Elementærpartikler i atomenes verden

EN HEL hær av detektiver fra mange land driver en intens jakt på en liten fyr som det er svært vanskelig å få fatt på — en fyr som er en mester i å skjule seg og komme seg raskt unna. Det finnes rikelig med ledetråder: talende spor, et tydelig handlingsmønster og til og med fotografier. Detektivenes tekniske utstyr blir stadig forbedret, men likevel ser det ut til at det bare blir stadig vanskeligere å komme innpå den de er på jakt etter.

Det er som sagt ikke noen storkar de er ute etter, men en liten, unnselig fyr — ja, en av de minste en kan tenke seg. Detektivene er atomforskere, og den «fyren» de driver en slik intens jakt på, er elementærpartikkelen, byggesteinen i det materielle univers.

Denne jakten har i hvert fall pågått helt siden det fjerde århundre før Kristus. De greske filosofene på den tiden funderte over hva det ville føre til at materien ble inndelt i mindre og mindre bestanddeler. De kom til at dette ikke kunne skje i det uendelige; til slutt måtte resultatet bli et stykke materie som var udelelig. Demokritos har fått æren for å ha laget ordet «atom», som skulle beskrive den minste grunnbestanddel i materien. Men i det 20. århundre har forskerne konsentrert seg om å finne ut hva selve atomet består av.

De første «elementærpartikler» blir funnet

I 1897 oppdaget J. J. Thomson elektronet. Han fant at en elektrisk strøm inneholder et stort antall elektroner. Disse partiklene er så små at seks trillioner (6 000 000 000 000 000 000) av dem passerer gjennom en 100-watts lyspære i løpet av et sekund. Elektronene er som uberegnelige omstreifere. De beveger seg lett fra sted til sted ved den minste friksjon. Når du går tvers over et gulvteppe, kan skoene dine oppta milliarder av dem, og de sprer seg så over hele kroppen din for deretter å samle seg og hoppe hulter til bulter gjennom luften som en gnist fra fingeren din hvis du rører ved en lysbryter.

I 1911 påviste Ernest Rutherford at atomets positive ladning og størsteparten av atommassen befinner seg i et lite område hvis størrelse er en titusendel av atomets. Den mest populære oppfatning av atomet skriver seg fra den tiden. Det er den oppfatning de fleste av oss har: at atomet består av en liten, sentral kjerne, som er omgitt av elektroner som spinner rundt den i bestemte baner i en rasende fart, omtrent som bier rundt en bikube.

Innen 1932 hadde en oppdaget at kjernen består av protoner og neutroner. Protonet er bærer av atomets positive ladning. Denne ladningen er like stor som, men motsatt av elektronets ladning, som er negativ. Protonets masse er cirka 1800 ganger elektronets masse. Forholdet blir omtrent det samme som forholdet mellom et kjøleskap og en hvetebolle. Neutronet er litt tyngre enn protonet og har ingen ladning. Fram til 1940-årene hadde forsøk og diverse teorier bidratt til at det var blitt lettet på sløret, og mange nye partikler som spilte en rolle i kjernen, hadde kommet for dagen. Det bilde forskerne dannet seg i sitt sinn av atomkjernen, ble etter hvert mye mer komplisert.

Metoder

Fysikerne «ser» partiklene ved å undersøke det som blir resultatet av vekselvirkningen mellom dem og materien. Tenk deg at et uskikkelig barn springer rundt i nabolaget og tråkker i blomsterbedene og velter søppeldunkene. Etter en tid kan naboene følge sporet og identifisere synderen. En ladet partikkel i bevegelse som er frigjort fra sitt «hjem», oppfører seg omtrent som et slikt uskikkelig barn. Den støter borti andre atomer og fjerner deres elektroner og etterlater seg en rekke ladede atomer.

Tåkekammeret er et apparat som ble mye brukt tidligere når en skulle påvise partikler. Ladede partikler etterlater seg spor av små dråper i kammeret, på grunn av dråpekondensering på ioniserte atomer i partiklenes kjølvann, i likhet med den hvite stripen etter et høytflygende jetfly. Boblekammeret er mer brukt i dag. Kammeret fylles med en væske som oppvarmes til en temperatur nær kokepunktet, og en strøm av bobler gjennom væsken viser hvor partikkelen har passert.

