det hævdes ofte, at de gamle grækere var de første til at identificere objekter, der ikke har nogen størrelse, men alligevel er i stand til at opbygge verden omkring os gennem deres interaktioner. Og da vi er i stand til at observere verden i små og små detaljer gennem mikroskoper med stigende magt, er det naturligt at undre sig over, hvad disse objekter er lavet af.

Vi mener, at vi har fundet nogle af disse objekter: subatomære partikler eller grundlæggende partikler, som ikke har nogen størrelse, kan ikke have nogen understruktur. Vi søger nu at forklare egenskaberne af disse partikler og arbejder på at vise, hvordan disse kan bruges til at forklare universets indhold.

der er to typer grundlæggende partikler: stofpartikler, hvoraf nogle kombineres for at producere verden om os, og kraftpartikler – hvoraf den ene, fotonen, er ansvarlig for elektromagnetisk stråling. Disse er klassificeret i standardmodellen for partikelfysik, som teoretiserer, hvordan materiens grundlæggende byggesten interagerer, styret af grundlæggende kræfter. Stofpartikler er fermioner, mens kraftpartikler er bosoner.

stofpartikler: kvarker og leptoner

stofpartikler er opdelt i to grupper: kvarker og leptoner – der er seks af disse, hver med en tilsvarende partner.

leptoner er opdelt i tre par. Hvert par har en elementær partikel med en ladning og en uden opladning – en der er meget lettere og ekstremt vanskelig at opdage. Den letteste af disse par er elektron og elektron-neutrino.

den ladede elektron er ansvarlig for elektriske strømme. Dens uladede partner, kendt som elektron-neutrino, produceres rigeligt i solen, og disse interagerer så svagt med deres omgivelser, at de passerer uhindret gennem jorden. En million af dem passerer gennem hver kvadratcentimeter af din krop hvert sekund, dag og nat.

Elektronneutrinoer produceres i ufattelige tal under supernovaeksplosioner, og det er disse partikler, der spreder elementer produceret ved nuklear forbrænding i universet. Disse elementer inkluderer det kulstof, som vi er fremstillet af, det ilt, vi indånder, og næsten alt andet på jorden. På trods af neutrinos modvilje mod at interagere med andre grundlæggende partikler er de derfor afgørende for vores eksistens. De to andre neutrinopar (kaldet muon og muon neutrino, tau og tau neutrino) ser ud til at være bare tungere versioner af elektronen.

da normalt stof ikke indeholder disse partikler, kan det virke som om de er en unødvendig komplikation. Men i løbet af de første et til ti sekunder af universet efter Big Bang, de havde en afgørende rolle at spille for at etablere strukturen i universet, hvor vi lever – kendt som Lepton-epoken.

de seks kvarker er også opdelt i tre par med finurlige navne: “op “med” ned”,” charme “med” mærkelig “og” top “med” bund “(tidligere kaldet” sandhed “og” skønhed”, men desværre ændret). Kvarkerne op og ned holder sig sammen for at danne protoner og neutroner, der ligger i hjertet af hvert atom. Igen findes kun det letteste par kvarker i normal materie, charmen/mærkelige og top / bundpar synes ikke at spille nogen rolle i universet, som det nu eksisterer, men som de tungere leptoner spillede en rolle i Universets tidlige øjeblikke og hjalp med at skabe en, der er tilgængelig for vores eksistens.

Kraftpartikler

der er seks kraftpartikler i standardmodellen, som skaber interaktionerne mellem stofpartikler. De er opdelt i fire grundlæggende kræfter: gravitationelle, elektromagnetiske, stærke og svage kræfter.

en foton er en partikel af lys og er ansvarlig for elektriske og magnetiske felter, skabt ved udveksling af fotoner fra et ladet objekt til et andet.

gluonen producerer den kraft, der er ansvarlig for at holde kvarker sammen for at danne protoner og neutroner og for at holde disse protoner og neutroner sammen for at danne tungere kerner.

tre partikler med navnet “V plus”, “V minus” og “nul” – kaldet mellemliggende vektorbosoner – er ansvarlige for processen med radioaktivt henfald og for processerne i solen, der får det til at skinne. En sjette kraftpartikel, graviton, menes at være ansvarlig for gravitation, men er endnu ikke blevet observeret.

