Huimaava joukko hiukkasia, voimia ja kenttiä sanelee subatomisen perustan kaikelle, mitä näemme.
Paul Sutter on astrofysiikka Ohion osavaltion yliopistossa ja johtava tiedemies COSI-tiedekeskuksessa. Sutter on myös isäntä "Ask a Spaceman" ja "Space Radio", ja johtaa AstroToursia ympäri maailmaa. Sutter kirjoitti tämän artikkelin Space.com: n Expert Voices: Op-Ed & Insights -julkaisuun.
Vieraillaksesi todella omituisella maalla, joka on täynnä ihmettä ja mysteeriä, sinun ei tarvitse hiipiä taianomaisen kaappin läpi, ajaa lentävää olentoa, jonka ei pitäisi pystyä lentämään tai hyppäämään holtittomasti portaalin läpi toiseen ulottuvuuteen. Ei, kaikki mitä sinun tarvitsee tehdä on halkeaa avata hiukkaskiihdytin ja katsoa alas, alas, alas.
Subatomisella tasolla luonnon todellinen monimuotoisuus ja loisto on täydellä näytöllä, ja heitä huimaava joukko hiukkasia, voimia ja kenttiä, jotka kaikki vilisevät ja pyöriä, säätelevät melkein kiistattomia fysiikan lakeja. Kaikkien niiden monimutkaisten vuorovaikutusten tuottaminen jotenkin kaoottisen sotkujen muodostumisen sijasta tuottaa tavallisen, järjestetyn, kuvioidun makroskooppisen maailman, joka olemme tuttuja. [Kummalliset kvarkit ja kuut, Voi minun! Luonnon pienimmät hiukkaset leikatut (infografinen)]
Voidaan ymmärtää se pieni maailma, joka on erotettu tiukkoksi hierarkiaksi, selkeillä linjoilla hallitsijoiden ja hallittujen välillä, mukavasti vakaissa linnoissaan istuvien ja alhaisten talonpoikien välillä, jotka tosiasiallisesti saavat työn aikaan. Erilaisten asukkaiden vuorovaikutus asetetaan kiveen muuttumattomien sääntöjen avulla: Jokaisella on oma paikka ja jokaisella on oma paikka.
Tule, käydään.
On hyvä olla kuningas
Kaikkien keskuksessa ovat massiivisimmat vakaat hiukkaset: ylös ja alas kvarkit. Niiden pitkäikäisyys antaa heille mahdollisuuden sitoutua toisiinsa melkein kyllästämättömiin linnoituksiin: protonit ja neutronit, nimeltään nukleonilinnat. Mutta kvarkit eivät itse tee näitä nukleonisia linnoituksia ylläpitämällä. Itse asiassa kaikkien nukleonin kvarkkien yhdistetty massa on paljon pienempi kuin protonin tai neutronin massa.
Sen sijaan ylös ja alas kvarkeihin upotetaan erityinen kyky, joita ei tunne muut valtakunnan hiukkaset. He voivat tuntea voimakkaan ydinvoiman. Se on ylivoimaisesti tehokkain voima, joka liimaa kvarkeja niin voimakkaasti, että yhtäkään ei voida koskaan nähdä eristyksessä. Tämä vuorovaikutus muodostaa makroskooppisen maailman näkymättömän selkärangan. Pidämme protoneja ja neutroneja itsestäänselvyytenä - he ovat niin lujasti rakentamassa linnanmuurit. Ja niiden massat johtuvat enimmäkseen niiden sisäisistä ydinsidoksista, ei yksittäisistä kvarkeista.
Vahva ydinvoima ei pysähdy protonien ja neutronien tasolle. Liima, joka sitoo kvarkeja ja antaa heille hallinnan kaikissa muissa hiukkasissa, on niin hallitseva, että se pystyy keräämään muutaman näistä linnoista yhdessä tukevaan linnoitukseen, joka tunnetaan atomin ytimenä. Vaikka tämä rakenne ei ole kyllästämätön kuten protonit ja neutronit itse, ytimen kaatuminen vaatii silti valtavia ponnisteluja.
Kaikilla heidän hallitsevana voimanaan kvarkkien varamainen ote on kuitenkin rajoitettu tiettyyn linnaan ja läheiseen ympäristöön. Tämä johtuu siitä, että vahva voima, koko sen vahvuudelle, on rajoitettu voimakkaasti toiminta-alueelle. Tämä asettaa linnoitusten, linnojen koon ja pitää meidät tunnistamaan maailman ydinmetodeksi. [7 outoa tosiasiaa kvarkeista]
Kenttien murskaaminen
Rajoitetun alueen ulkopuolella kvarkit pitävät verkkotunnuksensa tarkastuksessa ja kommunikoivat keskenään kuninkaallisten lähettiläiden - fotonien - välityksellä. Nämä nopeiden jalkojen lähettiläät hyppäävät toisistaan maailmankaikkeudessa, eivät koskaan väsyttämättä, kantaen sähkömagneettista voimaa - sähköä, magneettisuutta ja jopa itse valoa - mihin tahansa hiukkasiin, joissa on sähkövaraus. Tämä vaikutus ulottuu koko kosmokseen, vaikka tietysti mitä kauempana olet lähteestä, sitä heikompi vaikutus.
Tämä sähkömagneettinen sitoutuminen pitää subatomisen maailman pohjalliset linjassa, ja vaikka kvarkit viettävät päivät joutokäynnillä turvallisen ja eristäytyneen linnansa suhteellisessa mukavuudessa, alamäkeiset "talonpojat" - elektronit - tekevät kaiken työn rikkaiden variaatioiden tekemiseksi kemiallisten reaktioiden mahdollisuus. Se on totta - huonot, tietämättömät elektronit orjuuttavat kvarkkimestarilleen. Sidottu ytimeen sähkömagneetismin avulla - mutta joka yleensä estyy pääsemästä tosissaan kvantimekaniikan sääntöjen avulla - elektronit vaihdetaan atomien kesken, mikä antaa meille kemian, joka tekee melkein kaiken jokapäiväisestä elämästämme mahdollista.
