często twierdzi się, że starożytni Grecy jako pierwsi zidentyfikowali obiekty, które nie mają rozmiarów, ale są w stanie budować otaczający nas świat poprzez swoje interakcje. A ponieważ jesteśmy w stanie obserwować świat w coraz drobniejszych szczegółach za pomocą mikroskopów o rosnącej mocy, naturalne jest zastanawianie się, z czego te obiekty są zbudowane.
uważamy, że znaleźliśmy niektóre z tych obiektów: cząstki subatomowe lub cząstki fundamentalne, które nie mają rozmiaru, nie mogą mieć podbudowy. Obecnie staramy się wyjaśnić właściwości tych cząstek i pracujemy nad pokazaniem, w jaki sposób można je wykorzystać do wyjaśnienia zawartości wszechświata.
istnieją dwa rodzaje cząstek podstawowych: cząstki materii, z których niektóre łączą się, aby wytworzyć otaczający nas świat, i cząstki siły – jedna z nich, foton, jest odpowiedzialna za promieniowanie elektromagnetyczne. Są one klasyfikowane w standardowym modelu fizyki cząstek elementarnych, który teoretyzuje, w jaki sposób podstawowe elementy składowe materii oddziałują na siebie, rządzone przez siły fundamentalne. Cząstki materii są fermionami, podczas gdy cząstki siły są bozonami.
cząstki materii: kwarki i leptony
cząstki materii dzielą się na dwie grupy: kwarki i leptony – jest ich sześć, każda z odpowiednim partnerem.
leptony dzielą się na trzy pary. Każda para ma cząstkę elementarną z ładunkiem i jedną bez ładunku-taką, która jest znacznie lżejsza i niezwykle trudna do wykrycia. Najlżejszą z tych par jest elektron i elektron-neutrino.
naładowany elektron jest odpowiedzialny za prądy elektryczne. Jego niezaładowany partner, znany jako elektron-neutrino, jest produkowany obficie w słońcu, a te oddziałują tak słabo ze swoim otoczeniem, że przechodzą bez przeszkód przez Ziemię. Milion z nich przechodzi przez każdy centymetr kwadratowy twojego ciała co sekundę, dzień i noc.
Elektron-neutrina powstają w niewyobrażalnych ilościach podczas eksplozji supernowych i to właśnie te cząstki rozpraszają pierwiastki wytwarzane przez spalanie jądrowe we wszechświecie. Pierwiastki te obejmują węgiel, z którego jesteśmy stworzeni, tlen, którym oddychamy, i prawie wszystko inne na ziemi. Dlatego, pomimo niechęci neutrin do interakcji z innymi podstawowymi cząstkami, są one niezbędne dla naszej egzystencji. Pozostałe dwie pary neutrin (zwane neutrino mionowe i mionowe, neutrino tau i Tau) wydają się być tylko cięższymi wersjami elektronu.
ponieważ normalna materia nie zawiera tych cząstek, może się wydawać, że są one niepotrzebnym powikłaniem. Jednak podczas pierwszej do dziesięciu sekund wszechświata po Wielkim Wybuchu, mieli kluczową rolę do odegrania w ustaleniu struktury wszechświata, w którym żyjemy – znany jako Epoka Lepton.
sześć kwarków dzieli się również na trzy pary o dziwacznych nazwach: „up „z” down”,” charm „z” strange”, a” top „z” bottom „(wcześniej nazywane” truth „i” beauty”, choć niestety zmienione). Kwarki górne i dolne łączą się tworząc protony i neutrony, które leżą w sercu każdego atomu. Ponownie tylko najlżejsze pary kwarków znajdują się w normalnej materii, pary urok/dziwne i góra/dół wydają się nie odgrywać żadnej roli we wszechświecie, jak obecnie istnieje, ale, podobnie jak cięższe leptony, odegrały rolę we wczesnych momentach wszechświata i pomogły stworzyć taki, który jest podatny na naszą egzystencję.
cząstki siły
w modelu standardowym istnieje sześć cząstek siły, które tworzą interakcje między cząstkami materii. Są one podzielone na cztery podstawowe siły: grawitacyjne, elektromagnetyczne, silne i słabe siły.
foton jest cząstką światła i jest odpowiedzialny za pola elektryczne i magnetyczne, powstałe w wyniku wymiany fotonów z jednego naładowanego obiektu do drugiego.
gluon wytwarza siłę odpowiedzialną za trzymanie kwarków razem tworząc protony i neutrony, oraz za trzymanie tych protonów i neutronów razem tworząc cięższe jądra.
trzy cząstki o nazwie „W plus”, „w minus” i „z zero” – określane jako pośrednie bozony wektorowe – są odpowiedzialne za proces rozpadu promieniotwórczego i za procesy zachodzące w słońcu, które powodują jego świecenie. Uważa się, że za grawitację odpowiedzialna jest cząstka szóstej siły, grawiton, ale nie została jeszcze zaobserwowana.
