Partikelfysik

Kvantkromodynamik – Hur kvarkar bildar en proton

publicerad 1 månad sedan av
Valentin Voistinov

På kemi- och fysiklektionerna lär vi oss att allt består av protoner, neutroner och elektroner. Men från högenergifysik vet vi att även protoner och neutroner kan delas till mindre beståndsdelar, kvarkar, som hålls samman av den starka växelverkan. Neutroner kan delas i två nerkvarkar och en uppkvark, och protoner i två uppkvarkar och en nerkvark. För tillfället finns det inget bevis som påstår att även kvarkar består av något mindre. Men hur kan tre kvarkar forma en proton? Intuitivt förväntade jag mig att kvarkarnas bindningar skulle likna kemiska bindningar, men som vi snart kommer att se, stämmer inte det.

Till att börja med ska vi ta en titt inuti en proton. Som tidigare nämnt består partikeln av en triplett av kvarkar, specifikt två uppkvarkar och en nerkvark, bundna av den starka växelverkan. Hur denna kraft verkar kan förklaras med kvantkromodynamik, en kvantfältteori lik QED (kvantelektrodynamik), och som QED kan kvantkromodynamik betecknas som QCD (från engelska, quantumchromodynamics). I ett nötskal säger teorin att det sker ett utbyte av gluoner mellan varje kvark, vilket ger upphov till den starka växelverkan. Som en interaktion mellan två elektroner i QED, kan en interaktion mellan kvarkar också avbildas på ett Feynmandiagram.

Vänster Feynmandiagram avbildar en interaktion mellan två kvarkar. Kvarkarna (q) förmedlar en gluon (g) mellan varandra och ger upphov till den starka växelverkan. Gluoner ritas med en spiral mellan. Jämför denna bild med det högra Feynmandiagrammet. Här interagerar två elektroner med varandra med hjälp av en virtuell foton (Ɣ). Denna foton ritas med en våg.
Bild av Valentin Voistinov

I samband med QCD och kvarkarnas attraktion till varandra används en annan benämning. Det sägs att det finns en färgladdning mellan kvarkarna som gluonerna förmedlar, men i praktiken är detta den starka växelverkan. Denna färgladdning liknar elektrisk laddning i och med att färgladdningen attraherar kvarkarna till varandra. Det konstiga är att även gluoner bär på denna färgladdning, vilket innebär att även de interagera med varandra. Fotoner, elektromagnetismens boson, har inte samma egenskaper och kan inte interagera med varandra. Detta leder till några unika fenomen hos QCD som beskrivs längre fram.

I QCD sägs det att kvarkar har en av följande färger: blå, grön eller röd, men även motsatta färger så kallade antifärger, det vill säga antiblå, antigrön och antiröd. En triplett av dessa färger bildar en partikel som sägs vara färgneutral, eller med andra ord vit. Baryoner, som protoner och neutroner, är exempel på dessa partiklar, eftersom de består av tre kvarkar med färgerna blå, grön och röd. Sedan finns det mesoner som istället består av en färg och sin antifärg. 

En typisk modell över en proton där “u” är beteckningen för en uppkvark och “n” är beteckningen för en nerkvark. Spiralerna mellan kvarkarna är gluoner. Kvarkarnas färg visas också för att illustrera färgladdning. Bild av Harp.

Det är viktigt att påpeka att kvarkar inte ses som färgade i verkligheten, utan den här benämningen finns bara som ett visuellt stöd för att förklara den starka kraften. För att tillfredsställa alla etymologi-älskare är detta ursprunget till ordet kvant-KROMO-dynamik. Chroma betyder nämligen färg på grekiska.

Hur gluoner förmedlar färgladdning liknar fotonernas sätt att förmedla elektromagnetismen, men det betyder inte att färgladdningen, eller den starka växelverkan, är identisk med elektromagnetismen (eller tyngdkraften). Kraften mellan kvarkar minskar inte när distansen mellan dem ökar, istället ökar den, vilket är raka motsatsen mot den elektromagnetiska kraften. Ju större sträckan är mellan kvarkar, desto hårdare dras de mot varandra. En analogi till detta är ett gummiband. Ju hårdare gummibandet spänns, desto hårdare dras den tillbaka. I partikelfysik kallas detta fenomen asymptotisk frihet

Två grafer där kraften (F) mellan partiklarna beror på sträckan (r) mellan partiklarna. Vänster graf visar hur kraften avtar när sträckan mellan dem ökar, vilket sker för elektromagnetism i QED. Höger graf visar asymptotisk frihet där kraften mellan kvarkarna ökar när sträckan ökar, vilket QCD förutsäger. Bild av Valentin Voistinov.

Om ett gummiband spänns för hårt bryts det och detta gäller även för kvarkar. Det går att “spjälka” bort en kvark från en kvarktriplett, men det krävs en sådan stor mängd energi att en kvark och antikvark spontant skulle bildas. Då binder sig den nybildade kvarken till de två andra kvarkarna för att återbilda tripletten, och den nybildade antikvarken binder sig till den “frigjorda kvarken” och bildar en meson. På grund av detta är det omöjligt för en kvark eller gluon att existera ensam, förutom vid extrema förhållanden. Istället kommer de alltid vara bundna till varandra på ett sätt för att tillsammans nå en neutral färg. Denna instängning har fått namnet inneslutning.  

Så QCD talar om hur kvarkar interagerar för att forma protoner och som QED är teorin komplexare än visualiseringen. Bakom varje interaktion gömmer sig en komplex matematisk ekvation som kräver universitetsmatematik. Trots detta kan vi ändå förstå kvantkromodynamik på en grundläggande nivå.

Källor som användes i den här artikeln

Dr.Don Lincoln . QCD: Quantum Chromodynamics . FermiLab . 2016-08-17 . <https://www.youtube.com/watch?v=df4LoJph76A> (Hämtad 2020-05-10)

Jim Baggott . Higgs: The Invention and Discovery of the ‘God Particle’ (på svenska) . Oxford University Press . 2012 . <> (Hämtad 2020-05-10)

Harp . Quark structure proton . Quark structure proton . 2006-03-16 . <https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Quark_structure_proton.svg> (Hämtad 2020-05-17)