CERN Photo

Frank var en 21-årig kandidatstuderende ved Princeton University, da hanhjalp med at udvikle denne teori om protonen i 1973. Han forstod det ikke rigtigt selv først; han fulgte bare, hvor matematikken førte ham. “Vi lavede beregningerne, men vi havde ikke en simpel intuitiv forståelse,” siger han. “Det fysiske billede kom senere.”Det billede tog et stykke tid, selv for fysikere at absorbere, fordi det virkelig ikke er simpelt. Selv i dag, hvis du beder en fysiker om at beskrive en proton, får du først en tegneserieversion—den der siger, at en proton er lavet af tre mindre partikler kaldet kvarker. Denne beskrivelse er ikke ligefrem falsk-det er bare lav opløsning. Det er sandt, som et billede af gange kvadrat fra 30.000 fod væk er sandt. Den nærbillede virkelighed, den ene Viltsek og hans kolleger fik et glimt af for længe siden, er langt mere gal og mærkelig.

en proton er lavet af tre kvarker, Ja, men kvarkerne er uendelige—kun 2 procent eller deromkring af protonens samlede masse. De rattler rundt med næsten lyshastighed inde i protonen, men de er fængslet i flimrende skyer af andre partikler—andre kvarker, som materialiseres kort og derefter forsvinder og frem for alt gluoner, som overfører den kraft, der binder kvarkerne sammen. Gluoner er masseløse og flygtige, men de bærer det meste af protonens energi. Derfor er det mere præcist at sige, at protoner er lavet af gluoner snarere end kvarker. Protoner er små klatter af lim-men selv det billede formidler noget for statisk og væsentligt. Alt er strøm og knitrende energi inde i en proton; det er som en uendelig lynstorm i en flaske, en flaske mindre end .1 trillionth af en tomme i diameter. “Det er en meget rig, dynamisk struktur,” siger han. “Og det er meget glædeligt, at vi har en teori, der kan gengive den.”

især hvis du tilfældigvis er en af de fyre, der opfandt teorien, og hvis denne teori mere end to årtier senere faktisk verificeres ved eksperiment. Ved en partikelaccelerator kaldet HERA i Hamborg, Tyskland, har fysikere fyret elektroner i protoner i de sidste otte år, der viser, hvor uvæsentlige kvarkerne er inde. I mellemtiden kan andre acceleratoreksperimenter snart afsløre, hvordan universet samlet alle dets protoner i første omgang. I februar meddelte fysikere ved CERN, Det Europæiske laboratorium for partikelfysik uden for Geneve, “overbevisende beviser” for, at de havde lykkedes at smelte et stort antal protoner og skabte et øjeblik den slags kvark-gluonplasma, der sidst eksisterede et mikrosekund efter Big Bang. Alle protonerne omkring nu størknet fra den suppe. På Brookhaven National Laboratory på Long Island, en ny og mere kraftfuld accelerator er ved at blive sat til at lave kvark-gluon suppe dagligt i sommer. Ved næste år kan fysikere have en meget bedre ide om, hvordan universet var, da det var en milliard gange varmere end Solens overflade, og kvarker og gluoner—endnu ikke fanget inde i protoner, inde i kerner, inde i atomer, inde i OS—kunne spille frit i kvantefelterne.Kvantetromodynamik er en type kvantefeltteori, og kvantefeltteori for begyndere går noget som dette. Først E=mc2, som Einstein opdagede. Det vil sige, energi kan omdannes til masse og omvendt. For det andet er tomt rum ikke tomt: det, vi kalder et vakuum, syder faktisk med alle slags energifelter, og energien manifesterer sig konstant som “virtuelle” partikler, der dukker op og derefter forsvinder igen i noget mindre end en Billiontedel af et nanosekund. “Det ville ikke være meget nyttigt for os at se denne struktur af vakuumet,” siger han, som nu er professor ved Institute for Advanced Study i Princeton, hvor han bor i Einsteins gamle hus. “Det ville ikke hjælpe os med at undgå sabeltandede tigre eller opdrage vores børn, så evolution har lært os at ignorere det. Men den er der.”

