Den bästa beskrivningen av mikrokosmos som vi någonsin har haft kallas Standardmodellen.

Standardmodellen beskriver bland annat kvarkar, som verkar vara materiens innersta byggstenar. De bygger upp protoner och neutroner i atomernas kärnor. #1995 # lades en av de sista bitarna till partikelpusslet vid Fermilab i USA. Pusselbiten man fann var den så kallade toppkvarken.

Standardmodellen

Standardmodellen beskriver alla de fundamentala partiklar man känner till, hur de växelverkar och hur de kan sättas samman till det #200-# tal partiklar som man förutom protonen, neutronen och elektronen har observerat.

#12.11# För att utforska små objekt som atomer krävs höga partikelenergier. För att upptäcka atomens elektronstruktur behövs några tiotal eV och för att se atomkärnan behöver man runt #1 # MeV. För att upptäcka att kärnan består av protoner och neutroner behövs några GeV och till sist för att se kvarkarna behöver man några TeV.

#1 # MeV #= 10^{6} # eV

#1 # GeV #= 10^{9} # eV

#1 # TeV #= 10^{12} # eV

De fundamentala partiklarna i Standardmodellen

För att observera andra partiklar än de som bygger upp oss och vår värld måste man först producera dem. Då gäller det att kollidera rätt "råvaror" med rätt energi i en partikelaccelerator. Om allt går bra så gör # E  =  mc ^{2} res# ten, det vill säga summan av rörelseenergi och viloenergi ger upphov till nya spännande partiklar och ny kunskap om materiens innersta byggstenar. Innan man observerade toppkvarken hade man observerat #5 # andra kvarkar. Dels upp- och ned #-kv# arkarna som tillsammans bygger upp protonen (upp-upp-ned) och neutronen (ned-ned-upp), dels charm #-, # sär #-#, och botten #-kv# arkarna.

Alla partiklar som består av kvarkar kallas med ett gemensamt namn för hadroner. Protonen och neutronen som var och en består av tre kvarkar är alltså hadroner. Det finns totalt ca #200 # hadroner, men de flesta omvandlas på mycket kort tid till andra partiklar och strålning.

Man tror att kvarkarna verkligen är fundamentala, det vill säga att de inte är sammansatta av ännu mindre partiklar. Hur små de är vet man inte, bara att de inte kan vara större än #10^{-18} # m. En speciell sak med kvarkarna är att de har laddningar som är bråkdelar av elementarladdningen # e ( e  = 1,60 \cdot 10^{-19} # C). Uppkvarken t.ex. har laddningen #+ 2 e /3. # Vilken laddning måste då ned #-kv# arken ha? Neutronen (upp-ned-ned) är ju neutral.

Består alla partiklar av kvarkar? Nej, elektronen tillhör en egen grupp av partiklar, de så kallade leptonerna som också anses som fundamentala. Hit hör också den så kallade elektronneutrinon, som bildas vid radioaktivt sönderfall.

Resultatet av år av forskarmöda sammanfattas i figur #12.12.#

#12.12# Vår moderna variant av det periodiska systemet för universums byggstenar. Materien består innerst inne av tre generationer av partiklar. Längst till vänster är den generation som bildar "vår" värld. Protonen består av kvarkarna u, u, och d och neutronen av u, d och d.

All materia som finns i "vår" värld är uppbyggd av upp #-kv# arkar, ned #-kv# arkar och elektroner som finns i den första generationen #(v# anlig materia). Partiklarna i de båda andra generationerna är likadana på alla sätt förutom att de är tyngre och därmed innehåller mer energi (exotisk materia). De ingår inte i våra vanliga atomer men man stöter på dem vid experiment som försöker visa hur universum såg ut i # \sin # barndom då all energi var mycket mer koncentrerad.

Detta är vad materien är uppbyggd av. Nåja, det finns också en slags märkliga spegelpartiklar, de s #.k. # antipartiklarna. Alla partiklarna i figur #12.12 # har # \sin # egen antipartikel. De har samma massa som partiklarna men motsatt laddning. Vid CERN i Schweiz har man lyckats skapa antiväte och i Brookhaven, USA, kärnor av antihelium. Antiväte består av en antiproton som i # \sin # tur består av två antiuppkvarkar och en antinedkvark. Antiprotonen är omgiven av en antielektron eller en så kallad positron.

