Limmet och skruvarna

Som namnet så uppenbart antyder är de fundamentala krafterna de processer och interaktioner i naturen som inte kan sker på grund av någon annan ”underkraft”. De är alltså helt enkelt sagt krafternas motsvarighet till elementarpartiklar.

Det finns enligt dagens fysik fyra stycken fundamentala krafter, gravitationen, den elektromagnetiska kraften, svag växelverkan och stark växelverkan. Gravitationen och elektromagnetismen verkar båda på långa avstånd och känns igen av de flesta, till skillnad från den starka och svaga växelverkan som båda är begränsade till atomkärnor och är lite mer obskyra. Den svaga växelverkan är kraften som ligger bakom kärnfysiska processer som radioaktivt sönderfall, fission och fusion. Den starka växelverkan håller ihop elementarpartiklar och i sin tur atomkärnor.

Vi ska fortsätta att prata om den starka växelverkan, eftersom det nämligen är så att den tidigare omnämnda färgegenskapen som skiljde kvarkar och leptoner åt är kopplad till den starka växelverkan. Det är nämligen så att en elementarpartikels färg bestämmer hur den genom den starka växelverkan interagerar med en annan elementarpartikel. Den starka kraften binder ihop elementarpartiklar i par av tre så att dera färger kombineras och skapar kombinerade partiklar som är färglösa, båda protoner och neutroner är färglösa trots att de består av kvarkar, som per definition har en färg.

Om en elementarpartikel saknar färg så påverkas den inte av den starka växelverkan, och där har vi skillnaden mellan leptoner och kvarkar! Kvarkar lyder under den starka växelverkan vilket leptoner inte gör. Däremot påverkas alla fermioner av elektromagnetiska krafter och av den svaga växelverkan.

Nu när vi har definierat fermioner och klartgjort skillnaden mellan leptoner och bosoner, så kan vi gå in lite mer på vilka de 12 fermionerna faktiskt är. Som tidigare nämndes är de 12 elementarpartiklarna jämnt uppdelade så att det finns 6 kvarkar och 6 leptoner. De här tolv fermionerna delas också in enligt i tre olika generationer, som var och en består av två kvarkar och två leptoner.

Men forskarna upptäckte snabbt ett antal problem med den här tolkningen, den största av vilka var att om man applicerade det uppmätta spinnet för en elektron på dess uppmätta radie och massa, så fann man att den roterade snabbare än ljuset! Vilket är helt omöjligt enligt fysikens lagar. Den moderna beskrivningen av spinn bygger på väldigt avancerad fysik som dessutom kräver en del mattekunskap, och därför nöjer jag mig med att säga att spinn är ett av ”kvanttalen”, numeriska egenskaper som beskriver ett kvantmekaniskt system. Det viktigaste att komma ihåg med spinn är att det är en så kallad inre egenskap, vilket betyder att den inte ändras, en fermion har alltså alltid halvtalsspinn och en boson alltid heltalsspinn.

För varje generation finns en kvark av upp-typ och en av ner-typ. Alla kvarkar av upp-typ har en positiv laddning på 2/3 av elementarladdningen medan kvarkar av ner-typ är negativa och har en styrka på 1/3 av elementarladdningen. De två leptonerna som finns i varje generation inkluderar en laddad lepton med en negativ elementarladdning, samt en oladdad lepton.

Det som skiljer de olika generationerna är partiklarnas massa, för varje generation blir partikla mycket mer massiva. Upp- och nerkvarkarna, som bygger upp alla protoner och neutroner, samt elektronerna, som tillsammans med protoner och neutroner skapar all normal materia i universum, tillhör alla den första generationen av fermioner.

Vi har nu pratat ganska mycket om fermionerna, men nästan inget om bosoner. Som jag redan nämnt byggs atomer upp av fermioner, vilket gör att fermioner ofta kallas för materiapartiklar. Så om fermionerna bygger upp all materia, vad håller då bosonerna på med?

Vi har redan nämnt de fyra fundamentala krafterna, men vi har inte förklarat hur de interagerar med materia. Det är här som bosonerna kommer in, precis som fermionerna kallas för materiapartiklar så kallas bosoner för kraftbärare, då det är dessa partiklar som genom att interagera med bosoner leder till att kraften verkar på ett objekt. Precis som fermionerna delas bosonerna in i två kategorier, gaugebosoner och skalärbosoner.

Som vi redan nämnt har bosoner heltalsspin till skillnad från fermionerna. Gaugebosoner har spinnvärdet 1. Av de 5 bosonerna i standardmodellen är alla utom en gaugebosoner. Det är här som vi finner våra kraftbärare, exempelvis fotonen, den så kallade ljuspartikeln, som förmedlar den elektromagnetiska kraften. Den starka växelverkan som binder ihop kvarkar till större partiklar bärs av gluonen, förmodligen bosonen med det mest passande namnet. Den svaga växelverkan är den enda av de fyra krafterna som har två kraftbärande bosoner istället för en, W- och Z-bosonerna.

Det är värt att flika in att det finns två undervarianter av W-bosonen och hela åtta undervarianter av gluonen, men det är inte något som är särskilt viktigt för den här texten, och att beskriva det i detalj hade tagit alldeles för lång tid.

Några av våra mer sluga läsare kanske uppmärksammat att jag gått igenom alla gaugebosoner, som jag sa var de partiklar som förmedlade de fyra fundamentala krafterna. Men jag har fortfarande inte nämnt något om gravitationen, vad har den för kraftbärare? Faktum är att det här är en aktiv forskningsfråga. Än idag har man inte hittat någon kraftpartikel för gravitationen, och hur partiklar med massa attraheras av gravitationen är fortfarande okänt.

Nu har vi kommit till slutet av våra rundvandring genom standardmodellen, nämligen skalärbosonerna, som till skillnad från gaguebosonerna har spinn 0. Här har vi den sista av de 17 elementarpartiklarna, en som vi nämnde redan i början, higgsbosonen. Men vad den gör, det får ni läsa i nästa inlägg!