tredje (og sidst i vores feltteori primer), når to subatomære partikler udøver en kraft på hinanden, interagerer de via et af disse energifelter, som de selv hjælper med at skabe. Specifikt udveksler de en af disse virtuelle partikler—kvantefeltets kvantum. En elektron har for eksempel en elektrisk ladning på -1, og den ladning genererer et elektrisk felt. Hvis elektronen bevæger sig, som den altid er—spinder på sin akse og kredser om atomkernen—genererer den også et magnetfelt; alle magnetfelter skabes i sidste ende ved at flytte elektriske ladninger. Når to ladede partikler interagerer—når en elektron er spredt ud af en proton i HERA—udveksler de en virtuel foton, kvantumet af det elektromagnetiske felt. Teorien, der beskriver sådanne interaktioner, opfundet af Richard Feynman, kaldes blandt andet kvantelektrodynamik eller ked.hver enkelt elektron er omgivet af en sky af kortvarige virtuelle partikler-fotoner, men også andre elektroner parret med positroner, deres positivt ladede antimatter tvillinger. Disse sværmende partikelpar danner en skærm, der delvist annullerer elektronfeltet—i det mindste set udefra skærmen. Fra indersiden af skærmen virker feltet på den anden side stærkere, end man kunne forvente, som en bar pære, når en lampeskærm er fjernet. “OK, så det er screening, og det er ret nemt at forstå,” siger han. “Hvad der sker i KCD, inde i protonen, er lige det modsatte: det er antiscreening. Det var en overraskelse selv for os, så det kan ikke være for simpelt. Men vi er kommet til at forstå det i mere elementære termer gennem årene.”

begyndelsen af 1970 ‘ erne, da han gjorde sit banebrydende arbejde, var en hård tid for partikelfysikere. Deres luft er noget anderledes end hvad resten af os trækker vejret, og KCD var i den. Et par år tidligere havde forskere ved Stanford Linear Accelerator Center for første gang accelereret elektroner til energier, der var høje nok til at trænge ind i protoner. Elektronerne syntes ikke at kaste sig ned i mush; de syntes at hoppe af pointlignende nuggets inden for protonerne. Kvarker, der var blevet postuleret i 1964 som rent matematiske enheder, begyndte at virke som om de virkelig kunne eksistere inde i protoner—og spørgsmålet om, hvordan det hele blev holdt sammen, blev presserende og spændende. Mens han og hans rådgiver, David Gross, opdagede svaret på Princeton, opdagede en anden kandidatstuderende ved navn David Politser det uafhængigt på Harvard. Gross var den gamle mand i trioen på 31. “Vi var heldige at have været unge dengang, “skrev han senere,” da vi kunne slentre langs de nyåbnede strande og hente de mange smukke skaller, som eksperimentet havde afsløret.”

