Hur fungerar en våg för kvarkar?

Fråga:

Hur väger man atomer och kvarkar?

Svar:

Låt oss börja med att reda ut vad vi egentligen menar med att väga någonting och det relaterade begreppet massa. När vi väger oss på en våg mäter vi egentligen hur stor kraft som vågen utsätts för. Men enligt Newtons andra lag är kraften lika med massan gånger jordaccelerationen. På jordytan är tyngdaccelerationen ca 9,8 m/s², medan den på månen bara är cirka en sjättedel av detta. Så om vi tog med oss en våg till månen skulle den bara visa en sjättedel av tyngden på jorden. Massan är dock oförändrad. I vetenskapliga sammanhang är det därför viktigt att skilja mellan massa och tyngd även om vi i dagligt tal blandar begreppen.

Hur mäter man då en atoms massa? Eftersom en atom har så liten massa är det svårt att mäta kraften på den från jordens tyngdacceleration. Vi behöver en starkare kraft som vi kan utsätta atomen för och sedan mäta accelerationen. Man brukar utnyttja fenomenet att en elektrisk laddning som rör sig genom ett magnetfält utsätts för den så kallade Lorentzkraften. För att mäta massan på en atom får vi alltså först jonisera den så att den blir elektriskt laddad, och därefter sända den genom ett magnetfält och mäta hur mycket dess bana böjs av. Från krökningsradien och hastigheten kan accelerationen bestämmas, och då magnetfältets kraft är känd kan vi räkna ut massan med hjälp av Newtons andra lag.

Denna anordning för att mäta massa kallas ibland spektrometer. På samma sätt som en prisma delar ljusstrålen beroende på våglängden, kan spektrometern dela upp en stråle av partiklar beroende på deras massor eller laddningar.

I princip kunde en spektrometer också användas för att mäta massan på en kvark. Problemet är bara att det inte går att isolera kvarkarna och studera dem var för sig. Kvarkar förekommer bara i par eller tre och tre.

Men deras massor går att bestämma indirekt från de partiklar som de bygger upp. Ett sätt att få fram kvarkens massa är att använda Einsteins formel E=mc² (energin är lika med massan gånger ljusets hastighet i kvadrat). Så när till exempel den tyngsta av kvarkarna, en toppkvark, sönderfaller till tre lättare kvarkar mäter man energin hos de partiklar som toppkvarkarna ger upphov till. Från den sammantagna energin kan man sedan räkna ut den enskilda kvarkmassan med Einsteins formel.

Undrar du något? Fråga F&F!