Et svimlende utvalg av partikler, krefter og felt dikterer det subatomære grunnlaget for alt vi ser.
Paul Sutter er astrofysiker ved Ohio State University og sjefforsker ved COSI vitensenter. Sutter er også vert for "Ask a Spaceman" og "Space Radio", og leder AstroTours over hele verden. Sutter bidro med denne artikkelen til Space.com's Expert Voices: Op-Ed & Insights.
For å besøke et virkelig rart land fullt av undring og mystikk, trenger du ikke snike deg gjennom et magisk skap, ri på en flyvende skapning som ikke skal kunne fly eller hoppe uvøren gjennom en portal til en annen dimensjon. Nei, alt du trenger å gjøre er å sprekke opp din partikkelakselerator og se ned, ned, ned.
På det subatomære nivået er naturens sanne variasjon og prakt full visning, med et svimlende utvalg av partikler, krefter og felt som alt suser og surrer rundt, styrt av nesten uovertrufne fysiske lover. Likevel, på en eller annen måte, i stedet for å skape et kaotisk rot, produserer alle deres kompliserte interaksjoner den vanlige, ordnede, mønstrede makroskopiske verdenen som vi er kjent med. [Strange Quarks and Muons, Oh My! Nature's Tiniest Particles Dissected (Infographic)]
Man kan forstå den ørsmå verden som segregeres til et strengt hierarki, med klare linjer mellom herskerne og de styrte, mellom de som sitter komfortabelt i sine stabile slott og de lave bøndene som faktisk får gjort arbeidet. Samhandlingene mellom de forskjellige borgere er satt i stein etter uforanderlige regler: Det er et sted for alle, og alle har et sted.
Kom, la oss besøke.
Det er godt å være kongen
I sentrum av det hele er de mest massive stabile partiklene: opp- og ned-kvarkene. Deres levetid lar dem binde seg sammen til nesten impregnerbare festninger: nukleonslottene kjent som protoner og nøytroner. Men det er ikke selve kvarkene som gjør arbeidet med å opprettholde disse nukleoniske citadellene. Faktisk er den samlede massen av alle kvarkene i en nukleon langt mindre enn massen til et proton eller nøytron.
I stedet er de opp og ned kvarkene gjennomsyret av en spesiell evne som ikke er kjent for de andre partiklene i riket. De kan føle den sterke kjernefysiske styrken. Det er den klart mektigste kraften, som limer sammen kvarkene så intenst at en enkelt aldri kan sees isolert. Det samspillet danner den usettede ryggraden i vår makroskopiske verden. Vi tar protoner og nøytroner for gitt - det er hvor solidt de bygger sine slottsvegger. Og massene deres skyldes for det meste styrken til deres indre kjernefysiske obligasjoner, snarere enn de enkelte kvarkene.
Den sterke atomkraften stopper ikke på nivået med protoner og nøytroner. Limet som binder sammen kvarkene, og gir dem herredømme over alle andre partikler, er så dominerende at det kan samle noen få av disse slottene sammen til en solid festning kjent som en atomkjerne. Selv om denne strukturen ikke er ugjennomtrengelig som protonene og nøytronene i seg selv, er det fortsatt enorm innsats å kaste en kjerne.
Likevel, for all deres dominerende kraft, er rekkevidden til kvarkenes vislignende grep begrenset til deres spesielle borg og nærliggende omgivelser. Det er fordi den sterke styrken, for all sin styrke, er sterkt begrenset i rekkevidde. Det er dette som angir størrelsen på festninger, slott og beholdere som vi identifiserer som nukleonene i vår verden. [7 Merkelige fakta om kvarker]
Arbeide med åkrene
Utover det begrensede området holder kvarkene sine domener i sjakk og kommuniserer med hverandre via de kongelige budbringere - fotonene. Disse rasktfotsendte utsendingene hopper fra sted til sted i universet, aldri slitsomme, og bærer den elektromagnetiske kraften - elektrisitet, magnetisme og til og med lys selv - til enhver partikkel som har elektrisk ladning. Denne påvirkningen strekker seg over hele kosmos, selvfølgelig, jo lenger du er fra kilden, jo svakere er effekten.
Denne elektromagnetiske bindingen holder underlingene i den subatomære verdenen i kø, og mens kvarkene tilbringer dagene sine på tomgang i den relative komforten til sine sikre og bortgjemte slottholdere, nedstemte "bønder" - elektroner - gjør alt arbeidet med å gjøre de rike variasjonene av kjemiske reaksjoner mulig. Det stemmer - det er de stakkars, ubehagelige elektronene som slaver bort for sine kvark-mestere. Bundet til kjernen ved hjelp av elektromagnetisme - men vanligvis forhindret fra å faktisk gå inn i reglene for kvantemekanikk - utveksles elektroner mellom atomer, noe som gir oss den kjemien som gjør nesten alt om hverdagen vår mulig.
