Partikelfysik

 Elementarpartiklar


 

Det har varit något av en gåta hur atomkärnans enklaste partikel kan vara så stabil och ändå reagera så aktivt med andra partiklar. Hur ser protonens inre struktur egentligen ut och vad händer under en växelverkan med protonens syskonpartikel, neutronen?

 

Protonens struktur
 

Den här protonmodellen bygger på att neutriner har såväl massa, laddning samt en förmåga att befinna sig i vila i tomrummet. Därför ses neutrinon i själva verket som bäraren av den svaga kraften. En neutrino kan hålla samman två kvarkar av samma laddning om den själv är av motsatt polaritet. Bilden visar protonens inre struktur. En positiv Z-kvark i mitten flankeras av tre elektronneutriner och en negativ Y-kvark med tillhörande antineutrino i ett yttre skal. Protonsystemet liknar till det yttre ett litet solsystem men där upphör likheten, för de sex partiklarna befinner sig alltid på linje och roterar utifrån Z-kvarkens laddningscentrum. Det finns ingen egentlig koppling till begreppet supersträngar men tanken går dit eftersom de enskilda partiklarna ständigt är i konjunktion. Energisträngen roterar i alla riktningar med sådan enorm hastighet att protonen förefaller homogen.

Baspartiklarna
 

Kvarkarna i den här modellen bör inte förväxlas med den rådande fysikens kvarkar, reglerna stämmer inte överens. Emellertid finns även här laddningar på 1/3 och 2/3. En tyngre kvark, kallad Z, har laddningen 4/3. Kvarken Z skapas sannolikt genom delning av den ännu tyngre men kortlivade Q-kvarken. Denna kvark lär inte kunna existera i fritt tillstånd utan skapas såsom ett förstadium till protonen och dess antipartikel. Dock har Q-kvarken spinn ½ då den är en produkt av energiska ljusvågor. Längre ner på sidan ges en teori om hur ett protonpar kan skapas genom kollision av gammavågor. Kvarkar med motsatt laddning kan normalt sett inte slås samman pga den elektriska repulsionen men när två spinn är likriktade eller ett spinn ställs mot en spinnlös partikel sker en spinnkoppling som har en attraktionseffekt. Spinnet har oerhörd betydelse på partikelnivån.

Protonens spinnförhållande

Protonen i sin helhet har spinnet ½ vilket leder oss att analysera dess enskilda partiklar. Den tunga Z-kvarken ger vi ett positivt spinn (+ ½) i analogi med dess laddning. Neutriner har alltid spinn ½ och vi har i kärnan tre stycken ”negativa” neutriner med spinn (– ½) och en ”positiv” neutrino med spinn (+ ½). Summerar vi detta hamnar vi på spinn (– ½) och vi kan då sluta oss till att protonens Y-kvark helt saknar spinn.
 

Den wobblande elektronen
 

Innan vi kan närma oss kvarkarnas tillblivelse måste vi först studera en av elektronens egenskaper. Vid kollisioner eller spontant vid höga energier kan elektronen komma i svängning (wobbla). Elektronen är inte statisk utan har en plastisk natur. Denna plasticitet gör att elektronen kan dela sig.

Ljusvågen (fotonen) har en tröskelenergi vid 1.02 MeV där fotonen delar upp sig och bildar ett elektron/positron-par. Om energin skulle vara högre än tröskelenergin kan de bildade partiklarna råka i svängning. Det är just denna wobbling som kan ge upphov till det speciella fenomen som kallas; kvarkbildning. Kvarkar existerar i några basvarianter men de har även 'spinnegenskaper'.
 

Kvarkbildning
 

Om den svängande elektronen delar sig vid en viss energinivå skapas en Xs-kvark och en Y-kvark. Det existerande G-vågfältet runt den accelererande elektronen (med droppformad struktur) gör att en mindre kvark (y) bildas bakom den större Xs-kvarken. Dessutom bildas en Vu-neutrino direkt ur X-kvarkens massa.

Spinnet vid uppdelningen stannar vid denna reaktion i kvar hos X-kvarken, därav att den får sin benämning, Xs. Två (anti)-elektronneutriner finns också med sen elektronens tid. De visas inte i bilden men finns med för att hålla ihop de olika kvarkarna. Den klassiska fysiken benämner deras inverkan såsom; "elektrosvag växelverkan". Dessa neutriner har liten massa och svag laddning.
 

När elektronen delar sig vid den en högre energinivå sker uppdelningen i form av tre y-kvarkar, en s.k. Kaon. Spinnet hamnar i den första av kvarkarna i rörelseriktningen. Denna kvark alstrar även en Vu-neutrino ur delningsenergin.

Neutronen
 

Protonen har en något tyngre syskonpartikel som är elektriskt neutral; Neutronen. Det som skiljer partiklarna åt är ett nytt skal som vi placerar utanpå de övriga. Till detta skal ansluter sig en elektron i linje med övriga partiklar men i en position så långt från protonens Y-kvark som möjligt. Den kommer därvid att med elektrosvag kraft knyta sig till protonens antineutrino samtidigt som den attraherar den positiva Z-kvarken. En av elektronens två tillhörande antineutriner lägger sig i samma skal, i linje med de övriga. Den tar sin position närmast protonens y-kvark, som den attraherar elektromagnetiskt men även med en viss spinnkoppling. Den överblivna antineutrinon har ingen plats i systemet utan skickas iväg. En neutron som sönderfaller skapar ett neutrinopar ur vakuum, elektronen behåller antineutrinon för att bli komplett och neutrinon sänds iväg.

Stark växelverkan

I en tyngre atom med flera kärnpartiklar är elektroner inte knutna till specifika protoner. Det sker ett ständigt utbyte av partiklarna i nukleonernas yttre skal, vilket även innefattar neutronens yttersta antineutrino. Utbytet gör att två protoner, som borde stöta bort varandra, istället binds samman mycket kraftfullt. Denna starka växelverkan förlorar dock snabbt sitt inflytande så snart avståndet mellan protonerna ökar. Men även vid frånvaron av elektroner förekommer en stark växelverkan mellan protoner, kraften förmedlas då av ett utbyte av protonernas y-kvarkar.

På atomnivån förväntas neutronens elektron kunna bilda en stabil förening med sin antineutrino vilket ger den negativt laddade utbytespartikeln W, en av de s.k. "bosonerna". I fritt tillstånd vill elektronen alltid omge sig av två antineutriner, W-bosonen är således uteslutande en allians som bildas när atomnumret (antalet protoner i atomkärnan) är större än 1. Neutronen är inte helt stabil i fritt tillstånd utan sönderfaller med en halveringstid av ca 10 min. Det är sannolikt fria neutriner i vakuum som reagerar med neutronens antineutriner, resultatet blir sönderfallet; n → p + anti-Ve.

Skapelsen av ett proton- anti-protonpar
 

Protonen och antiprotonen kan "enkelt" skapas genom att kollidera kärnpartiklar. Exempel: p+p → p+p+p+anti-p. Men en mer basal skapelseprocess är säkert möjlig genom att kollidera energirika gammavågor. Till höger ser vi hur två kvarkar (q), teoretiskt, skapas i en sådan reaktion. I själva parbildningen skapas även två Ve-neutrinopar. Q-kvarken delar dock snabbt upp sig och kalvar av en y-kvark. Även här skapas ett neutrinopar. En snabb omfördelning sker av den "kvarksoppa" som bildats. Slutresultatet blir en proton och en anti-proton. Inga spillpartiklar bildas i reaktionen.

◄ Tillbaka