Uppsala universitet
Hoppa över länkar
In English

Linné on line arrow Fysikens kosmos arrow Mikrokosmos arrow Kvarkar och leptoner, materiens minsta byggstenar? arrow Vad håller samman kvarkarna i protonen?

Vad håller samman kvarkarna i protonen?

Förutom den elektriska laddningen har kvarkarna också en så kallad färgladdning och det är växelverkan mellan färgladdningarna som håller ihop kvarkarna. Till skillnad från den elektriska laddningen som det bara finns en sort av (förutom att det finns positiva och negativa ladddningar) så finns det tre olika sorters färgladdningar, vanligen benämnda röd, grön och blå. Dessutom finns det antifärgladdningar på samma sätt som det finns positiva och negativa elektriska laddningar. Då kvarkarna växelverkar med varandra utbyter de gluoner som "klistrar" ihop kvarkarna (jfr engelskans glue=klister). Kraften som håller ihop kvarkarna är densamma som den starka kraften mellan protoner och neutroner i atomkärnan. Skillnaden är att kvarkarna växelverkar direkt med varandra via den starka kraften genom utbyte av gluoner, medan protonerna och neutronerna växelverkar indirekt med varandra genom att utbyta mesoner, dvs kvark-antikvarktillstånd.

Den kvantkromodynamiska teorin (QCD) beskriver, hur de färgade kvarkarna växelverkar med varandra. Kraften som håller samman kvarkarna är så stark att kvarkarna inte kan existera som enskilda partiklar. Istället kan de bara existera i färgkombinationer som tillsammans ger vitt. Trekvarktillstånden är alltså kombinationer av en röd, en grön och en blå färgladdning medan kvark-antikvarktillstånden består av en färg och dess antifärg. Orsaken till att färgladdningar inte kan existera enskilt hänger samman med att gluonerna också har färgladdning. Det gör att kraftfältet mellan ett färg-antifärgpar samlar ihop sig som ett gummiband. Om man föröker dra isär färg-antifärgparet är kraften mellan laddningarna konstant varför det behövs mer och mer energi för att dra isär dem. Till slut blir energin i fältet mellan färgladdningarna så stor att det bildas nya kvark-antikvarkpar som i sin tur bildar hadroner. Jämför detta med den elektriska kraften som avtar med kvadraten på avståndet mellan laddningarna.

Genom att klicka och dra på bilden samtidigt som du håller "Ctrl"-tangenten nertryckt kan du zooma dig ut och in i bilden. Du kan också flytta bilden i sidled genom att hålla inne "Shift"-tangenten samtidigt som du klickar och drar på bilden.

En illustration av vår bild av djup inelastisk spridning. En proton bestående av tre kvarkar (vita) kolliderar med en elektron (gul). Vid kollisionen utbyts en foton (röd) och en av kvarkarna (blå) sprids ut ur protonen. Mellan den spridda kvarken och protonrestens två kvarkar bildas ett fält (grönt, färgfält). Ur energin i detta fält bildas sedan nya kvarkar.

På DESY i Hamburg pågår forskning, som bland annat forskare från Institutionen för strålningsvetenskap deltar i, för att utröna mer om den starka kraften och för att testa den kvantkromodynamiska teorin. Vid DESY kolliderar man elektroner och protoner med mycket hög energi i HERA-acceleratorn som har en omkrets på 6,7 km. Då elektronen växelverkar med protonen vid så höga energier sker växelverkan med de enskilda kvarkarna i protonen. Förutom att man studerar hur elektronen sprids vid kollisionen försöker man också se den kvark som slås ut ur protonen. Eftersom kvarken bär färgladdning kan den inte existera som en fri partikel utan ger istället upphov till en skur av partiklar (mestadels hadroner). Dessa partiklar kommer dels från den spridda kvarken, men också från gluoner som sänds ut då kvarken slås till av elektronen. Gluonerna sänds ut på grund av accelerationen av färgladdningen på ett liknanade sätt som en antenn strålar fotoner (dvs elektromagnetisk strålning) då man leder en varierande elektrisk ström genom den.


Skiss över DESY-området, med acceleratorerna markerade med röda streck.

Förutom u(uppkvark), d(nerkvark) och s(särkvark) kvarkarna finns det ytterliggare tre kvarkar. Charmkvarken c upptäcktes 1974 och bottenkvarken b 1977. Den sjätte så kallade toppkvarken t upptäcktes så sent som 1995 vid Fermilab utanför Chicago. Sammantaget finns det alltså sex olika kvarkar. Av dessa är det bara u och d kvarkar som finns i vanlig materia. De övriga kan produceras vid högenergetiska partikelkollisioner men sönderfaller sedan snabbt. Den tyngsta kvarken, toppkvarken är ca 200 gånger så tung som en proton.

Flavor

Mass(GeV/c2)

Elect. Charge

u up 0.005 +2/3
d down 0.01 -1/3
c charm 1.5 +2/3
s strange 0.2 -1/3
t top 180 +2/3
b bottom 4.7 -1/3
”Flavour” står för kvarkslag, och kallas på svenska även smak.