Oszałamiający zestaw cząstek, sił i pól dyktuje subatomową podstawę wszystkiego, co widzimy.
Paul Sutter jest astrofizykiem z Ohio State University i głównym naukowcem w centrum naukowym COSI. Sutter jest także gospodarzem „Ask a Spaceman” i „Space Radio” i prowadzi AstroTours na całym świecie. Sutter wniósł ten artykuł do Ekspertów Kosmicznych Space.com: Op-Ed i Insights.
Aby odwiedzić naprawdę dziwną krainę pełną cudów i tajemnic, nie musisz przekradać się przez magiczną szafkę, jeździć na latającym stworzeniu, które nie powinno latać ani lekkomyślnie skakać przez portal do innego wymiaru. Nie, wystarczy, że otworzysz akcelerator cząstek i spojrzysz w dół, w dół, w dół.
Na poziomie subatomowym prawdziwa różnorodność i blask przyrody jest w pełni widoczna, z oszałamiającym wachlarzem cząstek, sił i pól wirujących i wirujących wokół, rządzonych przez niemal nieprzeniknione prawa fizyki. Jednak jakoś, zamiast tworzyć chaotyczny bałagan, wszystkie ich skomplikowane interakcje tworzą regularny, uporządkowany, wzorzysty makroskopowy świat, który znamy. [Dziwne Kwarki i Miony, Oh My! Najdrobniejsze cząsteczki natury (infografika)]
Można zrozumieć ten niewielki świat podzielony na ścisłą hierarchię, z wyraźnymi liniami między władcami i rządzonymi, między tymi, którzy wygodnie siedzą w swoich stabilnych zamkach, a skromnymi chłopami, którzy faktycznie wykonują pracę. Interakcje między różnymi mieszkańcami są osadzone w kamieniu na niezmiennych zasadach: Jest miejsce dla wszystkich i każdy ma swoje miejsce.
Chodź, odwiedźmy.
Dobrze być królem
W centrum tego wszystkiego znajdują się najbardziej masywne stabilne cząstki: kwarki w górę i w dół. Ich długowieczność pozwala im łączyć się w prawie nie do zdobycia fortecy: zamki nukleonowe znane jako protony i neutrony. Ale to nie same kwarki zajmują się utrzymywaniem tych nukleonowych cytadeli. Rzeczywiście, łączna masa wszystkich kwarków w nukleonie jest znacznie mniejsza niż masa protonu lub neutronu.
Zamiast tego kwarki w górę i w dół są nasycone specjalną zdolnością nieznaną innym cząsteczkom w królestwie. Czują silną siłę jądrową. To zdecydowanie najsilniejsza siła, łącząca kwarki tak intensywnie, że nigdy nie można ich zobaczyć w izolacji. Ta interakcja stanowi niewidzialny kręgosłup naszego makroskopowego świata. Przyjmujemy protony i neutrony za pewnik - tak solidnie budują mury zamku. A ich masy wynikają głównie z siły ich wewnętrznych wiązań jądrowych, a nie z pojedynczych kwarków.
Silna siła nuklearna nie zatrzymuje się na poziomie protonów i neutronów. Klej, który łączy kwarki, dając im władzę nad wszystkimi innymi cząsteczkami, jest tak dominujący, że może zebrać kilka tych zamków razem w mocną fortecę zwaną jądrem atomowym. Chociaż struktura ta nie jest nie do zdobycia, tak jak same protony i neutrony, obalenie jądra nadal wymaga ogromnego wysiłku.
Jednak pomimo całej ich dominującej mocy zasięg wiskopodobnego uścisku kwarków jest ograniczony do ich konkretnego zamku i pobliskich okolic. Jest tak, ponieważ silna siła, pomimo całej swojej siły, jest poważnie ograniczona w zasięgu. To właśnie określa wielkość fortec, zamków i utrzymuje, że identyfikujemy je jako nukleony naszego świata. [7 Dziwnych faktów na temat kwarków]
Praca w polach
Poza tym ograniczonym zasięgiem kwarki kontrolują swoje domeny i komunikują się ze sobą za pośrednictwem królewskich posłańców - fotonów. Posłańcy o szybkich stopach przeskakują z miejsca na miejsce we wszechświecie, nigdy się nie męcząc, przenosząc siłę elektromagnetyczną - elektryczność, magnetyzm, a nawet samo światło - na dowolną cząsteczkę, która ma ładunek elektryczny. Ten wpływ rozciąga się na cały kosmos, choć oczywiście im bardziej jesteś od źródła, tym słabszy efekt.
To wiązanie elektromagnetyczne utrzymuje podwładnych świata subatomowego w jednej linii, a podczas gdy kwarki spędzają swoje dni bezczynnie w względnym komforcie swoich bezpiecznych i zacisznych schronisk, uciskani „chłopi” - elektrony - wykonują całą robotę, tworząc bogate wariacje możliwych reakcji chemicznych. Zgadza się - to biedne, niegrzeczne elektrony, które podbijają swych mistrzów kwarków. Związany z jądrem przez elektromagnetyzm - ale zwykle uniemożliwia mu to wejście zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej - elektrony są wymieniane między atomami, dając nam chemię, która sprawia, że prawie wszystko w naszym codziennym życiu jest możliwe.
