Vrtoglavi niz čestica, sila i polja diktiraju subatomsku osnovu za sve što vidimo.
Paul Sutter je astrofizičar sa Sveučilišta Ohio State i glavni znanstvenik u znanstvenom centru COSI. Sutter je također domaćin emisija "Pitaj svemira" i "Svemirskog radija" i vodi AstroTours širom svijeta. Sutter je ovaj članak pridodao stručnim glasovima Space.com-a: Op-Ed & Insights.
Da biste posjetili zaista neobičnu zemlju punu čuda i misterije, ne morate se provlačiti kroz čarobni ormar, voziti leteće stvorenje koje ne bi smjelo letjeti ili nepromišljeno skakati kroz portal u drugu dimenziju. Ne, sve što trebate učiniti je otvoriti akcelerator čestica i gledati dolje, dolje, dolje.
Na subatomskoj razini, istinska raznolikost i sjaj prirode prikazan je na punom mjestu, sa vrtoglavim nizom čestica, sila i polja koja se vrte i vrte se oko njih, a upravljaju ih gotovo neupadljivi zakoni fizike. Pa ipak, nekako, umjesto da stvaraju kaotičan nered, sve njihove komplicirane interakcije proizvode redoviti, uredan, uzorkovan makroskopski svijet koji smo upoznati. [Čudni kvarkovi i muoni, o moj! Prirode najcjepljenije čestice secirane (Infographic)]
Može se shvatiti taj maleni svijet razdvojen u strogu hijerarhiju, s jasnim linijama između vladara i vladajućih, između onih koji udobno sjede u svojim stabilnim dvorcima i niskih seljaka koji zapravo rade posao. Interakcije među raznim stanovnicima su u kamenu postavljene nepromjenjivim pravilima: ima mjesta za sve i svatko ima svoje mjesto.
Dođite, posjetimo.
Dobro je biti kralj
U središtu su sve najmasovnije stabilne čestice: kvarkovi prema gore i dolje. Njihova dugovječnost omogućuje im da se spoje u gotovo neupadljive tvrđave: nukleonske kaštele poznate kao protoni i neutroni. Ali održavanje samih tih nukleonskih citadela nisu sami kvarkovi. Zapravo, kombinirana masa svih kvarkova u nukleonu daleko je manja od mase protona ili neutrona.
Umjesto toga, kvarkovi prema gore i dolje prepuni su se posebnom sposobnošću koja nije poznata ostalim česticama u carstvu. Mogu osjetiti jaku nuklearnu silu. To je daleko najmoćnija sila koja tako intenzivno zalijepi kvarkove da niti jednog nije moguće vidjeti izolirano. Ta interakcija čini nevidljivu okosnicu našeg makroskopskog svijeta. Protone i neutrone uzimamo zdravo za gotovo - tako solidno grade zidove dvorca. A njihove mase su uglavnom zbog snage njihovih unutarnjih nuklearnih veza, a ne pojedinačnih kvarkova.
Snažna nuklearna sila ne zaustavlja se na razini protona i neutrona. Ljepilo koje veže kvarkove, dajući im dominaciju nad svim ostalim česticama, toliko je dominantno da može sakupiti nekoliko ovih dvoraca u čvrstu tvrđavu poznatu kao atomsko jezgro. Iako ova struktura nije neprimjenjiva poput protona i samih neutrona, prevrtanje jezgre još uvijek zahtijeva ogroman napor.
Ipak, za svu svoju dominacijsku moć, doseg kvaka poput vica omeđen je na njihov određeni dvorac i okolno okruženje. To je zato što je jaka sila, svom snagom, jako ograničena u dometu. To je ono što određuje veličinu tvrđava, dvoraca i zadržava nas koje identificiramo kao nukleon našeg svijeta. [7 Čudne činjenice o kvarkovima]
Postavljanje polja
Mimo ograničenog dometa, kvarkovi kontroliraju svoje domene i komuniciraju jedan s drugim preko kraljevskih glasnika - fotona. Oni brzi izaslanici skoče s mjesta u svemir, nikad ne umarajući, noseći elektromagnetsku silu - elektriku, magnetizam, pa čak i samu svjetlost - na bilo koju česticu koja ima električni naboj. Taj se utjecaj proteže u cijelom kozmosu, iako je naravno, što ste dalje od izvora, slabiji je učinak.
