Fysik: Fångad i frihet

Kvarkar dök upp i fysiken av desperation. Sedan 1950-talet har fysikerna ständigt upptäckt nya partiklar. Men de passade inte in i den bild man då hade av materien som bestående av atomer med neutroner och protoner i kärnan och elektroner runt om. Det grekiska alfabetet räckte knappt till när man försökte få ordning på de nya elementarpartiklarna. Fysikerna klagade på att det började likna botanik snarare än en vetenskapsgren som strävar efter reduktion. Något måste ligga under den kaotiska ytan – och detta blev just kvarkar.

Blir verkliga

Kvarken, uppkallad med ett nonsensord från James Joyce, kom till i huvudet på den amerikanske fysikern Murray Gell-Mann (och samtidigt hos en annan amerikansk fysiker – George Zweig). Inte som partikel men som matematisk idé, en minsta legobit med vilken man kan pussla ihop materien. Kvarkarna hade en del overkliga egenskaper, som att de bar en laddning som bara var en bråkdel av den minsta kända elektriska laddningen hos elektronen.

Så förvåningen var stor när experiment i den linjära acceleratorn i Stanford visade att det inuti protonerna faktiskt gömmer sig tre små gryn, kvarkarna. Fritt rör de sig därinne, omedvetna om de krafter som håller dem fångna. För att få syn på en ensam kvark krävs oerhört höga energier, för kvarkar förekommer bara i par, eller som trio inuti protonen eller neutronen. För ett år sedan upptäcktes också en kvarkkvintett. Men aldrig släpper de varandra. Hur kommer det sig?

I juni 1973 publicerades två artiklar i den ansedda tidskriften Physical Review Letters som löste mysteriet med de inspärrade kvarkarna. Det är för det arbetet som David Gross och hans då 21-åriga doktorand Frank Wilczek samt en annan ung forskarstuderande, David Politzer, då 23 år, får årets Nobelpris i fysik. Asymptotisk frihet blev lösenordet för paradoxen med de på en gång fria och ofria kvarkarna. Inneslutna är kvarkarna fria, men så fort de försöker lämna sällskapet blir gränserna för friheten uppenbara. Eller med andra ord: attraktionen mellan kvarkarna minskar när de kommer närmare varandra.

Asymptotisk frihet

Innan den asymptotiska friheten dök upp var de flesta fysiker övertygade om att här behövdes en revolution, för inget man kände till kunde bringa reda i den absurda situationen. Men Gross, Wilczek och Politzer använde bara penna och papper för att genomföra sina banbrytande beräkningar, och i dag räknar fysikstudenter på kvarkarnas instängda liv i hemläxa.

Den epokgörande idén var att beskriva kraftfältet runt om kvarkarna genom att vända på tecknet: plus blir minus. Den starka kraften som råder mellan kvarkarna ökar med avståndet mellan dem i stället för att avta, sade Nobelpristagarna. Det vanliga är annars att kraften minskar – det magnetiska fältet är svagare längre bort från magneten, jordens dragningskraft minskar högre upp mot himlen. Men den starka kraften håller allt hårdare grepp om kvarkarna ju längre de glider ifrån varandra.

Att slita isär kvarkarna är som att dela på magnetens två poler – det går inte. Så fort man tudelar magneten uppstår två nya magneter, båda med nord och syd i var sin ände. När man försöker åtskilja två kvarkar, bildas i stället ett nytt kvarkpar, en ny så kallad mesonpartikel som består av en kvark och en antikvark. Så snart energin räcker till bildas alltså en meson, medan det gamla kvarkparet återgår till sin vanliga tillvaro.

Förklarar inte allt

Upptäckten ledde också till att man nu har fått en teori för stark växelverkan, den så kallade kvantkromodynamiken – QCD. Teorin har många likheter med en annan teori som beskriver elektromagnetismen, kvantelektrodynamiken – QED. I QED förmedlas den elektromagnetiska kraften som verkar mellan två laddade partiklar med fotoner. QCD beskriver växelverkan mellan kvarkarna som utbyte av en annan partikel – gluon. Den laddning som kvarkarna bär på beskrivs som färg; det finns röda, gröna och blå kvarkar. Antikvarkarna har antifärger – man anar här att färgerna faktiskt inte har någonting att göra med vad vi annars kan se.

Till skillnad från fotoner som inte är elektriskt laddade, bär gluoner på färgladdning. Häri ligger nyckeln till en annan gåta som plågade fysiken – hur tre lätta kvarkar kan bygga upp den nästan hundra gånger tyngre protonen. Med gluonernas hjälp går det utmärkt.

Teorin saknar dock fortfarande vissa andra förklaringar, som varför kvarkarna egentligen måste hållas inspärrade. Inte heller är det helt klart vad som händer när man försöker befria kvarkarna.

Teorin om allting

Men som beräkningsverktyg är teorin oöverträffad – utan den kan man inte tolka vad som händer i partikelacceleratorer när kvarkar krockar med varandra. Så kommer också att ske i världens kraftfullaste kollisioner mellan protoner i LHC-maskinen som just nu är under uppförande vid CERN utanför Genève. I den hoppas man ta ännu ett steg mot att uppfylla sin gamla dröm: att förena alla fyra grundläggande naturkrafter.

I den standardmodell som beskriver materiens och krafternas hemligheter har hittills bara två av de fyra krafterna ingått en lycklig förening – den elektromagnetiska kraften och den svaga kraften, den som ansvarar för radioaktivt sönderfall. Supersymmetrin behövs för att den starka kraften ska komma med.

Då blir bara gravitationen kvar innan fysikerna kan pusta ut med en teori om allting. Det senaste försöket att få med gravitationen är strängteorin. Men medan standardmodellen har belönats med ett veritabelt Nobelprisregn under åren lär det dröja innan strängteorin kommer dithän. Även om en liten vink åt det hållet ryms i årets pris – David Gross har nämligen varit en av pionjärerna bakom strängarna.