De sterke kernkracht is, zoals je misschien al geraden had, inderdaad een zeer sterke kracht. Het is zo krachtig dat het in staat is om enkele van de kleinste deeltjes in het universum gedurende zeer lange perioden samen te brengen, mogelijk voor altijd. Door de sterke kracht gebonden deeltjes vormen de bouwstenen van onze dagelijkse wereld: protonen en neutronen. Maar als je een proton of neutron zou opensnijden, zou je geen mooie, eenvoudige opstelling van subatomaire deeltjes vinden. In plaats daarvan zou je de walgelijke ingewanden zien van misschien wel een van de meest complexe krachten in het universum.
Protonen en neutronen zijn niet de enige dingen die de sterke kracht kan maken, maar we begrijpen de andere, meer complexe en exotische arrangementen niet echt. Bovendien zijn zelfs onze observaties en experimenten zelf erg vaag. Maar natuurkundigen zijn hard aan het werk om inzichten te verzamelen in deze fundamentele natuurkracht.
Sterk en complex
Om de sterke kracht te beschrijven, kun je deze het beste contrasteren met zijn veel bekendere neef, de elektromagnetische kracht. Met de elektromagnetische kracht is alles eenvoudig, gemakkelijk en ongecompliceerd; zozeer zelfs dat wetenschappers in de jaren 1900 het grotendeels konden achterhalen. Met de elektromagnetische kracht kan elk deeltje zich bij het feest voegen, zolang het maar een eigenschap heeft die een elektrische lading wordt genoemd. Als je deze lading hebt, dan voel en reageer je op de elektromagnetische kracht. En allerlei deeltjes van alle strepen en smaken dragen een elektrische lading, zoals je tuinvariëteit-elektron.
Een ander deeltje, het lichtdeeltje (ook wel foton genoemd), zorgt ervoor dat de elektromagnetische kracht van het ene geladen deeltje naar het andere wordt overgebracht. Het foton zelf heeft geen eigen elektrische lading en is massaloos. Het reist met de snelheid van het licht, heen en weer bewegend door het universum, waardoor elektromagnetisme plaatsvindt.
Elektrische lading. Een enkele drager van de elektromagnetische kracht. Eenvoudig, duidelijk.
Daarentegen zijn er zes deeltjes die onderhevig zijn aan de sterke kernkracht. Als groep staan ze bekend als de quarks en hebben ze genoeg eigenzinnige namen als boven, beneden, boven, onder, vreemd en charmant. Om de sterke kernkracht te voelen en erop te reageren, hebben deze quarks hun eigen lading. Het is geen elektrische lading (hoewel ze ook een elektrische lading hebben en ook de elektromagnetische kracht voelen), maar om verschillende redenen die de dingen echt verwarrend maken, noemen natuurkundigen deze speciale lading in verband met de sterke kernkracht de kleurlading.
De quarks kunnen drie kleuren hebben, rood, groen en blauw. Voor alle duidelijkheid, het zijn geen echte kleuren, maar gewoon labels die we aan deze vreemde, ladingachtige eigenschap geven.
Quarks voelen dus de sterke kracht, maar worden gedragen door een hele reeks andere deeltjes - acht om precies te zijn. Ze worden de gluonen genoemd en ze doen echt geweldig werk van ... wacht erop ... lijmen quarks aan elkaar. De gluonen hebben ook het vermogen en de wens om hun eigen kleurlading te dragen. En ze hebben massa.
Zes quarks, acht gluonen. De quarks kunnen hun kleurlading veranderen, en de gluonen ook, want waarom niet.
Dit alles betekent dat de sterke kernkracht veel complexer en ingewikkelder is dan zijn elektromagnetische neef.
Vreemd sterk
Ok, ik loog. Natuurkundigen noemden deze eigenschap van quarks en gluonen niet alleen 'de kleurlading' omdat ze daar zin in hadden, maar omdat het als een nuttige analogie dient. Gluonen en quarks kunnen aan elkaar binden om grotere deeltjes te vormen, zolang alle kleuren samen wit vormen, net zoals rood, blauw en groen licht optellen tot wit licht ... De meest voorkomende combinatie is drie quarks, elk met rood, groen, en blauw. Maar de analogie wordt hier een beetje lastig, omdat elke individuele quark op elk moment een willekeurige kleur kan hebben; waar het om gaat is het aantal quarks om de juiste combinaties te krijgen. Je kunt dus groepen van drie quarks hebben om de bekende protonen en neutronen te maken. Je kunt ook een quark binden met zijn anti-quark, waarbij de kleur met zichzelf opheft (zoals in, groene paren met anti-groen, en nee, ik verzin dit niet alleen terwijl ik verder ga), om een soort deeltje dat bekend staat als een meson.
