Atomer og kvarker : den nye fysikken [PDF]

Zitiervorschau

ATOMET Det periodiske system.

I iv | v | vi | vii i vin I He

[T UL F i

Cu Zn — Ag Cd Au

aturen er \ bygget av \ 92 kjemiske \ grunnstoffer, \ som er ordnet i en \ tabell kalt det perio\ diske system. De fleste \ er sjeldne og forekommer \ P bare i mindre mengder. Det \ meste av alt stoff består av noen ganske få grunn stoffe rWjj Universet som helhet domineres^ av hydrogen og helium. Det er ogsa de to enkleste grunnstoffene, og hydrogen alene utgjør ca. 75% av universets masse, mens helium står for ca. 25%. Det mest utbredte grunnstoffet pa jorden er oksygen. Det utgjør en hoveddel av jordskorpen og finnes dessuten i luft og vann.

N

Atomnummer Grunnstoffenes minste deler, atomene har et bestemt antall protoner i atomkjernen. Det kalles «atomnummeret» og bestemmer nøyaktig hva slags stoff det er. Hydrogen er enklest og har bare ett proton, så følger helium med to protoner, og for hvert proton vi legger til videre, får vi et nytt grunnstoff. Oksygen har åtte protoner - og sist kommer uran med 92 protoner. Grunnstoffer utenom hydrogen har også nøytroner. De bidrar bare til atomkjernens vekt og stabilitet, og samme grunnstoff kan ha forskjellig nøytrontall. Det kalles isotoper av stoffet. /

Hg

B

C

N

Al

Si

P

Ga

Ge

A/

0

Se

F

Ne

Cl

Ar

Br

Kr

In

Sb

Te

J

Xe

TI /4b

Bi

PO

At

Rn

Inn I atomet

Atomet er den minste delen som alle stoffer er laget av. Det har en diameter på 0, 000 000 01 cm og er så lite at det går 10 millioner atomer i bredden innenfor 1 millimeter. Men atomet selv har enda mindre deler og er enormt stort. Det har en kjerne, hvor dets masse er konsentrert, og rundt den kretser \ elektroner. Hele atomet er 10.000 ganger større i \ diameter enn atomkjernen og består for det \ meste av tomt rom. Atomkjernen inneholder \ protoner og nøytroner, og disse er igjen \ bygget av kvarker, som sammen med \ elektroner er de minste partiklene i naturen. ' På de neste sidene kan du lese om x I \ utforskningen av atomets indre.

KVARKER

LEPTONER

Ned

Sær

Forbindelser Grunnstoffene forbinder seg med hverandre og bygger nye stoffer ved at deres atomer går sammen til noen større deler som kalles molekyler. Dette skjer ved hjelp av elektronene, som kretser rundt atomkjernen. De ligger lagvis utover i atomet i sakalte «skall», og det er de ytterste elektronene som inngår de kjemiske a forbindelsene. Et atom ' holdes sammen på grunn av elektrisk tiltrekning mellom atomkjernens protoner og elektronene, og antallet elektroner er normalt det samme som protontallet.

Sjarm

Topp

Bunn

Tau-nøytrino

ATOMER OG KVARKER 3

ATOMET

«Om tingenes natur» en første atomteorien, som tittelen «Den skeptiske kjemiker» Demokrit fremsatte ca. år hvor han med tydelig referanse til 430 f.Kr, ble ingen suk­ de gamle alkymistene rådet sine sess. De fleste andre greske filoso kollegaer ­ til å rense sinnene for fer, med Aristoteles som den magi storeog overtro, og i stedet for ele­ autoriteten, ville mentene innførte et nytt begrep ikke godta ideen kjemiske grunnstoffer. Et stoff som var grunnleggende, om udelelige måtte ikke kunne deles i noe enk­ minstepartikler. De foretrakk et lere stoff når man analyserte det, annet syn på ma­ sa Boyle. terien, som sa at Hundre år senere var det klart at alle stoffer var for­ alle stoffer i naturen var forbindel­ skjellige blandin­ ser imellom grunnstoffer, og da Aristoteles ger av jord, ild, kjemikerne veiet og målte meng­ luft og vann - alt de fire elemen- den av stoffer som gikk med i for­ ter. skjellige kjemiske reaksjoner, viste Elementlæren dominerte i 2000 det seg at grunnstoffene alltid for­ år og var i middelalderen utgangs­ bandt seg med hverandre i be­ punkt for en merkelig gruppe vi­ stemte vektmengder. Dette kunne bare bety at grunn­ tenskapsmenn som kalte seg alky­ mister. De prøvde å lage gull i la­ stoffer var bygget av noen små de­ boratoriet ved å finne den rette ler, sa John Dalton. Han laget i blandingen av elementer. I mellomtiden ble atomteorien nesten helt glemt, men ble hentet fram igjen på 1600-tallet. Da be­ gynte vitenskapsmenn å under­ søke naturen aktivt gjennom eks­ perimenter i stedet for bare å sitte og tenke og spekulere slik de gamle filosofene gjorde. Vi har ingen skrifter etter De­ mokrit som forteller hvordan han tenkte, men den romerske dikte­ ren Lucretius tok atomteorien med i sitt verk «De rerum natura» (Om tingenes natur) i det 1. århundre e.Kr. - og et enslig eksemplar av 1803 en moderne vitenskapelig be­ dette verket ble bevart. grunnet atomteori.

D

«Den skeptiske kjemiker» Atomteorien ble gjeninnført av en ung fransk filosof, Pierre Gassiendi. Han skrev i 1611 - bare 19 år - en avhandling som var et bitende skarpt oppgjør med Aristoteles' lære. Avhandlingen var så provo­ serende at den først ble offentlig­ gjort i 1658, tre år etter hans død. Gassiende fore­ stilte seg at ato­ mene hadde små kroker og var hek­ tet sammen om­ trent som metallfjærene i en seng. Men den første som virkelig brøt med elementlæskmannen Robert Boyle. Han utga i 1661 en bok med 4 ATOMER OG KVARKER

Hvert grunnstoff hadde sin egen type atom, alle atomer av samme grunnstoff var like - og atomene kunne sammenlignes med små, harde kuler.

Resultatet var en tabell som han kalte det periodiske system. Det var enkelte huller i Mendelejevs tabell, men han lot dem bare stå åpne og spådde at grunnstof­ fene som passet inn der, ville bli oppdaget. Det skjedde også et par år etter, og dette ble betraktet som en stor triumf. Det periodiske sys­ tem sammen med Daltons atomer så ut til å være den endelige forkla­ ring på naturens oppbygning.

Overflødige biter Men det at grunn­ stoffene lignet hverandre tydet på at atomet ikke var en udelelig partikkel, som De­ mokrit og Dalton trodde, og i 1896 gjorde franskman­ Becquerel nen Antoine Henri Becquerel en oppsiktsvekk­ ende oppdagelse, som var det første tegn på atomets indre byg­ ning. Det var kjent at visse stoffer ble selvlysende etter å ha vært bestrålt (fluoresens), og Becquerel ville un­ dersøke om de også sendte ut den intense røntgen-strålingen, som nylig var oppdaget. Ved en tilfeldighet viste det seg at et mineral som inneholdt grunn­ stoffet uran, sendte ut stråling uten noen ytre påvirkning. Strålingen kom fra uranet selv og hadde form av partikler, omtrent som uran-atomet prøvde å kvitte seg med over­ flødige biter.

Katode-partikler

Fenomenet som Becquerel oppda­ get, ble kalt radio­ aktivitet, og mens Grunnstoff-tabell det ble nærmere Utover 1800-tallet ble det oppdaget utforsket, gjorde stadig nye grunnstoffer, i tillegg til Joseph John de ca. 20 som var kjent på Daltons Thomson i 1897 en tid, og det ble stadig vanskeligere å ny oppdagelse på ordne dem. Stoffer med vidt for­ et annet område. skjellig atomvekt kunne likevel ha Thomson egenskaper som lignet hverandre. Han studerte såkalte katodestråler, Dette tydet på at det fantes et dy­ som ble produsert ved elektriske utladninger inne i et vakuumrør, pere mønster. Problemet ble omsider løst av og påviste at disse strålene bestod Dmitri Mendelejev. Han førte i av partikler. Katode-partiklene ble kalt elek­ 1869 grunnstoffene opp etter øk­ ende atomvekt på en slik måte at troner, og det ble straks tydelig at stoffer med beslektete egenskaper elektronet måtte være en del av kom igjen med visse mellomrom. atomet.

