on usein väitetty, että antiikin kreikkalaiset olivat ensimmäisiä, jotka tunnistivat kohteita, joilla ei ole kokoa, mutta jotka pystyvät vuorovaikutustensa kautta rakentamaan ympäröivää maailmaa. Ja kun kykenemme tarkkailemaan maailmaa yhä pienempinä yksityiskohtina yhä voimakkaampien mikroskooppien avulla, on luonnollista ihmetellä, mistä nämä esineet on tehty.
uskomme löytäneemme joitakin näistä kappaleista: subatomisia hiukkasia eli perushiukkasia, joilla ei ole kokoa, ei voi olla alirakennetta. Pyrimme nyt selittämään näiden hiukkasten ominaisuuksia ja pyrimme osoittamaan, miten niitä voidaan käyttää selittämään maailmankaikkeuden sisältöä.
on olemassa kahdenlaisia perushiukkasia: ainehiukkasia, joista osa yhdistyy meitä ympäröivän maailman tuottamiseen, ja voimahiukkasia, joista toinen, fotoni, vastaa sähkömagneettisesta säteilystä. Nämä luokitellaan hiukkasfysiikan standardimalliin, jossa teoretisoidaan, miten aineen perusrakenneosat vuorovaikuttavat perusvoimien ohjaamina. Ainehiukkaset ovat fermioneja, kun taas voimahiukkaset ovat bosoneja.
Ainehiukkaset: kvarkit ja leptonit
Ainehiukkaset jakautuvat kahteen ryhmään: kvarkit ja leptonit – näitä on kuusi, joista jokaisella on vastaava kumppani.
leptonit jaetaan kolmeen pariin. Jokaisella parilla on alkeishiukkanen, jolla on varaus ja yksi, jolla ei ole varausta – sellainen, joka on paljon kevyempi ja erittäin vaikea havaita. Kevyin näistä pareista on elektroni ja elektronin neutriino.
varautunut elektroni vastaa sähkövirroista. Sen varaamaton kumppani, joka tunnetaan elektroni-neutriinona, syntyy runsaasti auringossa, ja nämä vuorovaikuttavat niin heikosti ympäristönsä kanssa, että ne kulkevat esteettä maan läpi. Miljoona niitä kulkee jokaisen neliösenttimetrin läpi joka sekunti, päivin ja öin.
Elektronineutriinoja syntyy käsittämättömän paljon supernovaräjähdyksissä, ja juuri nämä hiukkaset hajottavat ydinpolton tuottamia alkuaineita maailmankaikkeuteen. Näitä alkuaineita ovat hiili, josta meidät on tehty, happi, jota hengitämme, ja lähes kaikki muu maapallolla. Huolimatta neutriinojen haluttomuudesta olla vuorovaikutuksessa muiden perushiukkasten kanssa, ne ovat elintärkeitä olemassaolollemme. Kaksi muuta neutriinoparia (joita kutsutaan myoniksi ja myonin neutriinoksi, tau ja tau neutriinoksi) näyttävät olevan vain elektronista raskaampia versioita.
koska normaali aine ei sisällä näitä hiukkasia, voi vaikuttaa siltä, että ne ovat tarpeeton komplikaatio. Alkuräjähdystä seuranneiden maailmankaikkeuden ensimmäisten yhdestä kymmeneen sekunnin aikana niillä oli kuitenkin ratkaiseva rooli sen maailmankaikkeuden rakenteen luomisessa, jossa elämme – joka tunnetaan leptonin aikakautena.
kuusi kvarkkia jaetaan myös kolmeen pariin, joilla on oikulliset nimet: ”up” with ”down”, ”charm” with ”strange”, ja ”top” with ”bottom” (aiemmin nimeltään ”truth” ja ”beauty” vaikkakin valitettavasti muuttunut). Ylös-ja alas-kvarkit tarttuvat toisiinsa muodostaen protonit ja neutronit, jotka ovat jokaisen atomin ytimessä. Jälleen vain kevein kvarkkipari löytyy normaalista aineesta, charmi / outo ja ylä / alapari eivät näytä näyttelevän mitään roolia maailmankaikkeudessa sellaisena kuin se nyt on olemassa, mutta raskaampien leptonien tavoin niillä oli rooli maailmankaikkeuden alkuhetkillä ja ne auttoivat luomaan sellaisen, joka on myötämielinen olemassaolollemme.
Voimahiukkasia
standardimallissa on kuusi voimahiukkasta, jotka synnyttävät ainehiukkasten välisiä vuorovaikutuksia. Ne jaetaan neljään perusvoimaan: gravitaatiovoimaan, sähkömagneettiseen, vahvaan ja heikkoon voimaan.
fotoni on valon hiukkanen, joka vastaa sähkö-ja magneettikentistä, jotka syntyvät fotonien vaihtuessa varautuneesta kohteesta toiseen.
gluoni tuottaa voiman, joka pitää kvarkit koossa protonien ja neutronien muodostamiseksi, ja pitää nämä protonit ja neutronit koossa raskaampien ytimien muodostamiseksi.
kolme hiukkasta, joiden nimet ovat ”W plus”, ”w miinus” ja ”Z nolla” – joita kutsutaan välivektoribosoneiksi – ovat vastuussa radioaktiivisen hajoamisen prosessista ja prosesseista, jotka auringossa saavat sen loistamaan. Kuudennen voimahiukkasen, gravitonin, uskotaan olevan gravitaation aiheuttaja, mutta sitä ei ole vielä havaittu.
