det hävdas ofta att de gamla grekerna var de första som identifierade objekt som inte har någon storlek, men ändå kan bygga upp världen runt oss genom deras interaktioner. Och eftersom vi kan observera världen i tinier och tinier detaljer genom mikroskop med ökande kraft, är det naturligt att undra vad dessa föremål är gjorda av.
Vi tror att vi har hittat några av dessa objekt: subatomära partiklar eller grundläggande partiklar, som inte har någon storlek kan inte ha någon understruktur. Vi försöker nu förklara egenskaperna hos dessa partiklar och arbeta för att visa hur dessa kan användas för att förklara universums innehåll.
det finns två typer av grundläggande partiklar: materiepartiklar, av vilka några kombineras för att producera världen om oss, och kraftpartiklar – varav en, fotonen, är ansvarig för elektromagnetisk strålning. Dessa klassificeras i standardmodellen för partikelfysik, som teoretiserar hur materiens grundläggande byggstenar interagerar, styrda av grundläggande krafter. Materiapartiklar är fermioner medan kraftpartiklar är bosoner.
materiapartiklar: kvarkar och leptoner
materiapartiklar delas upp i två grupper: kvarkar och leptoner – det finns sex av dessa, var och en med en motsvarande partner.
leptoner är indelade i tre par. Varje par har en elementär partikel med en laddning och en utan laddning – en som är mycket lättare och extremt svår att upptäcka. Den lättaste av dessa par är elektron-och elektronneutrino.
den laddade elektronen är ansvarig för elektriska strömmar. Dess oladdade partner, känd som elektron-neutrino, produceras rikligt i solen och dessa interagerar så svagt med sin omgivning att de passerar obehindrat genom jorden. En miljon av dem passerar genom varje kvadratcentimeter av din kropp varje sekund, dag och natt.
Elektronneutriner produceras i ofattbara tal under supernovaexplosioner och det är dessa partiklar som sprider element som produceras genom kärnförbränning i universum. Dessa element inkluderar kolet från vilket vi är gjorda, syret vi andas och nästan allt annat på jorden. Därför, trots neutrinos motvilja att interagera med andra grundläggande partiklar, är de avgörande för vår existens. De andra två neutrinoparen (kallad muon och muon neutrino, tau och tau neutrino) verkar vara bara tyngre versioner av elektronen.
eftersom normal materia inte innehåller dessa partiklar kan det tyckas att de är en onödig komplikation. Men under de första till tio sekunderna av universum efter Big Bang hade de en avgörande roll att spela för att upprätta strukturen i universum där vi lever – känd som Lepton epok.
de sex kvarkarna är också uppdelade i tre par med nyckfulla namn: ”upp” med ”ner”, ”charm” med ”konstigt” och ”topp” med ”botten” (tidigare kallad ”sanning” och ”skönhet” men tyvärr förändrats). Upp-och nedkvarkarna håller sig ihop för att bilda protoner och neutroner som ligger i hjärtat av varje atom. Återigen finns bara det lättaste kvarkparet i normal Materia, charmen/konstiga och topp/bottenparen verkar inte spela någon roll i universum som det nu existerar, men som de tyngre leptonerna spelade en roll i universums tidiga ögonblick och hjälpte till att skapa en som är mottaglig för vår existens.
Kraftpartiklar
det finns sex kraftpartiklar i standardmodellen, som skapar växelverkan mellan materiepartiklar. De är indelade i fyra grundläggande krafter: gravitationella, elektromagnetiska, starka och svaga krafter.
en foton är en partikel av ljus och ansvarar för elektriska och magnetiska fält, skapade genom utbyte av fotoner från ett laddat objekt till ett annat.
gluonen producerar kraften som är ansvarig för att hålla kvarkar tillsammans för att bilda protoner och neutroner, och för att hålla dessa protoner och neutroner tillsammans för att bilda tyngre kärnor.
tre partiklar som heter ”W plus”, ”W minus” och ”Z zero” – kallad mellanliggande vektorbosoner – är ansvariga för processen med radioaktivt sönderfall och för processerna i solen som får den att lysa. En sjätte kraftpartikel, graviton, tros vara ansvarig för gravitation, men har ännu inte observerats.
