Quarks har faktiskt inte färger

på en grundläggande nivå bestäms verkligheten av endast två egenskaper i vårt universum: kvanten som utgör allt som finns och de interaktioner som äger rum mellan dem. Även om reglerna som styr allt detta kan verka komplicerade, konceptet är extremt enkelt. Universum består av diskreta bitar av energi som är bundna till kvantpartiklar med specifika egenskaper, och dessa partiklar interagerar med varandra enligt fysikens lagar som ligger till grund för vår verklighet.

några av dessa kvantegenskaper styr huruvida och hur en partikel kommer att interagera under en viss kraft. Allt har energi, och därför upplever allt gravitation. Endast partiklarna med rätt typer av laddningar upplever de andra krafterna, eftersom dessa laddningar är nödvändiga för att kopplingar ska uppstå. När det gäller den starka kärnkraften behöver partiklar en färgladdning för att interagera. Endast kvarkar har faktiskt inte färger. Här är vad som händer istället.

medan vi kanske inte förstår allt om denna verklighet, har vi upptäckt alla partiklar i standardmodellen och arten av de fyra grundläggande krafterna — gravitation, elektromagnetism, den svaga kärnkraften och den starka kärnkraften — som styr deras interaktioner. Men inte varje partikel upplever varje interaktion; du behöver rätt typ av laddning för det.

av de fyra grundläggande krafterna har varje partikel en energi som är inneboende i den, även masslösa partiklar som fotoner. Så länge du har energi upplever du gravitationskraften. Dessutom finns det bara en typ av gravitationsladdning: positiv energi (eller massa). Av denna anledning är gravitationskraften alltid attraktiv och förekommer mellan allt som finns i universum.

elektromagnetism är lite mer komplicerat. Istället för en typ av grundläggande laddning finns det två: positiva och negativa elektriska laddningar. När som laddningar (positiva och positiva eller negativa och negativa) interagerar, avvisar de, medan när motsatta laddningar (positiva och negativa) interagerar lockar de sig.

detta erbjuder en spännande möjlighet att tyngdkraften inte gör det: förmågan att ha ett bundet tillstånd som inte utövar en nettokraft på ett externt, separat laddat objekt. När lika stora mängder positiva och negativa laddningar binder samman i ett enda system får du ett neutralt objekt: ett utan nettoladdning till det. Gratis avgifter utövar attraktiva och/eller repulsiva krafter, men oladdade system gör det inte. Det är den största skillnaden mellan gravitation och elektromagnetism: förmågan att ha neutrala system som består av icke-noll elektriska laddningar.

om vi skulle föreställa oss dessa två krafter sida vid sida, kanske du tänker på elektromagnetism som att ha två riktningar, medan gravitationen bara har en enda riktning. Elektriska laddningar kan vara positiva eller negativa, och de olika kombinationerna av positiv-positiv, positiv-negativ, negativ-positiv och negativ-negativ möjliggör både attraktion och avstängning. Gravitation har å andra sidan bara en typ av laddning, och därför bara en typ av kraft: attraktion.

även om det finns två typer av elektrisk laddning, tar det bara en partikel att ta hand om den attraktiva och repulsiva verkan av elektromagnetism: fotonen. Den elektromagnetiska kraften har en relativt enkel struktur-två laddningar, där som de stöter bort och motsatser lockar — och en enda partikel, fotonen, kan redogöra för både elektriska och magnetiska effekter. I teorin kan en enda partikel, graviton, göra samma sak för gravitation.

men då, på en helt annan grund, finns det den starka kraften. Det liknar både gravitation och elektromagnetism, i den meningen att det finns en ny typ av laddning och nya möjligheter för en kraft som är associerad med den.

om du tänker på en atomkärna måste du omedelbart inse att det måste finnas en extra kraft som är starkare än den elektriska kraften är, annars skulle kärnan, gjord av protoner och neutroner, flyga ifrån varandra på grund av elektrisk avstängning. Den kreativt namngivna starka kärnkraften är den ansvariga parten, eftersom beståndsdelarna i protoner och neutroner, kvarkar, har både elektriska laddningar och en ny typ av laddning: färgladdning.

i motsats till vad du kan förvänta dig är det dock ingen färg involverad alls. Anledningen till att vi kallar det färgladdning är att i stället för en grundläggande, attraktiv typ av laddning (som gravitation) eller två motsatta typer av grundläggande laddning (positiv och negativ, som elektromagnetism) styrs den starka kraften av tre grundläggande typer av laddning, och de följer mycket olika regler än de andra, mer bekanta krafterna.

för elektriska laddningar kan en positiv laddning avbrytas med en lika och motsatt laddning-en negativ laddning-av samma storlek. Men för färgavgifter har du tre grundläggande typer av laddning. För att avbryta en enda färgladdning av en typ behöver du en av var och en av den andra och tredje typen. Kombinationen av lika många av alla tre typerna resulterar i en kombination som vi kallar “färglös” och färglös är den enda kombinationen av kompositpartikel som är stabil.

detta fungerar oberoende för kvarkar, som har en positiv färgladdning och antikvarkar, som har en negativ färgladdning. Om du föreställer dig ett färghjul kan du lägga rött, grönt och blått på tre lika långa platser, som en liksidig triangel. Men mellan rött och grönt skulle vara gult; mellan grönt och blått skulle vara cyan; mellan rött och blått skulle vara magenta.

