Hadronfysikteori

Hadronfysiken är ett spännande vetenskapsområde i gränslandet mellan kärn- och partikelfysik. Här studeras den starka kraft som binder samman några av materiens mest fundamentala beståndsdelar, kvarkar och gluoner, till de partiklar vi observerar, hadronerna. Exempel på hadroner är baryoner (trekvarksystem) och mesoner (kvark-antikvarksystem). Protoner och neutroner, vanligen kallade nukleoner, är de mest kända exemplen på baryoner. Nukleoner bygger upp atomkärnan och utgör mer än 99% av universums synliga massa.

Den teori som beskriver hur kvarkar och gluoner växelverkar kallas kvantkromodynamik (QCD). Teorin fungerar väl vid mycket korta avstånd, dvs. vid höga kollisionsenergier. I vissa avseenden liknar QCD elektromagnetism, men det finns en viktig skillnad: medan den elektromagnetiska kraftbäraren, fotonen, är elektriskt neutral, bär kvantkromodynamikens kraftbärare gluonen själv den starka kraftens laddning. Detta ger en stark självkoppling vilket ger upphov till två aspekter som saknar motsvarighet inom den övriga fysiken. Den första är att hadronernas beståndsdelar, dvs. kvarkarna och gluonerna, tillsammans bidrar med enbart några få procent till hadronens totala massa. Den resterande massan genereras av den starka växelverkan själv. Den andra aspekten är det faktum att kvarkar och gluoner inte observeras som fria partiklar utan bara i sammanbundna system. Dessa båda fenomen – ursprunget till hadroners massa samt inneslutningen av kvarkar och gluoner inuti hadroner – tillhör de mest svårlösta och fascinerande gåtorna inom modern fysik. Detta innebär en stor utmaning, men decennier av experimentella och teoretiska ansträngningar har ökat vår insikt i den starka kraften så att vi kunnat forma tydliga strategier för framtida forskning.

Det finns många olika sidor av den starka växelverkan vid höga och låga energier. För att vägleda teoretiska modeller och beräkningar behövs experimentella data. Uppsalas hadronfysiker är engagerade i experimentprogrammen kring BES III i Kina, WASA i Tyskland och KLOE-2 i Italien där vi utför precisionsmätningar av hadronfysikens observabler. Vi deltar också i design och uppbyggnad av det kommande PANDA-experimentet vid FAIR i Tyskland.

Ett projekt innefattar sökandet efter hadronsönderfall som inte kan förklaras av den etablerade teoribildningen. Om sådana egenskaper skulle påvisas, är det bevis för fysikfenomen bortom partikelfysikens standardmodell. Detta sökande pågår vid både KLOE-2 och BES III. Den lättaste mesonen, den neutrala pionen, har ett särskilt spännande sönderfall som ger möjlighet att söka efter en postulerad ”mörk foton”. Enligt vissa teorier härrör denna från den mörka materian i universum och skulle förklara indikationer på avvikelser från standardmodellen. Data från WASA-experimentet kommer att ge ny information om den eventuella existensen av dessa partiklar.

Ett annat projekt handlar om hadroners elektromagnetiska struktur. I Uppsala intresserar vi oss särskilt för hyperoner. Dessa baryoner liknar nukleoner, men en eller flera av de lätta u- och d-kvarkarna har ersatts med tyngre kvarkar, såsom särtals- eller charmkvarkar. Faktum är att kvarkmodellen härstammar från likheterna mellan nukleoner och hyperoner. För att nå en djupare förståelse av hur kvarkar bildar baryoner behövs precisa studier av hyperonernas struktur. Detta kommer att studeras med BES III, som är det enda nu aktiva experimentet i världen där detta är möjligt, och framöver även med PANDA.

Vid det kommande PANDA-experimentet på FAIR finns unika förutsättningar att studera hur hyperoner bildas ur kollisioner mellan protoner och antiprotoner. Förstudier visar att precisionsmätningar, speciellt med avseende på spinnets betydelse, har goda förutsättningar att nå nya, banbrytande resultat. Bland annat kommer vi att för första gången kunna studera polarisationen hos hyperoner som enbart består av särtalskvarkar. Inom den närmaste framtiden kommer vi att förbereda datainsamlingen genom att vidareutveckla analysverktygen.

Våra nuvarande projekt vid WASA, KLOE-2 och BES III ger viktiga erfarenheter som gör oss redo för den nya generationen hadronfysikexperiment där PANDA inte bara utgör startskottet utan även väntas leda utvecklingen under en lång tid framöver.