Anti-materie: science fiction-virkeligheden

Vi ved også om eksistensen af anti-materie. Dette er et koncept, der er meget elsket af science fiction-forfattere, men det findes virkelig. Antistofpartikler er ofte blevet observeret. For eksempel anvendes positronen (elektronens antipartikel) i medicin til at kortlægge vores indre organer ved hjælp af positronemissionstomografi (PET). Berømt når en partikel møder sin antipartikel, udsletter de begge hinanden, og der produceres en udbrud af energi. En PET-scanner bruges til at registrere dette.

hver af stofpartiklerne ovenfor har en partnerpartikel, der har den samme masse, men modsat elektrisk ladning, så vi kan fordoble antallet af stofpartikler (seks kvarker og seks leptoner) for at nå frem til et endeligt antal på 24.

Vi giver stof kvarker et antal +1 og anti-stof kvarker en værdi på -1. Hvis vi sammenlægger antallet af stofkvarker plus antallet af antistofkvarker, får vi nettotallet af kvarker i universet, dette varierer aldrig. Hvis vi har nok energi, kan vi skabe nogen af materiekvarkerne, så længe vi skaber en anti-materiekvark på samme tid. I Universets tidlige øjeblikke blev disse partikler skabt kontinuerligt-nu er de kun skabt i kollisioner af kosmiske stråler med atmosfæren af planeter og stjerner.

den berømte Higgs boson

Der er en endelig partikel, der fuldender partiklernes navneopråb i det, der kaldes standardmodellen for partikelfysik hidtil beskrevet. Det er Higgs, forudsagt af Peter Higgs for 50 år siden, og hvis opdagelse på CERN i 2012 førte til en Nobelpris for Higgs og Francois Englert. Higgs boson er en ulige partikel: den er den anden tungeste af standardmodelpartiklerne, og den modstår en simpel forklaring. Det siges ofte at være massens oprindelse, hvilket er sandt, men vildledende. Det giver masse til kvarkerne, og kvarker udgør protoner og neutroner, men kun 2% af massen af protoner og neutroner leveres af kvarkerne, og resten er fra energien i gluonerne.

på dette tidspunkt har vi redegjort for alle de partikler, der kræves af standardmodellen: seks kraftpartikler, 24 stofpartikler og en Higgs – partikel-i alt 31 grundlæggende partikler. På trods af hvad vi ved om dem, er deres egenskaber ikke blevet målt godt nok til at tillade os at sige endeligt, at disse partikler er alt, hvad der er nødvendigt for at opbygge det univers, vi ser omkring os, og vi har bestemt ikke alle svarene. Den næste kørsel af Large Hadron Collider giver os mulighed for at forfine vores målinger af nogle af disse egenskaber – men der er noget andet.

alligevel er teorien stadig forkert

den smukke teori, standardmodellen, er blevet testet og testet igen over to årtier og mere; og vi har endnu ikke foretaget en måling, der er i modstrid med vores forudsigelser. Men vi ved, at standardmodellen skal være forkert. Når vi kolliderer to grundlæggende partikler sammen, er en række resultater mulige. Vores teori giver os mulighed for at beregne sandsynligheden for, at et bestemt resultat kan forekomme, men ved energier, som vi hidtil har opnået, forudsiger det, at nogle af disse resultater forekommer med en sandsynlighed på mere end 100% – klart nonsens. teoretiske fysikere har brugt meget på at forsøge at konstruere en teori, der giver fornuftige svar på alle energier, samtidig med at de giver det samme svar som standardmodellen under alle omstændigheder, hvor standardmodellen er blevet testet.

den mest almindelige modifikation indebærer, at der er meget tunge uopdagede partikler. Det faktum, at de er tunge betyder masser af energi vil være behov for at producere dem. Egenskaberne af disse ekstra partikler kan vælges for at sikre, at den resulterende teori giver fornuftige svar på alle energier, men de har ingen effekt på de målinger, der stemmer så godt overens med standardmodellen.

antallet af disse uopdagede og endnu usete partikler afhænger af hvilken teori du vælger at tro. Den mest populære klasse af disse teorier kaldes supersymmetriske teorier, og de indebærer, at alle de partikler, som vi har set, har en meget tungere modstykke. Men hvis de er for tunge, vil der opstå problemer ved energier, vi kan producere, før disse partikler findes. Men de energier, der vil blive nået i det næste løb af LHC, er høje nok til, at et fravær af nye partikler vil være et slag for alle supersymmetriske teorier.