Eksperter på å komme seg unna

Partiklene beveger seg med kolossalt stor hastighet. Fotonet, neutrinoet og gravitonet innehar hastighetsrekorden. Ingen av disse tre har noen masse. De beveger seg derfor med lysets hastighet (300 000 kilometer i sekundet). Med den hastigheten kunne de reise jorden rundt over sju ganger i løpet av ett sekund.

Partikler som har masse, kan bevege seg med en hastighet som ligger nær opptil lysets, men som aldri når helt opp til den. Elektronet kan faktisk ikke komme opp i høyere hastighet enn en tiendedel av lyshastigheten når det kretser rundt kjernen. Elektronets hastighet i forhold til de hurtigste partiklenes hastighet kan sammenlignes med den hastighet en bil oppnår på en motorvei, i forhold til hastigheten til et supersonisk jetfly.

Hurtige forandringer

Den tid en partikkel eksisterer, kalles dens levetid eller ganske enkelt dens liv. Elektronene og protonene er stabile, noe som bare er en annen uttrykksmåte for at deres levetid er uendelig. Men de fleste partikler «lever» bare en svært kort tid. Myonet, en partikkel som dannes i de øverste lag av atmosfæren av kosmisk stråling, har for eksempel en gjennomsnittlig levetid på to milliondeler av et sekund. Når det «dør», dukker det plutselig opp et elektron og to neutrinoer i dets sted. Det er som om en bankrøver skulle ta et par skritt utenfor banken og så på mirakuløst vis bli forvandlet til tre forskjellige personer som løper i hver sin retning.

Denne plutselige forandringen av identiteten har gitt vitenskapsmennene et ikke så rent lite problem når de prøver å studere de partiklene som bare har en kort levetid. I løpet av noen milliondeler av et sekund etter at en partikkel er dannet, kan den bli desintegrert (spaltet) i to eller flere mindre partikler, som så igjen forandrer seg og blir til andre, mindre partikler. Prosessen fortsetter helt til det blir dannet stabile partikler. Men hva kommer det av at elektronet og protonet er de eneste av de partiklene som har masse, som ikke desintegrerer? Det skyldes det vi kaller konserveringslover.

Konserveringslover

Enkelt uttrykt går en konserveringslov ut på at hvis en konservert mengde blir målt før en begivenhet, vil mengden være den samme etter begivenheten.

Vi skal prøve å illustrere dette. Tenk deg fire forskjellige tennisbaner som ligger inntil hverandre, og som er omgitt av et høyt gjerde som skal holde ballene innenfor. Når spillerne kommer, lar vi hvert lag få ti like baller og sier at de ikke behøver å holde orden på hvilke bestemte baller de begynner med. Under gamene vil ballene sannsynligvis komme over i de tilstøtende banene og bli brukt der også. Noen baller vil kanskje bli brukt av alle spillerne. Når alle gamene er ferdigspilt, samler vi inn ballene. Vi regner med å få tilbake det samme antall som vi delte ut. Hvis vi får færre, trekker vi den slutning at noen har kommet over gjerdet, at de fremdeles befinner seg på en av banene, eller at noen av spillerne har fått dem med seg. Det finnes ingen annen fornuftig forklaring; tennisballer forsvinner ikke i luften. Vi kan si at ’tennisballene er konservert’.

Konserveringslovene styrer den fysiske verden. Det kan ikke skje noe som er et brudd på en konserveringslov. Det finnes ingen lovbrytere i elementærpartiklenes verden.

Elektronet er stabilt fordi massen og den elektriske ladning blir konservert eller bevart. Elektronet er den letteste ladede partikkel. Det finnes lettere partikler enn elektronet, men de er alle elektrisk nøytrale. Hvis elektronet skulle desintegrere i en av disse lettere partiklene, måtte det kvitte seg med ladningen, men det kan det ikke, for det ville være et brudd på konserveringsloven for elektrisk ladning. Det kan heller ikke desintegrere i tyngre ladede partikler, for det ville være et brudd på konserveringsloven for masse — det ville være like umulig som å skjære skiver av et brød på et halvt kilo og vente at skivene skal veie ett kilo. Elektronet kan følgelig ikke desintegrere, for «det har ikke noe sted å gjøre av seg».

