Hvad er elementarpartikler?
Indtil videre har forskerne fundet 31 elementarpartikler - objekter, der intet fylder, men som har opbygget hele universet. Alligevel kæmper de til stadighed for at forstå universets mindste dele.

Antistof er populært blandt science fiction-forfattere, men det findes såmænd også i virkeligheden. (Foto: Shutterstock)

 

Oldtidens grækere anses ofte for at have været de første til at identificere objekter, der ikke fylder noget, men stadig er i stand til at bygge den verden, der omgiver os, op gennem deres vekselvirkninger.

I takt med at vi bliver i stand til at observere verden i mindre og mindre detaljer gennem mikroskoper, der bliver mere kraftfulde, vil en naturlig undren opstå: hvad er disse objekter lavet af?

Vi mener, at vi har fundet nogle af disse objekter: subatomare partikler, eller elementarpartikler, som ikke har nogen bestanddele, da de ingen størrelse har.

Nu søger vi at forklare disse partiklers egenskaber og arbejder på at vise, hvordan de kan bruges til at forklare universets indhold.

Der findes to typer af elementarpartikler: stofpartikler, hvoraf nogle af dem går sammen om at danne verden omkring os, og kraftpartikler  - hvor en af dem, fotonen, er ansvarlig for den elektromagnetiske stråling.

Disse er klassificerede i standardmodellen for partikelfysik, som danner teorien for, hvordan de fundamentale byggesten af stof reagerer med hinanden under påvirkning af fundamentale kræfter.

Stofpartikler er fermioner, mens kraftpartikler er bosoner.

Stofpartikler: kvarker og leptoner

Stofpartikler inddeles i to grupper: kvarker og leptoner – dem findes der seks af, hver især med en tilsvarende partner.

Leptoner inddeles i tre par. Hvert par har en elementarpartikel med en ladning og en uden ladning – en som er meget lettere og ekstremt svær at opfange. Den letteste af disse par er elektronen og elektronneutrinoen.

Den ladede elektron er ansvarlig for elektricitet. Dens neutrale makker, elektronneutrinoen, fremstilles i rigelige mængder i Solen, og disse reagerer så svagt med dens omgivelser, at den passerer uhindret gennem Jorden. En million af dem passerer gennem samtlige kvadratcentimer af din krop hvert sekund, dag og nat.

Elektronneutrinoer fremstilles i ufattelige mængder ved supernovaeksplosioner, og det er disse partikler, som spreder grundstoffer, som er skabt ved kerneforbrænding, ud i universet. Disse grundstoffer omfatter blandt andet det kulstof, som vi er lavet af, ilten, som vi indånder, og næsten alt andet på Jorden.

Så på trods af neutrinoers utilbøjelighed til at reagere med andre elementarpartikler, er de vitale for vores eksistens. De to andre neutrinopar (ved navn myon og myonneutrino, tau og tauneutrino) synes blot at være tungere udgaver af elektronen med tilhørende neutrinoer.

Da normalt stof ikke indeholder nogen af disse partikler, kan det virke som om, at de er en unødvendig komplikation. Men i løbet af de første et til 10 sekunder af universets historie efter Big Bang, spillede de en central rolle i etableringen af vores univers opbygning – kendt som lepton-epoken.

De seks kvarker bliver også splittet i tre par med pudsige navne: 'up' og 'down', 'charm' og 'strange', 'top' og 'bottom'. 'Up' og 'down'-kvarkerne holder sammen for at skabe de protoner og neutroner, som er i kernen af alle atomer.

JJ Thomson 1897 katodestrålerør med magnet spoler – blev brugt til at opdage elektronen. (Foto: Science Museum London)

Atter er det kun de letteste par af kvarker, som findes i normalt stof, 'charm'/'strange' og 'top'/'bottom'-parrene lader ikke til at have nogen funktion i det univers, som findes i dag, men ligesom de tunge leptoner, spillede de en rolle i de tidlige stadier af universet og bidrog til at skabe et, som er tilgængeligt for vores eksistens.

 

Kraftpartikler

I standardmodellen findes der seks kraftpartikler, som skaber vekselvirkningerne mellem stofpartiklerne. De er inddelt i fire kræfter: tyngdekraften, elektromagnetisme, den stærke og den svage kernekraft.

En foton er en lyspartikel og ansvarlig for elektriske og magnetiske felter, der skabes af udvekslingen af fotoner fra et ladet objekt til et andet.

En gluon frembringer den kraft, der sørger for at holde kvarker sammen for at danne protoner og neutroner og for at holde disse protoner og neutroner sammen for at skabe tungere kerner.

Tre partikler kaldet 'W+', 'W-' og 'Z0' – som også går under betegnelsen intermediære vektorbosoner – er ansvarlige for radioaktiv nedbrydning og for de processer i Solen, som får den til at skinne.

En sjette kraftpartikel, gravitonen, menes at være ansvarlig for tyngdekraft, men den er endnu ikke blevet observeret. 

(Video: NASA Goddard)

 

Antistof: Science fiction i virkeligheden

Vi ved også, at der findes antistof. Det er et begreb, som science fiction-forfattere har meget kært, men det findes faktisk også i virkeligheden. Antistofpartikler kan fremstilles rutinemæssigt.

