Fysikerne pulveriserer atomet

Selvom atom betyder udelelig, har fysikerne splittet det i endnu mindre byggesten. Og nu vil de helt tæt på universets miniputter: fra kvarkerne i protonen til de milliarder af spøgelsespartikler, der lige nu suser igennem din krop

Selvom atom betyder udelelig, har fysikerne splittet det i endnu mindre byggesten. Og nu vil de helt tæt på universets miniputter: fra kvarkerne i protonen til de milliarder af spøgelsespartikler, der lige nu suser igennem din krop

Uanset hvor hårdt du træder på fortovets betonfliser, giver de sig ikke den mindste smule – heller ikke selvom de atomer, der udgør betonen, nærmest udelukkende består af tomrum.

Atomerne er så tomme, at selv tomrummet mellem universets galakser blegner, og det er nok den mest forbløffende erkendelse, de seneste 100 års forskning i atomet har givet os.

Alle atomer har en lillebitte kerne, som indeholder 99,94 procent af atomets masse, omgivet af en elektronsky, der er 26.000-60.000 gange større.

Afstandene i atomet svarer til, at kernen er en marmorkugle, som er placeret i midtercirklen på et fodboldstadion, mens elektronskyerne omkranser toppen af tribunerne.

Selvom kernen er lille, er dens massetæthed absurd høj. Tætheden i atomkernen er så ekstrem, at en tændstikæske med kernestof ville veje lige så meget som syv milliarder kubikmeter vand – dvs. 2,8 millioner svømmebassiner med olympiske dimensioner.

Til trods for mængden af tomrum holder elektromagnetiske kræfter atomkernen og elektronskyen sammen, så de danner solide og stabile byggesten i alle faste, flydende og gasformige stoffer.

Fysikerne har for længst afsløret, at atomkernen består af protoner og neutroner, og at disse kernepartikler indeholder endnu mindre byggesten.

Alligevel er rejsen ind i universets absolut mindste bestanddele først kun lige begyndt, for selvom protoner og neutroner er velkendte, holder de stædigt fast i flere af deres hemmeligheder – men det skal avancerede fysikforsøg i Europa og USA nu ændre på.

Atomet åbnes ind til kernen

Idéen om, at alt består af bittesmå byggesten, stammer fra antikken. I år 400 f.Kr. tænkte de græske filosoffer Leukippos og Demokrit sig frem til, at alt stof var opbygget af små, massive kugler.

Fænomenet blev døbt “atomos”, hvilket betyder udelelig.

De to grækere forestillede sig, at atomerne i faste stoffer som jern var hårde og udstyret med kroge, som bandt dem sammen, mens atomerne i væsker som vand var bløde og glatte.

I Thomsons atommodel bevægede negativt ladede elektroner sig rundt i en positivt ladet dej – som rosinerne i en blommebudding.

© Shutterstock

Atomteorien gik i glemmebogen indtil 1897, hvor den engelske fysiker J.J. Thomson beviste, at grækerne tog fejl – atomet var ikke udeleligt.

Thomson undersøgte strålingen fra to elektroder og opdagede, at den negative elektrode udsendte stråler, som blev tiltrukket af positivt ladede metalplader og frastødt af negative plader.

Ifølge Thomson bestod strålerne af negativt ladede partikler, som blev udsendt fra atomerne i elektroden. Partiklerne fik navnet elektroner.

Ifølge Thomsons atommodel, kaldet blommebuddingmodellen efter en engelsk kage, bestod det massive, kuglerunde atom af en positivt ladet “dej” med indbyggede negative "blommer" svarende til elektronerne.

Blommebuddingteorien faldt dog fra hinanden, da den newzealandske fysiker Ernest Rutherford i 1909 fyrede stråler af positivt ladede alfapartikler ind i en tynd folie af guld.

De bittesmå positive partikler burde ifølge Thomsons model passere tværs gennem folien, for hvis elektronerne var mikset ind i en positiv kerne som blommerne i en budding, ville kernen være neutral og derfor ikke frastøde de positive alfapartikler.

Video: Fysikere har animeret rejsen ind i atomet

Men Rutherford observerede forbløffet, at en del af alfapartiklerne blev afbøjet ud til siderne.

Det måtte betyde, at guldatomernes positive ladning var koncentreret i en lillebitte kerne omgivet af en langt større negativ elektronsky, som fik de positivt ladede alfapartikler til at ændre kurs.

Fysikerne udviklede en teori om, at atomkernen i tunge atomer, fx jern, var opbygget af brintkerner.

I 1925 omdøbte Ernest Rutherford brintkernerne til protoner og fastslog, at antallet af protoner i en atomkerne bestemmer atomets art – fx indeholder et iltatom otte protoner og et jernatom 26 protoner.

