de tilhørende felter. Billedtekst: Brookhaven National Laboratory.
Hvis du skulle dele de partikler, der udgør din krop, op i mindre og mindre bidder, ville du opdage, at på hvert trin undervejs – i hvert fald med hensyn til masse – var helheden lig med summen af delene. Hvis du splittede din krop op i dens enkelte knogler, fedt og organer, ville de tilsammen udgøre et helt menneske. Hvis man splittede dem yderligere op i celler, ville cellerne stadig udgøre den samme masse som dig. Celler kan opdeles i organeller, organeller kan opdeles i individuelle molekyler, molekyler i atomer, og atomer i protoner, neutroner og elektroner. På det niveau er der en lille, men mærkbar forskel: De enkelte protoner, neutroner og elektroner afviger med lige omkring 1 % fra et menneske, takket være den nukleare bindingsenergi.
ca. 0,8 % lavere end de enkelte protoner og neutroner, som det består af, takket være den nukleare bindingsenergi. Billedtekst: Delia Walsh fra http://slideplayer.com/slide/6002405/.
Et kulstofatom, der består af seks protoner og seks neutroner, er ca. 0,8 % lettere end de enkelte komponentpartikler, som det består af. Måden, hvorpå kulstof dannes, er ved kernefusion af brint til helium og derefter helium til kulstof; den energi, der frigives, er det, der driver de fleste typer stjerner i både deres normale og røde kæmpefaser, og den “tabte masse” er det, hvor denne energi kommer fra, takket være Einsteins E = mc2. Det er sådan, de fleste former for bindingsenergi fungerer: grunden til, at det er sværere at trække flere ting, der er bundet sammen, fra hinanden, er, at de frigjorde energi, da de blev sat sammen, og man er nødt til at tilføre energi for at frigøre dem igen.
Det er derfor, at det er så gådefuldt, at når man kigger på de partikler, der udgør protonen – de tre forskellige kvarker i hjertet af dem – så er deres samlede masse kun 0,2 % af massen af protonen som helhed.
(i MeV) øverst til højre. En proton, der består af to op-kvarker og en ned-kvark, har en masse på ~938 MeV/c^2. Billedkredit: Wikimedia Commons-bruger MissMJ, PBS NOVA, Fermilab, Office of Science, United States Department of Energy, Particle Data Group, under en c.c.a.-3.0-licens, der ikke er overført.
Den måde, som kvarker binder sig til protoner, er fundamentalt anderledes end alle de andre kræfter og vekselvirkninger, vi kender til. I stedet for at kraften bliver stærkere, når objekter kommer tættere på hinanden – ligesom gravitationskraften, den elektriske eller magnetiske kraft – går den tiltrækkende kraft ned til nul, når kvarker kommer vilkårligt tæt på hinanden. Og i stedet for at kraften bliver svagere, når objekter kommer længere væk, bliver den kraft, der trækker kvarker sammen igen, stærkere, jo længere væk de kommer.
Denne egenskab ved den stærke kernekraft er kendt som asymptotisk frihed, og de partikler, der formidler denne kraft, er kendt som gluoner. På en eller anden måde kommer den energi, der binder protonen sammen, de øvrige 99,8 % af protons masse, fra disse gluoner.
forbundet af (fjederlignende) gluoner, er protons struktur meget mere kompliceret, idet yderligere (hav)kvarker og gluoner befolker protons indre. Billedkredit: Den tyske elektronsynkrotron (DES) og HERA- og ZEUS-samarbejderne.
