Den starka kärnkraften är, som ni kanske gissat, en mycket stark styrka. Det är så kraftfullt att det kan dra samman några av de minsta partiklarna i universumet under mycket långa perioder, möjligen för evigt. Partiklar bundna av den starka kraften utgör byggstenarna i vår vardag: protoner och neutroner. Men om du skulle skära upp en proton eller neutron, skulle du inte hitta ett trevligt, enkelt arrangemang av subatomära partiklar. Istället skulle du se de motbjudande inre av kanske en av de mest komplexa krafterna i universum.
Protoner och neutroner är inte de enda saker som den starka kraften kan göra, men vi förstår inte riktigt de andra mer komplexa och exotiska arrangemangen. Dessutom är även våra observationer och experiment i sig mycket skissartade. Men fysiker arbetar hårt med att försöka sammanfatta insikter om denna grundläggande naturkraft.
Stark och komplex
För att beskriva den starka kraften är det bäst att kontrastera den med sin mycket mer kända kusin, den elektromagnetiska kraften. Med den elektromagnetiska kraften är saker enkla, enkla och enkla; så mycket att forskare på 1900-talet mest kunde räkna ut det. Med den elektromagnetiska kraften kan varje partikel ansluta sig till partiet så länge den har en egenskap som kallas en elektrisk laddning. Om du har denna laddning får du känna och svara på den elektromagnetiska kraften. Och alla typer av partiklar av alla ränder och smaker har en elektrisk laddning, som din trädgårdsvariant elektron.
En annan partikel, ljuspartikeln (även känd som fotonen), arbetar med att överföra elektromagnetisk kraft från en laddad partikel till en annan. Foton i sig har inte sin egen elektriska laddning och är masslös. Den rör sig med ljusets hastighet och flickar fram och tillbaka över universum och får elektromagnetism att hända.
Elektrisk laddning. En enda bärare av den elektromagnetiska kraften. Enkelt, enkelt.
Däremot finns det sex partiklar som omfattas av den starka kärnkraften. Som en grupp är de kända som kvarkarna och har tillräckligt udda namn som upp, ner, topp, botten, konstigt och charm. För att känna och svara på den starka kärnkraften har dessa kvarkar en avgift. Det är inte en elektrisk laddning (även om de också har en elektrisk laddning och också känner den elektromagnetiska kraften), men av olika skäl som gör saker verkligen förvirrande, kallar fysiker denna speciella laddning förknippad med den starka kärnkraften färgladdningen.
Kvarkarna kan ha en av tre färger, kallad röd, grön och blå. Bara för att klargöra, de är inte faktiska färger, utan bara etiketter som vi ger till denna konstiga, laddningsliknande egenskap.
Så kvarkar känner den starka kraften, men den bärs av en hel massa andra partiklar - åtta, för att vara exakt. De kallas gluoner, och de gör ett riktigt bra jobb med ... vänta på det ... limma kvarkar ihop. Gluonerna råkar också ha förmågan och önskan att bära sin egen färgladdning. Och de har massa.
Sex kvarkar, åtta gluoner. Kvarkarna kan ändra sin färgladdning och gluonerna kan också, för varför inte.
Allt detta innebär att den starka kärnkraften är mycket mer komplex och komplicerad än dess elektromagnetiska kusin.
Konstigt stark
Okej, jag ljög. Fysiker kallade inte bara denna egenskap av kvarkar och gluoner för "färgladdningen" för att de kändes som det, utan för att det fungerar som en användbar analogi. Gluoner och kvarkar kan binda samman och bilda större partiklar så länge alla färger läggs upp till vitt, precis som rött, blått och grönt ljus lägger till vitt ljus ... Den vanligaste kombinationen är tre kvarkar, var och en av rött, grönt, och blått. Men analogin blir lite svår här, eftersom varje enskild kvark kan ha någon av de färger som tilldelas den när som helst; det som är viktigt är antalet kvarkar för att få rätt kombinationer. Så du kan ha grupper om tre kvarkar för att göra de bekanta protonerna och neutronerna. Du kan också ha en kvarkbind med dess anti-kvark, där färgen avbryter med sig själv (som i, gröna par med anti-grönt, och nej, jag gör inte bara det här när jag går) för att göra en typ av partikel känd som en meson.
