Du vet inte vad saker är, du som håller det i dina händer. Atomer? Ja, saker är gjorda av atomer. Och varje atom är en kärna som kretsar av elektroner. Varje kärna är byggd av protoner. Varje proton är – men där når du slutet av linjen. Inuti protonen ligger den djupa, oroande sanningen: saker är gjorda av ingenting, eller nästan ingenting, hålls samman av lim, mycket lim. Fysiker började först misstänka detta 1973. På senare tid har det bevisats genom experiment.

CERN Photo

Frank Wilczek var en 21-årig doktorand vid Princeton University när hanhjälpte till att utveckla denna teori om protonen 1973. Han förstod inte riktigt det själv först; han följde bara där matematiken ledde honom. ”Vi gjorde beräkningarna, men vi hade inte en enkel intuitiv förståelse”, säger Wilczek. ”Den fysiska bilden kom senare.”Den bilden tog ett tag även för fysiker att absorbera, för det är verkligen inte enkelt. Till och med idag, om du frågar en fysiker att beskriva en proton, får du först en tecknad version—den som säger att en proton är helt enkelt gjord av tre mindre partiklar som kallas kvarkar. Den beskrivningen är inte exakt falsk-det är bara låg upplösning. Det är sant hur en bild av Times Square från 30 000 meter bort är sant. Närbilden, den som Wilczek och hans kollegor fick en glimt av för länge sedan, är mycket mer galen och konstig.

en proton är gjord av tre kvarkar, Ja, men kvarkarna är oändliga—bara 2 procent eller så av protonens totala massa. De skramlar runt i nära ljushastighet inuti protonen, men de är fängslade i flimrande moln av andra partiklar—andra kvarkar, som materialiseras kort och sedan försvinner och framför allt gluoner, som överför kraften som binder kvarkarna ihop. Gluoner är masslösa och försvinnande, men de bär det mesta av protonens energi. Det är därför det är mer exakt att säga att protoner är gjorda av gluoner snarare än kvarkar. Protoner är små klumpar av lim – men även den bilden förmedlar något för statiskt och väsentligt. Allt är flux och sprakande energi inuti en proton; det är som en oändlig åskväder i en flaska, en flaska mindre än .1 biljondels tum i diameter. ”Det är en mycket rik, dynamisk struktur”, säger Wilczek. ”Och det är mycket glädjande att vi har en teori som kan reproducera den.”speciellt om du råkar vara en av killarna som uppfann teorin, och om mer än två decennier senare verifieras den teorin faktiskt genom experiment. Vid en partikelaccelerator som heter HERA i Hamburg, Tyskland, har fysiker skjutit elektroner i protoner under de senaste åtta åren, vilket visar hur obetydliga kvarkarna är inuti. Under tiden kan andra acceleratorexperiment snart avslöja hur universum samlade alla sina protoner i första hand. I februari meddelade fysiker vid CERN, det europeiska laboratoriet för partikelfysik utanför Geneva, ”övertygande bevis” att de lyckats smälta ett stort antal protoner, vilket för ett ögonblick skapade den typ av Kvark-gluonplasma som senast fanns en mikrosekund efter Big Bang. Alla protonerna härdade nu från den soppan. På Brookhaven National Laboratory på Long Island i New York, en ny och kraftfullare accelerator blir inställd på att laga kvark-gluonsoppa dagligen i sommar. Vid nästa år kan fysiker ha en mycket bättre uppfattning om hur universum var när det var en miljard gånger varmare än solens yta, och kvarkar och gluoner—ännu inte fångade inuti protoner, inuti kärnor, inuti atomer, inuti oss—kunde spela fritt i kvantfälten.

