Mød multikvarkerne!

Naturens mindste byggesten, de såkaldte kvarker, kan saettes sammen på mange flere måder, end fysikerne hidtil har troet. Opdagelsen kan løfte sløret for, hvad der limer både de mindste partikler og universets galakser sammen.

Naturens mindste byggesten fungerer ligesom legoklodser. Du kan saette dem sammen på mange måder og bygge forskellige objekter, som igen kan samles med hinanden til endnu større figurer. I partiklernes verden kan kvarker fx samles til protoner og neutroner, som tilsammen bliver til atomkerner, hvorefter atomerne kan saettes sammen til molekyler.

For de mindste byggesten, kvarkerne, er der dog ikke helt fri leg. Her gaelder nogle strenge regler, som fysikerne har stillet op gennem de seneste 50 år. Reglerne siger fx, at kvarker kun kan saettes sammen to eller tre ad gangen og kun i bestemte kombinationer.

Men nu er reglerne kommet under kraftig beskydning. Ved at smadre partikler sammen i store acceleratorer har fysikere ved bl.a. CERN de seneste år fundet spor af nye kombinationer med fire, fem og endda seks kvarker. De såkaldte multikvarker kan gøre forskerne klogere på de kraefter, som holder sammen på alting omkring os – fra atomer til galakser.

Farver binder verden sammen

I modsaetning til legoklodser sidder kvarker ikke sammen af sig selv. De har brug for en kraft, som kan lime dem sammen.

Fysikerne kalder ofte denne kraft for “farvekraften”, fordi den udviser nogle egenskaber, som minder om den måde, forskellige farver blander sig på.

De tre kvarker, som tilsammen udgør en proton, har således farvekraefterne rød, grøn og blå. Når lys med de tre farver blandes sammen, udligner de hinanden, så resultatet er hvidt lys. Tilsvarende balancerer kvarkernes farvekraefter hinanden ud, og det er, praecis hvad der skal til for at holde protonen stabil. Princippet gaelder for alle partikler, fysikerne kan observere. De kan kun eksistere, hvis kvarkernes farvekraefter udligner hinanden.

I fysikernes katalog over partikler har de allesammen en såkaldt antipartikel med en modsat farvekraft. Det modsatte af “rød” er i denne forbindelse “antirød”, så her bryder sammenligningen med

de almindelige farver sammen. En kvark og en antikvark, fx en opkvark og en anti-nedkvark, kan tilsammen danne en såkaldt pion, så laenge farvekraefterne udligner hinanden. Faktisk kan alle kvarker og antikvarker gå sammen to og to og danne partikler – selv en kvark med sin egen antikvark, omend en sådan partikel hurtigt vil henfalde.

Utallige forsøg har bekraeftet reglen om, at farvekraefterne skal udligne hinanden, og derfor har fysikerne fx heller aldrig set frie kvarker i acceleratorerne. Der skal to eller tre kvarker til for danne farveløse partikler, som kan observeres. Det udelukker dog ikke, at det også kan lade sig gøre med fire eller fem kvarker.

Multikvarkerne dukker op

I 2003 dukkede det allerførste spor af en mulig tetrakvark – altså en partikel med fire kvarker – op i en accelerator i Japan. Siden er over ti, og mere sikre, fund blevet gjort ved andre eksperimenter.

I 2015 fandt fysikerne ved den store accelerator LHC ved CERN i Schweiz det første spor af en pentakvark – en partikel med fem kvarker.

Opdagelsen af pentakvarken var en sensation, og praecis derfor var fysikerne også skeptiske over for den. Når partikler i acceleratorerne hamrer sammen, efterlader bragene myriader af partikler, som kun eksisterer i brøkdele af et sekund, og det er derfor let at fejltolke resultaterne.

Men nu har ny forskning bekraeftet opdagelsen. Forskere fra University of Pittsburgh i USA og Swansea University i Storbritannien har gennemgået dataene fra LHC-forsøget og regnet på dem ud fra en ny model. I modellen behandler forskerne pentakvarkerne som molekyler, og her viser det sig, at der faktisk ikke bare skal en enkelt, men hele seks pentakvarker til for at forklare LHC-resultaterne.

“Vi har nu en model, der på smukkeste vis forklarer data og for første gang indeholder alle de begraensninger, data giver,” sagde fysikeren Tim Burns fra Swansea University ved offentliggørelsen.

Den største begraensning i dataene er, at pentakvarker lever i så utrolig kort tid, at de ikke kan ses direkte. I detektorerne kan fysikerne kun se de partikler, pentakvarkerne henfalder til, og i nogle tilfaelde endda kun henfaldspartiklernes henfaldspartikler. Derfor skal forskerne ofte regne langt tilbage for at finde ud af, om en pentakvark har vaeret til stede.

Den nye bekraeftelse af pentakvarkernes eksistens viser, at fem kvarker kan haenge sammen vha. farvekraften. Kombinationen af farvekraefterne kan variere, men den kan fx bestå af to røde, en antirød, en grøn og en blå.

Skal afsløre atomernes lim

Naermere undersøgelser af pentakvarker og andre multikvarker kan forhåbentlig gøre forskerne endnu klogere på farvekraefternes natur. Ifølge teorien sørger kraefterne ikke kun for at holde kvarkerne sammen inde i fx protoner og neutroner, men raekker laengere ud, så de også er limen, der binder atomkerner sammen. Uden farvekraften ville den positive ladning i atomkernens protoner tvinge dem fra hinanden, så kernen gik i stykker.

Praecis hvordan farvekraften gør atomkerner stabile, er dog stadig et åbent spørgsmål, og måske kan multikvarkerne hjaelpe med at besvare det.

Også på en endnu større skala forventer fysikerne sig meget af multikvarkerne. Et af universets største mysterier er, at det tilsyneladende rummer noget ukendt – såkaldt mørkt – stof, vi ikke kan se. Vi ved bare, at det må vaere der, for ellers ville stjernerne i galakserne ikke kunne rotere så hurtigt rundt. Rotationshastigheden er kun mulig, hvis der er en stor maengde mørkt stof til stede, som påvirker stjernerne med sin tyngdekraft.

Nogle fysikere mener, at det mystiske mørke stof måske er dannet af multikvarker, naermere bestemt hexakvarker – dvs. partikler sammensat af seks kvarker.

Jagten på hexakvarker er kun lige begyndt, og indtil videre er kun en enkelt type blevet målt i et eksperiment.

Hexakvarkerne er endnu flygtigere end pentakvarker, men fysikerne mener, at de kan vaere dannet i store maengder lige efter big bang. Her kan de have klumpet sig sammen i skyer med en saerlig stoftilstand kaldet Bose-Einstein-kondensater, og hvis de hurtigt har indfanget tilstraekkeligt med elektroner, kan skyerne have overlevet som stabilt stof.

Hvis denne teori holder, vil hexakvarker vaere de usynlige legoklodser, som udgør 85 procent af alt stof i universet.

Opdagelsen af pentakvarken blev endeligt bekraeftet i 2022, da fysikerne Eric Swanson (tv.) og Tim Burns fortolkede måleresultaterne med en ny model.