Få e-postmeddelanden om kommande NOVA-program och relaterat innehåll, samt reportage om aktuella händelser genom ett vetenskapligt perspektiv.
Från The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind , en insiderberättelse om LHC:s operativa historia och sökandet efter Higgsbosonen, av Don Lincoln. Utgiven av Johns Hopkins University Press. Återges med tillstånd av förlaget.
Den viktorianska tidens matematiker Augustus de Morgan skrev:
Stora loppor har små loppor på ryggen för att bita
Och små loppor har mindre loppor, och så i all oändlighet.
Och de stora lopporna själva har i sin tur större loppor att gå på,
Och dessa har återigen ännu större, och ännu större, och så vidare.
Detta ofta citerade stycke är en parodi på Jonathan Swifts 1733 års Om poesi: A Rhapsody , som skrevs om poesi. Forskare har dock tagit dessa rader som en metafor för naturvärlden. När man lär sig om mikrovärlden ställs man snabbt inför observationen att all materia består av molekyler. Molekylerna består i sin tur av atomer som i sin tur består av elektroner och atomkärnor. Atomkärnorna består av protoner och neutroner och dessa består av kvarkar.
Såvitt vi vet är dock kvarkar och elektroner det. Det är slut på det när det gäller strukturen. Till skillnad från atomen eller protonen, som har en rik struktur med komplexa interaktioner mellan sina beståndsdelar, tror man för närvarande att kvarkarna och elektronerna inte har någon inre struktur alls. Både teoretiskt och fysiskt anses de vara matematiska punkter.
Naturligtvis kan alla med ett uns fantasi inte låta bli att säga: ”Vänta lite nu. Varför skulle inte kvarkarna och leptonerna själva kunna ha en inre struktur?”. Det finns bara ett möjligt svar och det är ”de skulle kunna”. Kvarkarna och elektronerna (och i förlängningen alla leptoner) skulle kunna bestå av ännu mindre objekt. Eller så kan de (ganska osannolikt) faktiskt vara fundamentala (dvs. inte ha några mindre delar, med andra ord strukturlösa).
Innan vi går vidare ska vi överväga vilka storlekar det rör sig om. Allt i mikrovärlden är litet. En enda molekyl är så liten att man skulle kunna placera en miljon av dem sida vid sida på en enda millimeter. De är så små att du inte kan använda vanligt ljus för att se dem. Ändå är sådana små objekt enormt stora: en miljard gånger större än forskningsgränsen.
Molekyler består av atomer, som är ungefär en tiondel så stora som molekyler. Den mentala bilden av en atom som ett litet solsystem, med solen som kärna och planetära elektroner, är bristfällig och ändå är den inte utan värde. Den belyser det faktum att en atom består av mestadels tomt utrymme, med elektroner som virvlar frenetiskt långt från en liten, tät kärna. Kärnans radie är ungefär 10 000 gånger mindre än atomens och upptar bara en triljondel av dess volym.
Atomkärnan består av protoner och neutroner som är tätt packade. Min mentala bild av atomkärnan är en massa grodägg eller kulor efter att ha hanterats av ett småbarn med mycket klibbiga fingrar. Varje proton eller neutron är ungefär 10-15 meter bred, och det skulle behövas en biljon som läggs sida vid sida för att spänna över en enda millimeter. Det är litet.
Protoner och neutroner innehåller inom sig kvarkar och gluoner. Det enklaste sättet att tänka på en proton är att det finns två up-kvarkar och en down-kvark som sitter fast i ett kraftfält av gluoner. Tänk dig tre numrerade plastbollar i en av de där luftblåsta lotterimaskinerna och du får den grundläggande idén.
Men den mentala bilden av kvarkar som plastbollar har en stor brist. Bollarna är inte mycket mindre än en lotterimaskin. Quarks är små. Kanske är en bättre mental bild av protonen tre små fläckar av skumplast i samma maskin.
Så vad vet vi om storleken på kvarkar? Tidigare sa jag att de inte har någon storlek, och det är verkligen så den nuvarande teorin behandlar dem. Som experimentatör är jag dock mer intresserad av mätningar. Du som läsare måste vara nyfiken på vilka mätningar som har avslöjat storleken på en kvark. Och nu kommer svaret … en trumvirvel tack … de har inte gjort det. Det betyder inte att vi inte vet något om deras storlek. Vi har studerat denna fråga ganska grundligt, och vi vet exakt hur bra vår utrustning är. Om kvarkar (och elektroner) var större än ungefär tio tusen gånger mindre än en proton skulle vi ha sett att de har en storlek. I alla våra experiment har vi aldrig sett ens den minsta trovärdiga antydan till en storlek. Vi drar därför slutsatsen att även om vi inte kan säga vad storleken på en kvark eller elektron faktiskt är, kan vi med säkerhet säga att om kvarkar överhuvudtaget har en storlek så är de mindre än en tiotusendel av storleken på en proton.
Om denna idé är svår att förstå, låt oss tänka på hur litet ett föremål du kan se med dina ögon. Du kan lätt se ett sandkorn. Med mycket stor ansträngning kan du kanske se den minsta lilla biten mjöl i ditt skåp. Men det är ungefär allt. Med blotta ögat kan du inte se något mindre. När du bestämmer dig för att titta på en bakterie med ögat skulle du alltså kunna dra slutsatsen att den inte har någon storlek, men den strikt korrekta slutsats du bör dra är att bakterier är mindre än en liten fläck mjöl.