dessa mellanliggande färgladdningar motsvarar färgerna på antipartiklarna: antikolorerna. Cyan är densamma som anti-röd; magenta är densamma som anti-grön; gul är densamma som anti-blå. Precis som du kan lägga till tre kvarkar med röda, gröna och blå färger för att göra en färglös kombination (som en proton), kan du lägga till tre antikvarkar med cyan, magenta och gula färger för att göra en färglös kombination (som en antiproton).

om du vet något om färg kan du börja tänka på andra sätt att skapa en färglös kombination. Om tre olika färger eller tre olika antikolor kan fungera, kanske rätt färg-antikolorkombination kan få dig dit?

det kan faktiskt. Du kan blanda ihop rätt kombination av en kvark och en antikvark för att producera en färglös kompositpartikel, känd som en meson. Detta fungerar, eftersom:

• röd och cyan,
• grön och magenta,
• och blå och gul

är alla färglösa kombinationer. Så länge du lägger till en färglös nettoladdning tillåter reglerna för den starka kraften dig att existera.

detta kan börja ditt sinne ner några intressanta vägar. Om röd + grön + blå är en färglös kombination, men röd + cyan är färglös, betyder det att grön + blå är densamma som cyan?

det är helt rätt. Det betyder att du kan ha en enda (färgad) kvark ihop med något av följande:

• ytterligare två kvarkar,
• en antikvark,
• ytterligare tre kvarkar och en antikvark,
• ytterligare en kvark och två antikvarkar,
• ytterligare fem kvarkar,

eller någon annan kombination som leder till en färglös total. När du hör om exotiska partiklar som tetraquarks (två kvarkar och två antikvarkar) eller pentaquarks (fyra kvarkar och en antikvark), vet att de följer dessa regler.

men färg är bara en analogi, och den analogin kommer faktiskt att bryta ner ganska snabbt om du börjar titta på den för mycket detaljerat. Till exempel är hur den starka kraften fungerar genom att utbyta gluoner, som bär en färg-antikolorkombination med dem. Om du är en blå kvark och du avger en gluon kan du förvandlas till en röd kvark, vilket innebär att gluonen du släppte ut innehöll en cyan (anti-röd) och en blå färgladdning, så att du kan spara färg.

du kanske tror, då, med tre färger och tre antikolorer, att det skulle finnas nio möjliga typer av gluon som du kan ha. När allt kommer omkring, om du matchade var och en av rött, grönt och blått med var och en av cyan, magenta och gult, finns det nio möjliga kombinationer. Det här är en bra första gissning, och det är nästan rätt.

som det visar sig finns det dock bara åtta gluoner som finns. Tänk dig att du är en röd kvark, och du avger en röd/magenta gluon. Du kommer att förvandla den röda Kvarken till en grön kvark, för det är så du sparar färg. Den gluonen hittar sedan en grön kvark, där magenta kommer att förintas med det gröna och lämna den röda färgen bakom. På detta sätt utbyts färger mellan interagerande färgade partiklar.

denna tankegång är dock bara bra för sex av gluonerna:

• röd / magenta,
• röd/gul,
• grön/cyan,
• grön/gul,
• Blå/cyan och
• blå/magenta.

när du stöter på de andra tre möjligheterna — röd/cyan, grön/magenta och blå/gul — finns det ett problem: de är alla färglösa.

i fysiken, när du har partiklar som har samma kvantnummer, blandas de ihop. Dessa tre typer av gluoner, alla är färglösa, blandar absolut ihop. Detaljerna om hur de blandar är ganska djupa och går utöver omfattningen av en icke-teknisk artikel, men du slutar med två kombinationer som är en ojämn blandning av de tre olika färgerna och antikolorerna, tillsammans med en kombination som är en blandning av alla färger/antikolorpar lika.

den sista är verkligen färglös och kan inte fysiskt interagera med någon av partiklarna eller antipartiklarna med färgladdningar. Därför finns det bara åtta fysiska gluoner. Utbytet av gluoner mellan kvarkar (och/eller antikvarkar) och av färglösa partiklar mellan andra färglösa partiklar är bokstavligen det som binder atomkärnor tillsammans.

vi kan kalla det färgladdning, men den starka kärnkraften följer regler som är unika bland alla fenomen i universum. Medan vi tillskriver färger till kvarkar, antikolor till antikvarkar och färg-antikolorkombinationer till gluoner, är det bara en begränsad analogi. I själva verket har ingen av partiklarna eller antipartiklarna en färg alls, utan följer bara reglerna för en interaktion som har tre grundläggande typer av laddning, och endast kombinationer som inte har någon nettoladdning under detta system får existera i naturen.

denna invecklade interaktion är den enda kända kraften som kan övervinna den elektromagnetiska kraften och hålla två partiklar av liknande elektrisk laddning bundna till en enda, stabil struktur: atomkärnan. Quarks har faktiskt inte färger, men de har avgifter som styrs av den starka interaktionen. Endast med dessa unika egenskaper kan materiens byggstenar kombineras för att producera det universum vi bor i idag.