en skal var fremmed end resten. Stanford-eksperimenterne syntes at vise, at kraften mellem kvarker—kendt som den stærke kraft—faktisk blev svagere, da kvarkerne kom tættere på hinanden. Det var meget mærkeligt. De kræfter, vi møder dagligt, elektromagnetisme og tyngdekraft, virker på den modsatte måde: de er stærkere på korte afstande fra deres kilde og svagere på lange. Det er den intuitive måde; sådan skal tingene være. Ellers, for eksempel, magneter ville flyve fra dit køleskab for at klamre sig til den fjerne lokkende komfur—bortset fra at køleskabet på afstand ville begynde at se godt ud for dem igen. Og alligevel, svag som den stærke kraft var på meget korte afstande, var den stærk nok til længere til at frustrere fysikere, der havde forsøgt hårdt og undladt at trække en kvark ud af en proton. Ingen havde formået at observere en isoleret.og Gross gik på udkig efter en kvantefeltteori, der kunne forklare en sådan kraft. Faktisk forventede Gross, at de ville mislykkes; han ønskede at bevise, at feltteori var en blindgyde. Men en slags matematisk formalisme, kaldet ikke-abelsk gauge teori, var endnu ikke blevet prøvet. Han brugte et halvt år på at udfylde en notesbog med beregninger af, hvordan partikler ville interagere gennem et ikke-abelsk kvantefelt. I slutningen havde han en styrke, der blev stærkere på nært hold, som en god styrke skulle, som brutto forventet—men i modsætning til hvad der var blevet målt i Stanford. Hanne tjekkede de lange beregninger igen og igen. Derefter opdagede Gross et enkelt plustegn i feltligningen, der burde have været et minus. Denne tegnændring ændrede alt: KCD blev født.inde i en proton er kvarkerne “asymptotisk fri”, som Stanford-resultaterne antydede, hvilket betyder, at de bevæger sig næsten som om der slet ikke var nogen kraft mellem dem. Men friheden er en illusion: en kvark kan aldrig undslippe sine partnere. Efterhånden som afstanden mellem dem øges, det gør også kraften, og så en egensindig kvark er uundgåeligt tøjlet ind, som en bungee jumper. Derfor har ingen nogensinde eller nogensinde vil se en ensom kvark, som, når du tænker over det, er dybt underligt. “Protonen har dele, men den kan ikke skilles fra hinanden,” siger Alvaro de R Krisjula, en teoretisk fysiker ved CERN. “Du kan holde en elektron i din hånd. Du kan ikke holde en kvark eller en gluon i din hånd.”

underligheden kommer fra gluonerne. Kvantekromodynamik, den kraft, der holder protoner sammen, er modelleret tæt på kvantelektrodynamik, den kraft, der holder atomer sammen—men gluonerne ændrer screening til antiscreening, intuitiv til bisarr. I kvantekromodynamik bærer kvarker en ny slags ladning, kaldet farve—som ikke har noget at gøre med almindelig farve—og disse ladninger genererer et farvefelt (deraf navnet kromodynamik). Feltets kvante og transmitteren af den stærke kraft er gluonen. Ligesom fotonen, der transmitterer den elektromagnetiske kraft, er en gluon masseløs. Men i modsætning til fotonen oplades en gluon. Det genererer sit eget farvefelt, udøver sin egen stærke kraft og inerterer med andre gluoner. Det fører et rigt liv.

farvefeltet, som det elektromagnetiske, kan betragtes som at have to komponenter—kalder dem farve elektrisk og farve magnetisk. En hurtig bevægelse farveopladning—gluoner bevæger sig med lyshastighed-genererer et stærkt farve-magnetfelt. Gluoner er således som små dipolmagneter. Gluonerne, der omgiver en kvark, justerer sig parallelt med dens farvefelt, som magneter ville, og så i stedet for at svække det, som virtuelle partikler gør et elektronfelt, styrker de det. De antiscreen kvarken, forstærker dens felt. Her fungerer lampeanalogien ikke længere-kvarken er en svag pære, der på en eller anden måde bliver lysere uden for skyggen.

det er det, der holder en proton sammen, og det er det, der giver den en bisarr intern struktur. Hvis en kvark formår at komme ind i en andens gluonsky, føles det kun en svag attraktion. Men jo længere væk det går, jo mere føles det det ekstra træk af gluoner—gluoner udsendt af kvarkerne, gluoner udsendt af andre gluoner, gluoner, der materialiseres til virtuelle kvark-antikvarkpar, som udveksler flere gluoner. “Kvarkerne udløser det hele, men når det først starter, er det en meget kraftig proces, fordi gluonerne interagerer,” siger han. “Det er en slags løbsk proces.”

i 1974 foreslog de R, Politser, Viltsek og et par andre fysikere denne gluonisering af protonen og foreslog, hvordan den en dag kunne måles. To årtier senere begyndte forskere ved Hera at gøre netop det. HERA er en ringformet accelerator, næsten fire miles rundt, hvor elektroner, der gør 47.000 omgange et sekund, smadres i protoner, der går den anden vej. Jo større kollisionsenergien er, jo dybere kan en elektron bore ind i en proton, før den afbøjes. Ved at måle, hvordan elektronen afbøjes i millioner af kollisioner, kan fysikere indsamle oplysninger om de interne komponenter, der gør afbøjningen. Det er som at tage et billede af indersiden af en proton, siger han, og resultaterne passer til det forslag, han og hans kolleger lavede for årtier siden.”det er kun på det råeste niveau, at en proton er lavet af tre kvarker,” siger han. “Når du ser tæt på og kommer ind i disse skyer og begynder at se den grundlæggende struktur, ser du, at det for det meste er lim.”

