CERN kiihtyvä tiede

vuonna 1964 kaksi fyysikkoa esitti itsenäisesti kvarkeiksi kutsuttujen subatomisten hiukkasten olemassaolon.

fyysikot Murray Gell-Mann ja George Zweig laativat itsenäisesti teorian vahvasta vuorovaikutussymmetriasta hiukkasfysiikassa. Tässä yhteydessä he ehdottivat, että voimakkaasti vuorovaikuttavien hiukkasten – hadronien – tärkeät ominaisuudet voitaisiin selittää, jos ne koostuisivat alkuainehiukkasista.

vuonna 1961 Gell-Mann oli ottanut käyttöön kahdeksanosaiseksi kutsumansa symmetriajärjestelmän, joka perustui matemaattiseen symmetriaan, joka tunnetaan nimellä SU(3). Järjestelmä (josta hän sai Nobelin fysiikanpalkinnon vuonna 1969) luokitteli hadronit kahteen pääryhmään, pikemminkin niin kuin Jaksollinen järjestelmä luokittelee alkuaineet.

Gell-Mann rakensi tämän työn pohjalta uuden mallin, joka kykeni kuvaamaan onnistuneesti muun muassa protonien ja neutronien magneettisia ominaisuuksia. Gell-Mannin malli kuitenkin edellytti kolmen uuden alkeishiukkasen olemassaoloa, joita hän kutsui ”kvarkeiksi.”

Gell-Mann kertoo keksineensä ensin äänen ”quork” ja myöhemmin sattumalta lauseen ”kolme kvarkkia Muster Markille” James Joycen teoksessa Finnegans Wake. Kuten Joyce oletettavasti tarkoitti sanan rimmaavan ”Mark” – sanan kanssa, ihmiset ovat olleet siitä lähtien erimielisiä ääntämyksen suhteen.

fyysikko George Zweig antoi oman panoksensa alalle ollessaan vierailijana CERNissä 17. tammikuuta 1964 päivätyssä tutkielmassa, jossa hän ehdotti: ”sekä mesonit että baryonit rakentuvat kolmen perushiukkasen joukosta, joita kutsutaan Ässiksi.”Vaikka Zweigin hiukkasille antama nimi ei pitänytkään, hän osoitti, että joitakin hadronien ominaisuuksia voitiin selittää käsittelemällä niitä muiden hiukkasten kolmosina.

sekä Gell-Mannin kvarkkien että Zweigin Ässien sähkövarausten piti olla yhtä suuret kuin 1/3 tai 2/3 elektronin tai protonin, mikä viittaa siihen, että kokeellinen etsintä näiden rakenneosien löytämiseksi paljastaisi, onko niitä olemassa vai ei.

vuonna 1968 yhdysvaltalaisessa Stanford Linear Accelerator Centerissä (SLAC) MIT-SLAC-yhteistyönä tehdyt elektroni-protoni-sirontakokeet paljastivat ensimmäiset merkit siitä, että nukleoneilla on sisärakenne. Ryhmä ampui elektroneja protoneihin ja tarkkaili, kuinka elektronit kimposivat pois. Sirontakuvioiden todettiin johtuvan protonien sisällä olevista pistemäisistä hiukkasista. Seuraavina vuosina, kun nämä tulokset yhdistettiin muihin CERNin gargamellen kuplakammiossa tapahtuvasta neutriinojen sironnasta saatuihin tuloksiin, kävi selväksi, että näillä aineosilla todella on varauksia 1/3 ja 2/3.

kvarkit ovat nykyisin keskeinen osa standardimallia. CERNin lukuisissa kokeissa, kuten Large Hadron Colliderissa (LHC), fyysikot mittaavat Gell-Mannin ja Zweigin hiukkasten ominaisuuksia yhä suuremmalla tarkkuudella.

lisää kvarkeista

• Katso George Zweigin tekninen selvitys kvarkkien historiasta (kirjattu Cernissä syyskuussa 2013)