ATOMET

-modellen begynnelsen av vårt århundre, etter at J.J. Thomson hadde oppdaget elektronet, ble det laget flere modeller av det «nye» atomet og dets indre bygning. Thomson selv forestilte seg at atomet var en kule av positiv elektrisk lad­ ning, hvor elektronene var innkapslet omtrent som rosiner i en pud­ ding. En annen modell, som Lord Kelvin frem­ satte, hadde kuleformete skall, Philip Lenard hev­ det at de positive og ne­ gative elektriske ladnin­ gene utgjorde noen parvise smådeler som han kalte «dynamider», og ja­ paneren Hatari Nagaoka mente at den positive ladningen var konsent­ rert i midten av atomet, med elektronet i en ring omkring - lik planeten Saturns ringer. Men den som avgjorde spørsmålet, var Ernest Rutherford, en ruvende skikkelse både i kraft av sin forskningsinnsats og rent fysisk, høy og kraftig bygget. Han var også en sterk personlighet, med visse særtrekk. Når han var i godt humør, pleide han å komme inn i labo­ ratoriet plystrende på «Fremad Kristi strids­ menn». Rutherford, som var elev av Thomson, var født i New Zealand og var fra 1898 til 1907 professor ved McGill-universitetet i Montreal i Canada. Her forsket han i radioaktivi­ tet og forklarte sammen med kollegaen Frederick Soddy hvordan radioak­ tive stoffer som radium og thorium ble brutt ned ved at de sendte ut så­ kalte alfa-partikler. I 1907 begynte Ruther­ ford å arbeide ved uni-

I

versitetet i Manchester, og her gjorde han sam­ men med to medarbei­ dere, Hans Geiger og Er­ nest Marsden, et genialt enkelt eksperiment, som «åpnet» atomets indre. Alfa-partikler fra en ra­ dioaktiv kilde - med en fart av nesten 20.000 km pr. sekund - ble skutt gjennom en tynn gullfolie mot en fotografisk plate, som var oppstilt bakenfor. Hensikten var å stu­ dere om det var noen spredning av partiklene når de traff platen, og Rutherford noterte seg at de fleste gikk rett igjennom uhindret. Men en del ble avbøyd som om de hadde vært borti noe - og noen ganske få ble til og med kastet til­ bake igjen. På dette grunnlag utar­ beidet Rutherford i 1911 en modell som sa at ato­ met for det meste bestod av tomt rom og lignet et lite solsystem. Det hadde en liten, hard kjerne i midten, hvor størstepar­ ten av atomets masse (vekt) var konsentrert, og rundt atomkjernen kret­ set elektronene. Senere bidro Ruther­ ford også til å forklare atomkjernens oppbyg­ ning. Han identifiserte i 1919 dens første bestand­ del - protonet - og han hevdet deretter at det også måtte finnes en an­ nen kjernepartikkel, nøy­ tronet, som James Chadwick omsider påviste i 1932. Rutherford frembrakte i 1919 også den første kunstige endringen av et grunnstoff. Han bombar­ derte nitrogen-kjerner med alfa-partikler og forandret på denne må­ ten nitrogen til oksygen. ATOMER OG KVARKER 5

ATOMET

Kvantespranget Niels Bohr (1885-1962) regnes som en av de fremste vitenskapsmennene i vårt århundre. «Ingen kan si hvor vi hadde stått i vår viten om atomet om vi ikke hadde hatt ham» (Albert Einstein)

Den unge...

...og den eldre Niels Bohr.

utherfords solsystem-modell «Kvantespranget», som det ble av atomet hadde en alvorlig kalt, skjedde direkte uten noe mel­ mangel. Ifølge den klas­ lomtrinn, omtrent som planeten siske fysikkens lover ville elektro ­ plutselig skulle hoppe over i Mars nene utstråle energi mens de kret ­ Jupiters bane. set omkring og raskt gå i en spiralPå denne måten forklarte Bohr bane inn mot atomkjernen. Atomet også et annet forhold, som hadde var dermed ustabilt, og alt stoff i voldt problemer. Når lysende gas­ naturen skulle i teorien bryte sam­ ser av frie atomer ble studert med men. et spektroskop, fremtrådte ikke et Dette er åpenbart ikke tilfelle, og jevnt spektrum som når vanlig lys problemet med å forklare hvorfor spaltes i regnbuens farger, men en atomet er stabilt ble løst av den mengde parallelle, skarpt atskilte danske fysikeren Niels Bohr i 1913. linjer. Dette mønsteret skyldes elektroHan kom til at de fysiske lover som nenes hopp fra bane til bane. Hy­ gjelder i det store kosmos, hvor vi lever, ikke gjelder på atomets nivå. drogengass som har et atom med I stedet grep han fatt i Max Plancks bare ett elektron, hadde et kompli­ nye teori, som sa at energi ikke blir sert linjespekter, og Bohrs beregutstrålt i en jevn strøm, men i små ninger viste at linjene stemte nøy­ avgrensete porsjoner eller energi- aktig med hvilke kvantesprang hy­ drogenets ene elektron kunne biter, kalt kvanter. gjøre. Bohr hevdet at elektronene bare Bohr ga en detaljert beskrivelse kunne oppholde seg i bestemte av­ av elektronenes plass i atomet og stander fra atomkjernen, som ordnet deres baner lagvis utover i svarte til forskjellige energi-trinn. atomet i såkalte skall, med parallell Her var de i en såkalt stasjonær til­ til hvordan en løk er bygget opp. stand og hadde sin bane uten å ut­ Hvert skall hadde plass til et be­ stråle energi. stemt antall elektroner, og atomet Når et atom ble tilført energi, fylte innenfra og utover. hoppet elektronet til en høyere På denne måten ble det endelig bane og hoppet så tilbake igjen til mulig å forklare grunnstoffenes sin stabile bane mens det kvittet kjemiske egenskaper og mønsteret seg med energi i form av en lys- som lå under Mendelejevs perio­ kvant - et foton. diske system. Grunnstoffer med

R

6 ATOMER OG KVARKER

beslektete egenskaper hadde det samme antall elektroner i det yt­ terste skallet. Bohr selv kunne ikke forklare hvorfor elektronene var ordnet på nettopp denne måten. Han bare arrangerte dem slik fordi det stemte med observasjoner. En nærmere forklaring ble gitt i 1925, da Wolfgang Pauli formulerte sitt såkalte eksklusjons-prinsipp, som begrenset antallet elektroner i hvert skall. Rutherfords solsystem med Bohrs tilleggs-forklaring er den atom-modellen som de fleste kjen­ ner, men etter hvert som kvanteteorien ble utviklet videre i 1920årene, med viktige bidrag av fysi­ kere som Werner Heisenberg og Erwin Schrødinger, ble bildet av elektronene mer diffust. Ut fra en kvante-beskrivelse er det egentlig umulig å si helt sikkert hvor elektronene er i atomet og hvordan deres baner er. De farer hit og dit i alle retninger, og det nærmeste vi kommer et nøyaktig bilde er å si at de utgjør en «sky» av negativ elektrisitet omkring atomkjernen. Bohr utviklet senere også en mo­ dell for atomkjernen - «dråpemodellen» - og ut fra den kunne han som den første forklare kjernespaltningen.

ATOMET

Partikler og bølger

MAX PLANCK (1858-1947) var kvantefysikkens opp­ havsmann. Han tok sin doktorgrad bare 21 år gam­ mel og bodde det meste av sitt liv i Berlin, hvor han var professor i teoretisk fy­ sikk.

De ansatte ved CERN har dannet en solenergi-klubb og har bygget et kjøretøy som drives ved hjelp av fotoner og solceller.

ys består av bølger. Dette ble masseløse partikler, som Einstein bevist med et eksperiment, kalte fotoner. Han baserte seg på en ny revolu­ som Thomas Young, en ung sjonerende teori, som Max Planck britisk fysiker, gjorde i 1801, og Ja ­ fremsatte i år 1900. Planck hevdet mes Clerk Maxwell forklarte i 1864 at synlig lys og andre former for at energi, som all stråling er, ikke stråling er elektromagnetiske bøl­ ble utsendt i en jevn strøm, men i små avgrensete porsjoner eller «bi­ ger. Men det fantes også en annen ter» av energi, kalt kvanter. Men kunne begge deler være teori. Isaac Newton hevdet på 1600-tallet at lys består av partikler, riktig? Det var hevet over enhver som han kalte «korpuskler» - og tvil at lysbølger eksisterte, og Eindette beviste Albert Einstein var steins fotoner hvilte på like trygg riktig i 1905 ved hjelp av et feno­ eksperimentell grunn. Hvordan men, som het den fotoelektriske kunne noe være partikler og bøl­ ger på samme tid? effekt. Einstein selv så paradokset og Lys som skinte på en metallflate, slo løs elektroner fra atomene i spekulerte på om det kanskje metallet, og for å forklare alle sider kunne løses med at fotonene var ved denne effekten måtte lyset ledsaget av det han kalte «spøkeloppfattes som en stakkato strøm av ses-bølger». Men i den nye kvante­

L

fysikken, som vokste fram, trengte ikke motstridende observasjoner å utelukke hverandre. Lyset har en dobbeltnatur. Det kan oppføre seg både som bølger og partikler, avhengig av hvordan man velger å observere det. Og ikke nok med det. Partikler - f.eks. elektroner - kunne også oppføre seg som bølger. Lysets dobbeltnatur er også ut­ nyttet praktisk. Uten elektromag­ netiske bølger ville vi ikke hatt ra­ dio, fjernsyn, radar og telegrafi og den fotoelektriske effekt ligger til grunn for f.eks. solbatterier og lysmålere i fotoapparater. Partiklers bølgenatur har gitt oss elektron-mikroskopet, som for­ størrer mye bedre enn vanlige lysmikroskop. ATOMER OG KVARKER 7

ATOMET

Gjester fra rommet Hideki Yukawa oppdaget den sterke kjernekraften og forutsa pion-partikkelen.

