må være en boson). Kvarkernes hypotetiske, supersymmetriske partnere benævnes skvarker, fotonens en fotino, osv. En meget omfattende teoretisk forskning har taget sigte på at afklare og katalogisere sådanne supersymmetriske udvidelser. En lang række meget lovende egenskaber ved disse teorier og deres muligheder for at kaste lys over allehånde forhold, herunder kosmologiske forhold, er blevet fremført. Tilsvarende har det eksperimentelle program ved CERN’s LHC accelerator taget sigte på at finde tegn på nogle af de forudsagte effekter. Imidlertid er der (2017) endnu intet håndgribeligt tegn på, at denne forskningsretning er den korrekte, om end det stadig ingenlunde kan udelukkes. Man har derfor rettet opmærksomheden vedrørende det mørke stof i helt andre retninger, der ikke nødvendigvis ville kaste lys over en eventuel udvidelse af Standardmodellen. Men alle disse forhold fremstår indtil videre uafklarede.

I et videre og mere ambitiøst perspektiv fremstår fortsat strengteorien som et lovende bud på en langt mere omfattende forståelse. Strengteorien er et ambitiøst forsøg på en forenet teori, der også inddrager tyngdekræfterne. Ifølge den er kvarker, leptoner, fotoner, gluoner osv. uhyre små lukkede strenge, der ved Planck-skalaen kan anslås til forskellige vibrationstilstande. Strengteorien medfører automatisk gaugeteorier, og den kombinerer almen relativitetsteori med kvantefysik. Der skal dog udføres et meget omfattende forskningsarbejde, før der kan håbes på praktiske resultater af strengteorien.

Man har forsøgt teoridannelser, kaldt de store forenede teorier (eng. Grand Unified Theories, GUT), hvor QCD- og GSW-teorierne behandles som dele af en eneste gaugeteori.

Visse forsøg på forenede teorier har givet uacceptabelt store korrektioner til den kendte Standardmodel; fx forudsiges det i et tilfælde, at protonen kan henfalde med en levetid på omkring 1032 år, hvilket svarer til nogle protonhenfald hvert år i tusind ton vand; dette er nu eksperimentelt modbevist. Måske er protonen endda helt stabil. Kun hvis de forenede teorier også har supersymmetri, synes de at kunne være acceptable.

I en endnu mere ambitiøs sammenhæng må tyngdekraften inddrages. Den beskrives af Einsteins almene relativitetsteori, men den kan ikke umiddelbart forenes med kvanteteorien. Tyngdekraften spiller ingen praktisk rolle i de partikelfysikeksperimenter, der kan udføres. Men det er utilfredsstillende, at den falder uden for teorierne, der alle baseres på kvanteteori. Det skønnes, at tyngdekvanteeffekter først vil spille en rolle ved forhold, der beskrives af Planck-skalaen, dvs. en energi på ca. 1019 GeV, hvilket er umådelig langt over, hvad der kan produceres i laboratoriet. Det var sådanne energier, der dominerede i begyndelsen af big bang. Ved Planck-skalaen må det formodes, at nye, ukendte fysiske love optræder. I strengteorien vil disse forhold blive varetaget. Men nøjagtigt hvordan er endnu uafklaret.

Referér til denne tekst ved at skrive:
Jens Lyng Petersen: elementarpartikler i Den Store Danske, Gyldendal. Hentet 21. september 2017 fra http://denstoredanske.dk/index.php?sideId=69841