Protonen och dess syskon – en nyckel till materiens inre struktur

Redan i grundskolan lärde vi oss begrepp som kinetisk och potentiell energi och att energi kan ta olika skepnader. Sedan det visade sig att Einsteins relativitetsteori beskriver vår verklighet väl, vet vi även att massa är en form av energi. Numera vet vi även hur vi kan använda detta, till exempel i fusion och fission av atomkärnor, där massa omvandlas till kinetisk energi. I högenergetiska partikelkrockar, som dem i LHC på CERN, gör man tvärtom och omvandlar energi till massa i form av nya, tunga partiklar.

Detta resonemang kan man ta med sig när man betraktar sammansatta objekt. Rörelsen hos byggstenarna utgör massan för det sammansatta objektet. Gäller detta kvantitativt för materien vi och världen omkring oss är gjorda av? Låt oss jämföra en atom, uppbyggd av elektroner och en atomkärna, med en proton, uppbyggd av tre kvarkar. Elektronerna i en atom kan lokaliseras inom ungefär en Ångström (10^-10 m). Kvantmekaniskt motsvarar detta en osäkerhet i den kinetiska energin på några eV, vilket i sin tur motsvarar en massa på några eV/c^2. Detta kan jämföras med elektronens massa som är 511 keV/c^2. Jämför vi med atomens massa, som kan vara tio- eller hundratusentals gånger större än elektronmassan, blir skillnaden ännu större. Den kinetiska energin hos elektronerna bidrar alltså endast obetydligt till atomens massa (däremot har den betydelse inom atomspektroskopi). För protonen är situationen den motsatta. Här är byggstenarna, det vill säga kvarkarna, inneslutna inom en radie på ca en femtometer. Det motsvarande kvantmekaniska osäkerheten i kinetisk energi är omkring 200 MeV. Massan hos protonens upp- och nerkvarkar är några MeV/c^2. En överväldigande stor del av protonens massa, som är ca 1000 MeV/c^2, kommer alltså från rörelsen hos kvarkarna, tillsammans med den potentiella energin hos de så kallade gluonerna som binder ihop kvarkarna.

Med andra ord: atomens massa är i princip lika med massan av dess beståndsdelar. Detsamma gäller mer komplexa former av materia: molekyler, kristaller, gaser, vätskor…Protonens massa är däremot mycket större än den sammanlagda massan hos dess beståndsdelar. Istället genereras massan dynamiskt av rörelser och krafter inuti protonen. Man kan till och med visa teoretiskt att även om kvarkarna vore helt masslösa så skulle protonen ändå väga ungefär 900 MeV/c^2.

Att får en kvantitativ förståelse av hur massa genereras dynamiskt är en av de viktigaste frågorna inom hadronfysiken. Ett knep är att införa “vanlig” massa i systemet genom att byta ut en eller flera lätta upp- och nerkvarkar med tyngre kvarkar. Exempel på tyngre kvarkar är de sällsamma särkvarkarna, vars massa på ca 100 MeV/c^2 är i samma storleksordning som den tidigare nämnda kinetiska energin. En proton där en eller flera lätta kvarkar btts ut kallas för en hyperon. Genom att studera hyperoner kan få reda på samspelet mellan vanlig massa och dynamiskt genererad dito.

Hadronfysikerna vid Uppsala Universitet har ett starkt fokus på hyperoner. Hyperoner är instabila vilket betyder att de sönderfaller till andra partiklar efter en viss tid. Detta ställer höga krav på experimentutrustningen. I acceleratorringen Bejing Electron Positron Collider (BEPC-II) i Peking, Kina kan hyperoner skapas i elektron-positronkrockar och sedan detekteras i detektorn BEijing Spectrometer (BES III). Hyperonen och dess motsats, anti-hyperonen, bildas från energin som bildas i krocken när elektronen och positronen har förintat varandra. Den här typen av reaktioner – elektron + positron -> hyperon + anti-hyperon – är känsliga för hyperonernas struktur, det vill säga hur deras inre beståndsdelar rör sig och växelverkar. Kvantitativt beskrivs strukturen med hjälp av så kallade formfaktorer. Formfaktorerna talar om hur många hyperoner som bildas i ett givet antal krockar, i vilka riktningar hyperonen och antihyperonen rör sig. Från resultaten får vi information om hur upp-, ner- och särkvarkar är fördelade inuti hyperonen. Genom Einsteins relativitetsteori får vi dessutom ytterligare ledtrådar till massans gåta: innan elektron-positronkrocken ägde rum, fanns inga kvarkar i systemet överhuvudtaget. Men ur den energi som bildats i krocken kan en rad andra partiklar bildas i mellansteg, för att sedan omvandlas till ett hyperon-antihyperonpar. Rent tekniskt betyder detta att formfaktorerna för den här typen av reaktioner inte är reella utan komplexa funktioner, med andra ord har de en fas. Denna fas gör att hyperonerna som bildas i krocken polariseras – ungefär som ljus som reflekteras på en vattenyta. Hyperonernas polarisation är mätbar tack vare det faktum att hyperonerna sönderfaller: dotterpartiklarnas rörelseriktning beror på hyperonens polarisation. På initiativ från Uppsala har BES III-experimentet samlat in en unik mängd data för att mäta denna fas. Data-analysen pågår för fullt och snart kommer vi att få se de första fasmätningarna av hyperoners formfaktorer någonsin. Det ska bli mycket intressant att se vad kvantmekanik och Einsteins relativitetsteori har att förtälja om strukturen hos hadroner i allmänhet och hyperoner i synnerhet.

Karin Schönning,

Ordförande i Kärnsfysiksektionen

 

proton

mass

lambda_hyperon

BESIII

On mahdollista, että yhdellä kymmenellä miehella on terveysongelma, joka liittyy sukupuoleen, kuten tärkeysjärjestykseen. Amerikkalaiset vaativat satoja tuhansia vaihtoehtoisia huumeita verkossa. Cialis on lääkitys, joka on määrätty erilaisten valitusten hoitoon. Mitä tiedät jo “cialis 20mg“? Aiotko saada huumeita, kuten Cialis, verkosta? On monia muita kysymyksiä. Ilmeisesti jokainen ihminen on kuullut “cialis 5 mg“. Toinen asia, josta meidän on keskusteltava on “cialis 20 mg“. Pitkä luettelo tavallisista korjaustoimenpiteistä voi aiheuttaa erektiohäiriöitä, mukaan lukien monet verenpainelääkkeet, kipulääkkeet ja tietyt masennuslääkkeet. Muista, että jos sinulla on kysymyksiä Cialis, kysy apteekista.

Share on FacebookShare on Google+Tweet about this on TwitterEmail this to someone

Kommentarer inaktiverade.