På grund af den måde, hvorpå den stærke kernekraft fungerer, er der store usikkerheder med hensyn til, hvor disse gluoner rent faktisk befinder sig på et hvilket som helst tidspunkt. Vi har i øjeblikket en solid model af den gennemsnitlige gluontæthed inde i en proton, men hvis vi ønsker at vide, hvor gluonerne faktisk er mest sandsynligt placeret, kræver det flere eksperimentelle data samt bedre modeller at sammenligne dataene med. De seneste fremskridt, som teoretikerne Björn Schenke og Heikki Mäntysaari har gjort, kan måske give os de modeller, som vi har så hårdt brug for. Som Mäntysaari beskriver:
Det er meget nøjagtigt kendt, hvor stor den gennemsnitlige gluontæthed er inde i en proton. Hvad man ikke ved, er præcis, hvor gluonerne befinder sig inde i protonerne. Vi modellerer gluonerne som placeret omkring de tre kvarker. Derefter styrer vi mængden af fluktuationer, der er repræsenteret i modellen, ved at indstille, hvor store gluonskyerne er, og hvor langt de er fra hinanden.
gluoner, og kvarkspin vist. Billede: Brookhaven National Laboratory.
Når man kolliderer to partikler som protoner, en proton og en tung ion eller to tunge ioner sammen, kan man ikke bare modellere dem som proton-proton kollisioner. I stedet ser man en fordeling af tre typer kollisioner: kvark-kvark kollisioner, kvark-gluon kollisioner eller gluon-gluon kollisioner. Det er komponenterne i disse subatomare partikler, der rent faktisk kolliderer, snarere end selve de hele strukturer (protonerne). Mens det ved lavere energier næsten altid er kvarker, der kolliderer, er der ved de højere energier, som RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) i Brookhaven og LHC i CERN når op på, en meget høj sandsynlighed for gluon-gluon-interaktioner, som kan afsløre, hvor gluonerne befinder sig i selve protonen. Som Mäntysaari fortsatte:
Denne proces sker slet ikke, hvis protonerne altid ser ens ud. Jo flere fluktuationer vi har, jo mere sandsynligt er det, at denne proces sker.
af en proton, herunder hvordan “havet” af kvarker og gluoner er fordelt, er blevet opnået gennem både eksperimentelle forbedringer og nye teoretiske udviklinger i tandem. Billedtekst: Brookhaven National Laboratory.
Kombinationen af denne nye teoretiske model og de stadig bedre LHC-data vil gøre det bedre muligt for forskerne at forstå den indre, fundamentale struktur af protoner, neutroner og kerner generelt og dermed at forstå, hvorfra massen af de kendte objekter i universet kommer. Den største gevinst for denne type forskning vil imidlertid være udviklingen af en elektron-ion-collider (EIC), som er et forslag til en collider, der er blevet fremsat af mange samarbejdsorganisationer i hele verden. I modsætning til RHIC eller LHC, som kolliderer protoner med ioner – hvilket resulterer i et meget rodet slutsignal – ville en EIC være meget mere kontrolleret, da der ikke er nogen interne, ukontrollerbare bevægelser inde i en elektron, som kan forvirre de eksperimentelle resultater.
collider (EIC). Hvis man tilføjer en elektronring (rød) til den relativistiske kollideringsenhed for tunge ioner (RHIC) i Brookhaven, vil man skabe eRHIC. Billedtekst: Brookhaven National Laboratory-CAD eRHIC-gruppen.
Hvis man ønsker at studere den indre struktur af en proton eller en samling af kerner, er dyb inelastisk spredning den eneste vej at gå. I betragtning af at colliderne begyndte denne rejse for mindre end et århundrede siden, og at vi nu opnår energier, der er ca. en faktor 10.000 større end da vi startede, er det måske endelig inden for rækkevidde at undersøge og forstå præcis, hvordan stof får sin masse. Quark-gluon-plasmaet i kernen og de tilhørende fluktuationer er måske endelig klar til at afsløre sine hemmeligheder for os. Og når det gør det, kan et af fysikkens ældste mysterier, nemlig hvor den kendte stofmasse kommer fra (der stadig er et mysterium, selv efter opdagelsen af Higgs), endelig blive tilgængeligt for menneskeheden.
Følg mig på Twitter. Tjek mit websted eller nogle af mine andre værker her.