Carl Anderson, som arbeidet ved Caltech-laboratoriet i USA, oppdaget de første nye partiklene i kosmisk stråling i 1930-årene.

tter at nøytronet var oppdaget sterke kjernekraften overført av i 1932, trodde de fleste fysi­ noen partikler, som han kalte mekere at naturens oppbygning soner. «Meson» betyr «i midten» var endelig klarlagt. I tillegg til ato og­ navnet ble valgt fordi disse mets tre deler - protoner, nøytro ­ kraftpartiklene hadde en masse ner og elektroner - kjente man til som lå omtrent midt mellom protolyspartikkelen (fotonet) - og fire nets og elektronets masse. partikler så ut til å være alt naturen Anti-elektron hadde bruk for. Men samtidig ble det avdekket Neste spørsmål var om det var mu­ et nytt problem, som gjaldt hvor­ lig å påvise Yukawas kraftpartikler, dan atomkjernen ble holdt sam­ og letingen begynte i spor etter men. På den tiden var to grunn­ kosmisk stråling - et nytt fenomen leggende krefter i naturen kjent - som ble undersøkt med stigende elektromagnetismen og tyngde­ interesse (se neste side). Her var kraften - og den elektromagnetiske det allerede - i 1932 - oppdaget en kraften virket frastøtende mellom ny partikkel, som bekreftet en like elektriske ladninger, som pro­ merkelig teori Paul Dirac fremsatte tonene hadde. Atomkjernen skulle i 1928. Dirac arbeidet med noen lignindermed egentlig bli sprengt i styk­ ger som beskrev elektronets opp­ ker. Noen prøvde å unngå problemet førsel i atomet og kom overrask­ ved å si at protonene «gjemte» seg ende til at ligningene hadde to løs­ bak nøytronene, slik at de ikke ninger. De kunne like godt be­ kom nær hverandre. Men dette var skrive en annen partikkel som var ingen god løsning, og en skikkelig helt lik elektronet bare at den forklaring kom først da japaneren hadde motsatt (positiv) elektrisk Hideki Yukawa i 1935 hevdet at det ladning. fantes en ny kraft i naturen som Da Dirac påstod at «antielektrohan kalte den sterke kjernekraften. net», som han kalte det, ikke bare Det var da enighet om at krefter var et matematisk påfunn, men ble overført av en egen type så­ også virkelig eksisterte, tok de fær­ kalte virtuelle (tilsynelatende) par­ reste ham alvorlig. Men i 1932 på­ tikler. Elektromagnetismen ble viste amerikaneren Carl Anderson overført av fotoner - og på samme tydelige spor etter et positivt elek­ måte, hevdet Yukawa, ble den tron i kosmisk stråling. Han trodde

E

8 ATOMER OG KVARKER

først at naturen opererte med to typer elektroner, som han kalte henholdsvis «røde» og «grønne» elektroner, men forstod at han her stod overfor Diracs nye eiendom­ melige form, og ga partikkelen det navn den har i dag - positronet. Senere, i 1950-årene, ble det oppdaget også et antiproton og et antinøytron, og vi vet i dag at alle partikler ledsages av antipartikler. Vi kan også tenke oss et helt uni­ vers bygget av antipartikler og antimaterie.

Forveksling I 1937 oppdaget Carl Anderson enda en ny partikkel i den kos­ miske strålingen, og den hadde omtrent den masse som Yukawa forutsa at mesoner hadde. Men dette var i virkeligheten en forveksling. Yukawas kraftpartikkel ble oppdaget i kosmisk stråling i 1947 og ble kalt pi-mesonet, eller pionet, mens Carl Anderson i vir­ keligheten hadde oppdaget en ny slektning av elektronet: my-mesonet, eller myonet. Pionet og myonet var ustabile partikler, som bare eksisterte en brøkdel av et sekund, men mens pionet var forutsagt, fantes det fo­ reløpig ingen teori som kunne gjøre rede for myonets plass i na­ turen.

ATOMET

Kosmiske stråler ordens atmosfære er utsatt for et uavbrutt partikkelbombardement fra verdensrommet. Partiklene - de fleste protoner, men også elektroner, fotoner og alfapartikler - kommer for en stor del fra solen, men også fra andre kilder lenger vekke, og de har svært høye energier. Kosmisk strå­ ling kan ha langt høyere energier enn det som produseres i de største partikkelakseleratorer i dag. Dette kalles kosmisk stråling, og når den kolliderer med atomkjer­ ner øverst i atmosfæren, dannes en skur av nye partikler, som «reg­ ner» ned over jorden. De oppstår ved at den enormt konsentrerte energien i kollisjonene omdannes til stoff. Denne såkalte sekundær-strålingen er fortynnet og svekket og blir for det meste absorbert i atmosfæ­ ren. Men noen av partiklene når ned til bakken, og her kan de re­ gistreres ved at de setter spor etter seg på fotografiske plater, som leg­ ges ut til bestråling. Slik ble det oppdaget en serie uventete gjester fra rommet i par­ tikkelfysikken fra 1930-årene og fremover - positroner, myoner, pioner m.fl. En enkelt kosmisk par­ tikkel kunne skape en kjede av nye partikler.

J

Jesuitt-prest Det første tegn på at kosmisk strå­ ling fantes, ble oppdaget av jesuitt-presten Theodor Wolf i 1910. Han klatret opp i Eiffeltårnet for å undersøke om stråling fra radioak­ tive stoffer i bakken avtok med høyden, og da det viste seg at strå­ lingen tvert imot økte, konkluderte han med at den måtte ha et annet opphav og komme fra rommet. Uheldigvis hadde Wolf høydeskrekk og turde ikke å gå opp i bal­ long for å undersøke saken nær­ mere. Dette overlot han til andre, og slik ble det østerrikeren Victor Hess som i 1911 fikk æren for opp­ dagelsen. Han gjorde forsøk som viste at strålingen økte merkbart over 1000 meter og var 3-5 ganger sterkere i 5000 meters høyde. Kosmisk stråling regnes i dag som en del (1/3) av den såkalte bakgrunns-strålingen i naturen sam­ men med naturlig radioaktivitet, og den gjør oss ingen skade. Vi utset-

Kunstverket i resepsjonen i CERN, hvor kosmisk stråling utløser et selvlysende mønster, er laget av den franske kunstneren Serge Moro og kalles en dynamisk skulptur.

tes for en noe høyere dose når vi gitt og blir gjennomtrengt av kos­ reiser med fly, men heller ikke misk stråling. I gulvet - under et høyt spissfordette er farlig. I resepsjonen ved forsknings­ met tak - er det nedfelt et sirkelforsenteret CERN i Genéve finnes for met mønster av farget lys, som øvrig et kunstverk, som minner be­ «tennes» på kryss og tvers når par­ søkende på at vi hele tiden er om­ tikler fra rommet får inn et treff. ATOMER OG KVARKER 9

ATOMET

Partikkel-dyrehagen

Et av de mest berømte bildene i partikkelfysikken. Det viser sporene etter G iTiCgd-iTi i Ti li S, partikkelen som banet vei for kvarkteorien.

1932 kjente fysikerne til fire Utover i 1950-årene ble det så partikler - protonet, nøytro­ mange partikler å holde rede på at net, elektronet, og fotonet. fysikerne mistet oversikten. Ingen Tjue år senere var tallet oppe i overforstod hvorfor naturen produ­ 15 partikler og det bare fortsatte å serte de nye partiklene når den stige utover i 1950-årene. ikke hadde bruk for dem. De eksi­ Nye ustabile partikler som ikke sterte bare noen brøkdeler av et var en del av atomet eller trengtes sekund før de ble forvandlet til en for å forklare vår verden, dukket av de kjente, stabile partiklene. stadig opp først i kosmisk stråling Det så heller ikke ut til å være og senere i fysikernes laboratorier. noen forbindelse mellom de nye Protoner ble akselerert ved hjelp partiklene. De ble sammenlignet av elektriske felter og knust mot med forholdene i en dyrehage, der faste målskiver i store maskiner, en rekke arter og eksemplarer av som ble kalt partikkel-akselerato- dyr er samlet uten at det nødven­ rer. Slik ble det produsert like digvis er noe direkte slektskap høye og etter hvert også høyere mellom dem. energier enn de som forekommer i Behovet for å ordne og systema­ kosmisk stråling. tisere partiklene ble etter hvert Myonet og pionet fantes i hen­ stort. Det minnet om situasjonen holdsvis to og tre utgaver, og i 1947 på 1800-tallet, da det ble oppdaget fikk de selskap av kaonet. Det var stadig nye grunnstoffer, som kje­ den første partikkelen i en serie av mikerne forsøkte å lage en tabell det som ble kalt «sære» partikler. over. De fikk dette tilnavnet fordi de Den enkleste inndelingen som hadde uvanlig lang levetid. Et kaon kunne foretas var etter partiklenes levde 0,00000001 sekund og det var millioner milliarder ganger lenger masse. De letteste ble kalt leptoner, de mellomste mesoner og de enn andre ustabile partikler. Kaonet ble etterfulgt av lambda, tyngste baryoner. Mesoner og basigma og xi, og disse partiklene var ryoner ble også samlet til en større ikke bare «sære». De var også klasse kalt hadroner ut fra hvordan tyngre enn protonet og nøytronet. partiklene forholdt seg til kreftene Lambda kunne til tider oppføre seg i naturen. som et nøytron og et kort øyeblikk I 1960-61 oppdaget den ameri­ ta dets plass i en vanlig atom­ kanske fysikeren Murray Gellkjerne. Mann og hans israelske kollega Yu-

