Den starka växelverkan, även kallad starka kärnkraften, är en av naturens fyra grundläggande krafter. Den binder samman kvarkar, några av materiens minsta byggstenar, till bland annat protoner och neutroner. Den håller också ihop atomkärnorna, som består av protoner och neutroner. Kraften förmedlas av partiklar som kallas gluoner. Fria kvarkar har inte observerats. När man försöker skilja dem åt kan nya partiklar bildas. Den teori som beskriver den starka växelverkan heter kvantkromodynamik. Genom att hålla ihop atomkärnorna och deras beståndsdelar är växelverkan avgörande för hur den vanliga materien är uppbyggd.
Teorin för den starka växelverkan benämns kvantkromodynamik, på engelska Quantum Chromodynamics, vilket förkortas QCD. Kvantkromodynamiken är en kvantfältteori som alltså på den fundamentala nivån beskriver hur kvarkar växelverkar genom att utbyta masslösa partiklar med spinn 1 som kallas gluoner.
Gluonen liknar fotonen i den elektromagnetiska växelverkan på så sätt att den också är en elektriskt neutral boson med spinn 1, och den växelverkar med kvarkar på ett sätt som är mycket likt hur fotoner växelverkar med elektroner. Istället för elektrisk laddning som i elektromagnetismen har kvantkromodynamiken så kallad färgladdning. Färgladdningen är analog till den elektriska laddningen, men adderas inte på samma sätt. Istället för att, som elektroner och positroner, ha elektrisk laddning -1 och +1, har kvarkar färgladdning som getts namnen röd, grön eller blå i analogi med hur färger kombineras. Tre kvarkar tillsammans med dessa laddningar blir då vitt. Antikvarkar är istället antiröda, antigröna eller antiblå.
Den stora skillnaden är att gluoner även kan växelverka med varandra. Gluonerna växelverkar med alla partiklar som har färgladdning, och gluonerna kan själva ha åtta olika färger.
I den konventionella kvarkmodellen beskrivs baryoner med tre valenskvarkar och mesoner med ett kvark–antikvarkpar. Även exotiska hadroner har observerats, bland annat tetrakvarkar och pentakvarkar, som beskrivs med två kvarkar och två antikvarkar respektive fyra kvarkar och en antikvark.
Den starka växelverkan är cirka 1038 gånger starkare än gravitationen, 106 gånger starkare än den svaga kärnkraften och omkring hundra gånger starkare än den elektromagnetiska kraften.
Den starka växelverkans kopplingsstyrka beror på den energiskala vid vilken den studeras och avtar när energiskalan ökar. Att kopplingsstyrkan minskar vid korta avstånd betyder däremot inte att kraften mellan färgladdningarna blir svagare när avståndet minskar.
Färginneslutning (engelska confinement) innebär att kvarkar och gluoner inte observeras som fria partiklar, medan de hadroner som de bygger upp är färgneutrala.
För ett statiskt kvark–antikvarkpar kan färgfältet bilda en sträng vars sammanlagda potentiella energi ökar ungefär linjärt med avståndet mellan partiklarna. I den beskrivningen är kraften ungefär konstant, eftersom dess storlek ges av potentialens lutning. Om energin blir tillräckligt stor kan ett nytt kvark–antikvarkpar skapas och strängen brytas. Den nya antikvarken kan då bindas till den ursprungliga kvarken, och den nya kvarken till den ursprungliga antikvarken, så att två mesoner bildas.
Asymptotisk frihet innebär att den starka växelverkans kopplingsstyrka närmar sig noll vid allt högre energiskalor, motsvarande allt kortare avstånd. Vid höga energier kan därför beräkningar göras med störningsteori, som bygger på en utveckling i den lilla kopplingsstyrkan.
