Svar:
Kärnkrafter kallas också stark växelverkan. Den verkar mellan neutroner och protoner (och vissa andra kortlivade partiklar), och utgör "limmet" som håller ihop atomkärnan. Den har kort räckvidd, men är mycket stark - starkare än repulsionen mellan positiva protoner.

Ser vi det på kvarknivå, är färgkraften ansvarig för att hålla ihop de tre kvarkarna i protoner och neutroner (nukleoner). Den förmedlas här av en sorts "limpartiklar" som kallas gluoner. Teorin kallas QCD eller kvantkromodynamik (Kvantkromodynamik). Gluonerna är masslösa (tror man) och skapas och absorberas hela tiden av kvarkarna. Se fråga [15154] för de olika typer av gluoner som finns. Detta utbyte av partiklar är likt beskrivningen av den elektromagnetiska kraften som ett utbyte av fotoner. Skillnaden är att gluonerna har färgladdning medan fotonerna är oladdade.

En annan skillnad är att avståndsberoendet är helt annorlunda. Den elektromagnetiska kraften avtar med avståndet r som 1/r². Färgkraften är försumbar på små avstånd men mycket stor på stora avstånd (1 fm). Detta kallas asymptotisk frihet (Asymptotic_freedom).

För atomkärnan ser man kärnkraften som en van der Waalskraft (Van_der_Waals_force) som orsakas av att man får en polarisation av de tre färgerna i nukleonerna. Teorierna som beskriver detta är dels exakta (QCD_lattice_model) och dels störningsteorier. Man har emellertid ännu inte kommit fram till en helt tillfredsställande beskrivning.

Alternativt kan man beskriva kärnkraften som ett utbyte av pioner. Denna klassiska modell (Yukawa_interaction) används fortfarande och ger bra resultat. Vid utbyte av laddade pioner byter nukleonerna skepnad, dvs protoner blir neutroner och tvärtom. Se figuren i länk 1.

Utbyteskraften i atomkärnor illustreras i figuren nedan (Strong_interaction) med följande figurtext:

An animation of the nuclear force (or residual strong force) interaction between a proton and a neutron. The small colored double circles are gluons, which can be seen binding the proton and neutron together. These gluons also hold the quark-antiquark combination called the pion together, and thus help transmit the a residual part of the strong force even between colourless hadrons.

Observera att figuren visar utbyte av en oladdad pion, vilken naturligtvis inte ger förändring proton-neutron.

Du kan läsa mer om det här: The ABC's of Nuclear Science och färgkraften.

Tack Kevin för en lektion i QCD för kärnfysiker!

/KS/lpe 1999-10-11

Svar:
Dina synpunkter är alldeles riktiga, kvarkarna har naturligtvis
inga färger. Det är en annan egenskap som man betecknar med "färg", nämligen en sorts laddning.

Det finns två sorters vanlig (elektrisk) laddning, + och -. Olika laddningar attraheras, lika stöts bort. Om man lägger ihop en enhet positiv laddning och en enhet negativ laddning så blir resultatet ingen laddning alls, och ingen elektrisk kraftverkan med omgivningen. Eftersom den elektriska kraften är ganska stark, så drar ett laddat föremål till sig den motsatta laddningen. Detta är anledningen till att de flesta föremålen omkring oss är oladdade.

Kvarkar hålls samman av något som kallas den starka kraften eller färgkraften. Denna har den udda egenskapen att ha tre laddningar. Vad skall vi kalla dessa? Jo, vi är ju vana att addera grundfärgerna RGB till andra färger och vitt ljus. Så vi kallar helt enkelt kvark-laddningarna (hm, ett problem här är att kvarkarna har vanliga laddningar också, men låt oss bortse från det) rött, grönt och blått.

Partiklar (baryoner, mesoner) måste vara ofärgade eftersom färgkraften är så stark. Det kostar helt enkelt för mycket energi för att separera färgerna.

