Partikelzoo udvides

I begyndelsen af 1940’erne så det ud til, at fysikerne var ved at få styr på de fundamentale partikler og deres vekselvirkninger. De kendte til elektroner, protoner og neutroner samt neutrinos og endda positroner, elektronernes “antipartikler”, som Paul Dirac havde forudsagt i 1920’erne. De forstod, at der fandtes kræfter ud over tyngdekraften og elektromagnetismen, den stærke og den svage kernekraft, og de arbejdede på at forstå dem bedre.

Men der opstod gåder, efterhånden som der dukkede uventede nye partikler op. Fysikere opdagede myoner i kosmisk stråling ved hjælp af et skykammereksperiment i 1936. (Navnet “skykammer” kommer af det faktum, at elektrisk ladede partikler, der bevæger sig gennem vanddamp, danner små spor af skyer i deres kølvand). De fandt pioner på lignende måde i 1947.

Samme år meddelte Butler og Rochester, at de havde fundet partikler, som de kaldte V+ og V0. Ud fra et sæt “usædvanlige forgreninger” i deres data konkluderede de, at der fandtes to ret massive partikler, den ene positivt ladet og den anden neutral, som var brudt fra hinanden i andre partikler.

Partiklerne havde en række besynderlige egenskaber. For det første var de tunge – omkring fem gange massen af en myon – hvilket førte til en anden gåde. Normalt har tungere partikler kortere levetid, hvilket betyder, at de bliver hængende i kortere tid, før de henfalder til andre, lettere partikler. Men efterhånden som eksperimenterne fortsatte, opdagede forskerne, at partiklerne på trods af deres tyngde havde relativt lange levetider.

Et andet mærkeligt træk: Partiklerne var nemme at fremstille, men fysikerne syntes aldrig at kunne fremstille bare én af dem ad gangen. Hvis man f.eks. smadrede en pion og en proton sammen, kunne man skabe de nye partikler, men kun parvis. Samtidig kunne de henfalde uafhængigt af hinanden.

En mærkelig ny verden

I 1950’erne udtænkte Murray Gell-Mann, Kazuo Nishijima, Abraham Pais og andre en måde at forklare nogle af de mærkelige adfærdsmønstre, som kaoner og andre nyopdagede partikler udviste. Ideen var, at disse partikler havde en egenskab, der blev kaldt “mærkelighed”. I dag forstår fysikere “strangeness” som et fundamentalt kvantetal, der er forbundet med en partikel. Nogle partikler har strangeness lig med nul, men andre partikler kan have strangeness lig med +1, -1 eller i princippet et hvilket som helst andet heltal.

Vigtigt nok skal strangeness forblive konstant, når partikler produceres gennem stærke kernekræfter, men ikke når de henfalder gennem svage kernekræfter.

I eksemplet ovenfor, hvor en pion og en proton kolliderer, har begge disse partikler strangeness lig med 0. Desuden er denne vekselvirkning styret af den stærke kraft, så strangeness for de resulterende partikler skal også være lig med nul. For eksempel kunne produkterne omfatte en neutral kaon, som har strangeness 1, og en lambdapartikel, som har strangeness -1, hvilket ophæver kaonens strangeness.

Det forklarede, hvorfor mærkelige partikler altid optrådte i par – en partikels strangeness skal ophæves af en anden partikels strangeness. Det faktum, at de opbygges gennem stærke vekselvirkninger, men henfalder gennem svage vekselvirkninger, som har tendens til at tage længere tid at spille ud, forklarede de relativt lange henfaldstider.

Disse observationer førte til flere mere fundamentale indsigter, siger Jonathan Rosner, teoretisk fysiker ved University of Chicago. Da Gell-Mann og kolleger udviklede deres teori, så de, at de kunne organisere grupper af partikler i bundter, der var beslægtet med fremmedhed og elektrisk ladning, et skema, der i dag er kendt som The Eightfold Way. Bestræbelserne på at forklare denne organisering førte til forudsigelsen af et underliggende sæt partikler: kvarker.

Det lange og korte af det hele

Et andet vigtigt træk ved teorien om fremmedhed: Da forskerne fandt ud af, at fremmede kaoner kunne henfalde til f.eks. almindelige pioner, formodede de, at den svage kernevekselvirkning, i modsætning til den stærke kernevekselvirkning, ikke behøvede at holde fremmedheden konstant. Denne observation satte gang i en række teoretiske og eksperimentelle udviklinger, som fysikerne stadig kæmper med den dag i dag.

Med udgangspunkt i teorier, der foreslog, at den neutrale kaon burde have en antipartikel med modsat fremmedhed af den neutrale standardkaon, ræsonnerede Gell-Mann og Pais, at den neutrale kaon gennem komplekse processer, der involverer svage vekselvirkninger, kunne forvandle sig til sin egen antipartikel.

Skemaet har en væsentlig konsekvens: Det indebærer, at der findes to nye partikler – i virkeligheden forskellige kombinationer af den neutrale kaon og dens antipartikel – med forskellige levetider. K-lang, som den nu kaldes, varer i gennemsnit omkring 50 milliardedele af et sekund, mens K-kort varer lige under en tiendedel af en milliardedel af et sekund, før den går i stykker. Forudsigelsen af disse partikler var blandt Gell-Manns yndlingsresultater, siger Rosner, fordi det var så let at finde frem til dem ud fra den grundlæggende kvantefysik.

En symmetri i naturen, detroniseret

En af de vigtige ting ved K-lang og K-kort, i det mindste i Gell-Mann og Pais’ teori, var, at de adlød noget, der kaldes CP-symmetri. Groft sagt siger CP-symmetri, at hvis man byttede hver partikel ud med sin antipartikel og vendte rummet rundt i en slags spejlvendt univers, ville fysikkens love forblive de samme. CP-symmetri gælder i al klassisk fysik, og det var CP’s kvantevariant, som motiverede Gell-Mann og Pais. (Teknisk set var Gell-Mann og Pais oprindeligt motiveret af C-symmetrien alene, men de måtte opdatere deres teori, da eksperimenterne fastslog, at svage vekselvirkninger krænkede både ladningskonjugation og paritetssymmetri – men på en sådan måde, at CP i sig selv syntes at forblive en god symmetri).

Ironisk nok førte et resultat, der var motiveret af CP-symmetrien, til dens undergang: I 1964 opdagede James Cronin, Val Fitch og samarbejdspartnere, der arbejdede på Brookhaven National Laboratory, at K-langen kunne – meget sjældent – splittes op i to pioner, en reaktion, der krænker CP-symmetrien. Kaon-henfald krænkede altså alligevel CP-symmetrien.