Protonen

 
Materiens stabila kärnpartikel

 

   

 

 

 

Partikelfysik

 



 

 Elementarpartiklar


 

 


 

 

 

 

 

 

 



 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Det har varit något av en gåta hur atomkärnans enklaste partikel kan vara så stabil och ändå reagera så aktivt med andra partiklar. Hur ser protonens inre struktur egentligen ut och vad händer under en växelverkan med protonens syskonpartikel, neutronen?

 

Protonens struktur
 

Den här protonmodellen bygger på att neutriner har såväl massa, laddning samt en förmåga att befinna sig i vila i tomrummet. Därför ses neutrinon i själva verket som bäraren av den svaga kraften. En neutrino kan hålla samman två kvarkar av samma laddning om den själv är av motsatt polaritet. Bilden visar protonens inre struktur. En positiv Z-kvark i mitten flankeras av tre elektronneutriner och en negativ Y-kvark med tillhörande antineutrino i ett yttre skal.

Protonsystemet liknar till det yttre ett litet solsystem men där upphör likheten för de sex partiklarna befinner sig alltid på linje och roterar utifrån Z-kvarkens laddningscentrum. Det finns ingen egentlig koppling till begreppet supersträngar men tanken går dit eftersom de enskilda partiklarna ständigt är i konjunktion. Energisträngen roterar i alla riktningar med sådan enorm hastighet att protonen förefaller homogen.



Baspartiklarna
 

Kvarkarna i den här modellen bör inte förväxlas med den rådande fysikens kvarkar, reglerna stämmer inte överens. Emellertid finns även här laddningar på 1/3 och 2/3. Den tyngsta kvarken, kallad Z, har laddningen 4/3. Kvarken skapas inte genom delning utan genom sammanslagning av en X-kvark med spinn (Xs) och en X-kvark utan spinn (X). Båda dessa måste givetvis ha samma laddning vilket bildar den större Z-partikeln som alltid har spinn ½.

Kvarkar med motsatt laddning kan normalt sett inte slås samman pga den elektriska repulsionen men när två spinn är likriktade eller ett spinn ställs mot en spinnlös partikel sker en spinnkoppling som har en attraktionseffekt. Spinnet har oerhörd betydelse på partikelnivån.



Protonens spinnförhållande

Protonen i sin helhet har spinnet ½ vilket leder oss att analysera dess enskilda partiklar. Den tunga Z-kvarken ger vi ett positivt spinn (+ ½) i analogi med dess laddning. Neutriner har alltid spinn ½ och vi har i kärnan tre stycken ”negativa” neutriner med spinn (– ½) och en ”positiv” neutrino med spinn (+ ½). Summerar vi detta hamnar vi på spinn (– ½) och vi kan då sluta oss till att protonens Y-kvark helt saknar spinn.
 


Den wobblande elektronen
 

Innan vi kan närma oss kvarkarnas tillblivelse måste vi först studera en av elektronens egenskaper. Vid kollisioner eller spontant vid höga energier kan elektronen komma i svängning (wobbla).

 

Ljusvågen (fotonen) har en tröskelenergi vid 1.02 MeV där fotonen delar upp sig och bildar ett elektron/positron-par. Om energin skulle vara högre än tröskelenergin kan de bildade partiklarna råka i svängning. Det är just denna wobbling som i de kritiska punkterna (K1 och K2) kan ge upphov till ytterligare ett fenomen; kvarkbildning.
 


Kvarkbildning
 

Om den svängande elektronen delar sig vid den första kritiska punkten (K1) skapas en X-kvark och en Y-kvark. Det existerande G-vågfältet runt den accelererande elektronen (som har en droppformad struktur) gör att en mindre kvark (y) bildas bakom den större kvarken (Xs).

 

Spinnet vid uppdelningen stannar vid denna reaktion i regel kvar hos X-kvarken. Spinnet delar aldrig upp sig mellan kvarkarna. Delningen av elektronen ger även upphov till ett neutrinopar. Dessa neutriner är något tyngre än elektronneutriner och benämns Myonneutriner. En av de nybildade neutrinerna kvarstannar hos kvarkarna som därmed bildat en Pion. Två (anti)-elektronneutriner finns också med sen elektronens tid.
 

När elektronen delar sig vid den andra kritiska svängningspunkten sker uppdelningen i form av tre Y-kvarkar, en Kaon. Spinnet hamnar då som regel i den mellersta kvarken. Elektronens andra kritiska svängningspunkt behöver inte inträffa efter den första. Man bör istället se uppdelningen i tre kvarkar som en mer energikrävande händelse.

 


Neutronen
 

Protonen har en något tyngre syskonpartikel som är elektriskt neutral; Neutronen. Det som skiljer partiklarna åt är ett nytt skal som vi placerar utanpå de övriga. Till detta skal ansluter sig en elektron i linje med övriga partiklar men i en position så långt från protonens Y-kvark som möjligt. Den kommer därvid att med elektrosvag kraft knyta sig till protonens antineutrino samtidigt som den attraherar den positiva Z-kvaken.

En av elektronens två tillhörande antineutriner lägger sig i samma skal, i linje med de övriga. Den tar sin position närmast protonens Y-kvark, som den attraherar elektromagnetiskt men även med en viss spinnkoppling. Den överblivna antineutrinon har ingen plats i systemet utan skickas iväg. En neutron som sönderfaller skapar ett neutrinopar ur vakuum, elektronen behåller antineutrinon för att bli komplett och neutrinon sänds iväg.
 



Stark växelverkan

I en tyngre atom med flera kärnpartiklar är elektroner inte knutna till specifika protoner. Det sker ett ständigt utbyte av partiklarna i nukleonernas yttre skal, vilket även innefattar neutronens yttersta antineutrino. Utbytet gör att två protoner, som borde stöta bort varandra, istället binds samman mycket kraftfullt. Denna starka växelverkan förlorar dock snabbt sitt inflytande så snart avståndet mellan protonerna ökar. Men även vid frånvaron av elektroner förekommer en stark växelverkan mellan protoner, kraften förmedlas då av ett utbyte av protonernas y-kvarkar.

 

På atomnivån förväntas neutronens elektron kunna bilda en stabil förening med sin antineutrino vilket ger den negativt laddade utbytespartikeln W, en av de s.k. "bosonerna". I fritt tillstånd vill elektronen alltid omge sig av två antineutriner, W-bosonen är således uteslutande en allians som bildas när atomnumret (antalet protoner i atomkärnan) är större än 1. Neutronen är inte helt stabil i fritt tillstånd utan sönderfaller med en halveringstid av ca 10 min. Det är sannolikt fria neutriner i vakuum som reagerar med neutronens antineutriner, resultatet blir sönderfallet; n → p + antiVe.
 

 
 

Tillbaka