Hallitsevat kvarkit kauppaavat, varastaa ja lainaavat onnellisen elektronin naapurialueelta, muokkaamalla liikkeitään fotonien raskaalla käsillä - huolehtimatta heidän yksilöllisistä toiveistaan, unistaan tai tavoitteistaan (virtaavat vapaasti maailmankaikkeuden läpi, kiertävät magneettisen ympärillä) kentät ja niin edelleen).
Varjostelee varjoja
Mutta kaikkia maailmankaikkeuden hiukkasia ei pidetä despoottisten kvarkkien peukalon alla. Jotkut voivat virrata vapaasti koko maailmankaikkeudessa, tuntematta voimakasta voimaa ja jättämättä turvallisesti huomioimatta surkeita häikäisyjä kaikista ohitsevista fotoneista: neutriinoista. Nämä aavemaiset hiukkaset voivat piiloutua itsensä näkyvyyteen, niin poreilevaan, että ajattelimme vuosikymmenien ajan olevan täysin massaton.
Neutriinoja on kolmen tyyppisiä: elektroninen neutriino, muoni-neutriino ja tau-neutriino, mutta ne on peitetty niin hyvin, että et ole koskaan varma, mitä näet. Matkustaessaan he voivat käydä läpi maskejaan vaihtamalla henkilöllisyytensä kokenut vakooja helposti. Niiden naamarit määrittävät kuinka ne (toisinaan) ovat vuorovaikutuksessa muiden maailmankaikkeuden hiukkasten kanssa: Elektroni-neutriino osallistuu vain reaktioihin, joissa on esimerkiksi elektroneja.
Mutta johtuen neutriinojen ilkikurisesta luonteesta, prosessia, joka tuottaa hiukkaselle erityisen maun, ei voida aina ajaa käänteisesti alkuperäisen lajikkeen uudelleen saamiseksi - se on kytketty identiteetti.
Silti kaikista temppuistaan ja huijauksistaan huolimatta, neutriinot eivät ole immuuneja vaikuttamaan kvarkkien alueisiin. Mutta tällaisen vaikutuksen aikaansaamiseksi tarvitaan erikoisjoukkoja. Asiantuntijapartikkelit, joita kutsutaan W- ja Z-bosoneiksi, heikon ydinvoiman kantajina, ovat ainoat, jotka pystyvät kommunikoimaan rankkojen neutriinojen kanssa. Joissakin tapauksissa bosonit onnistuvat muuttamaan neutriinoja enemmän vaatimusten mukaisiksi olennoiksi, kuten elektroneiksi.
Silloinkin se on onnekas mahdollisuus: Useimmiten oivalliset neutriinot pääsevät pois skotteista.
Mutta näiden W- ja Z-bosonien, hiukkasmaailman salaiset mustaoppiset taistelijat, taitojoukko ulottuu pidemmälle kuin vain harvinainen neutriinokohtaus. Heillä on myös melkein yksinoikeus päästä ydinlinnakkeen linnoituksen sisäpihaan ja he voivat muuttaa yhden tyyppisen kvarkin toiseksi. Mikäli neutroni paeta atomin ytimen turvallisuudesta, nämä erityiset bosonit voivat muuttaa hiukkasen stabiilimmaksi protoniksi.
Valtakunnan ulkopuolella
Tietenkin, tämä ei anna täydellistä kuvaa subatomisesta maailmasta. Koko vakiomalli, muotokuva noista pienistä olennoista ja heidän kaikista vuorovaikutuksistaan on paljon suurempi ja monimutkaisempi kuin voidaan sisällyttää muutamiin kappaleisiin. Ja vaikka standardimalli on modernin fysiikan voitto, joka on vierekkäin sijoitettu yhteen tuskallisesti vuosikymmenien ajan, vaativien ennusteiden ja tarkkojen kokeilujen avulla, sekin on epätäydellinen kuva maailmastamme.
Ensinnäkin se ei sisällä painovoimaa, jota parhaiten kuvaa parhaiten myös epätäydellinen yleinen suhteellisuusteoria. On myös jatkuvia kosmologisia kysymyksiä tumman aineen ja tumman energian luonteesta, joista perinteisessä standardimallissa ei ole kysymys (koska nuo ilmiöt löydettiin vasta äskettäin). Siellä on enemmän: neutriinon massa, voimien hierarkia ja niin edelleen.
Mutta vaikka standardimalli on kaukana täydellisestä ja ehkä hieman epätyydyttävästä purukumin ja kanavan teippiä koskevassa lähestymistavassaan fyysisen maailman mallintamiseen, se on uskomattoman hyödyllinen. Se voi ennakoida hätkähdyttävällä tarkkuudella näiden alaatomisten asukkaiden liikkeet ja liikkeet sekä heidän pahastaan sikoutumisestaan.
Lisätietoja kuuntelemalla jaksoa "Kuka asuu hiukkasten eläintarhassa?" "Ask a Spaceman"-podcastissa, joka on saatavana iTunesissa ja verkossa osoitteessa http://www.askaspaceman.com. Kiitos Alessandro M., Roger, Martin N., Daniel C. ja @PoZokhr tämän aiheeseen johtaneista kysymyksistä! Esitä oma kysymys Twitterissä käyttämällä #AskASpaceman tai seuraamalla Paul @PaulMattSutter ja facebook.com/PaulMattSutter.