1

10 ATOMER OG KVARKER

val Ne'eman uavhengig av hver­ andre en metode for å systemati­ sere mesoner og baryoner. De delte partiklene inn i familier på 8 og 10 medlemmer. I en familie manglet det en par­ tikkel, som Gell-Mann kalte Omega minus. Han lot dens plass stå åpen, regnet ut hvor stor masse partikkelen måtte ha slik at det var mulig å lete etter den, og spådde at den ville bli oppdaget senere. Omega minus ble oppdaget. Det skjedde i et eksperiment ved Brookhaven-laboratoriet i USA i 1964. Men Gell-Mann slo seg ikke til ro med denne bekreftelsen. Han lurte på hvorfor partiklene kunne grupperes etter et bestemt møns­ ter, og samme år fremsatte han en teori om dette. Det måtte finnes et nytt lag av grunnleggende partikler i natu­ ren. Protonet, nøytronet og alle nye mesoner og baryoner bestod av noen enda mindre deler som Murray Gell-Mann Gell-Mann kalte kvarker. Kvarkene og leptonene var de minste byggesteinene i alt stoff, og på samme måte som grunnstoffene hadde også partik­ lene et slags periodisk system.

ATOMET

Tre kvarker...

Det merkelige ordet «kvark» stammer fra romanen «Finnegan's Wake» av James Joyce. Romanen handler om en Mr. Mark, og han har tre barn, som omtales som «three quarks for Muster Mark...» De fleste fysikere var lenge skep­ varkteoriens far Murray Gell-Mann kom på linjen tiske til kvarkteorien. Den innebar flere rare forhold, som de hadde fra «Finnegan's Wake», vanskelig for å godta, og spesielt fordi teorien opprinnelig bare gjaldt dette kvarkenes elektriske krevde tre kvarker. Med dem kunne han forklare hvordan proto­ ladning. ner, nøytroner og alle de nyoppdaElektrisk ladning regnes normalt gete ustabile partiklene var bygget. De tre kvarkene måtte ha egne i hele enheter. Protonets ladning navn, som skilte dem fra hver­ er -F 1, og elektronet har - 1. Kvar­ andre, og her ble det brukt fri fan­ kenes ladning ble derimot regnet i brøkdeler, + 2/3 for oppkvarken tasi. De ble av en eller annen og - 1/3 for nedkvarken. grunn først assosiert med iskrem og kalt «sjokolade», «vanilje» og Et proton bestod av to oppkvar«jordbær». ker og en nedkvark og fremkom Iskrem-navnene slo ikke an og med følgende regnestykke: 2/3 + ble byttet ut med nye navn. Kvar­ 2/3 -1/3 = 1. kene ble da forbundet med retnin­ ger og kalt «opp», «ned» og «side­ Et nøytron hadde ingen elektrisk lengs». «Sidelengs» ble så ladning og bestod av to nedkvarker forandret til «sær», fordi den tredje og en oppkvark. Her var regnestyk­ kvarken forklarte en kategori par­ ket: - 1/3 - 1/3 + 2/3 = 0. tikler som ble kalt «sære». Utenom kombinasjoner av tre De gamle navnene henger imid­ lertid igjen. Fysikerne skiller kvar­ kvarker kan kvarkene også gå sam­ kene fra hverandre med å si at de men to og to og da i par med antikvarker. har forskjellig «smak».

K

I tillegg til elektrisk ladning ble kvarkene utstyrt med en ny form for ladning, som ble kalt «farge». Den fantes i tre varianter - rødt, blått og grønt. Partikkelen omega-minus bestod av tre særkvarker. En slik sammen­ setting kan ikke forekomme, ifølge fysikkens regler. Men når de tre særkvarkene fikk hver sin «farge», var de ikke lenger helt like, og dermed var problemet løst. Farge er her bare brukt som et bilde for å forklare kvarkenes kom­ binasjoner, og det tenkes nærmere på blanding av farget lys. Når rødt, blått og grønt lys blan­ des, får vi hvitt lys. Tilsvarende må kvarkene i for eksempel et proton alltid ha hver sin farge slik at de til sammen utgjøren «hvit» partikkel. I dag har vi i alt seks kvarker. Tre nye familiemedlemmer er oppda­ get i de senere år, og har fått nav­ nene «sjarm», «bunn» og «topp». ATOMER OG KVARKER 11

ATOMET

På jakt etter «topp»

re kvarker, som kvarkteorien måtte eksistere en fjerde kvark startet med, så lenge ut til å som ble kalt «sjarm». være nok. Den andre klas­ Sjarmkvarken ble også funnet - i sen av elementær-partikler, leptonovember 1974 - av to fysikerteam, nene, hadde på det tidspunkt fire som arbeidet uavhengig av hver­ medlemmer, og Murray Gell-Mann andre under ledelse av Burton spekulerte på om det også kunne Richter og Samuel Ting. De oppda­ være fire kvarker. Fysikerne liker at get en partikkel, som ble kalt j/psi, det er symmetri i naturen. Men det populært omtalt som «gipsy» (sig­ var ikke oppdaget noen partikkel, øyner), og den bestod av en sjarmsom krevde en ekstra kvark, og kvark og dens antipartikkel. han la derfor spørsmålet til side. I 1975 ble symmetrien mellom For å forklare spaltingen av det elementær-partiklene brutt igjen nøytrale k-mesonet, forutsa Gla- ved at lepton-klassen måtte økes til sow, llliopoulous og Maiani at det seks medlemmer. Men denne gan­

T

varkene har et fantastisk stand, men fargekraften vokser og «samhold». De bindes sam­ blir stadig sterkere jo mer man men av en dypere utgave av prøver å rive kvarkene fra hver­ den sterke kjernekraften som kal ­ andre. Det sammenlignes ofte med les fargekraften, og den oppfører spenningen i en gummistrikk. seg stikk motsatt av andre krefter. Fysikerne har til nå ikke greid å Andre krefter svekkes over av­ rive løs en fri kvark ut fra f.eks.

K

12 ATOMER OG KVARKER

gen var fysikerne sikre på at det måtte være like mange partikler i hver klasse og spådde straks at det måtte finnes to nye kvarker, som ble døpt «bunn» og «topp» - en­ kelte ganger også kalt «skjønnhet» og «sannhet». «Bunn» ble bekreftet i 1977 ved at Leon Lederman oppdaget partik­ kelen Upsilon, men «topp»-kvarken er ennå ikke funnet, og før den er påvist, kan partikkelfysikerne ikke være sikre på at deres teori om naturens oppbygning, den såkalte Standard-modellen, er riktig. Det er gode tegn på at «topp» finnes og håp om at den omsider vil dukke opp. De seneste målin­ ger tyder imidlertid på at den siste kvarken er vesentlig tyngre enn an­ tatt - minst 70 ganger protonets masse. Dette betyr at det kreves høyere energier for å produsere toppkvarken enn det man kan oppnå ved den nye partikkel- akselleratoren LEP i Genéve. En annen mulighet er at «topp» kan dukke opp i Fermilab-akseleratoren i USA.

protonet, og de regner med at det heller ikke er mulig. Det later til at kvarkene bokstavelig talt er «sam­ men for livet» og ikke kan eksi­ stere på egenhånd som frie partik­ ler.

ATOMET

Vi bygger vann

Vann er det mest utbredte kjemiske stoffet på jorden og en nødvendig betingelse for alt liv. Det dekker rundt tre firedeler av jordens overflate og utgjør 65 % av menneskets vekt. Vann synes å være et helt ensartet stoff, men det består egentlig av to gasser - hydrogen og oksygen, og som alle andre stoffer i naturen er vannet bygget av små, usynlige partikler. De minste byggebitene er oppkvarker, nedkvarker og elektroner, og vi gir her en «oppskrift» for hvordan vi ved hjelp av dem kan bygge den minste, synlige biten av vann - en vanndråpe.

