Protoner och neutroner, partiklarna som bildar atomkärnor, kan tyckas vara riktigt liten. Men forskare säger att de subatomära partiklarna själva består av något ännu mindre - partiklar som kallas kvarker.

"Väl, Jag tror att det enklaste sättet att säga det är att kvarker är materiens grundläggande beståndsdel, av allt som finns runt omkring oss, "förklarar Geoffrey West. Han är en teoretisk fysiker som grundade gruppen för hög energifysik vid Los Alamos National Laboratory och nu är Shannan Distinguished Professor vid Santa Fe Institute. (Han är också författare till 2017 års bästsäljare" Scale, "om hur de matematiska lagarna som styr den fysiska världens struktur och tillväxt gäller för biologiskt liv och för det mänskliga samhället.)

Som elektroner och andra leptoner, kvarker verkar inte ha någon struktur och verkar vara odelbara, som förklaras av University of Melbourne partikelfysiker Takaski Kubota i The Conversation.

Kvarker är så små att det är upprörande att ens försöka uttrycka sin uppskattade storlek. University College London fysikprofessor Jon Butterworth förklarade att radien för en kvark är ungefär 2, 000 gånger mindre än för en proton, som i sin tur är 2,4 biljoner gånger så liten som ett sandkorn.

Förekomsten av kvarker som föreslogs först 1964

Förekomsten av kvarkar föreslogs först 1964 av California Institute of Technology teoretiska fysiker Murray Gell-Mann, en av nyckelfigurerna i utvecklingen av standardmodellen för partikelfysik. Gell-Mann, vinnare av 1969 års Nobelpris i fysik, kom på att för att förklara egenskaperna hos protoner och neutroner krävs att de består av mindre partiklar. På samma gång, en annan CalTech -fysiker, Georg Zweig, kom också självständigt på idén också.

Förekomsten av kvarker bekräftades genom experiment som utfördes från 1967 till 1973 vid Stanford Linear Accelerator Center.

En av de udda sakerna med kvarker, som West förklarar, är att de kan observeras, men de kan inte isoleras. "Det finns en subtil skillnad, "säger han." De är som elektroner genom att elektroner är grundläggande, men med elektroner kan vi observera och även isolera dem. Du kan peka på en elektron. Med kvarkar, du kan inte ta en ur kärnan och lägga den på bordet och undersöka den. "

Istället, genom att använda gigantiska partikelacceleratorer, forskare påskyndar elektroner och använder dem för att undersöka kärnans djup. Om de går tillräckligt djupt inuti, elektronerna kommer att sprida av kvarkerna, som kan mätas med mycket sofistikerade detektorer. "Vi rekonstruerar vad som finns i målet som protoner och neutroner består av, "West säger." Du ser dessa små spetsobjekt som vi identifierar som kvarker. "

Det finns sex typer av kvarker

Kvarker har fraktionella laddningar jämfört med protonerna som de bildar. Det finns sex typer av kvarker baserade på massa, och partiklarna har också en kvalitet som kallas färg, vilket ett sätt att beskriva hur den starka kraften håller ihop dem. Färg bärs av gluoner - ett slags budbärare för den starka kraften som binder kvarkar ihop. (De är analoga med fotoner.)

Ett team av fysiker från University of Kansas planerar att använda en enhet installerad på Large Hadron Collider, en massiv partikelaccelerator som ligger i en 27 mil (27 kilometer) tunnel mellan Frankrike och Schweiz, för att undersöka den starka interaktionen mellan kvarker och gluoner.

"Tanken är att få en bättre förståelse av protonen och den tunga jonstrukturen - till exempel bly - och att studera ett nytt fenomen som kallas mättnad, "Christophe Royon, en fysikprofessor vid University of Kansas som leder forskningen, förklarar i ett mejl. "När två protoner eller två joner kolliderar med mycket hög energi, vi är känsliga för deras understruktur - kvarker och gluoner - och vi kan undersöka någon region där gluonernas densitet blir mycket stor. "

"En analogi skulle vara tunnelbanan i New York vid högtider när tunnelbanan är helt överbelastad, "Royon fortsätter." I så fall, gluonerna uppför sig inte som enstaka identiteter utan kan visa kollektivt beteende, på samma sätt som en trångt tunnelbana, om någon faller, alla kommer att känna det eftersom människor är så nära varandra. Vid något tillfälle, protonerna eller tungjonen kan bete sig som ett fast föremål, som ett glas, kallas färgglas kondensat. Det här är vad vi vill se på LHC och även vid den framtida Electron-Ion Collider i USA. "

Royon säger att att hitta bevis på förekomsten av detta täta gluonmaterial skulle svara på en av de största obesvarade frågorna om kvarker. "Detta är ett nytt tillstånd, "säger han." Några tips visade sig redan på Relativistic Heavy Ion Collider eller Large Hadron Collider men ingenting är säkert ännu. Det skulle vara en viktig upptäckt, och både Large Hadron Collider och Electron-Ion Collider är idealiska maskiner för att se detta. "

Forskare undrar också om det kan finnas något ännu mindre än en kvark. "Det ställer frågan, finns det en annan nivå ännu? "säger West." Vi vet inte svaret på det. "

Gell-Mann fick namnet på partikeln från James Joyces experimentella roman 1939 "Finnegans Wake, "som innehåller raden, "Tre kvarkar för Muster Mark!"