En svimlende vifte af partikler, kræfter og felter dikterer det subatomære grundlag for alt, hvad vi ser.
Paul Sutter er astrofysiker ved Ohio State University og chefforsker ved COSI videnskabscenter. Sutter er også vært for "Ask a Spaceman" og "Space Radio" og fører AstroTours rundt om i verden. Sutter bidrog med denne artikel til Space.com's ekspertstemmer: Op-Ed & Insights.
For at besøge et virkelig mærkeligt land fuld af forundring og mysterium, behøver du ikke at snige sig gennem et magisk skab, køre på et flyvende væsen, som ikke skal være i stand til at flyve eller hoppe uforsigtigt gennem en portal til en anden dimension. Nej, alt hvad du skal gøre er at knække din partikelaccelerator op og se ned, ned, ned.
På det subatomære niveau er den sande variation og pragt af naturen på fuld vis med en svimlende vifte af partikler, kræfter og felter, der alle suser og hvirver rundt om, styret af næsten ubeskrivelige fysiske love. Alligevel producerer alle deres komplicerede interaktioner på en eller anden måde snarere end at skabe et kaotisk rod den regelmæssige, ordnede, mønstrede makroskopiske verden, som vi er bekendt med. [Strange Quarks and Muons, Oh My! Naturens mindste partikler dissekeret (infographic)]
Man kan forstå den lille verden, som er adskilt i et strengt hierarki, med klare linjer mellem herskerne og de herskede, mellem dem, der sidder behageligt i deres stabile slotte og de ringe bønder, der faktisk får arbejdet gjort. Interaktionerne mellem de forskellige borgere er sat i sten efter uforanderlige regler: Der er et sted for alle, og alle har et sted.
Kom, lad os besøge.
Det er godt at være kongen
I midten af det hele er de mest massive stabile partikler: de op- og nedadgående kvarker. Deres levetid giver dem mulighed for at binde sammen i næsten uimprægelige fæstninger: nukleonslottene kendt som protoner og neutroner. Men det er ikke selve kvarkerne, der gør arbejdet med at vedligeholde disse nukleoniske citadeller. Faktisk er den samlede masse af alle kvarkerne i en nukleon langt mindre end massen af en proton eller neutron.
I stedet er de op- og nedadgående kvarker gennemsyret af en særlig evne, som ikke er kendt af de andre partikler i verden. De kan føle den stærke atomkraft. Det er langt den mest magtfulde kraft, der limer sammen kvarkerne så intenst, at en enkelt aldrig kan ses isoleret. Denne interaktion danner den usete rygrad i vores makroskopiske verden. Vi tager protoner og neutroner for givet - det er hvor solidt de bygger deres slotsmure. Og deres masser skyldes hovedsageligt styrken af deres interne nukleare obligationer snarere end de individuelle kvarker.
Den stærke atomkraft stopper ikke på niveauet for protoner og neutroner. Limet, der binder kvarkerne sammen og giver dem herredømme over alle andre partikler, er så dominerende, at det kan samle et par af disse slotte sammen til en robust fæstning kendt som en atomkerne. Selv om denne struktur ikke er imprægnerbar som protonerne og neutronerne i sig selv, kræver det stadig en enorm indsats at vælte en kerne.
Alligevel er rækkevidden til quarks 'vice-lignende greb begrænset til deres særlige borg og nærliggende omgivelser for al deres dominante magt. Det skyldes, at den stærke kraft for al sin styrke er meget begrænset i rækkevidde. Det er det, der fastlægger størrelsen på fæstningerne, slotte og opbevaringer, som vi identificerer som nukleonerne i vores verden. [7 Strange Facts About Quarks]
Arbejde med markerne
Ud over dette begrænsede interval holder kvarkerne deres domæner i skak og kommunikerer med hinanden via de kongelige budbringere - fotonerne. Disse hurtige fods udsendelser springer fra sted til sted i universet, aldrig trætte, bærer den elektromagnetiske kraft - elektricitet, magnetisme og endda lys i sig selv - til enhver partikel, der har elektrisk ladning. Denne indflydelse strækker sig over hele kosmos, selvom jo længere du er fra kilden, jo svagere er effekten.
Denne elektromagnetiske binding holder underlingerne i den subatomære verden på linje, og mens kvarkerne tilbringer deres dage på tomgang i den relative komfort af deres sikre og afsondrede slotteholdere, nedtrukne "bønder" - elektroner - gør alt arbejde med at gøre de rige variationer af kemiske reaktioner muligt. Det er rigtigt - det er de fattige, ubehagelige elektroner, der slaver væk for deres quark-mestre. Bundet til kernen ved hjælp af elektromagnetisme - men som regel forhindres i at reelt gå ind efter reglerne om kvantemekanik - udveksles elektroner mellem atomer, hvilket giver os den kemi, der gør næsten alt om vores daglige liv muligt.
