Partikelfamiljen får nya medlemmar: Möt multikvarkarna!
Naturens minsta byggstenar, de så kallade kvarkarna, kan sättas ihop på många fler sätt än fysikerna hittills har trott. Upptäckten kan avslöja vad som är klistret mellan både de minsta partiklarna och i universums galaxer.
Naturens minsta byggstenar fungerar som legobitar. Du kan sätta ihop dem på många sätt och bygga olika objekt, som sedan kan sättas ihop med varandra till ännu större figurer.
I partiklarnas värld kan kvarkar exempelvis sättas ihop till protoner och neutroner, som tillsammans blir till atomkärnor, varpå atomerna kan sättas ihop till molekyler.
För de minsta byggstenarna, kvarkarna, är det dock inte en helt fri lek. För dem finns det strikta regler som fysikerna har ställt upp under de senaste 50 åren. Reglerna säger exempelvis att kvarkar bara kan sättas ihop två eller tre åt gången och bara i vissa bestämda kombinationer.
Men nu har reglerna hamnat i skottgluggen. Genom att få partiklarna att kollidera med varandra i stora acceleratorer har fysiker vid bland annat CERN på senare år hittat spår av nya kombinationer med fyra, fem och till och med sex kvarkar. Dessa kallade multikvarkar kan lära forskarna mer om de krafter som håller ihop allting runt omkring oss – allt från atomer till galaxer.
Färger binder ihop världen
Till skillnad från legobitar sitter kvarkar inte ihop av sig själva. De behöver en kraft som kan limma ihop dem. Fysikerna kallar ofta denna kraft "färgkraften", därför att den uppvisar egenskaper som påminner om hur olika färger blandas.
De tre kvarkar som tillsammans utgör en proton har alltså färgkrafterna rött, grönt och blått.
När ljus med de tre färgerna blandas tar de ut varandra, så att resultatet blir vitt ljus. På samma sätt balanserar kvarkarnas färgkrafter ut varandra, och det är vad som krävs för att protonen ska förbli stabil.
Principen gäller alla partiklar som fysiker kan observera. De kan bara existera om kvarkarnas färgkrafter balanserar ut varandra.
I en proton (till vänster) balanserar kvarkarnas färgkrafter ut varandra, eftersom de är röda, gröna och blå – precis som ljus med de tre färgerna blir till vitt ljus när de blandas (till höger).
I fysikernas katalog över partiklar har de allihop en så kallad antipartikel med en motsatt färgkraft. Motsatsen till "rött" är i det här sammanhanget "antirött", så här håller inte jämförelsen med de vanliga färgerna längre.
En kvark och en antikvark, exempelvis en uppkvark och en anti-nedkvark, kan tillsammans bilda en så kallad pion, så länge färgkrafterna tar ut varandra. Alla kvarkar och antikvarkar kan faktiskt gå ihop två och två och bilda partiklar – till och med en kvark med sin egen antikvark, även om en sådan partikel snabbt skulle sönderfalla.
Otaliga försök har bekräftat regeln om att färgkrafterna ska jämna ut varandra och därför har fysikerna exempelvis heller aldrig sett fria kvarkar i acceleratorerna.
Det krävs två eller tre kvarkar för att bilda färglösa partiklar som kan observeras. Det utesluter dock inte att det också kan låta sig göras med fyra eller fem kvarkar.
Multikvarkarna dyker upp
År 2003 dök det allra första spåret av en möjlig tetrakvark – det vill säga en partikel med fyra kvarkar – upp i en accelerator i Japan. Sedan dess har över mer än tio – säkrare – fynd gjorts under andra experiment.
År 2015 fick fysikerna vid den stora acceleratorn LHC vid CERN i Schweiz syn på det första spåret av en pentakvark – en partikel med fem kvarkar.
LHCb-detektorn vid CERN var 2015 den första att visa spår av att partikelkollisioner i acceleratorn hade skapat en pentakvark.
Upptäckten av pentakvarken var en sensation och just därför var fysikerna skeptiska till den.
När partiklar i acceleratorerna slås ihop lämnar krockarna myriader av partiklar, som bara existerar i bråkdelen av en sekund och därför är det lätt att feltolka resultaten.
Kurvan visar antalet sönderfallna partiklar (avläses på y-axeln) och deras massa mätt i gigaelektronvolt (x-axeln). Toppen av kurvan avslöjar sönderfallet av en partikel med fem kvarkar.
Kurva över sönderfall visade vägen till pentakvarken
Upptäckten av pentakvarken, som innehåller fem kvarkar, gjordes 2015, när forskare vid acceleratorn LHC mätte sönderfallet av ett stort antal kortlivade partiklar.
