Fysiker pulvriserar atomen

Kärnan är liten men dess densitet är extremt hög – ja, så hög att en tändsticksask packad med atomkärnor skulle väga lika mycket som sju miljarder kubikmeter vatten, motsvarande 2,8 miljoner simbassänger med olympiska mått.

Trots den stora mängden tomrum håller elektromagnetiska krafter ihop atomkärnan och elektronmolnet så att de bildar solida, stabila byggstenar i alla fasta, flytande och gasformiga ämnen.

Fysikerna har sedan länge visat att atomkärnan består av protoner och neutroner samt att dessa kärnpartiklar innehåller ännu mindre byggstenar.

Trots det har resan in i universums minsta beståndsdelar bara börjat, för även om protonerna och neutronerna är välkända döljer de envist många av sina hemligheter.

Det ska dock avancerade försök i Europa och USA nu ändra på.

Atomen öppnas in till kärnan

Föreställningen att allt består av pyttesmå byggstenar härstammar från antiken.

År 400 före Kristus resonerade sig de grekiska filosoferna Leukippos och Demokritos fram till att all materia var uppbyggd av små, massiva kulor, som de kallade atomos (odelbar).

De två grekerna tänkte sig att atomerna i fasta ämnen som järn var hårda och hade krokar som höll ihop dem, medan atomerna i vätskor, till exempel vatten, var mjuka och släta.

Atomteorin glömdes bort tills år 1897, då den engelske fysikern J.J. Thomson visade att grekerna hade fel. Atomen var inte odelbar.

Thomson undersökte strålningen från två elektroder och upptäckte att den negativa elektroden avgav strålning som attraherades av positivt laddade metallskivor och repellerades av negativa skivor.

Enligt Thomson bestod strålningen av negativt laddade partiklar som avgavs från atomerna i elektroden. Partiklarna fick namnet elektroner.

Enligt Thomsons atommodell, den så kallade plumpuddingmodellen, uppkallad efter en engelsk kaka, bestod den massiva, klotrunda atomen av en positivt laddad ”deg” med negativa ”russin” som motsvarade elektronerna.

Plumpuddingteorin visade sig emellertid inte hålla när den engelske fysikern Ernest Rutherford år 1909 sköt strålar av positivt laddade alfapartiklar mot en tunn guldfolie.

De pyttesmå positiva partiklarna borde enligt Thomsons modell passera rakt igenom folien, för om elektronerna hade blandats in i en positiv kärna likt russin i en pudding skulle kärnan vara neutral och därmed inte repellera de positiva alfapartiklarna.

Video: Fysiker har animerat resan in i atomen

En förbluffad Rutherford observerade emellertid att en del av alfapartiklarna böjdes ut mot sidorna. Det måste innebära att guldatomernas positiva laddning var koncentrerad i en pytteliten kärna omgiven av ett betydligt större negativt elektronmoln, som fick de positivt laddade alfapartiklarna att byta riktning.

Fysikerna utvecklade en teori om att atom­kärnan i tunga atomer som järn var uppbyggda av vätekärnor.

År 1925 döpte Ernest Rutherford om vätekärnorna till protoner och slog fast att antalet protoner i en atomkärna bestämmer vilken atom det rör sig om.

En syreatom innehåller till exempel åtta protoner, medan en järnatom innehåller 26 protoner.

Protonen krymper

Protonen har varit känd i snart ett århundrade, men den utmanar fortfarande forskarna. Först år 2019 upptäckte de till exempel hur små atomens bärande byggstenar faktiskt är.

Utgångspunkten för mätningarna var en väteatom med en proton i kärnan och en kretsande elektron.

Med hjälp av radiovågor skickade en amerikansk forskargrupp ledd av W. Xiong vid amerikanska Durham University upp elektronen i ett högre energitillstånd och mätte dess frekvens när den återgick till grundtillståndet.

På så sätt fastslog fysikerna den energi som krävs för att få elektronen att hoppa.

Eftersom just denna energimängd beror på protonens storlek kunde de fastslå att protonens radie är 0,833 biljarddels meter, fem procent mindre än vad man dittills hade trott.

Neutronens livslängd är gåtfull

Protonens ständiga partner i atomkärnan, neutronen, upptäcktes år 1938, då den engelske fysikern James Chadwick bombarderade en mätskiva av beryllium med alfapartiklar.

Berylliumatomerna avgav extremt energirika neutrala strålar som kunde tränga 20 centimeter in i ett blyblock.

Chadwick visade att strålningen utgjordes av neutrala kärnpartiklar.

Neutronens existens förklarar de små viktskillnaderna mellan atomer av samma typ.

En vanlig syreatom har till exempel åtta protoner och åtta neutroner, men syre finns även i en tyngre variant med tio neutroner i kärnan.

Utanför atomkärnan blir neutronen instabil och sönderfaller till en proton, en elektron och en neutrino.

Forskarna har dock aldrig lyckats bestämma fria neutroners livslängd exakt, bland annat för att de två etablerade mätmetoderna ger olika resultat.

Därför har fysikerna utvecklat en teori om ett spegeluniversum med atomer som existerar parallellt med vårt eget universum, och att denna spegelvärld utgör galaxernas okända mörka materia.