Ovo elektromagnetsko vezivanje drži podmlatke subatomskog svijeta u liniji, i dok kvarkovi provode dane u praznom hodu u relativnoj udobnosti svojih sigurnih i osamljenih dvorca, zadržani "seljaci" - elektroni - čine sav posao stvaranja bogatih varijacija mogućih kemijskih reakcija Točno - to su siromašni, neznatni elektroni koji robovaju svojim majstorima kvarkova. Vezan za jezgro elektromagnetizmom - ali obično sprečen da doista uđe po pravilima kvantne mehanike - elektroni se izmjenjuju među atomima, što nam omogućava kemiju koja omogućava gotovo sve o našem svakodnevnom životu.
Vladajući kvarkovi sretno će trgovati, krasti i posuđivati ponizni elektron iz susjedne domene, oblikujući svoje pokrete teškim rukom iz fotona - bez brige o njihovim pojedinačnim nadama, snovima ili ambicijama (slobodno struji svemirom, navijajući se oko magnetskog polja i tako dalje).
Zaviruje u sjene
Ali nisu se sve čestice u svemiru držale ispod palca despotskih kvarkova. Neki mogu slobodno strujati kroz svemir, ne osjetivši jaku silu i sigurno ignorirajući suvišne blještave s bilo kojeg prolaznog fotona: neutrina. Te se sablasne čestice mogu sakriti pred očima, tako sjajne da smo desetljećima mislili da su u potpunosti bez masi.
Neutrinovi dolaze u tri vrste, elektro-neutrino, muonsko-neutrino i tau-neutrino, ali toliko su dobro prikriveni da nikad niste sigurni koje gledate. Dok putuju, mogu se voziti kroz maske koje nose, mijenjajući svoj identitet s lakoćom iskusnog špijuna. Njihove maske određuju kako (povremeno) komuniciraju s ostatkom čestica u svemiru: Na primjer, elektro-neutrino će sudjelovati samo u reakcijama koje uključuju elektrone.
Ali zbog nestašluka neutrina, postupak koji stvara određeni okus ove čestice ne može se uvijek pokrenuti obrnuto kako bi se ponovno uhvatio izvorni raznolikost - to je prebačeni identitet.
Ipak, unatoč svim njihovim trikovima i podvalama, neutrini nisu imuni na utjecaj iz domena kvarkova. Ali da bi se takav efekt dogodio, potrebne su posebne snage. Ekspertske čestice zvane W i Z bozoni, nositelji slabe nuklearne sile, jedini su u stanju komunicirati s rogoznim neutrinama. U nekim slučajevima, bozoni uspijevaju pretvarati neutrine u bića koja više odgovaraju, poput elektrona.
Čak i tada, to je sretna šansa: većinu vremena lukavi neutrini nestaju bez sketova.
Ali skup vještina tih W i Z bozona, tajnih crno-bijelih boraca svijeta čestica, proteže se dalje od samo rijetkog susreta neutrina. Oni također imaju gotovo ekskluzivan pristup unutarnjem svetinju nukleonske tvrđave i mogu promijeniti jednu vrstu kvarka u drugu. Ako neutron pobjegne iz sigurnosti atomskog jezgra, ovi specijalni bozoni mogu pretvoriti tu česticu u stabilniji protoni.
Izvan Kraljevstva
To, naravno, ne daje potpunu sliku subatomskog svijeta. Čitav standardni model, naš portret tih sićušnih stvorenja i sve njihove interakcije s puno zauzeća mnogo je veći i složeniji nego što može biti sadržan u nekoliko odlomaka. Iako je standardni model trijumf moderne fizike, bolno zakrpljen kroz desetljeća, uz zahtjevna predviđanja i precizne eksperimente, to je također nepotpuna slika našeg svijeta.
Za jednu, to ne uključuje gravitaciju, što upravo u ovom trenutku najbolje opisuje i nepotpuna opća teorija relativnosti. Postoje i kozmološka pitanja prirode tamne materije i tamne energije, o kojima tradicionalni standardni model prećuta (jer su ti fenomeni tek nedavno otkriveni). Ima još: masa neutrina, hijerarhija sila i tako dalje.
No, iako je daleko od cjelovitog i možda pomalo nezadovoljavajućeg u svom pristupu žvakaćih guma i traka za modeliranje fizičkog svijeta, Standardni model je nevjerojatno koristan. Sa nevjerojatnom točnošću može predvidjeti pokrete i pokrete tih subatomskih stanovnika i sve njihovo grozno crtanje.
Saznajte više slušajući epizodu "Tko živi u zoološkom dijelu čestica?" na podcastu "Pitaj Spaceman", dostupan na iTunesu i na web-lokaciji http://www.askaspaceman.com. Hvala Alessandro M., Roger, Martin N., Daniel C. i @PoZokhr na pitanjima koja su dovela do ovog djela! Postavite svoje pitanje na Twitteru koristeći #AskASpaceman ili slijedeći Paul @PaulMattSutter i facebook.com/PaulMattSutter.