Protoner och neutroner är färgneutrala som helhet, men deras kvarkar bär färgladdning. Trots färgneutraliteten växelverkar de genom en residualkraft som har sitt ursprung i den starka växelverkan mellan deras beståndsdelar och håller ihop atomkärnorna. På motsvarande sätt kan elektriskt neutrala atomer växelverka elektromagnetiskt, eftersom de innehåller elektriskt laddade beståndsdelar.
Kraften mellan två nukleoner (samlingsnamn för protoner och neutroner) på ett avstånd större än omkring 10-15 m beskrivs tillfredsställande av den så kallade Yukawamodellen. Enligt denna växelverkar två nukleoner genom utbytande av en kraftbärande partikel, en pion (π). Det finns tre olika slag av pioner, π, π samt π, vilka i sin tur består av kvarkar. Denna Yukawakraft är en effektiv kraft som har sitt ursprung i den mer fundamentala kraften på kvark- och gluonnivå.
Den effektiva starka kärnkraften som förmedlas av mesoner har mycket kort räckvidd (ca 10-15 m).
En atomkärna innehåller vanligen över 99,9 procent av atomens massa, trots att den upptar mycket mindre än 0,01 procent av atomens volym. Protonernas och neutronernas massa är i sin tur mycket större än vad som kan förklaras av de ingående kvarkarnas egna massor. Merparten av massan uppkommer genom energin som finns lagrad i de starkt växelverkande kvarkarnas och gluonernas fält.
Gluoner saknar egen vilomassa, men energin i deras växelverkan bidrar ändå till protonernas och neutronernas massa. Sambandet mellan massa och energi, , förklarar hur energi i kvarkarnas och gluonernas växelverkan kan ge upphov till massa. Den massa som kvarkarna får genom den så kallade Higgsmekanismen förklarar bara en liten del av protonernas och neutronernas totala massa.
År 1935 föreslog Hideki Yukawa att kraften mellan protoner och neutroner kunde förklaras genom utbyte av en då okänd partikel, en meson. Pionen, som motsvarade denna förutsägelse, upptäcktes i kosmisk strålning 1947. För denna teori fick Yukawa Nobelpriset i fysik 1949.
År 1964 föreslog Murray Gell-Mann och George Zweig oberoende av varandra kvarkmodellen, där sammansatta partiklar beskrivs som uppbyggda av kvarkar. År 1968 gav experiment vid SLAC de första beläggen för kvarkar inne i protonen.
I början av 1970-talet utvecklades kvantkromodynamiken som en teori för färgladdade kvarkar och de gluoner som förmedlar växelverkan. År 1973 visade David Politzer, David Gross och Frank Wilczek att den starka växelverkans kopplingsstyrka minskar med ökande energiskala, en egenskap som kallas asymptotisk frihet. År 1979 gav observationer av tre jetstrålar i elektron–positronkollisioner vid DESY belägg för gluoner. För upptäckten av asymptotisk frihet fick Politzer, Gross och Wilczek Nobelpriset i fysik 2004.
Kopplingsstyrkans förutsagda energiberoende har bekräftats experimentellt, bland annat genom mätningar av produktionen av jetstrålar vid partikelkollisioner och jämförelser med QCD-beräkningar. När en kvark slås ut ur en proton i en partikelkollision bildas en riktad skur av partiklar, en jetstråle, i stället för en fri kvark. Jetstrålarnas riktning och energi återspeglar egenskaperna hos den partikel som gav upphov till dem. CMS rekonstruerar jetstrålarna genom att kombinera information från olika delar av sin detektor. Experimentet har kombinerat jetmätningar från protonkollisioner vid fyra olika kollisionsenergier för att bestämma kopplingsstyrkan och dess energiberoende.
Vid kollisioner mellan tunga atomkärnor vid LHC skapas också kvark–gluonplasma, där kvarkar och gluoner inte längre är bundna i enskilda hadroner. Studier av jetstrålarnas energiförluster i plasmat används för att undersöka dess egenskaper, bland annat temperatur och täthet.
|