1. Vi bygger protoner. Et proton består av tre kvar­ ker, to opp­ kvarker og en nedkvark. De har hver sin «farge» en rød, en grønn og en blå kvark. 2. Vi bygger nøytroner. Her har de tre kvarker en annen kom­ binasjon. Et nøytron be­ står av to nedkvarker og en oppkvark, igjen med tre farger.

3. Med pro­ toner og nøytroner bygger vi atomkjerner, og vi starter med en hy-

drogen-kjerne. Den er svært enkel og består av bare ett proton.

åtte elektroner, og vi ord­ ner deres ba­ ner utover i atomet i to «skall». To elektroner kretser innerst og seks yt­ terst.

4. Det neste er en oksygen-kjerne. Den er består av åtte pro­ toner og åtte nøytroner, og de bindes 7. Nå må vi kjenne forme­ tett sammen len for vann, som er HjO. av den sterke kjernekraf­ To hydroten. gen-atomer bindes sam­ 5. Så lager vi et hydro- men med ett oksygengen-atom. Vi slipper løs atom ved hjelp av deres elektroner. ett elektron, og det be­ gynner å 8. Vi lager et vannmolekretse rundt kyl. Oksygen-atomet har det ene pro­ to ledige tonet. De tiltrekker hver­ elektronandre elektrisk. plasser yt­ terst og fyller dem ved å 6. Et oksygen-atom har

dele elektron med de to hydrogen-atomene. 9. En vanndråpe består av utrolig mange vannmolekyler. La vi molekylene i 1 cm3 vann etter hver­ andre som en kjede, gikk de -----------400.000 ganger rundt jor­ den. 10. Vi fyller vann i et glass og studerer det ferdige stoffet. Det er klart og gjennomsik­ tig og viser ingen tegn til at det har noen form for indre byg­ ning. ATOMER OG KVARKER 13

ATOMET

TV-elektroner

e minste partiklene i natu­ så lite at vi ikke kan se det, men ren er så små at vi ikke hvis vi lar det passere gjennom f. har noen mulighet til å eks. en gass eller et annet me­ observere dem direkte, selv dium, med vil det skape en forstyrrelse, de sterkeste mikroskoper. som Menvi kan registrere ved hjelp av hvordan kan vi da vite om de i det et elektronisk måleinstrument. Et eksempel på at elektroner fin­ hele tatt eksisterer? — Vi vet det, fordi vi ser virknin- nes og er virksomme i vår hverdag ger av at partiklene finnes, sier er TV-bildet. Først tar et TV-kamera opp en professor Egil Lillestøl og vrir litt pa spørsmålet vårt for å illustrere hva scene, f.eks. i Dagsrevy-studioet, og omgjør lys til elektronsignaler. han mener: — Egentlig er dette akkurat det Lyset slår løs elektroner fra et mesamme som å spørre om jeg kan tallbelegg inne i kameraet, og være sikker på at det virkelig er dette lager en slags «elektrisk deg jeg ser, her vi sitter overfor kopi» av scenen. hverandre. Jeg ser lys som skinner De elektriske billedsignalene på deg, du reflekterer lyset og det forsterkes og omformes før de sen­ kommer inn på netthinnen i mitt des ut, og de overføres gjennom øye, hvor det gjennom kjemisk- rommet som elektromagnetiske elektriske prosesser omdannes til bølger. Når de oppfanges av mot­ et signal som min hjerne oppfatter takerens antenne og strømmer inn som et bilde av deg. i TV-apparatet, må de rekonstrue­ Det blir det samme når vi f.eks. res, og dette skjer inne i fjernsy­ studerer et elektron. Elektronet er nets billedrør.

D

14 ATOMER OG KVARKER

Bakerst i billedrørets trange hals sitter en elektron-kanon. En varm glødetråd skyter ut elektroner, som samles i en stråle og styres av magneter fram og tilbake over TVskjermen. TV-skjermens innside har et fluo­ rescerende belegg, og punkter pa skjermen opplyses når de blir truf­ fet av elektronene, som med raske sveip «maler» bildet.

ATOMET

«De lette»

I tillegg til kvarker er alt stoff i naturen bygget av en annen gruppe av elementær-partikler, som kalles leptoner. Ordet «lepton» betyr «lett», og også her er det seks medlemmer: elektronet, myonet, tau - og hver deres lille, spøkelsesaktige ledsager, nøytrinoet. Myonet er en tyngre slektning av et mest kjente leptonet er elektronet, med ca. 206 ganger uten tvil elektronet, og større masse, og er en ustabil par­ elektronet er også den av alle partikler som setter det tikkel, ster­ som skapes i partikkel-kollikeste preget på vår hverdag. sjoner oppe i atmosfæren forårsa­ ket av kosmisk stråling fra verdens­ Alle bindinger mellom stoffer i naturen skjer ved hjelp av elektro­ rommet. Det nedbrytes, eller for­ nene i atomet. Det er de som gir vandles til et elektron og to nøytriverden omkring oss form og struk­ noer i løpet av 2 mikrosekunder, tur, og alle fremskritt innenfor mo­ men selv med denne uhyre korte levetiden er myonet i stand til å nå derne kjemi og biokjemi er basert på kunnskaper om atomets elek­ helt ned til bakken. Dette skyldes en effekt kalt tidstroner, spesielt de ytterste. I tillegg kan de ytterste elektro­ forsinking, som følger av Einsteins relativitetsteori. Myonet har på nene i atomet med letthet rives løs grunn av sin høye hastighet en tid og utnyttes som frie partikler. som går mye langsommere enn vår Dette har gitt oss elektrisk strøm og alle oppfinnelser innenfor elek­ tid. Hva slags rolle myonet egentlig tronikken og nyere mikrochipshar i naturen, er et mysterium, teknologi. En elektrisk strøm er frie men siden det ligner elektronet, elektroner «på vandring» gjennom ledningene, og elektronikk er har det en kamuflasje-egenskap, kunsten å styre og regulere elek­ som fysikerne kanskje kan dra nytte av i arbeidet med å få til sam­ triske strømmer.

D

mensmelting (fusjon) av lette atomkjerner. Et myon kan slå løs et elektron fra et deuterium-atom og ta dets plass. Dermed blir atomet mindre, og sjansen for at det kan smelte sammen med et annet atom øker.

Myonet finnes for øvrig i to vari­ anter, både med negativ og positiv ladning, og det positive myonet kan under gitte forhold oppføre seg som et lett proton og fange et elektron. Slik kan det kortvarig dannes et spesielt atom, som kalles myonium, som oppfører seg kje­ misk på samme måte som et hydrogen-atom. Tau, det tredje medlemmet av lepton-klassen, ble oppdaget i 1975 i kollisjoner i en partikkel-aksellerator, og er en skikkelig «tungvek­ ter» - 3500 ganger elektronets masse. ATOMER OG KVARKER 15

ATOMET

Spøkelses-partikkelen Neutrinos, they are very small. They have no charge and have no mass And do not interact at all The earth is just a silly ball To them through which they simply pass

ner når de går gjennom et stoff. Reines og Cowan gjorde forsøket ved hjelp av en vanntank. De plas­ serte den i nærheten av en atomre­ aktor som produserer store meng­ der nøytrinoer. lik skildrer den amerikanske net nøytrino, som betyr «den lille Forsøket gikk ut på å finne spor forfatteren John Updike nøytrale», og tok den med i sin te­ etter en slags beta-prosess i nøytrinoet, den kanskje ori fra 1934 om radioaktivitet. revers. Et proton i vannet opp­ Pauli selv hadde liten tro på at fanget et nøytrino og forvandlet merkeligste av alle partikler, i et dikt fra 1960 med tittelen «Cosmic nøytrinoet noensinne ville bli på­ seg til et nøytron og et positron, vist. Han lovet spøkefullt en kasse med to gammastråle-utbrudd som Call». Nøytrinoet kalles populært spø­ champagne til den som eventuelt resultat. kelses-partikkelen, og det sies at greide å observere partikkelen. På havbunnen det er det nærmeste vi kommer en Prosjekt Poltergeist Nøytrinoet har i dag en sentral beskrivelse av ingenting. Det har Nøytrinoet ble omsider påvist i plass i fysikernes teorier om uni­ liten eller ingen masse og ingen 1956 av de to amerikanerne Fred verset. elektrisk ladning. Derfor kan det Nøytrinoer produseres i stjergå uhindret gjennom alle former Reines og Clyde Cowan. De satte i gang en leteoperasjon som de med ners indre, og den viktigste nøyfor stoff, selv tykke lag med bly. henvisning til partikkelens spøkel ­ trino-kilden vi kjenner i dag er so­ Alt som vitner om at nøytrinoet i det hele tatt er en partikkel, er en sesaktige natur kalte «Prosjekt Pol­ len. Solnøytrinoer farer gjennom oss både dag og natt uten at vi egenskap kalt spinn, som vil si at tergeist». Nøytrinoer kan bare påvises indi ­ merker det, og de går også tvers det roterer rundt sin egen akse lik rekte ved at de forårsaker reaksjo­ gjennom jordkloden. en snurrebass. Store mengder kosmiske nøytri­ Manglende energi noer ble frigjort da universet ble Nøytrinoets eksistens ble forutsagt til. De kan fremdeles streife om­ av østerrikeren Wolfgang Pauli i kring i rommet, men er uhyre 1931, da fysikerne arbeidet med et vanskelig å påvise. problem som hadde tilknytning til Nøytrinoet er fremdeles mye av beta-radioaktivitet. I denne proses­ et mysterium, og det gjelder særlig sen forvandles et nøytron i atom­ om partikkelen er masseløs eller kjernen til proton - og et elektron, har en liten masse. som sendes ut av kjernen. For å avlure spøkelses-partikke­ Noe av energien i beta-proseslen litt flere av dens hemmelighe­ sen forsvant uten at fysikerne ter skal det innen 1994 bygges en kunne forklare hvor det ble av stor internasjonal nøytrino-detekden. For å løse dette problemet fo­ tor på havbunnen utenfor Hawaii. reslo Pauli at det eksisterte en an­ Nøytrinoer fra rommet vil kolli­ nen til da ukjent partikkel som ble dere med atomkjerner i vannet og sendt ut sammen med elektronet produsere myoner. Dette skaper og som tok med seg den mang­ en elektromagnetisk sjokkbølge av lende energien. fotoner, som vil kunne registreres Enrico Fermi ga partikkelen navav detektoren. Det første bilde, fra 1957, som viser spor etter et usynlig nøytrino.

