Modtag e-mails om kommende NOVA-programmer og relateret indhold samt reportager om aktuelle begivenheder gennem en videnskabelig optik.
Fra The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind , en insiderberetning om LHC’s driftshistorie og søgningen efter Higgs bosonen, af Don Lincoln. Udgivet af Johns Hopkins University Press. Genoptrykt med tilladelse fra forlaget.
Matematikeren Augustus de Morgan fra den victorianske æra skrev:
Store lopper har små lopper på ryggen til at bide
Og små lopper har mindre lopper, og så videre i det uendelige.
Og de store lopper har selv igen større lopper til at gå på,
Mens disse igen har endnu større, og endnu større, og så videre.
Denne ofte citerede passage er en parodi på Jonathan Swifts 1733’s On Poetry (Om poesi): A Rhapsody , som var skrevet om poesi. Videnskabsfolk har imidlertid taget disse linjer som en metafor for naturens verden. Når man lærer om mikroverdenen, bliver man hurtigt konfronteret med den konstatering, at alt stof er lavet af molekyler. Molekyler er igen lavet af atomer, som igen er lavet af elektroner og atomkerner. Atomkerner består af protoner og neutroner, og disse er sammensat af kvarker.
Men så vidt vi ved, er kvarker og elektroner det. Det er slut for så vidt angår struktur. I modsætning til et atom eller en proton, som har en rig struktur med komplekse vekselvirkninger mellem deres bestanddele, mener man i øjeblikket, at kvarker og elektroner ikke har nogen intern struktur overhovedet. Både teoretisk og fysisk anses de for at være matematiske punkter.
Selvfølgelig kan enhver med en smule fantasi ikke lade være med at sige: “Vent nu lige et øjeblik. Hvorfor kunne kvarkerne og leptonerne ikke selv have en indre struktur?” Tja, der er kun ét muligt svar, og det er “det kunne de godt”. Kvarkerne og elektronerne (og i forlængelse heraf alle leptonerne) kunne være lavet af endnu mindre objekter. Eller de kan (ret usandsynligt) faktisk være fundamentale (dvs. ikke have nogen mindre dele, med andre ord strukturløse).
Før vi går videre, skal vi overveje de involverede størrelser. Alt i mikroverdenen er lille. Et enkelt molekyle er så lille, at man kan placere en million af dem side om side på en enkelt millimeter. De er så små, at man ikke kan bruge almindeligt lys til at se dem. Og alligevel er sådanne mindre objekter enormt store: en milliard gange større end forskningsgrænsen.
Molekyler er sammensat af atomer, som er omkring en tiendedel af molekylernes størrelse. Det mentale billede af et atom som et lille solsystem, med solen som kerne og planetariske elektroner, er mangelfuldt, og alligevel er det ikke uden berettigelse. Det fremhæver det faktum, at et atom hovedsageligt består af tomt rum, hvor elektronerne hvirvler febrilsk rundt langt væk fra en lille, tæt kerne. Atomkernens radius er ca. 10.000 gange mindre end atomets og fylder kun en trilliontedel af atomets volumen.
Atomets kerne består af protoner og neutroner, der er pakket tæt sammen. Mit mentale billede af atomkernen er en masse frøæg eller kugler efter at være blevet håndteret af et spædbarn med meget klistrede fingre. Hver proton eller neutron er ca. 10-15 meter bred, og der skal en trillion protoner og neutroner lagt ende mod ende til at dække en enkelt millimeter. Det er småt.
Protoner og neutroner indeholder i sig selv kvarker og gluoner. Den enkleste måde at forestille sig en proton på er, at der er to op-kvarker og en ned-kvark, der sidder fast i et kraftfelt af gluoner. Tænk på tre nummererede plastikkugler i en af de der luftblæste lotterimaskiner, og du får den grundlæggende idé.
Men det mentale billede af kvarker som plastikkugler har en stor fejl. Kuglerne er ikke meget mindre end en lottomaskine. Quarks er små. Måske er et bedre mentalt billede af protonen tre små pletter af styrofoam i den samme maskine.
Hvad ved vi så om størrelsen af kvarker? Tidligere sagde jeg, at de ikke har nogen størrelse, og det er i hvert fald sådan, som den nuværende teori behandler dem. Men som eksperimentator er jeg mere optaget af målinger. Du som læser må være nysgerrig efter at vide, hvilke målinger der har afsløret størrelsen af en kvark. Og nu er svaret … en trommehvirvel, tak … det har de ikke. Det betyder ikke, at vi ikke ved noget om deres størrelse. Vi har undersøgt dette spørgsmål ret grundigt, og vi ved præcis, hvor godt vores udstyr er. Hvis kvarker (og elektroner) var større end ca. ti tusind gange mindre end en proton, ville vi have set, at de har en størrelse. I alle vores eksperimenter har vi aldrig set bare den mindste troværdige antydning af en størrelse. Vi konkluderer derfor, at selv om vi ikke kan sige, hvad størrelsen af en kvark eller elektron faktisk er, kan vi med sikkerhed sige, at hvis kvarker overhovedet har en størrelse, så er de mindre end en ti tusindedel af størrelsen af en proton.
Hvis denne idé er svær at forstå, så lad os overveje, hvor lille en genstand du kan se med dine øjne. Du kan sagtens se et sandkorn. Med en meget betydelig indsats kan du måske se den mindste smule mel i dit skab. Men det er det hele. Med dit blotte øje kan du ikke se noget mindre. Når du beslutter dig for at se på en bakterie med øjet, kunne du således konkludere, at den ikke har nogen størrelse, men den strengt korrekte konklusion, du bør drage, er, at bakterier er mindre end en lillebitte plet mel.