Hvis protonet skulle desintegrere, ville det måtte bryte en annen konserveringslov. Neutronet er på den annen side stabilt så lenge det har et proton å «støtte seg til». Hvis et neutron blir anbrakt «i enecelle», desintegrerer det i løpet av 15 minutter.

I sin bok The World of Elementary Particles understreker Kenneth Ford hvilken viktig rolle konserveringslovene spiller: «Det ’normale’ er at en partikkel desintegrerer og blir helt omdannet til andre, lettere partikler. Av grunner som vi ikke helt ut forstår, finnes det to ’unormale’ partikler, nemlig protonet og elektronet, som ikke kan desintegrere. Ifølge dette vidtspennende syn på partiklene finnes det visse lover i naturen (konserveringslover) som tilfeldigvis forhindrer at disse to partiklene desintegrerer. På grunn av denne tilfeldigheten er det mulig å bygge opp en materiell verden.

Ettersom det finnes bare ett univers og ett sett naturlover, er det ikke særlig fornuftig å si at en bestemt tingenes tilstand i verden skyldes en tilfeldighet. Dette syn på partiklenes mangfoldighet viderefører den prosess som begynte med Kopernikus, og som fikk menneskene til å føle seg mer og mer ydmyke når de stod overfor naturens orden. Vi og vår verden eksisterer i kraft av visse konserveringslover, som stabiliserer noen få partikler og tillater at det blir oppført et ordnet byggverk på den submikroskopiske verdens normale kaos.»

«Neutrinoets» eksistens påvist av konserveringslovene

Forsøk som ble gjort i studiet av de subatomære partikler (elementærpartiklene), viste at neutronet desintegrerte på en måte som tilsynelatende var i strid med konserveringslovene. Forskerne la merke til at når et neutron desintegrerte i et proton og et elektron, var bevegelsesmengden og energien mye mindre etter desintegreringen enn før. Ettersom dette var konserverte egenskaper, så det ut til at konserveringslovene ble brutt i dette tilfellet. Kjernefysikerne kunne ikke godta en slik konklusjon.

På grunn av disse konserveringslovene oppfant teoretikere neutrinoet og utstyrte det med alle de nødvendige egenskaper, slik at det ble en udelelig faktor i neutronets desintegreringsprosess. Det kunne ikke ses, men vitenskapsmennene antok at det eksisterte, på grunn av sin tro på konserveringslovene, som de hadde lært å stole på.

Etter at neutrinoets eksistens var blitt godtatt i 25 år på grunn av tro, lyktes det vitenskapsmennene å påvise det i 1956. Det var ikke så rart at det hadde vært vanskelig å få fatt på det; det har ingen ladning og ingen åpenbar masse og beveger seg med lysets hastighet. Neutrinoene har så liten vekselvirkning med materien at de fleste av dem passerer tvers gjennom jorden like lett som en kule ville passere gjennom en papirserviett. I et forsøk på å bekrefte neutrinoets eksistens sendte forskerne anslagsvis 100 billioner neutrinoer gjennom 13 meter tykt jern til et spesielt måleapparat, men det var bare 29 som ble registrert. Det kan sammenlignes med det som skjedde hvis hele verdens befolkning gikk gjennom et lite rom hvor gulvet utgjorde en vekt, men bare et tiendedels kilo ble registrert.

Klassifisering

Innen 1960 var det blitt oppdaget så mange partikler at vitenskapsmennene hadde grunn til å føle seg som en zoolog som hadde lidt skibbrudd og havnet på en øy hvor det fantes en mengde forskjellige dyr som han aldri hadde sett før. For å få et slags system i partiklenes verden inndelte fysikerne partiklene i grupper på grunnlag av deres egenskaper — omtrent som zoologen ville inndele de forskjellige dyrene i pattedyr, krypdyr og så videre.

