de tillhörande områdena. Bild: Brookhaven National Laboratory.
Om du skulle dela upp partiklarna som utgör din kropp i allt mindre bitar skulle du upptäcka att vid varje steg på vägen – åtminstone när det gäller massa – var helheten lika med summan av sina delar. Om du bröt ner din kropp i dess enskilda ben, fett och organ skulle de tillsammans utgöra en hel människa. Om du bryter ner dem ytterligare, till celler, skulle cellerna fortfarande utgöra samma massa som du. Celler kan delas upp i organeller, organeller delas upp i enskilda molekyler, molekyler i atomer och atomer i protoner, neutroner och elektroner. På den nivån finns det en liten men märkbar skillnad: de enskilda protonerna, neutronerna och elektronerna avviker med ungefär 1 % från en människa, tack vare kärnbindningsenergin.
ungefär 0,8 % lägre än de enskilda protoner och neutroner som den består av, tack vare kärnbindningsenergin. Bild: Delia Walsh från http://slideplayer.com/slide/6002405/.
En kolatom, som består av sex protoner och sex neutroner, är ungefär 0,8 % lättare än de enskilda komponentpartiklar som utgör den. Kolet bildas genom kärnfusion av väte till helium och sedan helium till kol; den energi som frigörs är det som driver de flesta typer av stjärnor i både deras normala och röda jättefaser, och den ”förlorade massan” är varifrån energin kommer, tack vare Einsteins E = mc2. Det är så här de flesta typer av bindningsenergi fungerar: anledningen till att det är svårare att dra isär flera saker som är bundna till varandra är att de frigjorde energi när de sattes ihop, och man måste lägga in energi för att frigöra dem igen.
Det är därför som det är så förbryllande att när man tittar på de partiklar som ingår i protonen – de tre olika kvarkarna i hjärtat av dem – så är deras sammanlagda massa bara 0,2 % av massan hos protonen som helhet.
(i MeV) i övre högra hörnet. En proton, som består av två uppåtriktade kvarkar och en nedåtriktad kvark, har en massa på ~938 MeV/c^2. Bildkredit: Wikimedia Commons användare MissMJ, PBS NOVA, Fermilab, Office of Science, United States Department of Energy, Particle Data Group, under en c.c.a.-3.0 unported licens.
Det sätt på vilket kvarkar binds till protoner skiljer sig fundamentalt från alla andra krafter och interaktioner som vi känner till. Istället för att kraften blir starkare när objekten närmar sig varandra – som gravitationskraften, den elektriska eller magnetiska kraften – går den attraktiva kraften ner till noll när kvarkarna kommer godtyckligt nära varandra. Och i stället för att kraften blir svagare när objekten kommer längre bort blir den kraft som drar ihop kvarkarna starkare ju längre bort de kommer.
Denna egenskap hos den starka kärnkraften kallas asymptotisk frihet, och de partiklar som förmedlar denna kraft kallas gluoner. På något sätt kommer energin som binder ihop protonen, de andra 99,8 procenten av protonens massa, från dessa gluoner.
Med kopplingar till (fjäderliknande) gluoner är protonens struktur mycket mer komplicerad, med ytterligare (havs-)kvarkar och gluoner som befolkar protonens inre. Bildkredit: Den tyska elektronsynkrotronen (DES) och HERA- och ZEUS-samarbetena.
På grund av hur den starka kärnkraften fungerar finns det stora osäkerheter om var dessa gluoner faktiskt befinner sig vid varje tidpunkt. Vi har för närvarande en solid modell av den genomsnittliga gluontätheten inuti en proton, men om vi vill veta var gluonerna faktiskt har större sannolikhet att befinna sig, krävs det fler experimentella data, samt bättre modeller att jämföra data med. De senaste framstegen av teoretikerna Björn Schenke och Heikki Mäntysaari kan kanske ge oss dessa välbehövliga modeller. Som Mäntysaari detaljerade:
Det är mycket noggrant känt hur stor den genomsnittliga gluontätheten är inuti en proton. Vad man inte vet är exakt var gluonerna befinner sig inne i protonen. Vi modellerar gluonerna som placerade runt de tre kvarkarna. Sedan kontrollerar vi mängden fluktuationer som representeras i modellen genom att ställa in hur stora gluonmolnen är, och hur långt ifrån varandra de är.
gluoner, och kvarkspin visas. Bild: Brookhaven National Laboratory.
När man kolliderar två partiklar som protoner, en proton och en tung jon, eller två tunga joner tillsammans, kan man inte bara modellera dem som proton-protonkollisioner. Istället ser man en fördelning av tre typer av kollisioner: kvark-kvark kollisioner, kvark-gluon kollisioner eller gluon-gluon kollisioner. Det är komponenterna inom dessa subatomära partiklar som faktiskt kolliderar, snarare än hela strukturer (protonerna) själva. Vid lägre energier är det nästan alltid kvarkar som kolliderar, men vid de högre energier som uppnås av RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) vid Brookhaven och LHC vid CERN är sannolikheten för gluon-gluon-växelverkan mycket hög, med möjlighet att avslöja var gluonerna finns inuti själva protonen. Som Mäntysaari fortsatte:
Denna process sker inte alls om protonen alltid ser likadan ut. Ju mer fluktuationer vi har, desto mer sannolikt är det att den här processen sker.
av en proton, inklusive hur ”havets” kvarkar och gluoner är fördelade, har uppnåtts genom både experimentella förbättringar och ny teoretisk utveckling i tandem. Bild: Brookhaven National Laboratory.
Kombinationen av denna nya teoretiska modell och de ständigt förbättrade LHC-data kommer att göra det lättare för forskarna att förstå den inre, grundläggande strukturen hos protoner, neutroner och atomkärnor i allmänhet, och därmed förstå varifrån massan hos de kända objekten i universum kommer. Den största vinsten för denna typ av forskning skulle dock vara utvecklingen av en elektronjonkolliderare (EIC), en kolliderare som föreslagits av många samarbetsorganisationer över hela världen. Till skillnad från RHIC eller LHC, som kolliderar protoner med joner – vilket resulterar i en mycket rörig slutsignal – skulle en EIC vara mycket mer kontrollerad, eftersom det inte finns några interna, okontrollerbara rörelser inuti en elektron som kan förvirra försöksresultaten.
collider (EIC). Genom att lägga till en elektronring (röd) till den relativa tunga jonkollideraren (RHIC) i Brookhaven skulle eRHIC skapas. Bild: Brookhaven National Laboratory-CAD eRHIC-gruppen.
Om man vill studera den inre strukturen hos en proton eller en samling kärnor är djup inelastisk spridning den enda vägen att gå. Med tanke på att kolliderare inledde den resan för mindre än hundra år sedan och att vi nu uppnår energier som är ungefär en faktor 10 000 högre än när vi började, kan det äntligen vara inom räckhåll att undersöka och förstå exakt hur materien får sin massa. Kvarkgluonplasman i kärnan, och de tillhörande fluktuationerna, kan äntligen vara redo att avslöja sina hemligheter för oss. Och när det gör det kan ett av fysikens äldsta mysterier, nämligen var den kända materiens massa kommer ifrån (som fortfarande är ett mysterium även efter upptäckten av Higgs), äntligen ge sig till mänskligheten.
Följ mig på Twitter. Kolla in min webbplats eller några av mina andra arbeten här.