Anti-Materia: science fiction verkligheten
vi vet också om förekomsten av anti-Materia. Detta är ett koncept som är mycket älskat av science fiction-författare, men det existerar verkligen. Anti-Materia partiklar har observerats ofta. Till exempel används positron (elektronens antipartikel) i medicin för att kartlägga våra inre organ med positronemissionstomografi (PET). Berömt när en partikel möter sin antipartikel förintar de båda varandra och en explosion av energi produceras. En PET-skanner används för att upptäcka detta.
var och en av materiepartiklarna ovan har en partnerpartikel som har samma massa, men motsatt elektrisk laddning, så vi kan fördubbla antalet materiepartiklar (sex kvarkar och sex leptoner) för att komma fram till ett slutligt antal 24.
vi ger Materia kvarker ett antal +1 och anti-Materia kvarker ett värde av -1. Om vi lägger till antalet Materia kvarker plus antalet Anti-Materia kvarker får vi nettoantalet kvarker i universum, detta varierar aldrig. Om vi har tillräckligt med energi kan vi skapa någon av materia kvarkar så länge vi skapar en anti-Materia kvark samtidigt. I universums tidiga ögonblick skapades dessa partiklar kontinuerligt-nu skapas de bara i kollisioner av kosmiska strålar med atmosfären av planeter och stjärnor.
den berömda Higgs boson
det finns en slutlig partikel som avslutar uppropet av partiklar i vad som kallas standardmodellen för partikelfysik hittills beskrivits. Det är Higgs, förutspådd av Peter Higgs för 50 år sedan, och vars upptäckt vid CERN 2012 ledde till ett Nobelpris för Higgs och Francois Englert. Higgs boson är en udda partikel: den är den näst tyngsta av standardmodellpartiklarna och den motstår en enkel förklaring. Det sägs ofta vara massans ursprung, vilket är sant men vilseledande. Det ger massa till kvarkarna, och kvarkar utgör protoner och neutroner, men endast 2% av massan av protoner och neutroner tillhandahålls av kvarkarna, och resten är från energin i gluonerna.
Vid denna tidpunkt har vi redogjort för alla partiklar som krävs av standardmodellen: sex kraftpartiklar, 24 Materia partiklar och en Higgs partikel – totalt 31 grundläggande partiklar. Trots vad vi vet om dem har deras egenskaper inte mätts tillräckligt bra för att vi definitivt ska kunna säga att dessa partiklar är allt som behövs för att bygga universum vi ser omkring oss, och vi har verkligen inte alla svar. Nästa körning av Large Hadron Collider gör att vi kan förfina våra mätningar av några av dessa egenskaper – men det finns något annat.
ändå är teorin fortfarande fel
den vackra teorin, standardmodellen, har testats och testats över två decennier och mer; och vi har ännu inte gjort en mätning som strider mot våra förutsägelser. Men vi vet att standardmodellen måste vara fel. När vi kolliderar två grundläggande partiklar tillsammans är ett antal resultat möjliga. Vår teori tillåter oss att beräkna sannolikheten för att ett visst resultat kan inträffa, men vid energier utöver vilka vi hittills har uppnått förutspår det att några av dessa resultat inträffar med en sannolikhet på större än 100% – klart nonsens.
teoretiska fysiker har lagt mycket ansträngning på att försöka konstruera en teori som ger förnuftiga svar på alla energier, samtidigt som de ger samma svar som standardmodellen i varje omständighet där standardmodellen har testats.
den vanligaste modifieringen innebär att det finns mycket tunga oupptäckta partiklar. Det faktum att de är tunga betyder mycket energi kommer att behövas för att producera dem. Egenskaperna hos dessa extra partiklar kan väljas för att säkerställa att den resulterande teorin ger förnuftiga svar på alla energier, men de har ingen effekt på mätningarna som överensstämmer så bra med standardmodellen.
antalet av dessa oupptäckta och ännu osynliga partiklar beror på vilken teori du väljer att tro. Den mest populära klassen av dessa teorier kallas supersymmetriska teorier och de innebär att alla partiklar som vi har sett har en mycket tyngre motsvarighet. Men om de är för tunga kommer problem att uppstå vid energier vi kan producera innan dessa partiklar hittas. Men energierna som kommer att nås i nästa körning av LHC är tillräckligt höga för att en frånvaro av nya partiklar kommer att vara ett slag mot alla supersymmetriska teorier.