På bilden nedan kan du se svampmoln från Ivy Mike-explosionen 1952, den första fusionsbomben som någonsin har detonerats. I processen med fusion och klyvning av kärnor frigörs kolossal energi, tack vare vilken vi idag är beven rädd för kärnvapen. Nyligen blev det känt att fysiker har upptäckt en ännu mer energiskt kraftfull subatomisk reaktion än termonukleär fusion, som äger rum på kvällens skala. Lyckligtvis verkar hon inte särskilt lämpad för vapen.
När ett par fysiker tillkännagav upptäckten av en kraftfull subatomisk process, blev det känt att forskare ville klassificera upptäckten, eftersom det kunde vara för farligt för allmänheten.
Var det en explosion? Forskare har visat att två små partiklar kända som ner kvarkar teoretiskt kan samlas i en kraftfull skur. Resultatet: en stor subatomär partikel känd som en nukleon och en massa energi som sprutar ut i universum. Denna "kvarkexplosion" kan bli en ännu kraftigare subatomisk analog av termonukleära reaktioner som förekommer i kärnorna i vätebomber.
Kvarkar är små partiklar som klamrar fast vid varandra för att bilda neutroner och protoner inuti atomer. De finns i sex versioner, eller "smaker": topp, botten, charmad, konstig, översta (sant) och nederst (bedårande).
Energihändelser på den subatomära nivån mäts i megaelektronvolts (MeV), och när de två lägsta kvarkarna slås samman har fysiker funnit att de avger ett enormt 138 MeV. Detta är ungefär åtta gånger starkare än den enda kärnfusionen som förekommer i vätebomber (en fullskalig bombexplosion består av miljarder liknande händelser). Vätebomber smälter ihop små vätekärnor - deuterium och tritium - för att bilda heliumkärnor och en kraftfull explosion. Men var och en av de enskilda reaktionerna i en sådan bomb släpper bara 18 MeV, enligt Nuclear Weapon Archive. Detta är mycket mindre än i sammansmältningen av de lägsta kvarkarna - 138 MeV.
"Jag måste erkänna att när jag först insåg att en sådan reaktion var möjlig blev jag rädd," säger en av forskarna, Marek Karleiner från Tel Aviv University i Israel. "Lyckligtvis var det inte så illa."
Med all kraft av fusionsreaktioner är en enda reaktion inte så farlig. Vätebomber drar sin skrämmande kraft från kedjereaktioner - den kaskade sammansmältningen av många kärnor på en gång.
Kampanjvideo:
Carliner och Jonathan Rosner från University of Chicago bestämde att en sådan kedjereaktion inte skulle vara möjlig med söta kvarkar, och före publiceringen delade de sina bekymmer med kollegor som gick med på deras slutsats.
"Om jag tänkte på ett mikrosekund om den militära användningen av en sådan process, skulle jag inte skriva om det," säger Carliner.
För att utlösa en kedjereaktion behöver kärnbombstillverkare ett imponerande utbud av partiklar. En viktig egenskap hos vackra kvarkar är att de inte kan samlas i lager: de upphör att existera efter ett picosekund efter skapelsen, och under denna tid kan ljus bara resa halva längden på en saltgranulat. Efter den tiden sönder den vackra kvarken till en vanligare och mindre energisk typ av subatomär partikel - upp-kvarken.
Det är möjligt att skapa separata fusionsreaktioner av vackra kvarkar i ett kilometerlångt rör av en partikelaccelerator, säger forskarna. Men även inuti gaspedalen är det omöjligt att samla en tillräckligt stor mängd kvarkar för att orsaka skador på världen. Därför finns det inget att oroa sig för.
Upptäckten i sig är otrolig eftersom det var det första teoretiska beviset på att subatomära partiklar kan syntetiseras med frisläppande av energi, säger Carliner. Detta är ett helt nytt territorium i fysiken för de minsta partiklarna, som öppnades tack vare ett experiment på Large Hadron Collider på CERN.
Så här kom fysiker till denna upptäckt.
Vid CERN reser partiklar runt en 27 kilometer lång ring under jorden med ljusets hastighet och kolliderar sedan. Forskare använder sedan kraftfulla datorer för att sikta igenom uppgifterna från dessa kollisioner och ibland uppträder konstiga partiklar i dessa data. I juni, till exempel, uppgifterna visade en "dubbelt charmad" baryon, eller en skrymmande kusin av neutronen och protonen, bestående av två kusiner till "vackra" och "upp" kvarkarna - de "charmade" kvarkarna.
Charmade kvarkar är mycket tunga jämfört med de vanligare upp och ner kvarkarna som utgör protoner och neutroner. Och när tunga partiklar binder till varandra, konverterar de en stor del av sin massa till bindande energi, och i vissa fall lämnar energi som flyr ut i universum.
Carliner och Rosner fann att när två charmade kvarkar smälter samman, binder partiklarna med energier i storleksordningen 130 MeV och matar ut 12 MeV av den återstående energin. Denna sammansmältning av charmade kvarkar var den första partikelreaktionen i denna storlek för att frigöra energi. Hon blev huvudavhandlingen i en ny studie publicerad 1 november i tidskriften Nature.
Den ännu mer energiska sammansmältningen av två vackra kvarkar, som binder vid 280 MeV och matar ut 138 MeV när de smälter samman, är den andra och kraftfullare av de två reaktioner som hittades. Medan de förblir teoretiska och obevisade under experimentella förhållanden. Nästa steg kommer att följa inom kort. Carliner hoppas att de första experimenten som visar denna reaktion kommer att genomföras vid CERN under de närmaste åren.
Ilya Khel
