Uppsala universitet
Hoppa över länkar
In English

Linné on line arrow Fysikens kosmos arrow Mikrokosmos arrow Kvarkar och leptoner, materiens minsta byggstenar?

Kvarkar och leptoner, materiens minsta byggstenar?

Så vitt vi vet idag är kvarkarna och leptonerna materiens minsta byggstenar. I början av sextiotalet hade man upptäckt en stor mängd olika partiklar, varav de flesta var så kallade hadroner, som växelverkar med den starka kraften, men också en del leptoner, som inte påverkas av den starka kraften. Detta komplicerade den tidigare så enkla bilden där allt består av elektroner, neutroner och protoner. Förutom dessa "nödvändiga" partiklar fanns det alltså en uppsjö av partiklar som inte verkade passade in och som inte behövdes.

1964 presenterade Murray Gell-Mann och Georg Zweig, oberoende av varandra, ett nytt sätt att få ordning på alla olika partiklar. De införde en ny undernivå, kvarkarna. Med hjälp av tre olika kvarkar kunde de förklara alla kända hadroner och dessutom förutsäga massan för en ny partikel som inte observerats tidigare men sedermera bekräftade deras modell. De tre olika kvarkarna kallades för upp u, ner d, och sär s. Det finns två olika sorters hadroner, tre-kvarktillstånd kallade baryoner och kvark-antikvarktillstånd kallade mesoner. En proton t.ex. är ett uud-tillstånd och en neutron är ett udd-tillstånd. Precis som tidigare i historien lyckades man förklara en mängd olika partiklar med ett fåtal byggstenar.  

Till en början var det många som betvivlade att kvarkarna verkligen existerade utan istället hävdade att de bara var matematiska konstruktioner. En orsak till denna skepticism var att man aldrig observerat enstaka kvarkar. För att protonen och neutronen ska få rätt elektrisk laddning måste kvarkarna ha tredjedelsladdningar: u-kvarken har elektriska laddningen +2/3 och d-kvarken -1/3. Enheten för elektrisk laddning är eletronens eller protonens laddning, vilket man tidigare trodde var den minsta laddningsenheten. Men man har aldrig observerat några partiklar som inte har heltalsladdning. Beviset för att kvarkarna verkligen existerar kom 1969 då man observerade protonens understruktur vid ett experiment vid Stanford Linear Accelerator Center i Kalifornien som senare belönades med 1990 års nobelpris. Genom att bestråla protoner i ett fixt strålmål med elektroner och studera hur elektronerna spreds kom man fram till att protonen har en substruktur, kvarkarna.

Även om nu kvarkarna var upptäckta så fanns det många frågor kvar att besvara vad gällde kvarkarnas växelverkan. Några av dessa frågor har vi idag delvis besvarat, som t.ex. "Vad håller samman kvarkarna i protonen?". Många frågor är dock ännu inte besvarade. Det gäller t.ex. om kvarkarna har substruktur, vad som ger de olika kvarkarnas deras massor, hur många generationer leptoner det finns och hur många naturkrafter det finns.

För att lösa dessa frågor genomför man nu ett stort antal olika experiment inom partikelfysik. Dessa är ofta baserade på att man kolliderar högenergetiska partiklar med varandra och studerar de partiklar som skapas. Exempel på detta är elektron-positronkollideraren LEP vid CERN, proton-antiprotonkollideraren Tevatronen vid Fermilaboratoriet och den kommande proton-protonkollideraren LHC vid CERN. Men intressanta experiment kan också genomföras vid lägre kollisionsenergier, som t.ex. WASA-experimentet vid ISV/TSL i Uppsala. Det finns även ett stort antal, främst neutrinoexperiment, som är baserade på annan teknik.

En introduktion till partikelfysik finns även iordningställd av The Particle Data Group som kallas The Particle Adventure.

 

Läs mer om