De tyngste partiklene kalles hadroner. Ekstra tunge hadroner kalles baryoner. Baryonene (protoner, neutroner og så videre) er «elefantene» blant de subatomære partikler. De lettere hadronene kalles mesoner (pioner, kaoner og så videre) og representerer «tigerstørrelsen». Leptonene (elektroner, myoner, neutrinoer) er partikkelverdenens «insekter».

Systemet er ikke basert på størrelse og vekt, men på sannsynligheten for at partiklene i hver gruppe skal reagere med hverandre. Elefanter opptrer annerledes overfor andre elefanter enn overfor insekter. Det er ikke engang sikkert at elefanten og insektet legger merke til hverandre før elefanten begynner å gomle på et blad som insektet allerede har gitt seg i kast med. De elefantlignende hadronene er sterkt vekselvirkende. Leptonene derimot er svakt vekselvirkende. De reagerer vanskelig med andre partikler. Spiller det vel noen rolle for en gresshoppe om to elefanter slåss? Men ladede leptoner er følsomme overfor elektromagnetiske krefter og reagerer med hadronene i samsvar med reglene for disse kreftene, akkurat som både elefanten og insektet må merke det hvis insektet flyr inn i elefantens øye.

Finnes det en enda mer «elementær» partikkel?

Siden mennesket begynte å utforske atomet og spalte det, er det blitt oppdaget cirka 300 partikler, hvorav de fleste er hadroner. Leptonene ser ut til å være virkelig «elementære» — de har ingen størrelse som kan skjelnes, og har øyensynlig heller ingen indre oppbygning. En kjenner dessuten bare seks leptoner, et pent lite tall som tyder på enkelhet. Hadronene er ikke så enkle. De er forholdsvis store, og det finnes flere hundre av dem. Når et hadron desintegrerer, oppstår det andre hadroner.

I 1960-årene framsatte Murray Gell-Mann og George Zweig den antagelse at det fantes enda en partikkel, kvarken. Deres teori gikk ut på at alle hadroner bestod av to eller tre kvarker i en eller annen kombinasjon. Gell-Mann og Zweig tilla sine teoretiske kvarker visse egenskaper og kunne derved forklare at alle kjente kjernepartikler (hadroner) er bygd opp av bare tre forskjellige kvarker, som de kalte «up», «down» og «strange» («opp», «ned» og «merkelig»). Teorien fikk støtte da det ble antatt at det eksisterte en tidligere uoppdaget partikkel, og da denne så ble påvist og viste seg å ha de forventede egenskaper. Dette førte naturligvis til at teorien vant terreng. Senere eksperimenter tyder på at det finnes tre andre varieteter av kvarker, som har fått navnene «charmed», «truth» og «beauty» («inntagende», «sannhet» og «skjønnhet»).

I skrivende stund er det ikke blitt fremført noe avgjørende bevis for at de enkelte kvarker eksisterer; noen mener at det aldri vil la seg gjøre å isolere dem. Men kvarkene utgjør et fast teoretisk grunnlag for alle som beskjeftiger seg med elementærpartikkelfysikk. Akkurat som tilfellet var med neutrinoene, tror vitenskapsmennene at kvarkene eksisterer, selv om de ikke kan se dem, for ved hjelp av dem kan de forutsi hvordan påviselige atompartikler vil opptre under bestemte forhold.

Kommer det til å bli oppdaget flere elementærpartikler? Kommer flere kvarker til å bli avdekket? Vil det noen gang la seg gjøre å isolere en kvark? Er kvarkene virkelig de endelige «elementærpartikler» i atomkjernen? Hvis ikke, hva består da en kvark av?

Det siste spørsmålet vil vi kanskje aldri få et fullstendig svar på. Hver gang forskerne kommer et skritt videre, ser det ut til at den såkalte elementærpartikkelen består av noe som er enda enklere. (Nå snakkes det om «gluoner».) Vil jakten noen gang ta slutt? Det kan være at vår nysgjerrighet aldri blir fullt ut tilfredsstilt. Noen synes ikke at disse utsiktene er nedslående, men heller spennende. De føler det omtrent på samme måte som den kristne apostelen Paulus: «Å, dyp av rikdom og visdom og innsikt hos Gud! Hvor uransakelige hans dommer er, og hvor ufattelige hans veier!» — Rom. 11: 33.