Pearinglust tekitav osakeste, jõudude ja väljade valik dikteerib kõige nähtava subatomialase aluse.
Paul Sutter on Ohio Riikliku Ülikooli astrofüüsik ja teaduskeskuse COSI juhtivteadur. Sutter on ka saadete "Küsi kosmosemehelt" ja "Kosmoseraadio" võõrustaja ning viib AstroTours'i üle kogu maailma. Sutter esitas selle artikli Space.comi veebisaidile Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Tõeliselt imelikul maal, mis on täis imestust ja salapära, ei pea te hiilima maagilisest kabinetist, sõitma lendava olendiga, kes ei peaks suutma lennata ega hüpata kergemeelselt läbi portaali teise dimensiooni. Ei, kõik, mida peate tegema, on pragu avada osakestekiirendi ja vaadata alla, alla, alla.
Aatomiatasandil on looduse tõeline mitmekesisus ja hiilgus täies ekraanil, peapööritult osakeste, jõudude ja väljade hulgast, mis kõik vingub ja vingub, ning mida reguleerivad peaaegu tajumatud füüsikaseadused. Kuid kuidagi kaootilise jama tekitamise asemel loovad kõik nende keerulised koostoimingud meile tuttava korrapärase, korrapärase, mustrilise makroskoopilise maailma. [Kummalised kvargid ja kuukingad, oh mu! Looduse pisimad lahutatud osakesed (infograafik)]
Võib aru saada sellest pisikesest maailmast, mis on eraldatud rangeks hierarhiaks, millel on selged jooned valitsejate ja valitsejate vahel, nende vahel, kes istuvad mugavalt oma stabiilses lossis, ja alandlike talupoegade vahel, kes saavad tegelikult töö tehtud. Erinevate elanike omavaheline suhtlus on pandud kivisse muutumatute reeglite abil: Kõigil on koht ja kõigil on oma koht.
Tule, lähme külla.
Hea on olla kuningas
Selle keskmes on kõige massiivsemad stabiilsed osakesed: üles ja alla kvargid. Nende pikaealisus võimaldab neil seostuda peaaegu immutamatuteks kindlusteks: prootonite ja neutronidena tuntud nukleonilinnusteks. Kuid nende nukleooniliste tsitadellide hooldamise tööd ei tee mitte kvargid ise. Tõepoolest, kõigi kvarkide koondmass tuumas on palju väiksem kui prooton või neutron.
Selle asemel on üles ja alla kvargid omandatud spetsiaalse võimega, mida teised valdkonna osakesed ei tunne. Nad võivad tunda tugevat tuumajõudu. See on vaieldamatult kõige võimsam jõud, liimides kvarke nii intensiivselt, et ühte neist ei saa kunagi eraldiseisvana näha. See koostoime moodustab meie makroskoopilise maailma nähtamatu selgroo. Me võtame prootoneid ja neutroneid enesestmõistetavana - just nii kindlalt ehitavad nad oma linnuseinu. Ja nende massid tulenevad enamasti sisemiste tuumasidemete, mitte üksikute kvarkide tugevusest.
Tugev tuumajõud ei peatu prootonite ja neutronite tasemel. Liim, mis seob kvarke kokku, andes neile domineerimise kõigi teiste osakeste üle, on nii domineeriv, et see võib koguda mõned neist lossidest kokku tugevasse kindlusesse, mida nimetatakse aatomituumaks. Kuigi see struktuur ei ole immutamatu nagu prootonid ja neutronid ise, nõuab tuuma kukutamine siiski tohutult pingutusi.
Kuid kõigi nende valitseva jõu tõttu on kvarkide asemehelik haardeulatus piiratud nende konkreetse lossi ja lähiümbrusega. Põhjuseks on see, et tugeva jõu kogu tugevus on rangelt piiratud. See määrab kindluste, losside suuruse ja hoiab neid meie maailma tuumadena. [7 kummalist fakti kvarkide kohta]
Põldude tassimine
Lisaks sellele piiratud ulatusele hoiavad kvargid oma domeenid kontrolli all ja suhtlevad omavahel kuninglike käskjaamade - footonite - kaudu. Need kiire jalaga saadikud hüppavad universumis ühest kohast teise ega väsita kunagi, kandes elektromagnetilist jõudu - elektrit, magnetilisust ja isegi valgust ise - igale elektrilaenguga osakesele. See mõju ulatub kogu kosmosesse, ehkki muidugi, mida kaugemal olete allikast, seda nõrgem on mõju.
See elektromagnetiline sidumine hoiab aatomienergia maailma aluspinnad reas ja kuigi kvargid veedavad oma päevi jõude eemal oma turvalise ja eraldatud lossi suhtelises mugavuses, teevad alajahtunud "talupojad" - elektronid - kogu töö rikkalike variatsioonide loomiseks. keemiliste reaktsioonide võimalik. Täpselt nii - just need vaesed, ignorantsed elektronid orjad oma kvarkimeistrite eest orjavad. Elektromagnetiliselt seostatud tuumaga - kuid tavaliselt kvantmehaanika reeglitega - sisenedes sellesse ei pääse - vahetuvad elektronid aatomite vahel, andes meile keemia, mis teeb võimalikuks peaaegu kõik meie igapäevaelus.