Protonen svinder ind

Selvom protonen snart har været kendt i et århundrede, udfordrer den stadig forskerne; fx var det først i 2019, at de opdagede, hvor lille atomets bærende byggesten rent faktisk er.

Udgangspunktet for målingerne var et brintatom med én proton i kernen og én omkredsende elektron.

En amerikansk forskergruppe under ledelse af W. Xiong fra Durham University i North Carolina sendte vha. radiobølger elektronen op i en højere energitilstand og målte dens frekvens, når den faldt tilbage til grundtilstanden.

Herved fastslog fysikerne den energi, der skal til for at få elektronen til at springe, og da netop denne energimængde afhænger af protonens størrelse, kunne de fastslå, at protonens radius er 0,833 billiardtedele meter – fem pct. mindre end hidtil antaget.

Neutronens levetid er gådefuld

Protonens faste makker i atomkernen, neutronen, blev opdaget i 1938, da den engelske fysiker James Chadwick bombarderede en målskive af beryllium med alfapartikler.

Berylliumatomerne udsendte ekstremt energirige neutrale stråler, som kunne trænge 20 centimeter ind i en blok af bly.

0.833 billiardtedele meter er radiussen på en proton.

Chadwick beviste, at strålerne bestod af neutrale kernepartikler.

Neutronens eksistens forklarer de små vægtforskelle mellem atomer af samme art; for eksempel rummer et almindeligt iltatom otte protoner og otte neutroner, men ilt findes også i en tungere udgave med ti neutroner i kernen.

Uden for atomkernen bliver neutronen ustabil og henfalder til en proton, en elektron og en neutrino.

Men det er aldrig lykkedes at bestemme frie neutroners levetid præcist, bl.a. fordi de to anerkendte målemetoder giver to forskellige resultater.

Atomkernen er så tætpakket, at det svarer til at mase 6,2 milliarder personbiler med en gennemsnitsvægt på to tons ned i en kasse, som måler 30 x 30 x 30 centimeter.

© Shutterstock & Ken Ikeda Madsen

Derfor har fysikerne udviklet en teori om et spejlbilledunivers af spejlbilledatomer, der eksisterer side om side med vores eget univers, og at denne spejlbilledverden udgør den ukendte mørke masse i galakserne.

Ifølge teorien kan forskellen i målingerne af levetid skyldes, at neutroner er i stand til at bevæge sig frem og tilbage mellem vores univers og spejlbilleduniverset.

Hvis én ud af 100 frie neutroner skifter identitet til sit spejlbillede og forsvinder over til den anden side, inden den henfalder til en proton, kan det forklare forskellen i de to resultater.

Antikvarker skal frem i lyset

Lige nu er forskernes største hovedpine dog kvarkerne – atomets inderste byggesten.

En proton indeholder fx to opkvarker og en nedkvark, mens en neutron er bygget af to nedkvarker og en opkvark.

I 1968 opdagede fysikerne, at protoner og neutroner kan splittes i endnu mindre dele – kvarker – som holdes sammen af limpartikler kaldet gluoner. Kvarkerne kan deles op i tre familier, hvoraf de to sidste kun flygtigt opstår ved protonsammenstød i store acceleratorer og under energirige begivenheder i universet, fx supernovaer

© Shutterstock & Ken Ikeda Madsen

Bundkvark

Masse: 4,18 GeV
Elektrisk ladning: -1/3-del

© Shutterstock & Ken Ikeda Madsen

Charme-kvark

Masse: 1,275 GeV
Elektrisk ladning: +2/3-dele

© Shutterstock & Ken Ikeda Madsen

Mærkværdig-kvark

Masse: 95 MeV
Elektrisk ladning: -1/3-del

© Shutterstock & Ken Ikeda Madsen

Nedkvark

Masse: 4,7 MeV
Elektrisk ladning: -1/3-del

© Shutterstock & Ken Ikeda Madsen

Opkvark

Masse: 2,2 MeV
Elektrisk ladning: +2/3-dele

© Shutterstock & Ken Ikeda Madsen

Topkvark

Masse: 173 GeV
Elektrisk ladning: +2/3-dele

Fysikerne har også registreret fire tungere kvarker, som kun opstår i fx supernovaer og lynhurtigt henfalder til lettere partikler og stråling.

Frie kvarker eksisterede kun i det første mikrosekund efter big bang, hvor det nyfødte univers var en glohed ildkugle med en diameter på under fem km og en temperatur på 2000 milliarder °C.

Da universet voksede og kølede ned, blev kvarkerne indfanget af en slags limpartikler kaldet gluoner, der siden har bundet kvarkerne sammen tre og tre.