hvilket gør desto mere interessant spørgsmålet om, hvordan universet nogensinde har formået at designe en sådan ting.

at besøge et partikelfysiklaboratorium skal rammes af en kontrast i skala-mellem de små objekter, der studeres, og ressourcernes enorme størrelse—mennesker, maskiner, computerkraft, elektrisk kraft, rum, penge—der afsættes til det. (Hvis denne infrastruktur synes at være en høj pris at betale for information om universets oprindelse, skal du overveje, at internettet—designet til at hjælpe forskere med at kommunikere enorme datafiler—er et CERN-hjernebarn.) CERN bruger næsten lige så meget elektricitet som byen Geneve, dens nabo. CERNs største accelerator, Den Store elektron-Positron collider, indtager en cirkulær tunnel 17 miles rundt. I de kommende år vil den blive demonteret og erstattet af en endnu mere kraftfuld accelerator, Large Hadron Collider, som vil genskabe den energi, der eksisterede en Billiontedel af et sekund efter Big Bang. (Hadroner er nukleare partikler, som protoner, der er lavet af kvarker og gluoner.) For at fremstille et kvark-gluonplasma behøver du ikke gå så langt tilbage i tiden—det første mikrosekund gør det—så du har brug for en mindre kraftig accelerator.

stadig er Super Proton Synchrotron på CERN mere end fire miles rundt. Det er anbragt i en tunnel, der ligger 300 fod under jorden, og i den tunnel, inde i et aluminiumrør, der kun er få centimeter bredt, accelereres blykerner af magneter til 99,9 procent af lysets hastighed. De føres derefter op til overfladen og ind i en enorm, fabriklignende hal, 300 meter lang. Aluminiumsrøret gafler i forskellige detektorer, hvor blykernerne—hver bestående af 208 protoner og neutroner, de elektrisk neutrale tvillinger af protoner—smadrer ind i et stykke blyfolie, der kun er et par hundrede mikrometer tykt.

hvad der sker næste, i teorien, er simpelt: Kollisionen skaber en ildkugle intens nok til at smelte protoner og neutroner. Kvarkerne og gluonerne cirkulerer frit, som de gør dybt inde i en proton, men nu over et område, der er mange protoner bredt og danner et kvark-gluonplasma. “Hvis du kører filmen fra Big Bang bagud, bliver den tættere og tættere, varmere og varmere,” siger Reinhard Stock fra University of Frankfurt, der hjalp med at designe en af CERN-detektorerne, “og vi ved, at alle bundne strukturer går i stykker, når deres energitæthed overstiger deres bindende energi.”Kvantekromodynamik kræver, at der findes et kvark-gluonplasma ved en bestemt energitæthed, “men du skal bevise, at det eksisterer,” siger Stock. “Og det er derfor, vi har været her i de sidste 15 år.”

problemet er, at laboratorie ildkuglen ekspanderer hurtigt og køler hurtigt, ligesom den oprindelige må have gjort. Plasmaet overlever kun i 10-22 sekunder, før kvarker og gluoner kondenserer igen til protoner og andre hadroner. Hvad fysikere faktisk opdager er en spray af tusindvis af sådanne partikler, der kommer ud på bagsiden af blyfolien. På lagerets detektor flyver partiklerne derefter gennem en rumstørrelse kasse med argongas og banker elektroner fra argonatomer. Tællere registrerer elektronerne, og computere rekonstruerer partikelsporene, som afslører deres identitet. Når fysikere har analyseret datafloden – hver kollision giver 10 megabyte data, og Stock og hans kolleger har registreret millioner af kollisioner—kan de lære noget om den plasmaproducerende ildkugle.