Men det slutar inte där.
Teoretiskt sett är alla kombinationer av kvarkar och gluoner som lägger till vitt tekniskt tillåtna i naturen.
Till exempel kan två mesoner - var och en med två kvarkar inuti dem - potentiellt binda samman till något som kallas en tetraquark. Och i vissa fall kan du lägga till en femte kvark till blandningen och fortfarande balansera alla färger, kallad (du gissade det) en pentaquark.
Tetraquark behöver inte ens vara tekniskt bundna i en enda partikel. De kan helt enkelt existera i närheten av varandra, vilket gör vad som kallas en hydronisk molekyl.
Och hur galen är det: själva gluonerna behöver inte ens en kvark för att göra en partikel. Det kan helt enkelt finnas en boll av gluoner som hänger, relativt stabilt i universum. De kallas glueballs. Utbudet av alla möjliga bundna tillstånd som tillåts av den starka kärnkraften kallas kvarkoniumspektrumet, och det är inte ett namn som består av en Sci-Fi TV-programförfattare. Det finns alla typer av galna potentiella kombinationer av kvarkar och gluoner som bara kan existera.
Så gör de?
Quark Rainbow
Kanske.
Fysiker har genomfört starka kärnkraftsexperiment i ganska många decennier nu, som Baber-experimentet och några på Large Hadron Collider, långsamt under åren som bygger upp till högre energinivåer för att söka djupare och djupare i kvarkoniumspektrumet (och ja du har min tillåtelse att använda den frasen i vilken mening eller avslappnad konversation du vill, det är så fantastiskt). I dessa experiment har fysiker hittat många exotiska samlingar av kvarkar och gluoner. Experimentalisterna ger dem funky namn, som χc2 (3930).
Dessa exotiska potentiella partiklar existerar endast flyktigt, men existerar i många fall slutgiltigt. Men fysiker har svårt att ansluta dessa kort framställda partiklar till de teoretiska som vi misstänker borde existera, som tetraquarks och limbollar.
Problemet med anslutningen är att matte är riktigt svårt. Till skillnad från den elektromagnetiska kraften är det mycket svårt att göra fasta förutsägelser som involverar stark kärnkraft. Det är inte bara på grund av de komplicerade interaktionerna mellan kvarkarna och gluonerna. Vid mycket höga energier börjar den starka kärnkraftens styrka faktiskt försvagas, vilket gör att matematiken kan förenklas. Men vid lägre energier, som den energi som behövs för att binda samman kvarkar och gluoner för att skapa stabila partiklar, är den starka kärnkraften faktiskt, ja, mycket stark. Denna ökade styrka gör matten svårare att ta reda på.
Teoretiska fysiker har kommit med en massa tekniker för att ta itu med detta problem, men själva teknikerna är antingen ofullständiga eller ineffektiva. Även om vi vet att några av dessa exotiska tillstånd i kvarkoniumspektrum finns, är det mycket svårt att förutsäga deras egenskaper och experimentella signaturer.
Fortfarande arbetar fysiker hårt, som de alltid gör. Långsamt, med tiden, bygger vi upp vår samling av exotiska partiklar som produceras i kollider och gör bättre och bättre förutsägelser om hur de teoretiska kvarkoniumstaterna ska se ut. Matcher samlas långsamt och ger oss en mer fullständig bild av denna konstiga men grundläggande kraft i vårt universum.
Paul M. Sutter är en astrofysiker på Ohio State University, värd av Fråga en Spaceman och Space Radio, och författare till Din plats i universum.