Antymateria: rzeczywistość science fiction
wiemy również o istnieniu antymaterii. Jest to koncepcja bardzo lubiana przez pisarzy science fiction, ale naprawdę istnieje. Często obserwowano cząstki antymaterii. Na przykład pozyton (antycząstka elektronu) jest używany w medycynie do mapowania naszych narządów wewnętrznych za pomocą pozytonowej tomografii emisyjnej (PET). Wiadomo, że gdy cząstka spotyka swoją antycząstkę, obie anihilują się nawzajem i powstaje impuls energii. Skaner PET jest używany do wykrywania tego.
każda z cząstek materii powyżej ma cząstkę partnera, która ma tę samą masę, ale przeciwny ładunek elektryczny, więc możemy podwoić liczbę cząstek materii (sześć kwarków i sześć leptonów), aby uzyskać ostateczną liczbę 24.
dajemy kwarkom materii liczbę +1, A kwarkom antymaterii wartość -1. Jeśli dodamy liczbę kwarków materii plus liczbę kwarków antymaterii, otrzymamy liczbę kwarków we wszechświecie, która nigdy się nie zmienia. Jeśli mamy wystarczająco dużo energii, możemy stworzyć dowolny z kwarków materii, o ile tworzymy kwark antymaterii w tym samym czasie. We wczesnych momentach wszechświata cząstki te powstawały w sposób ciągły-teraz powstają tylko w zderzeniach promieni kosmicznych z atmosferą planet i gwiazd.
słynny bozon Higgsa
istnieje cząstka końcowa, która dopełnia apel cząstek w opisywanym dotychczas modelu standardowym fizyki cząstek. Jest to Higgs, przewidywany przez Petera Higgsa 50 lat temu, a jego odkrycie w CERN w 2012 roku doprowadziło do Nagrody Nobla dla Higgsa i Francois Englerta.
bozon Higgsa jest cząstką dziwną: jest drugą najcięższą z cząstek modelu standardowego i opiera się prostemu wyjaśnieniu. Często mówi się o pochodzeniu masy, co jest prawdą, ale mylące. Daje masę kwarkom, a kwarki tworzą protony i neutrony, ale tylko 2% masy protonów i neutronów stanowią kwarki, a reszta pochodzi z energii w gluonach.
w tym momencie uwzględniliśmy wszystkie cząstki wymagane przez model standardowy: sześć cząstek siły, 24 cząstki materii i jedną cząstkę Higgsa – w sumie 31 cząstek podstawowych. Pomimo tego, co o nich wiemy, ich właściwości nie zostały zmierzone na tyle dobrze, by pozwolić nam ostatecznie stwierdzić, że te cząstki są wszystkim, co jest potrzebne do budowy wszechświata, który widzimy wokół nas, i na pewno nie mamy wszystkich odpowiedzi. Kolejny bieg Wielkiego Zderzacza Hadronów pozwoli nam udoskonalić pomiary niektórych z tych właściwości-ale jest coś jeszcze.
jednak teoria jest nadal błędna
piękna teoria, model standardowy, została przetestowana i ponownie przetestowana przez ponad dwie dekady i więcej; a my jeszcze nie dokonaliśmy pomiaru, który jest sprzeczny z naszymi przewidywaniami. Ale wiemy, że standardowy model musi się mylić. Kiedy zderzymy ze sobą dwie podstawowe cząstki, możliwe będzie uzyskanie wielu rezultatów. Nasza teoria pozwala nam obliczyć prawdopodobieństwo, że jakikolwiek konkretny wynik może wystąpić, ale przy energiach, powyżej których do tej pory osiągnęliśmy, przewiduje się, że niektóre z tych wyników występują z prawdopodobieństwem większym niż 100% – oczywiście nonsens.
fizycy teoretyczni włożyli wiele wysiłku w skonstruowanie teorii, która daje sensowne odpowiedzi na wszystkie energie, dając jednocześnie taką samą odpowiedź jak Model Standardowy w każdej sytuacji, w której model standardowy został przetestowany.
najczęstsza modyfikacja oznacza, że istnieją bardzo ciężkie nieodkryte cząstki. Fakt, że są ciężkie, oznacza, że do ich wytworzenia potrzebne będzie dużo energii. Właściwości tych dodatkowych cząstek można wybrać tak, aby upewnić się, że uzyskana teoria daje sensowne odpowiedzi na wszystkie energie, ale nie mają one wpływu na pomiary, które tak dobrze zgadzają się z Modelem Standardowym.
liczba tych nieodkrytych i jeszcze niewidzialnych cząstek zależy od teorii, w którą zdecydujesz się wierzyć. Najpopularniejsza Klasa tych teorii nazywa się teoriami supersymetrycznymi i sugerują, że wszystkie cząstki, które widzieliśmy, mają znacznie cięższy odpowiednik. Jeśli jednak są zbyt ciężkie, pojawią się problemy z energiami, które możemy wyprodukować, zanim te cząstki zostaną znalezione. Ale energie, które zostaną osiągnięte w następnym biegu LHC, są na tyle wysokie, że brak nowych cząstek będzie ciosem dla wszystkich teorii supersymetrycznych.