i løbet af de sidste par år har Stocks detektorer og andre på CERN bekræftet, at ildkuglerne er varme nok og tætte nok til at producere kvark-gluonplasma. De har fundet et overskud af partikler indeholdende “mærkelige” kvarker og en mangel på dem, der indeholder “charme”—som begge er bivirkninger forudsagt af kvantekromodynamik. (Mærkelige kvarker og charme kvarker er eksotiske slags, der ikke findes i almindelige partikler.) Det hele svarer til en stærk sag, som CERN har skabt kvark-gluon plasma—men det svarer ikke til bevis. “Problemet er, at de ikke har været i stand til at observere det direkte,” siger Tom Ludlam, fysiker ved Brookhaven National Laboratory. Brookhavens relativistiske Heavy Ion Collider, som er planlagt til at begynde at lave fysik i sommer, vil kollidere guldkerner med 10 gange den mulige energi ved CERN og således opnå temperaturer, der gør det muligt for et kvark-gluonplasma at overleve et lille øjeblik længere. Når kvarkerne køler ned fra en billion grader, skal de udsende varmestråling i form af gammastrålefotoner. Det er det mest direkte mulige signal fra kvark-gluonplasmaet, og Brookhavens collider skal kunne opdage det. Du kan tænke på det som lysets lys, som universet udsendte, da alle dets protoner blev født.

selv forskerne ved Brookhaven vil ikke være i stand til endelig at besvare spørgsmålet om, hvor protoner kommer fra. Et centralt mysterium vil forblive. Inde i en proton, når gluoner kommer og går, når kvarker og antikvarker kommer og går i deres utallige sværme, forbliver et tal konstant: der er altid tre kvarker mere end der er antikvarker. Det er de kvarker, der “på det meget råeste niveau”, som Viltsek udtrykker det, udgør protonen. Hvorfor er de stof og ikke antimaterie? Hvorfor er universet lavet af stof og ikke antimaterie? Svaret går ud over kvantekromodynamik. En lille ubalance mellem kvarker og antikvarker, hvis Viltsek og andre teoretikere har ret, var allerede til stede i det oprindelige kvark-gluonplasma. At forstå dens oprindelse vil kræve acceleratorer, der når endnu højere energier, såsom CERNs Large Hadron Collider. Det vil kræve nye slags teorier-hvoraf nogle desværre kan kræve, at vi begynder at tænke på partikler som små sløjfer af streng og universet som at have mange flere dimensioner end de fire, vi kender og elsker.

efterhånden som fysikken udvikler sig, kan billedet af protonen, som kvantekromodynamik har givet os, virke betryggende konkret og solid—selvom solid er lige hvad en proton ikke er. At flyve ind i en—hvis du kan forestille dig at gøre det, kører den stærke kraft i en slags subnuclear svævefly—ville være som at falde gennem Jordens atmosfære. Protonens øvre atmosfære er en tynd cirrus af virtuelle kvark-antikvarkpar; de danner et skjold for det, der ligger nedenfor. Når du falder forbi dem, bliver atmosfæren tættere og tættere, skyerne tykkere og tykkere. Dit fly er ramt med stigende frekvens og kraft af blinker af farve lyn—gluonerne. Og så, måske fire femtedele af vejen gennem din nedstigning, kommer du ud af skydækket. Turen er roligere nu. Lynboltene er ikke forsvundet, de er smeltet sammen til et kontinuerligt ark, og på en eller anden måde føler du straks fjerlys og immun fra alle kræfter. Du er nær centrum af protonen nu, fuldstændig fanget, når du falder mod asymptoten af fuldstændig frihed, og du finder . . . ikke meget.

“jo tættere du ser, jo mere finder du protonen opløses i masser af partikler, som hver især bærer meget, meget lidt energi,” siger han. “Og elementerne i virkeligheden, der udløste det hele, kvarkerne, er disse små små ting midt i skyen. Faktisk, hvis du følger udviklingen til uendeligt korte afstande, går udløsningsladningen til nul. Hvis du virkelig studerer ligningerne, bliver det næsten mystisk.”