S

16 ATOMER OG KVARKER

ATOMET

Han «fanget» myon-nøytrinoet kerne gjorde, forteller Steinberger. I tillegg til stålveggen bygde de en detektor som skulle påvise nøytrino-reaksjoner, og til det trengte de 10 tonn med materiale. Detektoren bestod av 90 aluminiumsplater, hver ca. 2.5 cm tykke, med et lag av neon-gass imellom. Ideen var at hvis nøytrinoer rea­ gerte i aluminiumet, ville dette produsere ladde partikler som satte spor etter seg i gassen. Eksperimentet pågikk over åtte måneder i 1961-62. I løpet av perio­ den passerte anslagsvis 100 trillioner nøytrinoer gjennom detektoren, og av disse greide Steinber­ ger & co. til slutt å påvise 51 nøytrinoer som hadde reagert i aluminiumsplatene.

— Fysikken har forandret seg mye si­ den jeg begynte å gjøre eksperimenter, fordi vi har lært mye. Det er gjort fremskritt i de siste 20 årene som var utenkelige den gangen. Om det var mer moro før enn nå, vet jeg ikke. Spør du unge fysikere i dag, vil de nok si at det frem­ deles er moro. Men utfordringene er for­ skjellige. Eksperimen­ tene er blitt mer kom­ pliserte og er av mer teknisk art. Dette sier Jack Steinberger, som fikk Nobelpri­ sen i fysikk i 1988 sam­ men med kollegaene Leon Lederman og Melvin Schwartz. De fikk pri­ sen for at de i 1962 gjorde et eksperiment som på­ viste at det fantes to nøytrinoer. Jack Steinberger er 69 år og en av veteranene i fysikken. Han er jøde og måtte flykte fra HitlerTyskland til USA i 1934,13 år gammel. I USA tok han først utdannelse i kjemi, men da krigen kom, meldte han seg til tje­ neste i hæren og ble an­ satt ved et strålings-laboratorium. Her ble han kjent med flere av USAs ledende fysikere, og be­ stemte seg for å slå inn på dette faget.

Myon-studier — Jeg begynte å studere ved universitetet i Chi­ cago og hadde det store privilegium å ha den be­ rømte Enrico Fermi som lærer. Han var en fantas­ tisk person, og det var

Jack Steinberger

egentlig hans «skyld» at jeg gikk videre med fysik­ ken. Han bad meg om å se nærmere på et pro­ blem i forbindelse med myoner i kosmisk strå­ ling. Steinberger tok sin doktorgrad på myonet og viste at det ble brutt ned til tre partikler — et elek­ tron og to nøytrinoer. Dette var et viktig bidrag til den videre utviklingen av Fermis teori om den svake kjernekraften, og i eksperimentet som ga Nobelprisen, påviste han senere at de to nøytrinoene var av forskjellig sort: et elektron-nøytrino, som lenge hadde vært kjent, og et eget myon-nøytrino. Steinberger, Lederman og Schwartz gjorde nøytrino-eksperimentet med hjelp av en ny protonakselerator, som ble åp­

net ved Brookhavenlaboratoriet på Long Is­ land i 1960. Når protoner kolliderer med en målskive ved svært høye energier, produseres pio­ ner, som så brytes ned til myoner og nøytrinoer, og ideen var å la partik­ lene gå gjennom et så tykt materiale at alle unn­ tatt nøytrinoene ble stop­ pet på veien.

Stålvegg For å filtrere ut nøytrino­ ene fra den opprinnelige pion-strålen, bygde de en 13 meter tykk vegg av stål. Stålet kom fra et gammelt kondemnert slagskip som marinen stilte til disposisjon. Grunnforskning i partik­ kelfysikken ble den gan­ gen sponset av forsvaret, som hjalp til med både penger og utstyr uten å blande seg opp i hva fors­

CERN Jack Steinberger har si­ den 1968 arbeidet ved forsknings-senteret CERN i Genéve, og her er han fremdeles aktiv, selv om han egentlig er pensjo­ nert. Han er leder for ALEPH, et av de fire store eksperimentene som på­ går i forbindelse med den nye partikkel-akseleratoren LEP. På spørsmål om han tror at partikkelfysikken er på rett spor i sine teo­ rier om naturens oppbyg­ ning, sier han: — Standard-modellen er så vakker og så godt underbygd eksperimen­ telt at det må være et stort element av sannhet i den. Det er ennå ting vi åpenbart ikke vet, og standard-modellen vil kanskje bli modifisert på et eller annet vis, men jeg tror likevel at den vil vare. ATOMER OG KVARKER 17

ATOMET

Nøytrino-problemet solens indre, hvor temperatu­ ren er 15 millioner grader, på­ går kjernefysiske reaksjoner. Protoner smelter sammen, og hy­ drogen, som er solens brensel, omdannes på denne måten til he­ lium. I denne prosessen frigjøres energi, som transporteres ut til so­ lens overflate og stråles ut i rom­ met. Slik gir solen oss lys og varme. I prosessene i solen produseres også store mengder nøytrinoer. Solenergien bremses av solens masse på veien utover, og bruker 1 million år på å nå ut til overflaten. Nøytrinoene gar tvers gjennom so­ len på 3 minutter og når jorden 8 minutter senere. Men hvor blir det av solnøytrinopnp? Dp inrdkln- niwprpr r — • - • øipnnnm ! -- ’ den, og siden slutten av 1960-årene har det pågått et forsøk i en ned­ lagt gruve i Sør-Dakota for å regis­ trere dem. En stor tank er fylt med 400.000 liter av rensevæsken tetraklorid. Når nøytrinoer farer gjennom tanken, kan kloratomer bli forvandlet til atomer av et nytt stoff - argon. Slik etterlater nøytri­ noene et slags visittkort. Målingene viser at vi mottar Solen produserer ikke bare lys og varme, men også en mengde nøytrinoer. langt færre nøytrinoer fra solen enn det teoriene om solens indre kan måles i forsøkene. De registre­ skjellen kan være at solen ikke har tilsier - bare 1/3 av den forventete rer bare de 1/3 av elektron-nøytri­ et rolig, stabilt liv som man hittil mengden. Hvordan dette skal for­ noer som er igjen. har trodd. Den opplever kanskje klares, er noe av en gåte for fysi­ En annen mulighet er at vi ikke temperatur-svingninger og er for kere og astronomer. kjenner forholdene i solens indre øyeblikket inne i en kaldere peri­ En forklaring kan være at vare godt nok. Solenergien er et termo­ ode, hvor den produserer færre kunnskaper om nøytrinoet er for meter pa forholdene i solen for 1 nøytrinoer enn tidligere. dårlige. Det hevdes at de tre nøy- million år siden, og da var tempe­ Andre mer spekulative teorier er trino-variantene er i stand til å raturen 15 millioner grader. Nøytri­ ogsa fremsatt. Det er foreslått at bytte identitet. Solen produserer noene kan brukes som termometer solen har en liten kjerne av jern el­ elektron-nøytrinoer. På veien til på solens tilstand akkurat nå, og de ler et svart hull i sitt indre, og at jorden blir 2/3 av dem forvandlet til angir 13 millioner grader. dette er årsaken til en lavere nøymyon- og tau-nøytrinoer, som ikke Forklaringen på temperatur-for- trino-produksjon.