De herskende kvarkene vil med glede handle, stjele og låne et ydmykt elektron fra et nærliggende domene, og forme bevegelsene deres med tunghåndsstikk fra fotonene - uten å bry seg om deres individuelle håp, drømmer eller ambisjoner (strømme fritt gjennom universet, sno seg rundt magnetisk felt og så videre).
Lurer i skyggene
Men ikke alle partikler i universet holdes under tommelen av de despotiske kvarkene. Noen kan strømme fritt over hele universet, ikke føle den sterke kraften og trygt ignorere skinnende blending fra noen forbipasserende fotoner: nøytrinoene. Disse spøkelsesaktige partiklene kan skjule seg selv i lyset syn, så lysende at vi i flere tiår trodde de var helt masseløse.
Neutrino finnes i tre typer, elektron-nøytrino, muon-neutrino og tau-neutrino, men de er så godt forkledd at du aldri er sikker på hvilken du ser på. Når de reiser, kan de sykle gjennom maskene de har på seg, bytte identitet med letthet som en erfaren spion. Maskerne deres avgjør hvordan de (tidvis) samvirker med resten av partiklene i universet: En elektron-nøytrino vil bare delta i reaksjoner som involverer elektroner, for eksempel.
Men på grunn av nøytrino's rampete natur, kan en prosess som genererer en spesiell smak av denne partikkelen ikke alltid kjøres omvendt for å fange den opprinnelige sorten igjen - det er byttet identitet.
Til tross for alle sine triks og undertrykk, er nøytrinoer ikke immun mot påvirkning fra domenene til kvarkene. Men for at den typen effekt skal inntreffe, kreves spesialstyrkene. Ekspertpartikler kalt W- og Z-bosoner, bærere av den svake atomkraften, er de eneste som er i stand til å kommunisere med de uekte neutrinoene. I noen tilfeller klarer bosoner å konvertere nøytrinoer til mer kompatible skapninger, som elektroner.
Til og med da er det en heldig sjanse: De fleste av tiden slipper de lurke nøytrinoene seg uten skot.
Men ferdighetssettet til disse W- og Z-bosonene, de hemmelige black-ops-kjemperne i partikkelverdenen, strekker seg lenger enn bare det sjeldne nøytrino-møtet. De har også nesten eksklusiv tilgang til den indre helligdommen i nukleonfestningen og kan endre en slags kvark til en annen. Skulle en nøytron flykte fra sikkerheten til en atomkjerne, kan disse spesielle bosonene transformere den partikkelen til et mer stabilt proton.
Utenfor riket
Dette gir selvfølgelig ikke fullstendig bilde av den subatomære verdenen. Hele standardmodellen, vårt portrett av de bittesmå skapningene og alle deres travle personers interaksjoner er mye større og mer sammensatt enn det som finnes i noen få avsnitt. Og selv om Standardmodellen er en triumf for moderne fysikk, smertet sammen smertelig i løpet av flere tiår, med nøyaktige forutsigelser og presise eksperimentering, er den også et ufullstendig bilde av vår verden.
For det første inkluderer det ikke tyngdekraften, som akkurat nå er best beskrevet av den også ufullstendige generelle relativitetsteorien. Det er også de vedvarende kosmologiske spørsmålene om arten av mørk materie og mørk energi, som den tradisjonelle standardmodellen er stille på (fordi disse fenomenene bare nylig ble oppdaget). Det er mer: massen til nøytrino, styrkenes hierarki og så videre.
Men selv om den er langt fra komplett, og kanskje litt utilfredsstillende i sin tyggegummi-og-duct-tape tilnærming til modellering av den fysiske verden, er Standard Model utrolig nyttig. Den kan forutsi med oppsiktsvekkende nøyaktighet bevegelsene og bevegelsene til de subatomiske innbyggerne og all deres ubehagelige plan.
Lær mer ved å lytte til episoden "Hvem bor i partikkelsdyrparken?" på podcasten "Ask a Spaceman", tilgjengelig på iTunes og på nettet på http://www.askaspaceman.com. Takk til Alessandro M., Roger, Martin N., Daniel C. og @PoZokhr for spørsmålene som førte til dette stykket! Still ditt eget spørsmål på Twitter ved å bruke #AskASpaceman eller ved å følge Paul @PaulMattSutter og facebook.com/PaulMattSutter.