Rządzące kwarki chętnie handlują, kradną i pożyczają skromny elektron z sąsiedniej domeny, kształtując swoje ruchy ciężkimi rękami z fotonów - nie troszcząc się o ich indywidualne nadzieje, marzenia i ambicje (swobodnie przepływając przez wszechświat, obracając się wokół pola magnetycznego pola i tak dalej).
Czai się w cieniu
Ale nie wszystkie cząstki we wszechświecie są trzymane pod kciukiem despotycznych kwarków. Niektóre mogą swobodnie przepływać przez cały wszechświat, nie wyczuwając silnej siły i bezpiecznie ignorując gburowate spojrzenia jakichkolwiek przechodzących fotonów: neutrina. Te upiorne cząsteczki mogą ukrywać się na widoku, tak musujące, że przez dziesięciolecia uważaliśmy, że są całkowicie bezmasowe.
Neutrina występują w trzech rodzajach: neutrino elektronowe, neutrino mionowe i neutrino tau, ale są tak dobrze zamaskowane, że nigdy nie jesteś pewien, który z nich oglądasz. Podczas podróży mogą przejeżdżać przez maski, które noszą, zmieniając swoją tożsamość z łatwością doświadczonego szpiega. Ich maski określają, w jaki sposób (czasami) oddziałują z resztą cząstek we wszechświecie: neutrino elektronowe będzie uczestniczyć tylko w reakcjach, na przykład z udziałem elektronów.
Ale ze względu na psotną naturę neutrin, proces, który generuje szczególny smak tej cząsteczki, nie zawsze może być przeprowadzany w odwrotnej kolejności, aby ponownie złapać oryginalną odmianę - to jest zamiana tożsamości.
Mimo wszystkich sztuczek i podstępów neutrina nie są odporne na wpływy domen kwarków. Ale aby taki efekt mógł wystąpić, wymagane są siły specjalne. Cząstki ekspertów zwane bozonami W i Z, nośnikami słabej siły jądrowej, są jedynymi zdolnymi do komunikowania się z łobuzerskimi neutrinami. W niektórych przypadkach bozonom udaje się przekształcać neutrina w bardziej podatne stworzenia, takie jak elektrony.
Nawet wtedy jest to szczęśliwa szansa: przez większość czasu podstępne neutrina są wolne od scot.
Ale zestaw umiejętności tych bozonów W i Z, tajnych bojowników świata cząstek, rozciąga się dalej niż tylko rzadkie spotkanie z neutrinami. Mają także prawie wyłączny dostęp do wewnętrznego sanktuarium fortecy nukleonowej i mogą zamienić jeden rodzaj kwarka na inny. Jeśli neutron ucieknie z bezpieczeństwa jądra atomowego, te specjalne bozony mogą przekształcić tę cząsteczkę w bardziej stabilny proton.
Poza królestwem
Oczywiście nie daje to pełnego obrazu świata subatomowego. Cały Model Standardowy, nasz portret tych maleńkich stworzeń i wszystkie ich interakcje z zajętymi ludźmi są znacznie większe i bardziej złożone, niż mogą być zawarte w kilku akapitach. I chociaż Model Standardowy jest triumfem współczesnej fizyki, połączonej boleśnie przez dziesięciolecia, z dokładnymi przewidywaniami i precyzyjnymi eksperymentami, to również jest niepełnym obrazem naszego świata.
Po pierwsze, nie obejmuje grawitacji, co w tej chwili najlepiej opisuje również niekompletna ogólna teoria względności. Istnieją również długotrwałe pytania kosmologiczne dotyczące natury ciemnej materii i ciemnej energii, o których tradycyjny model standardowy milczy (ponieważ zjawiska te odkryto dopiero niedawno). Jest więcej: masa neutrino, hierarchia sił i tak dalej.
Ale choć dalekie od ukończenia i być może trochę niezadowalające w podejściu gumy do żucia i taśmy izolacyjnej do modelowania świata fizycznego, Model standardowy jest niezwykle przydatny. Potrafi z zaskakującą dokładnością przewidzieć ruchy i ruchy tych subatomowych mieszkańców i ich nikczemne intrygi.
Dowiedz się więcej, słuchając odcinka „Who Lives in the Particle Zoo?” w podcastie „Ask a Spaceman”, dostępnym w iTunes oraz w Internecie pod adresem http://www.askaspaceman.com. Dzięki Alessandro M., Roger, Martin N., Daniel C. i @PoZokhr za pytania, które doprowadziły do tego utworu! Zadaj własne pytanie na Twitterze za pomocą #AskASpaceman lub obserwując Paula @PaulMattSutter i facebook.com/PaulMattSutter.