En proton består av tre kvarkar (bilden i mitten nedan), med färgerna blå, röd och grön. Blandar man lika mängder av dessa ljussorter, får man vitt ljus. En meson består av en kvark och en antikvark (bilden till vänster), som till exempel kan ha färgerna grön och antigrön, vilket blir ofärgat. Det finns alltså antifärger i detta sammanhang. De har ingen motsvarighet i vår vardagstillvaro. Anledningen till att alla partiklar måste vara färglösa är att en färgad partikel omedelbart drar åt sig färger för att kompensera sin färg.

Färgkraften har den märkliga egenskapen att den är mycket svag vid små avstånd och blir stark först när avståndet närmar sig 1 fm (storleken av en nukleon). Detta medför två saker:

1 Kvarkarna är i stort sett fria inne i en nukleon eller meson (asymptotisk frihet, Asymptotic_freedom). Kraften mellan kvarkarna är alltså noll för avstånd som är mindre än c:a 1 fm, medan kraften blir mycket starkt attraktiv vid större avstånd.

2 Man kan inte observera fria kvarkar eftersom färgkraften på stora avstånd motsvarar så hög energi att det bildas mesoner som består av kvark-antikvark par, se nedanstående figur där R, G, och B symboliserar kvarkar.

nukleon

(R G B)

.

försök att ta loss den blå kvarken

R G (B &124; antiB) B

kvark/antikvark inom parantesen skapas

.

slutresultatet

(R G B) (antiB B)

 nukleon meson (båda färglösa)

Eftersom kraftförmedlarpartiklarna, gluonerna, har en färg och en annan anti-färg (se fråga [15154] nedan), innebär utbytet av gluoner att kvarkarna hela tiden skiftar färg.

Se vidare Strong_interaction, Quantum_chromodynamics, Quark och Gluon. Bilden är från Wikimedia Commons.

/KS/lpe 2000-04-07

Svar:
Alf! Det finns 8 olika gluoner. Alla med färg/antifärg kombinationer. Eftersom det finns tre färger - rött, grönt, blått - tycker man att det skulle finnas 9 gluoner. Av subtila skäl som är ganska svårt att förstå finns det i själva verket bara 8 gluoner, se Gluon och länk 1.

Den speciella kombinationen som faller bort är



Anledningen är att denna skulle kunna växelverka med vilken färg som helst utan att ändra egenskaper. Någon sådan växelverkan har inte observerats, så denna kombination faller bort.

Lite förenklat fungerar utbytet av gluoner som i nedanstående tabell. Vi utgår från en röd och en grön kvark (1). Den gröna kvarken sänder ut en grön/antiröd gluon och blir röd (2). Den ursprungliga röda kvarken absorberar gluonen och blir grön (3). Kvarkarna har alltså bytt färger och det är detta som ger attraktionen.

1 R G

.

2 R granti R

.

3 G R 

/Peter E 2007-02-19

Svar:
Nej, det är ingen fara! Det bildas inga svarta hål!

Förhoppningsvis kan man genom kollisioner åstadkomma materia med mycket hög temperatur och densitet, och denna skulle kunna ha andra egenskaper än vanlig materia - den skulle kunna tänkas innehålla fria kvarkar. Detta kallas kvark-gluon plasma. Men som sagt, det är helt ofarligt. Naturen utför ännu mer våldsamma experiment när kosmisk strålning träffar jorden. Det förekommer kärnpartiklar med energier upp till 1 joule i den kosmiska strålningen - detta är mycket mer än vad man kan åstadkomma med LHC.

Det andra man vill åstadkomma med LHC är att hitta den s.k. higgspartikeln. Denna behövs för den s.k. standardmodellen.

Länk 1 nedan är en artikel om LHC från Sydsvenskan. Mer information finns på LHC och CERN. Den senare har en artikel om säkerheten med LHC där det bland annat står:

“The LHC will enable us to study in detail what nature is doing all around us,” said CERN Director General Robert Aymar. “The LHC is safe, and any suggestion that it might present a risk is pure fiction.”

Tillägg 11 september 2008:

Det har på andra sätt kommit in en del frågor om farligheten hos LHC. Delvis baseras detta på information i en liten artikel av Johan Hakelius i Aftonbladet. Han är dock tydligt ironisk mot uppgifterna, och han kan ju inte hjälpa att några tossar förutspår världens undergång. Det har alltid funnits sådana, se t.ex. The_End_Is_NighOrigin_of_name.