I

1987A

tjerner som er mer enn åtte at nøytrinoet her har en viktig ganger større enn solens rolle. masse, ender sitt liv som så­ Enorme mengder nøytrinoer kalte supernovaer. De bryter sammed ­ 100 ganger større energi enn men under sin egen tyngdekraft, strålingen fra supernovaen, produ­ og stjernens ytre lag blåses av med seres når elektroner og protoner voldsom kraft. smeltes sammen i stjernens indre. En eksploderende stjerne med Selv om supernova-nøytrinoer katalog-navnet 1987A ble 23. feb­ har veldig energi, er de vanskelige ruar 1987 observert i vår naboga- å «fange». To underjordiske detek­ lakse Den store magellanske sky torer i Japan og USA påviste til 175.000 lysår vekke. Dette ga astro­ sammen 19 nøytrinoer fra 1987A. nomene en sjelden anledning til å De ble registrert 3 timer før stjerteste deres teorier om superno­ ne-eksplosjonen kom til syne på vaer, og observasjonene bekreftet himmelen.

S

18 ATOMER OG KVARKER

KREFTER

Superkraften TYNGDEKRAFTEN

er en tiltrekning mellom alle legemer ut fra deres masse. Den holder planetene på plass i deres bane rundt solen, binder galakser sammen og er den dominerende kraften i universet.

I 1

DEN STERKE KJERNEKRAFTEN

ELEKTRO­ MAGNETISMEN

binder sammen protoner og nøytroner i atomkjernen. Den binder også sammen kvarkene, som protoner og nøytroner er bygget av. På kvarknivået ; kalles kraften ofte «fargekraften».

holder atomet sammen ved elektrisk tiltrekning mellom atomkjernen og elektronene. Kraften styrer også kjemiske reaksjoner og står for spredning av synlig lys og annen stråling.

DEN SVAKE KJERNEKRAFTEN

styrer radioaktive prosesser i ustabile atomkjerner. Et nøytron forvandles til et proton, og et elektron og et nøytrino sendes ut av kjernen. Kraften virker også i stjerners indre.

aturen er formet og styres kraften og til slutt tyngdekraften, av fire grunnleggende som overraskende er den desidert krefter som er nokså for­ svakeste kraften. Tyngdekraften er så svak at den skjellige både i styrke og virke ­ ikke ­ har noen betydning i atomet måte. Tyngdekraften og elektro magnetismen har begge uendelig eller på partikkel-nivået. Når den rekkevidde, mens de to kjernekref­ likevel kan kontrollere det store tene bare virker over avstander universet, skyldes det at den i til­ som er mindre enn størrelsen på legg til uendelig rekkevidde har en annen viktig egenskap: Tyngde­ en atomkjerne. Den sterke kjernekraften er ster­ kraften øker i styrke når mange kest og er hele 1000 ganger ster­ partikler og mye stoff samles. Trass i ulikhetene mener fysi­ kere enn elektromagnetismen. Deretter følger den svake kjerne­ kerne at de fire kreftene bare er

N

forskjellige sider av en enhetlig «superkraft» som eksisterte da uni­ verset ble skapt for 15 milliarder år siden. «Superkraften» ble splittet og forgreinet da energi-tettheten i det tidlige univers falt. Ved å gjen­ skape energien som rådet den gang, er det i dag påvist at i hvert fall to av kreftene har et felles opp­ hav. Elektromagnetismen og den svake kjernekraften beskrives i dag som en felles elektrosvak kraft. ATOMER OG KVARKER 19

KREFTER

Maxwells regnbue et første skritt mot en forening av kreftene i na­ turen var teorien om elektromagnetismen, som den skotske fysike­ ren James Clerk Maxwell fremsatte i 1864. Elektrisitet og magnet­ isme er tilsynelatende forskjellige fenomener. Vi ser ingen umiddel­ bar sammenheng mellom et lynglimt og stavmagneten som trekker til seg jernfilspon. Men i 1821 oppdaget dansken Hans Christian Ørsted at en elektrisk strøm påvirket en magJames Clerk Maxwell netnål. I 1831 gjorde Mi­ chael Faraday et eksperi­ magnetisme var utslag av blir betraktet som et av ment som viste at mag­ en og samme underligg­ de mest fullkomne arbei­ netisme også kunne pro­ ende kraft - kalt elektro­ der i vitenskapens histo­ magnetismen. dusere elektrisitet. rie. I tillegg til å forene Hans hovedverk om Maxwell tolket disse resultatene matematisk emnet - «Treatise on Elec- elektrisitet og magnet­ og satte opp et sett av tricity and Magnetism» isme forklarte Maxwells elegante ligninger. De (1873) - var pa hele 975 si­ teori uventet også et anviste at elektrisitet og der, utgitt i to bind, og net fenomen - lyset.

D

Ifølge ligningene opp­ stod det elektromagne­ tiske svingninger, som bredte seg gjennom rom­ met lik bølger. Det synlige lyset måtte være et slikt bølgefenomen, og i tillegg fantes det også andre former for elektromagnetisk stråling med andre bølgelengder, hevdet Maxwell. Dette ble bekreftet da Heinrich Herz i 1888 opp­ daget radiobølgene. I dag kjenner vi et helt spektrum av elektromag­ netisk stråling som popu­ lært kalles «Maxwells regnbue». Spektret går fra energirik kortbølget gamma- og røntgenstrå­ ling, via ultrafiolett strå­ ling, synlig lys, infrarød stråling til kald, langbølget radiostråling. Det synlige lyset utgjør bare en sekstidel av hele strålespektret.

Einsteins drøm tenom elektro­ magnetismen kjente man lenge bare til en annen kraft — tyngdekraften, som Isaac Newton opp­ daget i 1687. Den ble i 1915 beskrevet på en ny kraften en «virkning på måte av Albert Einstein i avstand». Kraften virket hans generelle relativi­ direkte og øyeblikkelig gjennom rommet mellom tetsteori. f.eks. solen og jorden. Newton kalte tyngde­ Maxwell innførte et nytt begrep, kraftfelter (se side 21). Da Einstein tol­ ket tyngdekraften som et kraftfelt, kom han til at den egentlig ikke var en kraft, men en geometrisk egenskap ved rommet. Rommet omkring solen påvirkes av solens masse slik vi kan tenke oss at en kule lager en fordypning i en stram gummiduk. Albert Einstein I 1920-årene prøvde

U

20 ATOMER OG KVARKER

nye oppdagelser i partik­ kelfysikken. I 1930-årene ble det funnet to nye krefter, som virket i atomkjernen. I stedet for å ta disse med i beregnin­ gen, valgte han å overse Einstein å forene tyngde­ dem. kraften og elektromag­ Men Einsteins drøm netismen. Han ville lage døde ikke. Den ble se­ en helhetsteori for alle nere tatt opp igjen av en fenomener i universet. Dette var hans store ny generasjon fysikere, drøm, og han la ned sine og de «snudde pa flisa». I tretti siste leveår i dette stedet for å begynne med prosjektet - men kom in­ tyngdekraften, som han gjorde, startet de i den gen vei. Så sent som dagen før andre enden med den han døde i 1955, satt han svake kjernekraften. De bøyd over sine regne­ fant overraskende ut at stykker, sies det - like den hadde forbindelse elektromagnetis­ langt fra en løsning som med men. da han begynte. I dag blir tyngdekraften En av grunnene til at Einstein mislyktes var at betraktet som siste bit i han undervurderte de foreningen av kreftene.

KREFTER

Budbringere Et bilde fra et partikkelforsøk i 1973, der usynlige nøytrinoer avslørte en ny utgave av den svake kjernekraften, som formidles av Z-partikkelen.

e fire kreftene virker mel­ lom de grunnleggende partikler i alt, og kreftene formidles igjen av en egen type kraftbærende partikler. For å forstå kraftpartiklenes rolle, kan vi tenke oss to elektro­ ner som nærmer seg hverandre. De har elektrisk ladning, som er kilde til den elektromagnetiske kraften, og den fins i to varianter: med positiv og negativ ladning. Motsatte ladninger tiltrekker hver­ andre, mens like ladninger, som to elektroner har, frastøter hver­ andre. Kraften merkes ved at elektro­ nene er omgitt av et kraftfelt, og ifølge kvantefysikken utsendes ikke energien i dette feltet som en jevn påvirkning, men har partikkel-natur og består av lyskvanter, eller fotoner. Når elektronene har nærkontakt, kan et foton utsendt av det ene elektronet absorberes av det andre og opptrer som en slags budbrin­ ger med beskjed om å ligge unna. Hele prosessen må ses som en gjensidig utveksling av mange foto­ ner, og i stedet for at elektronene bøyer av i en buet bane, får vi da et diagram der de brått skjærer bort fra hverandre. På samme måte formidles tyng­ dekraften av en partikkel kalt gravitonet. Vi kan forestille oss at gravitoner hopper fram og tilbake mel­ lom månen og jorden og styrer ti­ som kraftpartikler, fordi kraften devannet. Den sterke kjernekraften formid­ har et dypere utspring blant kvarles mellom protoner og nøytroner kene, hvor den formidles av gluoav pioner, men disse regnes ikke ner.