Enligt teorin kan skillnaden i mätningarna av livslängden bero på att neutronerna rör sig fram och tillbaka mellan dessa båda universum.

Om en av hundra fria neutroner byter identitet till sin spegelbild och försvinner till andra sidan innan den sönderfaller till en proton kan det förklara de olika mätresultaten.

Fokus på antikvarkarna

Just nu är dock forskarnas största huvudbry kvarkarna, det vill säga atomens innersta byggstenar.

En proton innehåller till exempel två uppkvarkar och en nedkvark, medan en neutron består av två nedkvarkar och en uppkvark.

Fysikerna har även registrerat fyra tyngre kvarkar, som endast uppstår i exempelvis supernovor och som snabbt sönderfaller till lättare partiklar och strålning.

Fria kvarkar existerade bara under den första mikrosekunden efter stora smällen, då det nyfödda universum var ett glödhett eldklot med en diameter på mindre än fem kilometer och en temperatur på 2 000 miljarder grader.

När universum växte och kyldes ner fångades kvarkarna in av en sorts limpartiklar, gluoner, som sedan dess har bundit ihop kvarkarna tre och tre. Den traditionella modellen av protonen innehåller till exempel tre gluoner som håller de tre kvarkarna i ett järngrepp.

Nya fysiska teorier tyder dock på att protonens inre liv är betydligt mer dynamiskt och komplicerat.

Den enkla modellen kan nämligen inte förklara varför de tre kvarkarna inte utgör mer än fem procent av protonens massa och bara står för en liten del av dess egenrotation.

En ny teori förutsäger att protonen har en komplex inre dynamik där kvarkar och antikvarkar ständigt uppstår och utplånar varandra i en soppa av talrika gluoner, som även de uppstår och försvinner.

För att testa teorin ska den 3,8 kilometer långa acceleratorn RHIC i New York byggas om och återuppstå som Electron-Ion Collider. Den ska få elektroner och protoner att kollidera vid högre energinivåer än tidigare.

Kvarkarna upptäcktes just genom att protoner besköts med elektroner, som reflekterades från tre pyttesmå, punktformiga partiklar inne i protonen.

Med den nya acceleratorn ska elektronerna tränga djupare in i protonerna och även avslöja gluonernas samspel.

Neutriner passerar allt

Trots att kvarkarna är ofattbart små är neutrinerna, som avges av instabila radioaktiva atomer med en extra neutron i kärnan, ännu mindre.

För att bli stabil genomgår atomen ett så kallat betasönderfall, i vilket neutronen omvandlas till en proton genom att avge en elektron och en neutrino.

Majoriteten av neutrinerna skapas i fusionsprocesserna i stjärnor och far iväg i nära ljusets hastighet.

Varje sekund träffas jorden av triljarder solneutriner, men majoriteten åker rakt igenom planeten, eftersom neutriner bara reagerar med atomer om de stöter på den minimala atomkärnan.

Fram till år 1998 trodde fysikerna att neutrinon saknade massa, men sedan visade mätningar i en japansk och en kanadensisk detektor att neutriner från solen utför en förbluffande trollkonst på väg till jorden.

Det finns tre sorters neutriner, men sol­en avger bara en variant. I 30 år hade fysikerna försökt förstå varför endast 33–50 procent av neutrinerna nådde fram till oss.

Men så upptäckte de att neutriner kan växla mellan de tre typerna längs vägen. Det kan jämföras med att solen skickar ut apelsiner och att vissa av dem förvandlas till äpplen och päron på väg mot jorden.

Neutrinernas identitetsbyte är bara möjligt om de har en ytterst begränsad massa.

Under två årtionden har forskarna försökt väga dem, och nu har den tyska detektorn Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment (Katrin) fastslagit en övre gräns för neutrinons massa: 1/500 000 av elektronens.

Under de närmaste åren ska de tyska fysikerna försöka väga neutrinon exakt, vilket kommer att hjälpa astronomerna att förstå vilken roll de olika neutrinerna har spelat för universums utveckling sedan stora smällen.

Mörk materia som bonus

Studierna av neutrinernas förmåga att byta identitet skulle kunna leda till något ännu större: Gåtan om den mörka materien.

De tre kända neutrinerna påverkar atomkärnor via svag växelverkan, till exempel vid radioaktivt betasönderfall.

En ny fysisk teori förutsäger emellertid en tung storebror, den så kallade sterila neutrinon som endast reagerar med atomer via gravitationen.

Om den sterila neutrinon finns är den en god kandidat till den mörka materien, som utgör 85 procent av galaxernas massa.

Enligt den nya teorin kan de tre kända neutrinerna inte bara omvandlas till varandra, utan också till en tung storebror som spårlöst försvinner ut ur alla detektorer.

I USA har man nyligen beslutat att bygga om en pensionerad accelerator på Fermilab, så att den kan producera strålar av neutriner och sända dem genom tre detektorer som mäter deras identitetsbyten.

Skulle försöken avslöja den sterila neutrinon och därmed även hitta mörk materia kommer atomens minsta och mest förunderliga byggstenar att ha lett fram till 2000-talets största genombrott inom fysiken.