De herskende kvarker vil med glæde handle, stjæle og låne et ydmygt elektron fra et nabodomæne, og forme deres bevægelser med kraftigt udstødning fra fotonerne - uden at bekymre sig om deres individuelle håb, drømme eller ambitioner (strømme frit gennem universet, snoede omkring magnetiske felter og så videre).
Lurer i skyggerne
Men ikke alle partikler i universet holdes under tommelfingeren af de despotiske kvarker. Nogle kan strømme frit gennem hele universet og ikke mærke den stærke kraft og sikkert ignorere uheldige blændinger fra nogen forbipasserende fotoner: neutrinoerne. Disse spøgelsesagtige partikler kan skjule sig selv i synet, så brusende, at vi i årtier troede, at de var helt masseløse.
Neutrino findes i tre typer, elektronneutrino, muon-neutrino og tau-neutrino, men de er så godt forklædte, at du aldrig er sikker på, hvilken du ser. Når de rejser, kan de cykle gennem maskerne, de bærer, skifte identitet med lethed af en erfaren spion. Deres masker bestemmer, hvordan de (lejlighedsvis) interagerer med resten af partiklerne i universet: En elektronneutrino deltager kun i reaktioner, der involverer f.eks. Elektroner.
Men på grund af neutrinos 'skøre karakter, kan en proces, der genererer en bestemt smag af denne partikel, ikke altid køres omvendt for at fange den originale sort igen - det er skiftede identiteter.
Trods alle deres tricks og underfuger er neutrinoer stadig ikke immun over for indflydelse fra kvarkernes domæner. Men for at den slags virkning skal forekomme kræves specialstyrkerne. Ekspertpartikler kaldet W- og Z-bosoner, bærere af den svage atomkraft, er de eneste, der er i stand til at kommunikere med de uheldige neutrinoer. I nogle tilfælde lykkes det med bosoner at omdanne neutrino til mere kompatible væsener, som elektroner.
Selv da er det en heldig chance: Oftest slipper de luske neutrinoer uden skot.
Men dygtighedssættet fra disse W- og Z-bosoner, de hemmelige black-ops-kæmpere i partikelverdenen, strækker sig længere end bare det sjældne neutrino-møde. De har også næsten eksklusiv adgang til den indre helligdom i nucleon-fæstningen og kan ændre en slags kvark til en anden. Hvis en neutron undslipper fra en atomkernes sikkerhed, kan disse specielle bosoner omdanne den partikel til et mere stabilt proton.
Uden for rige
Dette giver naturligvis ikke det fulde billede af den subatomære verden. Hele standardmodellen, vores portræt af de små væsner og alle deres travle kropsinteraktioner er meget større og mere kompliceret end der kan findes i et par afsnit. Og selvom Standardmodellen er en triumf for moderne fysik, som er smertet sammen i løbet af årtier med nøjagtige forudsigelser og præcise eksperimenteringer, er den også et ufuldstændigt billede af vores verden.
For det første inkluderer det ikke tyngdekraften, som lige nu bedst beskrives af den også ufuldstændige generelle relativitetsteori. Der er også de vedvarende kosmologiske spørgsmål om arten af mørkt stof og mørk energi, som den traditionelle standardmodel er stille på (fordi disse fænomener først blev opdaget for nylig). Der er mere: massen af neutrino, styrkenes hierarki og så videre.
Men selvom det er langt fra komplet og måske lidt utilfredsstillende i sin tyggegummi-og-duct-tape-tilgang til modellering af den fysiske verden, er Standardmodellen utroligt nyttig. Det kan med forbløffende nøjagtighed forudsige bevægelser og bevægelser for disse subatomiske borgere og al deres afskyelige planlægning.
Lær mere ved at lytte til episoden "Hvem bor i partikelzoo?" på podcasten "Spørg en Spaceman", tilgængelig på iTunes og på internettet på http://www.askaspaceman.com. Tak til Alessandro M., Roger, Martin N., Daniel C. og @PoZokhr for de spørgsmål, der førte til dette stykke! Stil dit eget spørgsmål på Twitter ved hjælp af #AskASpaceman eller ved at følge Paul @PaulMattSutter og facebook.com/PaulMattSutter.