Den traditionelle model af protonen indeholder fx tre gluoner, der holder de tre kvarker sammen i et jerngreb. Men nye fysiske teorier peger på, at protonens indre liv er langt mere dynamisk og kompliceret.

Den simple model kan nemlig ikke forklare, hvorfor de tre kvarker tilsammen kun udgør fem pct. af protonens masse og kun er ansvarlige for en lille del af protonens egenrotation.

En ny teori forudsiger, at protonen har en kompleks indre dynamik, hvor kvarker og antikvarker hele tiden opstår og udsletter hinanden i en suppe af talrige gluoner, der ligeledes opstår og forsvinder.

For at teste teorien skal den 3,8 km lange accelerator RHIC i New York ombygges og genopstå som Electron-Ion Collider. Acceleratoren skal smadre elektroner og protoner frontalt sammen ved højere energier end nogensinde før.

Et elektronbombardement i Stanford Linear Accelerator beviste i 1968, at protoner og neutroner består af endnu mindre partikler kaldet kvarker.

© Brookhaven National

Kvarkerne blev netop opdaget ved, at protoner blev beskudt med elektroner, som blev reflekteret fra tre bittesmå, punktformede partikler inde i protonen.

Med den nye accelerator vil elektronerne trænge dybere ind i protonerne og også afsløre gluonernes sammenspil.

Neutrinoer suser gennem alt

Selvom kvarkerne er ufattelig små, bliver de stadig undergået af neutrinoer, som udsendes af ustabile radioaktive atomer med en ekstra neutron i kernen.

For at blive stabilt gennemgår atomet et såkaldt betahenfald, hvor neutronen omdannes til en proton ved at udsende en elektron og en neutrino.

Størstedelen af neutrinoerne bliver skabt af fusionsprocesserne i stjerner og farer afsted med næsten lysets hastighed.

Hvert sekund rammer trilliarder af solneutrinoer Jorden, men størstedelen blæser tværs gennem planeten, da neutrinoer kun reagerer med atomer, hvis de ramler lige ind i den lillebitte atomkerne.

65 milliarder neutrinoer strømmer i løbet af ét sekund igennem hver kvadratcentimeter af din krop.

Indtil 1998 troede fysikerne, at neutrinoen var masseløs, men så viste målinger i en japansk og en canadisk detektor, at neutrinoer fra Solen udfører en forbløffende tryllekunst på vej til Jorden.

I alt eksisterer der tre slags neutrinoer, men Solen udsender kun den ene type. I 30 år havde fysikerne forsøgt at forstå, hvorfor kun 33-50 pct. af neutrinoerne nåede frem til os.

Men så opdagede de, at neutrinoer kan skifte mellem de tre typer undervejs.

Det kan sammenlignes med, at Solen udsender appelsiner, og nogle af dem omdanner sig til æbler og pærer på vej mod Jorden.

Neutrinoernes identitetsskift er kun muligt, hvis de har en uhyre begrænset masse.

Gennem to årtier har forskerne forsøgt at veje dem, og nu har den tyske detektor Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment (KATRIN) fastslået en overgrænse for neutrinoens masse, som er 1/500.000 af elektronens.

I de kommende år vil de tyske fysikere forsøge at veje neutrinoen præcist, hvilket vil hjælpe astronomerne med at forstå den rolle, myriaderne af neutrinoer har spillet for universets udvikling lige siden big bang.

Mørkt stof som sidegevinst

Undersøgelser af neutrinoernes evne til at skifte identitet kan potentielt nedlægge et endnu større bytte: gåden om mørkt stof.

De tre kendte neutrinoer vekselvirker med atomkerner via den svage kernekraft, fx ved radioaktivt betahenfald.

Men en ny fysisk teori forudsiger en tung storebror, som kaldes en steril neutrino, fordi den kun reagerer med atomer via tyngdekraften.

Hvis den sterile neutrino findes, er den en oplagt kandidat til det mørke stof, som udgør 85 procent af massen i galakserne.

KATRIN blev produceret 400 km væk i Bayern, men måtte pga. sin størrelse ud på en 9000 km lang omvej via floder, Sortehavet og Atlanten til forskningscenteret i Karlsruhe.

© Karlsruhe Institue of Technology

Den nye teori forudsiger, at de tre kendte neutrinoer ikke blot kan omdanne sig til hinanden, men også til den tunge storebror, som vil forsvinde ud af enhver detektor uden at efterlade sig spor.

USA har netop besluttet at ombygge den ellers pensionerede accelerator på Fermilab til at producere stråler af neutrinoer og sende dem gennem tre detektorer, som måler deres identitetsskift.

Hvis forsøgene afslører den sterile neutrino og dermed finder det mørke stof, vil atomets mindste og mest forunderlige byggesten have skabt fysikernes største gennembrud i det 21. århundrede.