Valitsevad kvargid kauplevad, varastavad ja laenavad naaberdomeenilt alandlikke elektrone, kujundades nende liikumist footonitest raskekäeliste produtseerimisega - hoolimata nende individuaalsetest lootustest, unistustest või ambitsioonidest (voogavad vabalt läbi universumi, keerlevad ümber magnetiliste alade) väljad ja nii edasi).
Varitsevad varjud
Kuid mitte kõiki osakesi universumis ei hoita despootlike kvarkide pöidla all. Mõni saab kogu universumis vabalt voolata, tundmata tugevat jõudu ja ignoreerides ohutult mööduvate footonite - neutriinode - hämaraid pimesid. Need kummituslikud osakesed võivad end varjata lihtsasse vaatevälja, nii kihisevad, et me arvasime aastakümneid, et nad on täiesti massid.
Neutrinoid on kolme tüüpi: elektronneutriino, müoonneutrino ja tau-neutriino, kuid need on nii hästi maskeeritud, et te pole kunagi kindel, millist neist vaatate. Reisides saavad nad ringi liikuda maskides, mida nad kannavad, vahetades oma identiteeti kogenud spiooniga. Nende maskid määravad, kuidas nad (aeg-ajalt) suhtlevad ülejäänud osakestega universumis: elektronneutriino osaleb ainult näiteks elektronidega seotud reaktsioonides.
Kuid neutriinode vallatu olemuse tõttu ei saa selle osakese erilist maitset tekitavat protsessi alati algse sordi uuesti püüdmiseks pöörata vastupidiselt - see on ümberlülitatud identiteet.
Vaatamata kõigile nende trikkidele ja alavääristamisele pole neutriinod siiski kvarkide domeenide mõjutamiseks immuunsed. Kuid selleks, et selline efekt tekiks, on vaja erivägesid. Ainuüksi eksperimentaalsed osakesed, mida nimetatakse W ja Z bosoonideks, on nõrga tuumajõu kandjad. Mõnel juhul õnnestub bosonitel muundada neutriinod vastavateks olenditeks, nagu elektronid.
Isegi siis on see õnnelik juhus: enamasti pääsevad alatud neutriinod skottideta.
Kuid nende W- ja Z-bosonite, mis on osakestemaailma salajased must-optilised võitlejad, oskuste komplekt ulatub kaugemale kui ainult harv neutriinode kohtumine. Neil on ka peaaegu ainuõigus pääseda nukleonilinnuse sisemisele pühamule ja nad saavad muuta ühe kvargi teise. Kui neutron pääseb aatomituuma ohutusest, võivad need spetsiaalsed bosonid muuta selle osakese stabiilsemaks prootoniks.
Väljaspool valdkonda
Muidugi, see ei anna täielikku pilti subatomilisest maailmast. Kogu standardmudel, meie portree nendest pisikestest olenditest ja kõigi nende vahel toimuvast interaktsioonidest on palju suuremad ja keerukamad, kui need võivad sisalduda mõnes lõigus. Ja ehkki standardmudel on moodsa füüsika triumf, mis on aastakümnete jooksul valusalt paika pandud, nõudlike ennustuste ja täpse eksperimenteerimisega, on ka see meie maailma puudulik pilt.
Esiteks ei hõlma see gravitatsiooni, mida praegu kirjeldab kõige paremini ka mittetäielik relatiivsusteooria. Samuti on püsivaid kosmoloogilisi küsimusi tumeda aine ja tumeda energia olemuse kohta, millest traditsiooniline standardmudel vaikib (sest neid nähtusi avastati alles hiljuti). Seal on veel: neutriino mass, jõudude hierarhia ja nii edasi.
Kuid ehkki kaugeltki täielik ja võib-olla pisut ebarahuldav oma närimiskummi ja kanalilindi lähenemises füüsilise maailma modelleerimisele, on standardmudel uskumatult kasulik. See suudab jahmatava täpsusega ennustada nende subatomaatiliste elanike liikumisi ja liikumisi ning kogu nende haletsusväärset skeemimist.
Lisateave, kuulates osa "Kes elab osakeste loomaaias?" iTunes'is ja veebis aadressil http://www.askaspaceman.com saadaval podcastis "Ask a Spaceman". Tänu Alessandro M.-le, Rogerile, Martin N.-le, Daniel C.-le ja @PoZokhrile selle tüki juurde viinud küsimuste eest! Esitage Twitteris oma küsimus, kasutades #AskASpaceman või jälgides Paul @PaulMattSutter ja facebook.com/PaulMattSutter.
