Partikelzoot expanderar
I början av 1940-talet verkade det som om fysikerna höll på att få grepp om de grundläggande partiklarna och deras växelverkan. De kände till elektroner, protoner och neutroner, liksom neutriner och till och med positroner, elektronernas ”antipartiklar” som Paul Dirac hade förutspått på 1920-talet. De förstod att det fanns krafter utöver gravitation och elektromagnetism, den starka och den svaga kärnkraften, och arbetade för att bättre förstå dem.
Men det uppstod gåtor när oväntade nya partiklar dök upp. Fysiker upptäckte muoner i kosmisk strålning med hjälp av ett experiment i en molnkammare 1936. (Namnet ”molnkammare” kommer från det faktum att elektriskt laddade partiklar som färdas genom vattenånga bildar små spår av moln i sitt kölvatten). De hittade pioner på liknande sätt 1947.
Samma år meddelade Butler och Rochester att de hade hittat partiklar som de kallade V+ och V0. Från en uppsättning ”ovanliga förgreningar” i deras data drog de slutsatsen att det fanns två ganska massiva partiklar, en positivt laddad och en neutral, som hade brutits sönder i andra partiklar.
Partiklarna hade ett antal märkliga egenskaper. För det första var de tunga – ungefär fem gånger massan av en myon – vilket ledde till en annan gåta. Vanligtvis har tyngre partiklar kortare livslängd, vilket innebär att de stannar kvar kortare tid innan de sönderfaller till andra, lättare partiklar. Men när experimenten fortsatte upptäckte forskarna att partiklarna trots sin tyngd hade relativt lång livslängd.
En annan märklig egenskap: Partiklarna var lätta att tillverka, men fysikerna verkade aldrig kunna tillverka bara en av dem åt gången. Slå ihop en pion och en proton, till exempel, och man kunde skapa de nya partiklarna, men bara parvis. Samtidigt kunde de sönderfalla oberoende av varandra.
En märklig ny värld
På 1950-talet utarbetade Murray Gell-Mann, Kazuo Nishijima, Abraham Pais och andra ett sätt att förklara några av de märkliga beteenden som kaoner och andra nyupptäckta partiklar uppvisade. Tanken var att dessa partiklar hade en egenskap som kallades för ”konstigheter”. I dag förstår fysiker att strangeness är ett fundamentalt kvanttal som är förknippat med en partikel. Vissa partiklar har en strangeness som är lika med noll, men andra partiklar kan ha en strangeness som är lika med +1, -1 eller i princip vilket heltal som helst.
Viktigt nog måste strangeness förbli konstant när partiklar produceras genom starka kärnkrafter, men inte när de sönderfaller genom svaga kärnkrafter.
I exemplet ovan, där en pion och en proton kolliderar, har båda dessa partiklar strangeness lika med noll. Dessutom styrs denna växelverkan av den starka kraften, så strangeness hos de resulterande partiklarna måste också summera till noll. Produkterna skulle till exempel kunna innehålla en neutral kaon, som har strangeness 1, och en lambdapartikel, som har strangeness -1, vilket upphäver kaonens strangeness.
Det förklarar varför konstiga partiklar alltid uppträder i par – en partikels strangeness måste upphävas av en annan partikels strangeness. Det faktum att de byggs upp genom starka växelverkningar men sönderfaller genom svaga växelverkningar, som tenderar att ta längre tid att spela ut, förklarade de relativt långa sönderfallstiderna.
Dessa observationer ledde till flera mer fundamentala insikter, säger Jonathan Rosner, teoretisk fysiker vid University of Chicago. När Gell-Mann och hans kollegor utvecklade sin teori såg de att de kunde organisera grupper av partiklar i buntar som var relaterade till konstigheter och elektrisk laddning, ett schema som idag är känt som The Eightfold Way (den åttafaldiga vägen). Försöken att förklara denna organisation ledde till förutsägelsen av en underliggande uppsättning partiklar: kvarkar.
Det långa och korta perspektivet
Ett annat viktigt inslag i strangeness-teorin: När forskarna upptäckte att konstiga kaoner kunde sönderfalla till exempelvis vanliga pioner, antog de att den svaga kärninteraktionen, till skillnad från den starka kärninteraktionen, inte behövde hålla konstigheterna konstanta. Denna observation satte igång en rad teoretiska och experimentella utvecklingar som fysiker fortfarande brottas med i dag.
Med utgångspunkt i teorier som föreslog att den neutrala kaon borde ha en antipartikel med motsatt strangeness till den neutrala standardkaon, resonerade Gell-Mann och Pais att den neutrala kaon genom komplexa processer som involverar svaga växelverkningar kunde omvandlas till sin egen antipartikel.
Systemet har en viktig konsekvens: Det innebär att det finns två nya partiklar – i själva verket olika kombinationer av den neutrala kaon och dess antipartikel – med olika livslängd. K-lång, som den nu kallas, varar i genomsnitt ungefär 50 miljarddels sekunder, medan K-kort varar knappt en tiondels miljarddels sekund innan den bryts sönder. Rosner säger att förutsägelsen av dessa partiklar var ett av Gell-Manns favoritresultat, eftersom det var så lätt att få fram dem ur den grundläggande kvantfysiken.
En naturens symmetri, detroniserad
En av de viktiga sakerna med K-lång och K-kort, åtminstone i Gell-Manns och Pais teori, var att de lydde något som kallas CP-symmetri. I grova drag säger CP-symmetri att om man bytte ut varje partikel mot dess antipartikel och vände på rymden till ett slags spegelbildsuniversum, skulle fysikens lagar förbli desamma. CP-symmetri gäller i all klassisk fysik, och det var CP:s kvantvariant som motiverade Gell-Mann och Pais. (Tekniskt sett motiverades Gell-Mann och Pais ursprungligen enbart av C-symmetrin, men de var tvungna att uppdatera sin teori när experiment fastställde att den svaga växelverkan bröt mot både laddningskonjugering och paritetssymmetri – men på ett sådant sätt att CP i sig verkade förbli en bra symmetri).
Ironiskt nog ledde ett resultat som motiverades av CP-symmetrin till dess fall: År 1964 upptäckte James Cronin, Val Fitch och medarbetare som arbetade vid Brookhaven National Laboratory att K-lång kan – mycket sällan – brytas upp i två pioner, en reaktion som bryter mot CP-symmetrin. Kaonfallet bröt trots allt mot CP-symmetrin.