kvantkromodynamik, eller QCD, teorin som Wilczek och hans kollegor uppfann, är en typ av kvantfältteori, och kvantfältteori för nybörjare går ungefär så här. Först,E = mc2, som Einstein upptäckte. Det vill säga energi kan omvandlas till massa och vice versa. För det andra är tomt utrymme inte tomt: det vi kallar ett vakuum suger faktiskt med alla slags energifält, och energin manifesterar sig ständigt som ”virtuella” partiklar som dyker upp och sedan försvinner igen i något mindre än en biljondel av en nanosekund. ”Det skulle inte vara särskilt användbart för oss att se denna vakuumstruktur”, säger Wilczek, som nu är professor vid Institute for Advanced Study i Princeton, där han bor i Einsteins gamla hus. ”Det skulle inte hjälpa oss att undvika sabeltandade tigrar eller höja våra barn, så evolutionen har lärt oss att ignorera det. Men det är där.”

tredje (och sista i vår fältteoriprimer), när två subatomära partiklar utövar en kraft på varandra, interagerar de via ett av dessa energifält, som de själva hjälper till att skapa. Specifikt utbyter de en av de virtuella partiklarna-kvantfältets kvant. En elektron har till exempel en elektrisk laddning på -1, och den laddningen genererar ett elektriskt fält. Om elektronen rör sig, som den alltid är—snurrar på sin axel och kretsar kring atomkärnan—genererar den också ett magnetfält; alla magnetfält skapas slutligen genom att flytta elektriska laddningar. När två laddade partiklar interagerar-när en elektron sprids av en proton i HERA—utbyter de en virtuell foton, det elektromagnetiska fältets kvant. Teorin som beskriver sådana interaktioner, uppfunnad av bland annat Richard Feynman, kallas kvantelektrodynamik eller QED.

i QED är varje enskild elektron omgiven av ett moln av kortlivade virtuella partiklar-fotoner, men också andra elektroner parade med positroner, deras positivt laddade antimatter tvillingar. De svärmande partikelpar bildar en skärm som delvis avbryter elektronfältet—åtminstone sett från utsidan av skärmen. Inifrån skärmen verkar å andra sidan fältet starkare än du kan förvänta dig, som en bar glödlampa när en lampskärm har tagits bort. ”OK, så det är screening, och det är ganska lätt att förstå”, säger Wilczek. ”Vad som händer i QCD, inuti protonen, är precis motsatsen: det är antiscreening. Det var en överraskning även för oss, så det kan inte vara för enkelt. Men vi har kommit att förstå det i mer elementära termer genom åren.”

det tidiga 1970-talet, när Wilczek gjorde sitt banbrytande arbete, var en berusande tid för partikelfysiker. Deras luft är något annorlunda än vad resten av oss andas, och QCD var i den. Några år tidigare hade forskare vid Stanford Linear Accelerator Center för första gången accelererat elektroner till energier som var tillräckligt höga för att tränga igenom protoner. Elektronerna verkade inte kasta in i mush; de verkade studsa av punktliknande nuggets inom protonerna. Kvarkar, som hade postulerats 1964 som rent matematiska enheter, började verka som om de verkligen kunde existera inuti protoner—och frågan om hur det hela hölls ihop blev brådskande och spännande. Medan Wilczek och hans rådgivare, David Gross, upptäckte svaret vid Princeton, upptäckte en annan doktorand vid namn David Politzer det självständigt vid Harvard. Gross var den gamla mannen i trion vid 31. ”Vi hade tur att ha varit unga då, ”skrev han senare,” när vi kunde promenera längs de nyöppnade stränderna och plocka upp de många vackra skal som experimentet hade avslöjat.”

ett skal var konstigare än resten. Stanford-experimenten tycktes visa att kraften mellan kvarkar—känd som den starka kraften—faktiskt blev svagare när kvarkarna kom närmare varandra. Det var väldigt konstigt. De krafter vi möter dagligen, elektromagnetism och gravitation, verkar på motsatt sätt: de är starkare på korta avstånd från källan och svagare på långa. Det är det intuitiva sättet; det är så saker borde vara. Annars, till exempel, magneter skulle flyga från ditt kylskåp för att hålla fast vid den avlägsna lockande spis—förutom att på avstånd kylskåpet skulle börja se bra ut för dem igen. Och ändå, svag som den starka kraften var på mycket korta avstånd, var den stark nog vid längre för att frustrera fysiker som hade försökt hårt och misslyckats med att dra en kvark ur en proton. Ingen hade lyckats observera en i isolering.