Med bättre utrustning, till exempel ett kraftfullt mikroskop, kan man se att bakterier faktiskt har en mätbar storlek. Så när man väl har stött på begränsningen i sin utrustning måste man helt enkelt skaffa sig ett kraftfullare mikroskop. Det mikroskop som LHC och dess två primära detektorer utgör kommer att observera storleken på kvarkar om de inte är mindre än 20 eller 30 tusendelar av storleken på en proton … eller så kommer de att sätta en gräns som är ungefär två eller tre gånger mindre än vad man för närvarande tror.
Medan observationer, intuition och de Morgans dito kan vara tillräckliga för att stödja en tillfällig misstanke om att andra materienivåer kan förekomma i allt mindre storlekar – ett helt nytt lager eller en uppsättning lager i den kosmiska löken – finns det också mer vetenskapliga skäl. Tänk till exempel på det periodiska systemet. Även om Mendelejev avsåg att det skulle vara ett organisationsschema, blev det i och med formuleringen av kärnatomteorin och kvantmekaniken under 1900-talets första decennier tydligt att det periodiska systemet faktiskt var den första indikationen på atomstruktur, ett halvt sekel innan vi verkligen förstod tabellens budskap.
Medan den historia som det periodiska systemet berättade tydligt antydde atomstrukturen, antyder historien om kärnstrålning också kärnans struktur. Till exempel avger cesium ( 137 55 Cs, med femtiofem protoner och åttiotvå neutroner) en elektron och blir till barium ( 137 56 Ba, med femtiosex protoner och åttioen neutroner).
Låt oss ta dessa historiska exempel och tillämpa resonemanget på den moderna världen. Vi inser att historiska lärdomar inte alltid gäller. Men ibland gör de det.
Vårt ”periodiska system” av partiklar visas i bilden ovan. Dess organisation skiljer sig från det kemiska periodiska systemet. I figuren finns det sex typer av kvarkar. Upp-, charm- och toppkvarken har alla +⅔ laddning (i ett system där laddningen hos en proton är +1) och massan hos charmkvarken överstiger massan hos uppkvarken, som i sin tur överträffas av toppkvarken. På samma sätt har ner-, strange- och bottenkvarken alla elektrisk laddning -⅓, och massan ökar när man går mot höger.
I det moderna periodiska systemet är de ”kemiskt likartade” enheterna raderna, till skillnad från kolumnerna i Mendelejevs system. Vi ser att det finns tre ”generationer” eller kolkopior av samma kvark- och leptonmönster. Detta påminner starkt om de antydningar som det kemiska periodiska systemet gav oss under senare hälften av 1800-talet.
Det finns ytterligare en historisk likhet att beakta. Precis som de olika atomkärnorna kan sönderfalla till andra atomkärnor, kan också kvarkarna och leptonerna göra det. En toppkvark kan sönderfalla till en bottenkvark och en W-boson. På samma sätt kan muonerna sönderfalla till en elektron och två neutriner. Andra typer av sönderfall av kvark och lepton är också möjliga. Faktum är att alla partiklar i den andra och tredje generationen så småningom sönderfaller till partiklar i den första generationen. En avgörande ledtråd är att den enda kraft som kan ändra en kvark eller lepton till en annan (vi säger ”ändra kvarkens eller leptonens ’smak'”) är den svaga kraften. Vidare är det specifikt bara den elektriskt laddade W-bosonen som kan göra jobbet.
Det finns inga säkra bevis för att förekomsten av kvark- och leptongenerationer tyder på att kvarkar och leptoner själva består av mindre (hittills oupptäckta) partiklar. Den historiska analogin är dock kraftfullt suggestiv och förtjänar definitivt närmare uppmärksamhet. Det faktum att man genom att emittera en W-boson kan ändra kvark- eller leptonsmaken är en ytterst värdefull ledtråd som skriker något viktigt åt fysikerna.
Jag önskar bara att jag hade haft förstånd nog att förstå vad den sa.
Men även utan den avgörande insikten som öppnar gåtan på vid gavel kan vi spekulera intelligent i ämnet och (vilket är mycket viktigare) sålla igenom våra högar av data och leta efter ytterligare ledtrådar. Som med alla sökningar efter nya fysiska fenomen måste man göra en kvalificerad gissning om vad man ska leta efter och sedan leta efter det. Vilka är de sannolika experimentella signaturerna av kvarkstruktur?
Historiskt sett har en av de bästa platserna att leta på varit de våldsammaste kollisionerna. Man krossar två objekt mot varandra och ser hur många kollisioner det finns på varje våldsnivå. Specifikt tittar man på mängden ”sidovåld”. Tekniskt sett kallar vi detta för tvärgående momentum , vilket betyder vinkelrätt mot strålen. Det finns tekniska skäl till detta val, men oftast beror det på att man måste träffa något hårt för att det ska gå i sidled från sin ursprungliga riktning.
Idag intar de flesta fysiker en ”vänta och se”-attityd och föredrar att se vilka ledtrådar universum kommer att ge oss. Trots detta har namn föreslagits för dessa objekt som är mindre än kvarkar, där det mest populära är ”preon” (för pre-quark). Varje teoretisk fysiker som har utarbetat en teori har dock uppfunnit sitt eget namn, med subquarks, maons, alphons, quinks, rishons, tweedles, helons, haplons och Y-partiklar som alla har föreslagits. Jag tycker själv om namnen quinks och tweedles.
Vad blir nästa stora upptäckt? Jag har ingen aning. Det kan mycket väl vara något av de ämnen som nämns här. Eller, vilket är ännu mer spännande, det kan vara något helt oväntat, något som bara kommer helt plötsligt. Som man säger, tiden kommer att utvisa det.