26.9.2016

Onko olemassa antikvarkkeja?

Fysiikan professori Kimmo Kainulainen, Jyväskylän yliopisto:

Jokaisessa meistä on kvarkkeja ja antikvarkkeja, sillä kaikki maailmankaikkeudessa näkyvä aine koostuu niistä.

Sekä kvarkit että antikvarkit ovat aineen pienimpiä osasia, alkeishiukkasia, joista atomien ytimien protonit ja neutronit rakentuvat. Ne ovat niin pieniä, että niitä on mahdoton nähdä, mutta niiden olemassaolo on yhtä kiistatonta kuin vaikkapa sähkön, joka on myös näkymätöntä.  

Kvarkkien perusominaisuus on, että ne eivät koskaan esiinny yksin. Jokaista kvarkkia kohti on siksi olemassa aina myös antikvarkki. Tämä on väistämätön seuraus suhteellisuusteorian yhdistämisestä kvanttiteoriaan.

Kvarkkeja ja antikvarkkeja sitoo toisiinsa värivoimaksi kutsuttu energia (QCD), joka ei ole sähköä vaan jotain muuta. Olennaisin ero on, että sähkövoima heikkenee etäisyyden kasvaessa, mutta värivoima muuttuu sitä vahvemmaksi, mitä kauempana kvarkit sijaitsevat toisistaan. Tämä kasvu on lineaarista eli jos kvarkkien etäisyys toisistaan kaksinkertaistuu, värivoima niiden välillä myös kaksinkertaistuu. Siksi esimerkiksi kvarkin ja antikvarkin erottaminen toisistaan on mahdotonta.

Kvarkkeja on kuutta eri lajia. Yhdessä antikvarkkien kanssa ne muodostavat monenlaisia hiukkasia, joita on löydetty runsain määrin 1950- 60-luvuilta alkaen, kun ryhdyttiin rakentamaan hiukkaskiihdyttimiä. Vaikka niitä ei nähdä, ne voidaan havaita hiukkaskokeissa esimerkiksi eräänlaisina resonansseina eli hetkellisinä värähtelyinä.

Kolme kvarkkia sisältävistä hadroneista yksikertaisimmat ovat protoni ja neutroni. Lisäksi kvarkkien ja antikvarkkien pareista muodostuu mesoneja, joista kevein on pioni. Esimerkiksi avaruuden kosminen säteily synnyttää ilmakehässä positiivisesti tai negatiivisesti varautuneita pioneja, joita sinkoilee Maan pinnalle asti. Niitä voidaan havaita helposti myös ilman suuria hiukkaskiihdyttimiä. Tarvitaan vain sumukammioilmaisin, yksinkertainen laite, joka saattaa löytyä yliopiston fysiikan laitokseltakin. Sen toiminta perustuu säiliöön, joka sisältää alijäähdytettyä kaasua. Kun kaasusäiliön painetta lasketaan, kosmisen säteilyn sisältämät pionit näkyvät kaasussa kuplajonoina. Ne ovat kohtia, joissa pionit ovat ionisoineet kaasumolekyylejä.

Kvarkkien ja antikvarkkien välinen värivoima, jonka välittäjänä toimivat gluoneiksi kutsutut alkeishiukkaset, on tällä hetkellä yksi Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskus CERNin tärkeimpiä tutkimusalueita. Sen myötä on löytynyt aineen uusi olomuoto: Kun protoneista ja neutroneista (nukleoneja) koostuvia ytimiä törmäytetään lähes valonnopeudella hiukkaskiihdyttimessä toisiaan vasten, ydinaine puristuu voimakkaasti ja kvarkit ja antikvarkit menettävät hetkeksi muistinsa siitä, mihin nukleoniin ne kuuluvat. Sulautuessaan toisiinsa ne muodostavat yhdessä gluonien kanssa alkeishiukkasista koostuvaa puuroa, kvarkkigluoniplasmaa. Samanlaista kvarkkigluoniplasmaa esiintyi silloin kun maailmankaikkeus oli alle miljoonasosasekunnin ikäinen. Sen sijaan merkkejä siitä, että kvarkit ja antikvarkit koostuisivat vielä pienemmistä hiukkasista ei ole saatu, eikä sitä pidetä teoriassakaan kovin todennäköisenä.

 

 

Viimeksi muokattu 18.10.2016

Tietysti.fi on Suomen Akatemian sivusto, joka kertoo yleistajuisesti Akatemian rahoittamasta tutkimuksesta sekä tieteestä ja tutkimuksesta yleensä. Sivuille kootaan muun muassa tutkijahaastatteluita, tieteen yleisötapahtumia, tiedeuutisia ja tutkimuksesta kertovia taustajuttuja.

Seuraa meitä:

Ota yhteyttä

Suomen Akatemian viestintä
terhi.loukiainen@aka.fi

Lisätietoja Suomen Akatemiasta www.aka.fi