Wilczek och Gross letade efter en kvantfältteori som kunde förklara en sådan kraft. Egentligen förväntade sig Gross att de skulle misslyckas; han ville bevisa att fältteori var en återvändsgränd. Men en typ av matematisk formalism, kallad icke-Abelisk mätteori, hade ännu inte prövats. Wilczek tillbringade ett halvt år på att fylla en anteckningsbok med beräkningar av hur partiklar skulle interagera genom ett icke-Abeliskt kvantfält. I slutet hade han en kraft som blev starkare på nära håll, som en bra kraft borde, som Gross förväntade sig—men till skillnad från vad som hade uppmätts vid Stanford. Wilczek kontrollerade de långa beräkningarna om och om igen. Sedan upptäckte Gross ett enda plustecken i fältekvationen som borde ha varit ett minus. Den skyltförändringen förändrade allt: QCD föddes.

inuti en proton, enligt QCD, är kvarkarna” asymptotiskt fria”, som Stanford-resultaten föreslog, vilket innebär att de rör sig nästan som om det inte fanns någon kraft mellan dem alls. Men friheten är en illusion: en kvark kan aldrig undkomma sina partners. När avståndet mellan dem ökar, så ökar kraften, och så är en egensinnig kvark oundvikligen in, som en bungee jumper. Det är därför ingen någonsin har eller någonsin kommer att se en ensam kvark, som, när du tänker på det, är djupt konstigt. ”Protonen har delar, men den kan inte tas ifrån varandra”, säger Alvaro de r Bisexjula, en teoretisk fysiker vid CERN. ”Du kan hålla en elektron i handen. Du kan inte hålla en kvark eller en gluon i handen.”

konstigheten kommer från gluonerna. Kvantkromodynamik, kraften som håller protoner ihop, modelleras nära på kvantelektrodynamik, kraften som håller atomer ihop—men gluonerna ändrar screening till antiscreening, intuitivt till Bisarrt. I kvantkromodynamik bär kvarkar en ny typ av laddning, kallad färg—som inte har något att göra med vanlig färg—och dessa laddningar genererar ett färgfält (därav namnet kromodynamik). Fältets kvant och sändaren av den starka kraften är gluonen. Liksom fotonen som överför den elektromagnetiska kraften är en gluon masslös. Men till skillnad från fotonen laddas en gluon. Det genererar sitt eget färgfält, utövar sin egen starka kraft och ineragerar med andra gluoner. Det leder ett rikt liv.

färgfältet, som det elektromagnetiska, kan anses ha två komponenter-kalla dem färgelektriska och färgmagnetiska. En snabbrörlig färgladdning—gluoner rör sig med ljushastighet-genererar ett starkt färgmagnetiskt fält. Gluoner är alltså som små dipolmagneter. Gluonerna som omger en kvark anpassar sig parallellt med sitt färgfält, som magneter skulle, och så istället för att försvaga det, som virtuella partiklar gör ett elektronfält, stärker de det. De antiscreen Kvarken, förstärker sitt fält. Här fungerar lampanalogin inte längre—Kvarken är en svag glödlampa som på något sätt blir ljusare utanför skuggan.

det är det som håller en proton tillsammans, och det är det som ger den en bisarr intern struktur. Om en kvark lyckas komma in i andras gluonmoln, känns det bara en svag attraktion. Men ju längre bort det går, desto mer känns det extra drag av gluoner-gluoner som emitteras av kvarkarna, gluoner som emitteras av andra gluoner, gluoner som materialiseras till virtuella kvark-antikvarkpar, som utbyter fler gluoner. ”Kvarkarna utlöser hela saken, men när det börjar är det en mycket kraftfull process, eftersom gluonerna interagerar”, säger Wilczek. ”Det är en slags runaway process.”

i 1974 föreslog de r Bisexjula, Politzer, Wilczek och några andra fysiker denna gluonisering av protonen och föreslog hur den en dag skulle kunna mätas. Två decennier senare började forskare på HERA göra just det. HERA är en ringformad accelerator, nästan fyra mil runt, där elektroner som gör 47 000 varv per sekund krossas i protoner som går åt andra hållet. Ju större kollisionsenergi, desto djupare kan en elektron borra i en proton innan den avböjs. Genom att mäta hur elektronen avböjs i miljontals kollisioner kan fysiker samla in information om de interna komponenterna som gör avböjningen. Det är som att ta en bild av insidan av en proton, säger Wilczek, pixel för pixel—och resultaten passar det förslag han och hans kollegor gjorde för årtionden sedan.