Antiheliumkärnan består av två antiprotoner och två antineutroner. Antineutronen har samma massa som neutronen, är neutral och består av antikvarkar som tillsammans ger en del "motsatta" egenskaper mot neutronen.

När antimateria möter materia förintas bägge, så det är inte lätt att behålla anti #-v# ätet tillräckligt länge för att se om det har samma egenskaper som väte, något som Standardmodellen förutsäger. Då kan man kanske föreställa sig stora objekt byggda av antiatomer, ja kanske till och med en anti-Kurt eller en anti-Lisa! Men, möter du dem, så ta dem absolut inte i handen! Smällen när ni alla förintades skulle motsvara hundra tusen atombomber! # E  =  mc ^{2} # igen.

Mer om det här finner du genom att söka på antiväte, antipartiklar, antimatter.

Kraftpartiklar

I Standardmodellen förmedlas alla krafter av partiklar. Ett annat ord som fysiker använder här är växelverkan. I fortsättningen kommer vi att använda växelverkan eller kraft om samma fenomen. Växelverkan används ofta när vi vill poängtera att det är tal om en fundamental kraft. När två partiklar, t.ex. två elektroner, växelverkar så sker det alltså genom utväxlande av kraftpartiklar.

Varje typ av växelverkan har # \sin # egen kraftpartikel. Det finns fyra olika:

• Elektromagnetisk växelverkan förmedlas genom utväxlande av fotoner. Fotonerna är de elektromagnetiska vågornas, t.ex. ljus, partikelsida.

• Den gravitationella växelverkan eller kortare gravitationen förmedlas av gravitoner.

• Kraften mellan kvarkarna, den starka växelverkan, förmedlas av så kallade limpartiklar (glue) eller gluoner. Det är "läckage" av stark kraft som gör att protonerna och neutronerna i atomkärnan hänger samman. Det är ungefär som "läckaget" av elektrisk kraft mellan olika molekyler, som gör att molekylerna hänger samman, t.ex. i vatten.

• Dessutom finns det en fjärde, den så kallade svaga växelverkan. Den förmedlas av vektorbosonerna W #^{+}, # W #^{-} # och Z #^{\circ}. # Den svaga kraften ligger bakom radioaktivitet och är av stor betydelse för solens energiproduktion.

De två första krafterna har oändlig räckvidd, men de elektriska neutraliseras i stort sett genom att det finns olika laddningar. Massa har bara en typ av "laddning" som alltid är attraktiv. Trots att gravitationen är den i särklass svagaste växelverkan är det ändå den som bestämmer i astronomisk skala. Alla kraftpartiklarna utom gravitonen har detekterats.

När Albert Einstein presenterade # \sin # allmänna gravitationsteori #1915 # beskrev han något som kallas gravitationsvågor. Dessa gravitationsvågor skapas när en massa ändrar # \sin # hastighet. Vågorna sprids med ljusets hastighet och fyller hela universum. Men trots detta så är vågorna väldigt svåra att upptäcka eftersom signalerna är otroligt svaga. Det skulle dröja hundra år innan några forskare lyckades upptäcka gravitationsvågorna och #2017 # ledde denna upptäckt till nobelpriset i fysik.

Både stark och svag växelverkan har mycket kort räckvidd. Den starka kraften verkar bara mellan kärnpartiklar som är bredvid varandra som klister mellan kulor.

#12.13# De fyra fundamentala krafterna med sina kraftpartiklar. Du kan också se vilka partiklar som påverkas av respektive kraft. Den elektromagnetiska kraften mellan de två kvarkarna är alltså #10^{41} # gånger starkare än gravitationskraften mellan dem!

Tabell #12.13 v# isar de fyra grundläggande krafternas egenskaper och hur de förmedlas av kraftpartiklar.

DE FYRA FUNDAMENTALA KRAFTERNA


Gravitationskraft Svaga kärnkraften Elektromagnetiska kraften Starka kärnkraften Materiepartiklar Alla Kvarkar, leptoner Elektriskt laddade partiklar Kvarkar, gluoner Förmedlande kraftpartiklar Graviton (ännu ej observerad) W #^{+}, # W #^{-}, # Z #^{0}# Fotoner Gluoner Styrka relativt den elektromagnetiska kraften för • #2 # u #-kv# arkar på avståndet MATH #8# CNy #2# NxEr #1# #10^{-41}# #0,8# #1# #25# #10^{-41}# #10^{-4}# #1# #60# • #2 # protoner i kärnan #10^{-36}# #10^{-7}# #1# -