Plasmalampa

Partikelfysik

De fyra fundamentala krafterna – En introduktion till partikelfysik

publicerad 9 månader sedan av
Valentin Voistinov

Att följa samhällets lagar kan vara aningen frustrerande ibland. Sverige har fyra grundlagar som måste följas, sedan finns det flera lagar som bygger vidare på dem. Universum fungerar i stort sätt likadant och har också fyra “grundlagar”, så kallade fundamentala krafter. Dessa krafter är lagar som säger hur allt inom universums gränser ska bete sig. Med dessa fyra krafter kan vi förklara i princip allt som händer i universum. Elektromagnetismen, starka och svaga växelverkan – och den mest välkända – gravitationen, är de fyra krafterna. 

Partikelfysik bygger på ett samspel mellan två typer av partiklar: fermioner och bosoner. Fermioner är i ett nötskal universums beståndsdelar. De bygger upp allt ifrån din skärm till solen, men även dig själv. Protoner och neutroner är exempel på fermioner och som vi vet består av dessa partiklar.

Bosoner är istället så kallade budbärar-partiklar. Deras uppgift är att förmedla en viss kraft till fermioner och få dem att uppföra sig på ett visst sätt. Det är ungefär som ett kosmiskt samhälle med medborgare och poliser, där poliserna (bosonerna) ser till att samhällets lagar följs av medborgarna (fermionerna). 

Den första och starkaste kraften är den starka växelverkan, som möjliggör att atomkärnor kan bildas. Som vi alla vet består en atomkärna av två partiklar. Protoner och neutroner. Dessa partiklar – tillsammans med elektroner – bygger upp en atom. I atomkärnan sitter de positivt laddade protonerna tillsammans med de neutralt laddade neutronerna och utanför befinner sig de negativt laddade elektronerna. Men hur kommer det sig att protoner kan sitta så nära varandra? Är det inte så att lika laddningar repellerar? Det är just här som kraften verkar. Det stämmer att två protoner repellerar varandra, men ifall dessa protoner kommer tillräckligt nära varandra kan en ny kraft skapas mellan protonerna. En kraft som ´limmar´ ihop protonerna till varandra och som också är starkare än kraften som vanligtvis repellerar partiklarna från varandra. Den här ´limmande´ kraften är den starka växelverkan och det är just den här kraften som skapar möjligheten för större grundämnen att bildas. Utan den skulle alla protoner repellera varandra och det enda ämnet som skulle finnas i universumet skulle vara väte. 

I bild 1.a repellerar protonerna varandra då partiklarna inte är tillräckligt nära för att den starka växelverkan ska ha effekt. I bild 1.b är protonerna tillräckligt nära varandra för att den starka växelverkan ska kunna attrahera protonerna till varandra och på så sätt ´limma´ ihop dem.

Som tidigare nämnt finns det så kallade bosoner som förmedlar alla krafter. Partikeln som förmedlar den starka växelverkan och sammanfogar atomkärnor kallas gluon. Det är enkelt att komma ihåg med min enkla minnesregel: “The gluon glues particles together”.

Om den starka växelverkan är kraften som förenar partiklar, vad är då den svaga växelverkan? Jo, det är kraften som ansvarar för att atomkärnor bryts, eller sönderfaller som det kallas. Ett sönderfall är när nukleontalet minskar i atomkärnan. Nukleoner är partiklar som bygger upp kärnan, alltså protoner och neutroner. När en atomkärna sönderfaller bildas en eller flera dotterkärnor. Ett exempel är när Uran-235 spontant sönderfaller till Torium-231. Här minskar nukleontalet från 235 nukleoner till 231.

Det är då den svaga växelverkan som har hand om sönderfall och dess budbärar-partikel är de så kallade Z- och W-bosonen.

Den tredje kraften i universum är elektromagnetismen, kraften som ansvarar för alla former av magnetiska och elektriska interaktioner. När magneter fastnar på ditt kylskåp är det inte resultatet av magi, utan det är ett naturvetenskapligt fenomen som kallas magnetism.

Elektromagnetism ansvarar alltså för att olika laddningar ska attrahera varandra och att lika laddningar ska repellera varandra. Men som står i namnet är det inte enbart magnetism som kraften ansvarar för, utan också alla former av elektricitet. Det är just elektromagnetismen som talar om hur elektroner ska uppföra sig vilket leder till att elektricitet kan uppstå, samma elektricitet som du just nu använder för att läsa den här artikeln.

Alltså beskriver elektromagnetismen alla fenomen som berör magnetism och elektricitet och dess budbärar-partikel är en foton

Den sista kraften, och troligtvis den mest välkända, är gravitationen. Den onda kraften som håller fast oss på jorden. Kraften som sir Isaac Newton upptäckte, men som Albert Einstein förklarade. Kraften som skapar mest trubbel för teoretiska fysiker idag. Fast gravitationen är egentligen inte så hemsk. Tack vare den kunde solen, jorden och alla himlakroppar formas. Det är kraften som attraherar all materia till varandra. 

Sir Isaac Newton var den första som formulerade ett matematiskt samband som kunde användas för att beräkna tyngdkraften. Men han kunde inte förklara mekaniken bakom gravitationen. Varför finns det en dragningskraft mellan olika objekt? Det dröjde ett par hundra år innan någon kunde ge ett bra svar. Det var då Albert Einstein som publicerade hans berömda allmänna relativitetsteori. En modell som inte bara förklarar tyngdkraften på ett komplext, men vackert sätt, utan som också innehåller ett mer exakt matematiskt samband.

Gravitationens budbärar-partikel är en graviton, men här kommer kruxet. Gravitonen har ännu inte upptäckts, utan partikelfysiker antar bara att den existera. Det innebär att gravitationen inte kan förklaras på ett exakt sätt med hjälp av partikelfysik, utan det krävs istället Einsteins allmänna relativitetsteori. Så det som fysiker jobbar med just nu är att hitta en enda teori som ska kunna förklara alla aspekter av universumet. Vi har tyvärr upptäckt att sökningen efter en sådan teori är mycket svårare än vad vi trodde och än så länge förblir teorin bara en del av forskarnas vildaste dröm.