”det är bara på den grövsta nivån att en proton är gjord av tre kvarkar”, säger Wilczek. ”När du tittar nära och kommer in i dessa moln och börjar se grundstrukturen ser du att det mest är lim.”

vilket gör allt mer intressant frågan om hur universum någonsin lyckats utforma en sådan sak.

att besöka ett partikelfysiklaboratorium ska slås av en skala i skala—mellan de små föremålen som studeras och de enorma resurser—människor, maskiner, datorkraft, elkraft, utrymme, pengar—som ägnas åt det. (Om den infrastrukturen verkar vara ett högt pris att betala för information om universums ursprung, anser du att webben—utformad för att hjälpa forskare att kommunicera enorma datafiler—är ett CERN-hjärnbarn.) CERN förbrukar nästan lika mycket el som staden Geneva, dess granne. CERNs största accelerator, den stora elektron-Positron collider, upptar en cirkulär tunnel 17 miles runt. Under de kommande åren kommer den att demonteras och ersättas av en ännu kraftfullare accelerator, Large Hadron Collider, som kommer att återskapa den energi som fanns en biljondels sekund efter Big Bang. (Hadroner är kärnpartiklar, som protoner, som är gjorda av kvarkar och gluoner.) För att göra en kvark-gluonplasma behöver du inte gå så långt tillbaka i tiden—den första mikrosekund kommer att göra—så du behöver en mindre kraftfull accelerator.

fortfarande är Super Proton Synchrotron vid CERN mer än fyra miles runt. Den är inrymd i en tunnel som ligger 300 meter under jord, och i den tunneln, inuti ett aluminiumrör bara några inches bred, accelereras blykärnor av magneter till 99,9 procent av ljusets hastighet. De leds sedan upp till ytan och in i en enorm, fabriksliknande hall, 300 meter lång. Aluminiumröret gafflar i olika detektorer, där blykärnorna—var och en bestående av 208 protoner och neutroner, de elektriskt neutrala tvillingarna av protoner—smashar i en bit blyfolie som bara är några hundra mikrometer tjock.

vad som händer nästa, i teorin, är enkelt: Kollisionen skapar en eldboll som är tillräckligt intensiv för att smälta protonerna och neutronerna. Kvarkarna och gluonerna cirkulerar fritt, som de gör djupt inuti en proton, men nu över en region som är många protoner breda och bildar en kvark-gluonplasma. ”Om du kör filmen från Big Bang bakåt blir den tätare och tätare, varmare och varmare”, säger Reinhard Stock från University of Frankfurt, som hjälpte till att designa en av CERN-detektorerna, ”och vi vet att alla bundna strukturer bryts upp när deras energitäthet överstiger deras bindande energi.”Kvantkromodynamik kräver att en kvark-gluonplasma existerar vid en viss energitäthet”, men du måste bevisa att den existerar”, säger Stock. ”Och det är därför vi har varit här de senaste 15 åren.”

problemet är att laboratoriebrandbollen expanderar snabbt och svalnar snabbt, precis som den ursprungliga måste ha gjort. Plasman överlever endast 10-22 av en sekund innan kvarkarna och gluonerna kondenserar igen till protoner och andra hadroner. Vad fysiker faktiskt upptäcker är en spray av tusentals sådana partiklar som kommer ut på baksidan av blyfolien. I lagerets detektor flyger partiklarna sedan genom en rumstor låda med argongas och knackar elektroner av argonatomer. Räknare registrerar elektronerna, och datorer rekonstruerar partikelspåren, vilket avslöjar deras identitet. När fysiker har analyserat datafloden-varje kollision ger 10 megabyte data, och Stock och hans kollegor har spelat in miljontals kollisioner—kan de lära sig något om den plasmaproducerande eldbollen.

