Partikelfamilien får nye medlemmer: Mød multikvarkerne!

Farver binder verden sammen

I modsætning 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 farvekræfterne rød, grøn og blå.

Når lys med de tre farver blandes sammen, udligner de hinanden, så resultatet er hvidt lys. Tilsvarende balancerer kvarkernes farvekræfter hinanden ud, og det er, præcis hvad der skal til for at holde protonen stabil.

Princippet gælder for alle partikler, fysikerne kan observere. De kan kun eksistere, hvis kvarkernes farvekræfter 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 længe farvekræfterne 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 bekræftet reglen om, at farvekræfterne 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 præcis 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 bekræftet 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 begrænsninger, data giver,” sagde fysikeren Tim Burns fra Swansea University ved offentliggørelsen.

Den største begrænsning 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 tilfælde endda kun henfaldspartiklernes henfaldspartikler. Derfor skal forskerne ofte regne langt tilbage for at finde ud af, om en pentakvark har været til stede.

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

Skal afsløre atomernes lim

Nærmere undersøgelser af pentakvarker og andre multikvarker kan forhåbentlig gøre forskerne endnu klogere på farvekræfternes natur.

Ifølge teorien sørger kræfterne ikke kun for at holde kvarkerne sammen inde i fx protoner og neutroner, men rækker længere 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.

Præcis hvordan farvekraften gør atomkerner stabile, er dog stadig et åbent spørgsmål, og måske kan multikvarkerne hjælpe 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 være der, for ellers ville stjernerne i galakserne ikke kunne rotere så hurtigt rundt. Rotationshastigheden er kun mulig, hvis der er en stor mængde mørkt stof til stede, som påvirker stjernerne med sin tyngdekraft.

Nogle fysikere mener, at det mystiske mørke stof måske er dannet af multikvarker, nærmere 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 være dannet i store mængder lige efter big bang.

Her kan de have klumpet sig sammen i skyer med en særlig stoftilstand kaldet Bose-Einstein-kondensater, og hvis de hurtigt har indfanget tilstrækkeligt med elektroner, kan skyerne have overlevet som stabilt stof.

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