D

Siden protoner og nøytroner be­ står av tre kvarker med en egen form for ladning kalt «farge», er teorien som beskriver kvark-kraften (kvantekromodynamikken) svært komplisert og krever i alt åtte gluoner. Denne kraften øker med avstanden mellom kvarkene, og har derfor kort rekkevidde. Den svake kjernekraften formid­ les av tre partikler, kalt W+, W- og Z. De har, i motsetning til de andre kraftpartiklene, masse, og dette fø­ rer til at denne kraften har eks­ tremt kort rekkevidde. En tabell over de fire kreftenes formidlings-partikler, med et diagram som viser hvordan den elektromagnetiske kraften virker mellom to elektroner. ATOMER OG KVARKER 21

KREFTER

En drivkraft

5^Vitenskap er

Når to biler kolliderer, får jeg 20 nye biler

ikke bare avansert heksekunst^^

Carlo Rubbia nobelprisvinner i fysikk i 1984 og i dag generaldirektør i CERN er en sterk personlighet og drivende kraft i Europas nye satsing på partikkelfysikk.

«Titter du inn i en partikkel, er den tom. Den er absolutt ingenting bortsett fra det faktum at den eksi­ sterer. Partiklenes betydning ligger i at de knytter seg til hverandre, og spørsmålet er hvordan de kan «vite» hva de skal gjøre i denne prosessen. Her kommer kreftene inn. Det er kreftene som bestem­ mer for eksempel mønsteret i en vakker krystall». Carlo Rubbia, som oppdaget Wog Z-partiklene i 1983 og bekreftet foreningen av elektromagnetismen og den svake kjernekraften, er flink til å forklare og popularisere og bruker også ofte eksempler fra dagliglivet. Slik forklarer han hva partikkel-kollisjoner egentlig går ut på: «For mannen i gaten betyr kolli­ sjon ødeleggelse. Men slik er det ikke i høyenergi-fysikken. Hvis to biler kolliderer i mitt laboratorium, kan jeg få 20 nye biler. Du fyller et vakuum med enorm energi og kan i en partikkel-kollisjon skape ny materie på nøyaktig samme måte 22 ATOMER OG KVARKER

som det skjedde i skapelses-øyeblikket». Carlo Rubbia, som i dag er gene­ raldirektør i CERN, ble født i 1934 i den lille byen Gorizia i Nord-ltalia. Hans barndom ble formørket av krigens ødeleggelser, som var store i dette området, men dette ga paradoksalt også et bidrag til hans vitenskapelige interesse. Som tenåring var han en ivrig samler av kommunikasjons-utstyr, som sol­ datene etterlot seg store mengder av. Her ligger kanskje spiren til det som regnes som Rubbias fremste fortrinn som vitenskapsmann. Han drives av en utstyrlig nysgjerrighet og er endeløst fascinert av alt som har med teknikk og elektronikk å gjøre. I tillegg har han en uthold­ enhet og arbeidskapasitet som få andre kan oppvise. Når han setter seg et mål, forfølger han det i et så forrykende tempo at det kan være problemer med å følge ham. Som person er Rubbia fargerik, men også omdiskutert. Noen synes

at han gjør for mye av seg og er litt for opptatt av å lage en blendende oppvisning av alt. Andre reagerer litt på hans internasjonale «jet set»-stil. Han er stadig på reise ver­ den rundt til konferanser og møter med viktige personer, og det itali­ enske flyselskapet Alitalia har til og med belønnet ham som god kunde ved å gjøre ham til æresmedlem av selskapets styre. Ingen benekter imidlertid at Carlo Rubbia er en eminent fysi­ ker, og at han har en egen evne til å få utrettet ting. Han drives også av en sterk over­ bevisning om vitenskapens rolle i vår tid. — Folk er blitt mer og mer opptatt av vitenskapen. De skjønner at den ikke bare dreier seg om avansert «heksekunst», men angår vårt liv og vår fremtid på jorden. Etter mitt syn kan innsikt i viten­ skapens verden også bidra til å gjøre oss til bedre mennesker. Det gir oss en ydmykhet overfor alt som er skapt, sier Carlo Rubbia.

KREFTER

W- og Z°-suksess

Det historiske computerbildet av partikkel-kollisjonene som viste de første spor av W og Z°.

I 1973 ble den nye, nøytrale kraf­ 1967 kom Steven Weinberg og Abdus Salam uavhengig av ten påvist i et nøytrino-eksperihverandre fram til en teori ment i CERN, og dette ble ansett som forente elektromagnetismen som et så viktig bevis at Steven og den svake kjernekraften og be­Weinberg og Abdus Salam ble til­ skrev dem som to sider av én og delt Nobelprisen i fysikk i 1979 for samme underliggende «elektro- denne teorien. De delte prisen med Sheldon Glashow, som ga et svake» kraft. viktig bidrag til teorien. Tilsynelatende er en slik foren­ ing umulig, fordi de to kreftene har nokså forskjellig karakter. Elek­ Antipartikler tromagnetismen formidles av det Det avgjørende beviset, W- og Z°masseløse, uladete fotonet og er partiklene, manglet imidlertid, og en sterk kraft med uendelig rekke­ mange tvilte på at de noensinne vidde, mens den svake kjernekraf­ ville bli funnet. I prinsippet var det mulig å pro­ ten formidles av tre svært tunge partikler kalt W+, W- og Z° med dusere og identifisere W og Z pa samme måte som andre partikler, ekstremt kort rekkevidde. men de var svært tunge, ca. 100 ganger protonets masse, og ingen Symmetri Da fysikerne begynte å studere eksisterende partikkel-akselerator kreftene som uttrykk for dypere kunne skape de høye energier som symmetrier i naturen, viste det seg trengtes for å påvise dem. En oppfinnsom italiener, Carlo at de hadde en forbindelse som kunne beskrives matematisk. Rubbia, fant imidlertid en snarvei Den elektrosvake teorien forutsa til å produsere W og Z° ved hjelp at det fantes en ny nøytral variant av en ny metode for parti k kei-kol I i av den svake kjernekraften, som sjoner. I stedet for å knuse partikler mot ble formidlet av Z°. Dette ga mulig­ faste målskiver, foreslo han å lage heter for å bekrefte foreningen av kollisjoner mellom protoner og ande to kreftene eksperimentelt.

1

tiprotoner som akselereres og be­ veger seg i motsatte retninger i en og samme akselerator. Siden par­ tikler og antipartikler tilintetgjør hverandre ved den minste kontakt, ville dette gi kollisjoner med mye høyere energier.

Triumf Mange stilte seg tvilende til ideen, men Rubbia fikk CERN med på prosjektet og startet sammen med nederlenderen Simon van der Meer en ombygging av CERNs nye, store proton-akselerator slik at den også kunne gi plass til antiprotoner. I januar 1983 var triumfen et fak­ tum. Etter tre års hektisk arbeid kunngjorde Rubbia og hans team at de første spor av W-partikkelen var oppdaget, og et par måneder senere dukket også Z° opp. Oppdagelsen av W og Z°, som ga Rubbia Nobelprisen i fysikk i 1984, var et av de mest fantastiske øye­ blikk i vitenskapens historie. Det var nå blitt mulig å produsere ener­ gier som rådet da universet var bare en milliarddels sekund gam­ melt. ATOMER OG KVARKER 23

KREFTER

en vellykte foreningen av elektromagnetismen og den svake kjernekraften ga hap om at det var mulig a ta enda et skritt videre og forene disse to kref­ tene med den sterke kjernekraften. Flere fysikere prøvde pa dette i 1970arene og laget det de kalte Grand Unified Theories (GUT) - «store enhetlige teorier». Foreningen av de tre kreftene kan aldri bli direkte bekreftet i noe eksperi­ ment. Den forutsetter en ny type kraftbaerende partikler kalt X-partikler, som er svært tunge. For a produsere dem kreves langt høyere energier enn det partikkel-akseleratorer kan oppna. Det Ved den høye energi hvor de tre matte eventuelt bygges en akselerator kreftene er forenet, er det ingen for­ med like stor omkrets som solsyste­ skjell mellom de to klassene av grunn­ leggende partikler, kvarker og leptomet. Det er imidlertid mulig at GUT-teori- ner. X-partikler kan forvandle kvarkene ene kan bekreftes indirekte. De spar inne i et proton til positroner (antivisse effekter som opptrer ved lavere elektroner) med det resultat at proto­ energier og kanskje kan påvises i eks­ net brytes ned og blir til energi. Proton-nedbrytning innebærer i sin perimenter. Den mest omtalte GUT-effekten er ytterste konsekvens at hele var verden muligheten for at protonet, som utgjør er ustabil, men det er ingen overheng­ det meste av alle tings stoffmasse, ikke ende fare for at den skal ga i oppløs­ er en stabil partikkel som alle har ning. Protonets levetid er nemlig anslatt til 10‘" ar, og det er mange milliar­ | trodd.

D

........r.™

«■»

w

r_ .... xX / -...X_ __

*• k

+x •*+