På kurvan över insamlade data såg forskarna en "topp" vid en viss massa. Analyser har senare visat att den bara kan bero på en partikel som består av fem kvarkar.
Men nu har ny forskning bekräftat upptäckten. Forskare vid University of Pittsburgh i USA och Swansea University i Storbritannien har gått igenom data från LHC-försöket och räknat på dem utifrån en ny modell.
I modellen behandlar forskarna pentakvarkarna som molekyler, och då visar det sig att det faktiskt inte bara krävs en, utan hela sex pentakvarkar, för att förklara LHC-resultaten.
"Nu har vi en modell som på ett fantastiskt sätt förklarar våra data och för första gången innehåller alla de begränsningar som dessa data ger", sade fysikern Tim Burns vid Swansea University under offentliggörandet.
Upptäckten av pentakvarken bekräftades slutligen 2022, när fysikerna Eric Swanson (överst) och Tim Burns tolkade mätresultaten med en ny modell.
Den största begränsningen med dessa data är att pentakvarkar lever i så otroligt kort tid att de inte går att se direkt.
I detektorerna kan fysikerna bara se de partiklar som pentakvarkarna sönderfaller till, och i en del fall bara sönderfallspartiklarnas sönderfallspartiklar. Därför måste forskarna ofta räkna långt bakåt för att ta reda på om en pentakvark har funnits till.
0,00000000000000000001 sekunder är livslängden för en pentakvark. Det motsvarar den tid det tar ljus att passera en enda atom.
Den nya bekräftelsen av pentakvarkarnas existens visar att fem kvarkar kan hänga ihop med hjälp av färgkraften. Kombinationen av färgkrafterna kan variera, men den kan exempelvis bestå av två röda, en antiröd, en grön och en blå.
Ska avslöja atomernas lim
Närmare studier av pentakvarkar och andra multikvarkar kan förhoppningsvis lära forskarna ännu mer om färgkraftens natur.
Enligt teorin ser krafterna inte enbart till att hålla ihop kvarkarna inuti exempelvis protoner och neutroner, utan sträcker sig längre ut, så att de också är det lim som binder ihop atomkärnor. Utan färgkraften skulle den positiva laddningen i atomkärnans protoner tvinga dem ifrån varandra, så att kärnan gick sönder.
Exakt hur färgkraften gör atomkärnor stabila är dock fortfarande en öppen fråga och kanske kan multikvarkarna hjälpa till att besvara den.
Fysikerna förväntar sig mycket av multikvarkarna även på en ännu större skala.
Ett av universums största mysterier är att det tydligen rymmer en okänd – så kallat mörk – materia som vi inte kan se. Vi vet bara att den måste finnas, för annars skulle stjärnorna i galaxerna inte kunna rotera så fort. Rotationshastigheten är bara möjlig om det existerar en stor mängd mörk materia som påverkar stjärnorna med sin gravitationskraft.
En del fysiker tror att den mystiska mörka materien kanske har bildats av multikvarkar, närmare bestämt hexakvarkar – det vill säga partiklar som är sammansatta av sex kvarkar.
Jakten på hexakvarkar har bara precis börjat och hittills har bara en enda variant uppmätts i ett experiment.
Multikvarkar öppnar en ny värld
Fyra kvarkar kan sitta ihop parvis
Tetrakvarken, som observerades för första gången 2003, kan med sina fyra kvarkar också bara vara uppbyggd på ett begränsat antal sätt. Forskarna tror att de fyra kvarkarna vanligtvis sitter ihop två och två med en förbindelse mellan paren.
Fem kvarkar ger fler kombinationer
Med sina fem kvarkar har pentakvarken, som upptäcktes 2015, fler möjliga uppbyggnadssätt. Forskarna föreställer sig exempelvis en konstruktion, i vilken två par kvarkar är förbundna med varandra via en knutpunkt som den femte kvarken också är förbunden med.
Sex kvarkar ger fantasin fritt spelrum
Hexakvarken har hittills bara observerats en enda gång, i en tysk accelerator, och dess struktur har inte hunnit studeras. Men sina sex kvarkar har den massor av möjligheter. Kanske uppträder fyra av kvarkarna i par som är förbundna till varandra via de två sista.
Hexakvarkarna är än flyktigare än pentakvarkar, men fysikerna tror att de kan ha bildats i stora mängder precis efter den stora smällen.
Där kan de ha klumpat ihop sig i moln i ett särskilt materietillstånd kallat Bose-Einstein-kondensater, och om de snabbt hinner fånga in tillräckligt många elektroner kan molnen ha överlevt som stabil materia.
Om denna teori håller innebär det att hexakvarkar är osynliga legobitar, som utgör 85 procent av all materia i universum.