For eksempel bliver positronen (elektronens antipartikel) brugt inden for medicin til at kortlægge vores indre organer ved hjælp af positronemissionstomografi (PET). Når en partikel møder sin antipartikel, tilintetgøres de begge, og der skabes en eksplosion af energi.

For at opfange dette bruger man en PET-scanner. 

Samtlige af de ovennævnte stofpartikler har en partnerpartikel, som har den samme masse, men modsatte elektriske ladning, så vi kan fordoble antallet af stofpartikler (seks kvarker og seks leptoner) og få et endeligt antal på 24.

Vi giver stofkvarker nummeret +1 og antistofkvarker værdien -1. Hvis vi lægger det samlede antal af stofkvarker til antallet af antistofkvarker, får vi nettoværdien af kvarker i universet, dette forandrer sig aldrig.

Hvis vi har nok energi, kan vi fremstille en hvilken som helst af stofkvarkerne så længe, vi samtidig fremstiller en antistofkvark. I de tidlige stadier af universets udvikling blev disse partikler dannet konstant – nu bliver de kun dannet, når kosmisk stråling kolliderer med planeter og stjerners atmosfærer.

 

Den berømte Higgs boson

Der er en sidste partikel, som fuldender listen over partikler, der foreløbig er beskrevet i det, som kaldes standardmodellen over partikelfysik.

Den store partikelaccelerator LHC hos CERN. (Foto: CERN)

Det er Higgs-partiklen, som blev forudsagt af Peter Higgs for 50 år siden, og da den blev opdaget af CERN i 2012 førte det til en Nobelpris til Higgs og Francois Englert.

Higgs-bosonen er en mærkelig partikel: det er den næsttungeste af standardmodelpartiklerne, og den er svær at forklare. Den siges ofte at være kilden til masse, hvilket er sandt, men misledende. Den giver masse til kvarkerne, og kvarker skaber protonerne og neutronerne, men kun 2% af protoner og neutroners masse kommer fra kvarkerne, og resten stammer fra energien i gluonerne.

På nuværende tidspunkt er vi stødt på alle de partikler, som standardmodellen kræver: seks kraftpartikler, 24 stofpartikler og en Higgs-partikel – et samlet antal på 31 elementarpartikler.

Til trods for, hvad vi ved om dem, er deres egenskaber endnu ikke blevet målt godt nok til at vi definitivt kan fastslå, at disse partikler er alt, hvad der behøves for at opbygge universet, som vi ser omkring os.

Det er helt sikkert, at vi ikke har alle svarene. Den næste tur med partikelacceleratoren Large Hadron Collider (LHC) vil give os mulighed for at forbedre vores beregninger på nogle af disse egenskaber – men der er også en anden ting.

 

Teorien er dog stadig forkert

Den smukke teori, standardmodellen, er blevet testet og testet på ny over to årtier og mere til; og vi har endnu ikke lavet en beregning, der strider imod vores forudsigelser. Men vi ved, at standardmodellen må være forkert.

Når vi får to elementarpartikler til at støde sammen, er der et antal mulige udfald, men ved energier, som overstiger dem, vi har opnået på nuværende tidspunkt, forudsiger den, at disse udfald vil finde sted med en sandsynlighed, der er større end 100 procent - tydeligvis noget sludder.

Teoretiske fysikere har lagt meget arbejde i at forsøge at konstruere en teori, som kan levere nogle fornuftige svar ved alle energier, som samtidig kan give de samme svar som standardmodellen i alle de omstændigheder, som standardmodellen er blevet testet under.

Den mest almindelige ændring anslår, at der er meget tunge partikler, som endnu ikke er opdaget. Det, at de er tunge, betyder, at det vil kræve store mængder energi at producere dem.

Disse ekstra partiklers egenskaber kan vælges på en måde, som sikrer, at den deraf følgende teori leverer fornuftige resultater ved alle energier - uden at ødelægge de resultater, der passer så godt inden for standardmodellen.

Antallet af disse uopdagede og indtil videre usynlige partikler afhænger af, hvilken teori du vælger at tro på. Den mest populære gruppe af disse teorier kaldes for supersymmetriske teorier, og de antyder, at alle partiklerne, som vi har set, har en meget tungere modpart.

Hvis de er for tunge, kan vi producere dem, men de energier, der vil blive nået i den næste kørsel af LHC er høje nok til, at et fravær af nye partikler vil være et slag mod alle supersymmetriske teorier.

Paul Kyberd arbejder på Compact Muon Solenoid, et forsøg på LHC partikelaccelerator hos CERN. Denne artikel er oprindeligt publiceret hos the Conversation.

Lyt på Videnskab.dk!

Hver uge laver vi digital radio, der udkommer i form af en podcast, hvor vi går i dybden med aktuelle emner fra forskningens verden. Du kan lytte til den nyeste podcast i afspilleren herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Har du en iPhone eller iPad, kan du finde vores podcasts i iTunes og afspille dem i Apples podcast app. Bruger du Android, kan du med fordel bruge SoundClouds app.
Du kan se alle vores podcast-artikler her eller se hele playlisten på SoundCloud