under de senaste åren har Stocks detektorer och andra på CERN bekräftat att eldbollarna är tillräckligt heta och täta för att producera kvark-gluonplasma. De har hittat ett överskott av partiklar som innehåller ”konstiga” kvarkar och en brist på sådana som innehåller ”charm”—vilka båda är biverkningar som förutses av kvantkromodynamik. (Konstiga kvarkar och charmkvarkar är exotiska slag som inte finns i vanliga partiklar.) Allt motsvarar ett kraftfullt fall som CERN har skapat kvark-gluonplasma-men det motsvarar inte bevis. ”Problemet är att de inte har kunnat observera det direkt”, säger Tom Ludlam, fysiker vid Brookhaven National Laboratory. Brookhavens relativistiska Heavy Ion Collider, som är planerad att börja göra fysik i sommar, kommer att kollidera kärnor av guld vid 10 gånger den energi som är möjlig vid CERN och så uppnå temperaturer som gör att en kvark-gluonplasma kan överleva ett litet ögonblick längre. När kvarkarna svalnar från en biljon grader, bör de avge värmestrålning, i form av gammastrålningsfotoner. Det är den mest direkta möjliga signalen från kvark-gluonplasman, och Brookhavens collider borde kunna upptäcka den. Du kan tänka på det som ljusblixten som universum emitterade när alla dess protoner föddes.även forskarna vid Brookhaven kommer inte att kunna svara på frågan om var protoner kommer ifrån. Ett centralt mysterium kommer att förbli. Inuti en proton, som gluoner kommer och går, som kvarkar och antikvarkar kommer och går i sina otaliga svärmar, förblir ett tal konstant: det finns alltid tre kvarkar än det finns antikvarkar. Det är kvarkarna som,” på den mycket grövsta nivån”, som Wilczek uttrycker det, utgör protonen. Varför är de viktiga och inte antimateria? Varför är universum tillverkat av materia och inte antimateria? Svaret går utöver kvantkromodynamik. En liten obalans mellan kvarkar och antikvarkar, om Wilczek och andra teoretiker har rätt, fanns redan i den primordiala kvark-gluonplasman. Att förstå dess ursprung kommer att kräva acceleratorer som når ännu högre energier, till exempel CERNs Large Hadron Collider. Det kommer att kräva nya typer av teorier—av vilka vissa tyvärr kan kräva att vi börjar tänka på partiklar som små slingor av sträng och universum som har många fler dimensioner än de fyra vi känner och älskar. när fysiken utvecklas kan bilden av protonen som kvantkromodynamiken har gett oss komma att verka lugnande konkret och solid—även om solid är precis vad en proton inte är. Att flyga in i en-om du kan tänka dig att göra det, rida den starka kraften i en slags subnuclear glider—skulle vara som att falla genom jordens atmosfär. Protons övre atmosfär är en tunn cirrus av virtuella kvark-antikvarkpar; de bildar en sköld för vad som ligger nedanför. När du faller förbi dem blir atmosfären tätare och tätare, molnen tjockare och tjockare. Ditt plan slås med ökande frekvens och kraft av blixtar av färgblixtar—gluonerna. Och sedan, kanske fyra femtedelar av vägen genom din härkomst, kommer du ut ur molntäcket. Resan är lugnare nu. Blixtbultarna har inte försvunnit, de har smält till ett kontinuerligt ark, och på något sätt känner du dig omedelbart fjäderlätt och immun från alla krafter. Du är nära protonens centrum nu, helt fångad när du faller mot asymptoten av fullständig frihet, och du hittar . . . inte mycket.

”ju närmare du tittar, desto mer hittar du protonen upplöses i massor av partiklar, som var och en bär mycket, mycket lite energi”, säger Wilczek. ”Och verklighetens element som utlöste hela saken, kvarkarna, är dessa små små saker mitt i molnet. Faktum är att om du följer utvecklingen till oändligt korta avstånd går utlösningsladdningen till noll. Om du verkligen studerar ekvationerna blir det nästan mystiskt.”