Med bedre udstyr, f.eks. et kraftigt mikroskop, kan man se, at bakterier faktisk har en målbar størrelse. Så når du har ramt begrænsningen i dit udstyr, skal du simpelthen anskaffe dig et kraftigere mikroskop. Det mikroskop, som LHC og dets to primære detektorer er, vil observere størrelsen af kvarker, hvis de ikke er mindre end 20 eller 30 tusindedele af størrelsen af en proton … eller de vil sætte en grænse, der er omkring to eller tre gange mindre end det, man i øjeblikket tror.
Mens observationer, intuition og de Morgans ditto kan være nok til at understøtte en tilfældig mistanke om, at andre stofniveauer kan forekomme ved stadig mindre størrelser – et helt nyt lag eller sæt af lag i det kosmiske løg – er der også mere videnskabelige grunde. For eksempel kan man tænke på det periodiske system. Selv om Mendelejev havde tænkt sig, at det skulle være et organisationsskema, blev det med formuleringen af teorien om kerneatomet og kvantemekanikken i de første årtier af det 20. århundrede klart, at det periodiske system faktisk var den første indikation af atomar struktur, et halvt århundrede før vi virkelig forstod tabellens budskab.
Mens den historie, som det periodiske system fortalte, klart antydede atomstrukturen, antyder historien om atomstråling også kernekernens struktur. For eksempel afgiver cæsium ( 137 55 Cs, med femoghalvtreds protoner og toogfirs neutroner) en elektron og bliver til barium ( 137 56 Ba, med seksoghalvtreds protoner og enogfirs neutroner).
Lad os tage disse historiske eksempler og overføre ræsonnementet til den moderne verden. Vi er klar over, at historiske erfaringer ikke altid gælder. Men nogle gange gør de det.
Vores “periodiske system” af partikler er vist i billedet ovenfor. Dets opbygning er anderledes end det kemiske periodiske system. I figuren er der seks typer kvarker. Up-, charm- og top-kvarkerne har alle +⅔ ladning (i et system, hvor ladningen af en proton er +1), og massen af charm-kvarken overgår massen af up-kvarken, som igen overgås af top-kvarken. På samme måde har down-, strange- og bottom-kvarkerne alle elektrisk ladning -⅓, og massen stiger, jo mere man går mod højre.
I det moderne periodiske system er de “kemisk ensartede” enheder rækkerne, i modsætning til kolonnerne i Mendelejevs system. Vi ser, at der er tre “generationer” eller kulstofkopier af det samme kvark- og leptonmønster. Dette minder i høj grad om de antydninger, som det kemiske periodiske system gav os i sidste halvdel af det nittende århundrede.
Der er en anden historisk lighed at overveje. Ligesom de forskellige atomkerner kunne henfalde til andre atomkerner, kan kvarker og leptoner også henfalde til andre kerner. En topkvark kan henfalde til en bundkvark og en W-boson. På samme måde kan myonen henfalde til en elektron og to neutrinos. Andre typer af kvark- og leptonsammenfald er også mulige. Faktisk henfalder alle partikler i anden og tredje generation i sidste ende til partikler i første generation. Et afgørende fingerpeg er, at den eneste kraft, der kan ændre en kvark eller lepton til en anden (vi siger “ændre kvarkens eller leptonens ‘smag'”), er den svage kraft. Endvidere er det specifikt kun den elektrisk ladede W-boson, der kan gøre dette.
Der er ingen håndfaste beviser for, at tilstedeværelsen af kvark- og leptongenerationer tyder på, at kvarker og leptoner selv er sammensat af mindre (hidtil uopdagede) partikler. Den historiske analogi er imidlertid stærkt suggestiv og fortjener bestemt nærmere opmærksomhed. Det faktum, at man ved at udsende en W-boson kan ændre kvark- eller leptonsmag, er et yderst værdifuldt spor, der skriger noget vigtigt på fysikerne.
Jeg ville bare ønske, at jeg havde forstand nok til at forstå, hvad den sagde.
Men selv uden den afgørende indsigt, der åbner gåden på vid gab, kan vi spekulere intelligent om emnet og (hvilket er langt vigtigere) gennemgå vores bunker af data og lede efter yderligere spor. Som med alle søgninger efter nye fysiske fænomener er man nødt til at foretage et kvalificeret gæt om, hvad man skal lede efter, og derefter lede efter det. Så hvad er de sandsynlige eksperimentelle signaturer af kvarkstruktur?
Historisk set har et af de bedste steder at lede været de voldsomste kollisioner. Man smadrer to objekter sammen og ser, hvor mange kollisioner der er på hvert voldsniveau. Specifikt ser man på mængden af “sidelæns vold”. Teknisk set kalder vi dette tværgående momentum , hvilket betyder vinkelret på strålen. Der er tekniske grunde til dette valg, men for det meste skyldes det, at man skal ramme noget hårdt, for at det går sidelæns fra sin oprindelige retning.
I dag indtager de fleste fysikere en “vent og se”-holdning og foretrækker at se, hvad universet vil give os af vink med en vognstang. Alligevel er der blevet foreslået navne for disse objekter, der er mindre end kvarker, hvor det mest populære er “preon” (for pre-quark). Men hver teoretisk fysiker, der har udarbejdet en teori, har opfundet sit eget navn, og der er blevet foreslået subkvarker, maoner, alfoner, quinks, rishoner, tweedler, heloner, haploner og Y-partikler. Jeg kan selv godt lide navnene quinks og tweedles.
Hvad bliver den næste store opdagelse? Jeg har ingen anelse. Det kan meget vel være et af de emner, der er nævnt her. Eller, endnu mere spændende, det kan være noget helt uventet; noget, der bare rammer os ud af det blå. Som man siger, vil tiden vise det.