Anton har en annan synpunkt förutom jordens undergång: skall man lägga ner miljarder euro för att bygga en accelerator som kanske kommer fram till något som knappast är relevant för de flesta människor? Ja, så länge man har en hygglig balans mellan direkt nyttig forskning och nyfikenhetsforskning så tycker jag det! Hade människan inte varit nyfiken så hade vi varit kvar i träddungarna i Afrika!

Många av de nyttigheter vi har idag (och för all del även onyttigheter) är direkta resultat av nyfikenhetsforskning. Ett exempel från CERN är World Wide Web. I dag är webben en vida spridd och viktig nyttighet: från början var det ett sätt för forskarna att kommunicera sina resultat tills Tim_Berners_Lee kom på att kanske hela värden behöver kommunicera!

Det viktigaste skälet för nyfikenhetsforskning är emellertid att människan är inte människa om hon inte får ägna sig åt annat än det direkt för överlevnaden nyttiga! Det är ju ändå så att en symfoni av Beethoven, en vacker tavla och en liten förståelse hur vi passar in i universum gör livet rikare!

Tack Madelene för Aftonbladet-artikeln och Nils-Göran för Antons inlägg!

Två intressanta videor:


/Peter E 2008-09-10

Svar:
Ja, det kan tyckas konstigt. Problemet är att protonen inte bara består av tre kvarkar. Den innehåller (se nedanstående figur från länk 1) även massor av gluoner. Gluonerna har färger, så de kan växelverka med varandra och bilda virtuella kvark-antikvark par. I figuren är de ensamma blå bollarna (markerade) de tre kvarkarna. Övriga bollar är kvark-antikvark par, och spiralerna är gluoner. I själva verket kommer huvuddelen av protonens massa från gluonerna och de virtuella kvark-antikvark paren.

Detta är liknande fenomentet i QED (se nedan) att vakuum har en energi som kommer från virtuella elektron-positron par, se fråga [11001] och Vacuum_energy.

Se även ProtonQuarks_and_the_mass_of_a_proton.

Kvantteorin för den elektromagnetiska växelverkan är QED och motsvarande teori för färgkraften (stark växelverkan) är QCD. Här är lite av vad Wikipedia säger om dessa:

QED

Kvantelektrodynamik (QED efter engelska Quantum electrodynamics) är en fysikalisk teori grundad på kvantfysik och elektrodynamik som kan sägas vara en tillämpning av kvantfältteori på elektromagnetiska fält.

Under 1940-talet hade Feynman, Schwinger och Tomonaga var för sig lyckats visa att elektromagnetismen kunde skrivas som en fullgod kvantteori. Problemet var att enligt den relativistiska kvantmekaniken kan partiklar skapas om man har tillräckligt med energi. Detta betyder att då man sprider en elektron mot en annan elektron kan man skapa t.ex. ett extra elektron-positronpar. Har man inte tillräckligt med energi kan man ändå skapa dem virtuellt, eftersom Heisenbergs osäkerhetsprincip säger att så länge detta par lever tillräcklig kort tid kan det skapas. Detta betyder att man måste behandla teorin som en mångpartikelteori, en kvantfältteori, där man kan skapa ett godtyckligt antal partiklar så länge detta inte strider mot osäkerhetsprincipen. (Kvantelektrodynamik)

QCD

Kvantkromodynamik eller QCD (från eng. quantum chromodynamics) är inom partikelfysiken den teoretiska beskrivningen av stark växelverkan. Den starka kraften binder samman kvarkar till protoner, neutroner och andra hadroner och den håller också samman atomkärnorna som dessa protoner och neutroner bygger upp. Kvantkromodynamiken är en kvantfältteori som på den fundamentala nivån beskriver hur kvarkar växelverkar genom att byta ut masslösa partiklar med spinn 1 som kallas gluoner. (Kvantkromodynamik)

Se även fråga [20647].

/Peter E 2017-05-07