Hvornår er kvarker frie?
En forsker fra Syddansk Universitet prøver at regne sig frem til, hvordan kvarker opfører sig. Det står klart, at de ikke kan holde ud af være alene, men måske kan de heller ikke finde ud af at være meget tæt sammen.

Protonen kan forstås som to up-kvarker og en down-kvark, der er bundet sammen af gluoner. (Illustration: A. Horvath)

Professor Francesco Sannino, der leder forskningscenteret CP3-Origins ved Syddansk Universitet, vil rigtig gerne finde ud af, hvordan naturen er skruet sammen på det allermest fundamentale plan. Nu har han kastet sig over de elementarpartikler, der kaldes kvarker, og hans seneste resultat handler om, hvordan kvarker kan tænkes at vekselvirke, når de er helt tæt på hinanden.

Sagen er den, at kvarker ifølge den teori, som beskrives i lærebøgerne i dag, ikke har det mindste imod at være tæt sammen. De mærker faktisk overhovedet ikke hinanden, når afstanden mellem dem er ekstremt lille.

»Den gængse teori har som udgangspunkt, at jo tættere, man skubber kvarkerne sammen, desto mere ligeglade er de med hinanden,« fortæller Francesco Sannino og fortsætter:

»Men sådan behøver det ikke nødvendigvis at være. Jeg har udviklet en matematisk teori, der beskriver en radikalt ny opførsel, når kvarker er meget tæt sammen.«

Betydning for universets udvikling

I oktober var Francesco Sannino inviteret til en workshop på forskningscenteret CERN i Schweiz for at fortælle om sin teori, og sidste år publicerede han og kollegaen Daniel Litim fra University of Sussex i England en videnskabelig artikel om den i tidsskriftet Journal of High Energy Physics.

Indtil videre er der ingen observationer, der understøtter teorien, men hvis det er rigtigt, at kvarker påvirker hinanden på ultrakorte afstande, kan det have haft en betydning for, hvordan universet ser ud.

Umiddelbart efter Big Bang, da universet kun var få mikrosekunder gammelt og ganske lille, var kvarkerne nemlig tæt på hinanden i den ekstremt varme og tætte suppe af elementarpartikler, der udgjorde universet dengang. Hvis de påvirkede hinanden dengang, kan det have betydet noget for den senere udvikling af universet.

Det er da også muligt, at data fra partikelacceleratoren LHC eller målinger af kosmisk stråling kan give teorien luft under vingerne, men indtil videre er den blot en matematisk mulighed, som fysikerne ifølge Francesco Sannino for eksempel bør have i baghovedet, når de regner på universets tidligste faser.

Kvarker er spærret inde

I dag kender vi bedst kvarker som de elementarpartikler, atomkerner er bygget op af. Atomkerner består af protoner og neutroner, og disse partikler er igen bygget op af kvarker. En proton består af to op-kvarker og en ned-kvark, mens en neutron har to ned-kvarker og en op-kvark.

Den nuværende teori for kvarker og deres vekselvirkninger hedder kvantekromodynamik, forkortet QCD. Her beskriver fysikerne kvarker som nogle meget sociale elementarpartikler, for de kan simpelthen ikke holde ud at være alene. De har et meget stærkt sammenhold, for kraftpartikler kaldet gluoner sørger for, at de ikke kan komme ret langt fra hinanden.

Gluonerne vil gerne lade kvarkerne bevæge sig frit rundt på et meget begrænset område, inden for rumfanget af en kernepartikel som en neutron eller en proton. Her er der ingen bånd, der binder dem.

Ingen kvarker er alene

Men en kvark kan ikke slippe væk fra de andre kvarker i kernepartiklen, for den stærke kernekraft, som gluonerne står for, er for stærk. Kraften fungerer som en elastik, som ikke kan strækkes længere end diameteren på en kernepartikel, sådan groft sagt.

Når man prøver at få kvarker til at løsrive sig fra en proton, er resultatet stråler af nye partikler, der er opbygget af kvarker, såkaldte jets, som her ses som gule streger i målingen fra detektoren. (Illustration: CERN)

På den måde er den stærke kernekraft meget anderledes end andre kræfter som tyngdekraften og den elektromagnetiske kraft. De kræfter aftager nemlig med afstanden. Den stærke kernekraft bliver pludselig ekstrem stærk, når afstanden mellem kvarkerne bliver for stor.

Den stærke kernekraft sørger også for, at protoner og neutroner i atomkerner holder sammen, men de er trods alt til at få fra hinanden. Det ser man for eksempel i atomkraftværker, hvor tunge atomkerner spaltes. Hvis man derimod prøver at få en enkelt kvark til at løsrive sig fra de andre i en proton eller neutron, er det dømt til at mislykkes.

Elastikken springer

Det betyder selvfølgelig ikke, at fysikerne ikke prøver. Ved hjælp af partikelacceleratorer har de bombarderet protoner med elektroner for at ramme en kvark og skyde den ud. Man kan sige, at de prøver at strække den gluonelastik, som kvarkerne holdes sammen med, så en enkelt kvark kan snige sig lidt væk fra de andre.

Men elastikken nægter at lade sig strække. Den stærke kernekraft forbyder, at kvarken slipper væk alene. I stedet springer elastikken, og energien i den, energien fra sammenstødet mellem elektronen og kvarken, bliver i stedet til nye kvarker, der dukker op og slår sig sammen til nye partikler.

Frem for at lade en kvark være alene foretrækker naturen altså at lade nye kvarker opstå fra den energi, som kvarken tilføres, når fysikerne prøver at få den til at løsrive sig. I partikelacceleratorernes detektorer kan fysikerne se et spor af partikler, hver dannet af to eller tre kvarker, i den retning, som den enlige kvark skulle være skudt ud i.

Kun frie inden for visse rammer

Så det ligger fast, at kvarker ikke kan være alene. Den kraft, der sørger for at binde dem sammen, er for stærk, når de prøver at komme væk fra hinanden. Men ifølge QCD påvirker kvarkerne til gengæld slet ikke hinanden, når de bringes meget tæt sammen. De har asymptotisk frihed, som fysikerne kalder det.

Det er her, Francesco Sannino foreslår sin alternative teori, der går under navnet 'Safe QCD'. Ifølge den er de enkelte kvarker kun frie og upåvirkede af andre kvarker, når de hverken er for tæt på hinanden eller for langt fra hinanden.

Spørgsmålet er så, hvordan teorien kan bevises eksperimentelt. Sådan en teori er nemlig kun værd at have med at gøre, hvis den har forudsigelseskraft og fortæller, hvordan man kan designe et eksperiment, der enten understøtter den eller afkræfter den.

Eksperimenterne skal på banen

»Teoretikerne spekulerer frit, og man kan jo forestille sig alle mulige ting. Så er det, at eksperimenterne skal på banen og afgøre, hvilke af de mangfoldige teorier der er rigtige,« siger Jens Jørgen Gaardhøje, der er professor i eksperimentel subatomar fysik på Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet.

»I dag har vi intet eksperimentelt belæg for at tro, at kvarkernes asymptotiske frihed ikke er, som kvantekromodynamikken beskriver den. Og for en eksperimentalfysiker som mig ville det være rart med en konkret forudsigelse fra 'Safe QCD'-teorien, et bestemt energiregime hvor forskellen på den velkendte kvantekromodynamik ville vise sig. Så kunne vi kaste os over den.«

Så konkret er 'Safe QCD' ikke endnu, men rent matematisk lader teorien til at være i orden. Om den også er rigtig, må fremtiden vise.

»Når det er en mulighed, skal det testes,« som Francesco Sannino slutter med at sige.