Maar daar houdt het niet op.
Theoretisch is elke combinatie van quarks en gluonen die tot wit optellen technisch toegestaan in de natuur.
Zo kunnen twee mesonen - elk met twee quarks erin - mogelijk samenbinden tot iets dat een tetraquark wordt genoemd. En in sommige gevallen kun je een vijfde quark aan de mix toevoegen, waarbij je nog steeds alle kleuren in evenwicht houdt, genaamd (je raadt het al) een pentaquark.
Het tetraquark hoeft niet eens technisch samengebonden te zijn in één enkel deeltje. Ze kunnen eenvoudig naast elkaar bestaan, waardoor een zogenaamd hydronisch molecuul wordt gemaakt.
En hoe gek is dit: de gluonen zelf hebben misschien niet eens een quark nodig om een deeltje te maken. Er kan gewoon een bol met gluonen rondhangen, relatief stabiel in het universum. Ze worden glueballs genoemd. Het bereik van alle mogelijke gebonden staten die door de sterke kernkracht worden toegestaan, wordt het quarkoniumspectrum genoemd en dat is geen naam die is verzonnen door een schrijver van een Sci-Fi tv-show. Er zijn allerlei gekke mogelijke combinaties van quarks en gluonen die misschien wel bestaan.
Dus doen ze?
Quark Rainbow
Kan zijn.
Natuurkundigen voeren al een aantal decennia sterke nucleaire experimenten uit, zoals het Baber Experiment en enkelen bij de Large Hadron Collider, die zich in de loop van de jaren langzaam opbouwden naar hogere energieniveaus om dieper en dieper het quarkoniumspectrum in te tasten (en ja je hebt mijn toestemming om die zin te gebruiken in elke zin of informeel gesprek dat je wilt, het is zo geweldig). In deze experimenten hebben natuurkundigen veel exotische verzamelingen van quarks en gluonen gevonden. De experimentalisten geven ze funky namen, zoals χc2 (3930).
Deze exotische potentiële deeltjes bestaan slechts vluchtig, maar bestaan in veel gevallen definitief. Maar natuurkundigen hebben het moeilijk om deze kort geproduceerde deeltjes te verbinden met de theoretische waarvan we vermoeden dat ze zouden moeten bestaan, zoals de tetraquarks en de glueballs.
Het probleem met het maken van de verbinding is dat de wiskunde erg moeilijk is. In tegenstelling tot de elektromagnetische kracht, is het erg moeilijk om solide voorspellingen te doen met een sterke atoomkracht. Het komt niet alleen door de gecompliceerde interacties tussen de quarks en de gluonen. Bij zeer hoge energieën begint de kracht van de sterke kernkracht te verzwakken, waardoor de wiskunde kan worden vereenvoudigd. Maar bij lagere energieën, zoals de energie die nodig is om quarks en gluonen aan elkaar te binden om stabiele deeltjes te maken, is de sterke kernkracht eigenlijk, nou ja, erg sterk. Deze grotere kracht maakt de wiskunde moeilijker te achterhalen.
Theoretische natuurkundigen hebben een aantal technieken bedacht om dit probleem aan te pakken, maar de technieken zelf zijn ofwel onvolledig of inefficiënt. Hoewel we weten dat sommige van deze exotische staten in het quarkonium-spectrum bestaan, is het erg moeilijk om hun eigenschappen en experimentele handtekeningen te voorspellen.
Toch werken natuurkundigen hard, zoals altijd. Langzaam, in de loop van de tijd, bouwen we onze verzameling exotische deeltjes op die in colliders zijn geproduceerd en maken we steeds betere voorspellingen over hoe de theoretische quarkoniumstaten eruit zouden moeten zien. Matches komen langzaam samen, waardoor we een completer beeld krijgen van deze vreemde maar fundamentele kracht in ons universum.
Paul M. Sutter is astrofysicus bij De Ohio State University, gastheer van Vraag een Spaceman en Space Radio, en auteur van Jouw plaats in het universum.