antimateria: science fiction reality
tiedämme myös antimaterian olemassaolon. Tämä on tieteiskirjailijoiden paljon rakastama käsite, mutta se todella on olemassa. Antimateriahiukkasia on havaittu usein. Esimerkiksi positronia (elektronin antihiukkasta) käytetään lääketieteessä sisäelinten kartoittamiseen positroniemissiotomografian (PET) avulla. Tunnetusti kun hiukkanen kohtaa antihiukkasensa, ne molemmat tuhoavat toisensa ja syntyy energiapurkaus. Tämän havaitsemiseen käytetään PET-skanneria.
jokaisella yllä olevalla ainehiukkasella on partnerihiukkanen, jolla on sama massa, mutta vastakkainen sähkövaraus, joten voimme kaksinkertaistaa ainehiukkasten määrän (kuusi kvarkkia ja kuusi leptonia) saadaksemme lopullisen luvun 24.
annamme aineen kvarkeille luvun +1 ja antiaineen kvarkeille arvon -1. Jos lasketaan yhteen ainekvarkkien lukumäärä plus antiainekvarkkien lukumäärä, saadaan kvarkkien nettoluku maailmankaikkeudessa, tämä ei koskaan muutu. Jos meillä on tarpeeksi energiaa, voimme luoda minkä tahansa aineen kvarkin, kunhan luomme samalla antimaterian kvarkin. Maailmankaikkeuden varhaisina hetkinä näitä hiukkasia syntyi jatkuvasti-nyt niitä syntyy vain kosmisten säteiden törmäyksissä planeettojen ja tähtien kaasukehään.
kuuluisa Higgsin bosoni
on viimeinen hiukkanen, joka täydentää hiukkasten nimenhuudon niin sanotussa hiukkasfysiikan standardimallissa, joka tähän mennessä on kuvattu. Kyseessä on Peter Higgsin 50 vuotta sitten ennustama Higgs, jonka löytö CERNissä vuonna 2012 johti Nobel-palkintoon Higgsille ja Francois Englertille.
Higgsin bosoni on pariton hiukkanen: se on standardimallin hiukkasista toiseksi raskain, ja se vastustaa yksinkertaista selitystä. Sen sanotaan usein olevan massan alkuperä, mikä on totta, mutta harhaanjohtavaa. Se antaa massan kvarkeille, ja kvarkit muodostavat protonit ja neutronit, mutta vain 2% protonien ja neutronien massasta saadaan kvarkeista ja loput gluonien energiasta.
tässä vaiheessa on laskettu kaikki standardimallin vaatimat hiukkaset: kuusi voimahiukkasta, 24 ainehiukkasta ja yksi Higgsin hiukkanen – yhteensä 31 perushiukkasta. Huolimatta siitä, mitä tiedämme niistä, niiden ominaisuuksia ei ole mitattu tarpeeksi hyvin, jotta voisimme sanoa lopullisesti, että nämä hiukkaset ovat kaikki, mitä tarvitaan rakentamaan maailmankaikkeus, jonka näemme ympärillämme, ja meillä ei todellakaan ole kaikkia vastauksia. Seuraavan kerran Large Hadron Colliderin avulla voimme tarkentaa mittauksiamme joistakin näistä ominaisuuksista-mutta on jotain muuta.
silti teoria on yhä väärä
kaunista teoriaa, standardimallia, on testattu ja testattu uudelleen yli kahden vuosikymmenen ajan, emmekä ole vielä tehneet mittausta, joka olisi ristiriidassa ennusteidemme kanssa. Mutta me tiedämme, että standardimallin täytyy olla väärä. Kun törmäämme kahteen perushiukkaseen, lopputulokset ovat mahdollisia. Teoriamme avulla voimme laskea todennäköisyyden, että jokin tietty tulos voi tapahtua, mutta energioilla, jotka olemme tähän mennessä saavuttaneet, se ennustaa, että jotkut näistä lopputuloksista tapahtuvat suuremmalla todennäköisyydellä kuin 100% – selvästi hölynpölyä.
teoreettiset fyysikot ovat nähneet paljon vaivaa yrittäessään rakentaa teoriaa, joka antaa järkeviä vastauksia kaikilla energioilla, samalla kun se antaa saman vastauksen kuin standardimalli kaikissa olosuhteissa, joissa standardimallia on testattu.
yleisin muunnos viittaa siihen, että on olemassa hyvin raskaita löytämättömiä hiukkasia. Koska ne ovat raskaita, niiden tuottamiseen tarvitaan paljon energiaa. Näiden ylimääräisten hiukkasten ominaisuudet voidaan valita sen varmistamiseksi, että tuloksena oleva teoria antaa järkeviä vastauksia kaikilla energioilla, mutta niillä ei ole vaikutusta mittauksiin, jotka ovat yhtä hyvin standardimallin kanssa.
näiden löytämättömien ja vielä näkemättömien hiukkasten määrä riippuu siitä, kumpaan teoriaan päätät uskoa. Näiden teorioiden suosituinta luokkaa kutsutaan supersymmetrisiksi teorioiksi, ja ne viittaavat siihen, että kaikilla näkemillämme hiukkasilla on paljon raskaampi vastine. Jos ne ovat kuitenkin liian raskaita, syntyy ongelmia energioissa, joita voimme tuottaa ennen kuin nämä hiukkaset löytyvät. Mutta LHC: n seuraavassa juoksussa saavutettavat energiat ovat niin suuria, että uusien hiukkasten puuttuminen on isku kaikille supersymmetrisille teorioille.