Elementære partikler er de minste kjente byggesteinene i universet. De antas å ikke ha noen indre struktur, noe som betyr at forskere tenker på dem som nulldimensjonale punkter som ikke tar noe plass. Elektroner er sannsynligvis de mest kjente elementære partiklene, men standardmodellen for fysikk, som beskriver interaksjonen mellom partikler og nesten alle krefter, gjenkjenner 10 totale elementære partikler.
Elektroner og relaterte partikler
Elektroner er de negativt ladede komponentene i atomer. Mens de antas å være nulldimensjonale punktpartikler, er elektronene omgitt av en sky av andre virtuelle partikler som hele tiden winker inn og ut av eksistensen, som i det vesentlige fungerer som en del av selve elektronet. Noen teorier har spådd at elektronet har en litt positiv pol og en litt negativ pol, noe som betyr at denne skyen av virtuelle partikler derfor burde være litt asymmetrisk.
Hvis dette var tilfelle, kan elektronene oppføre seg annerledes enn antimaterie-doble, positrons, og potensielt forklare mange mysterier om materie og antimaterie. Men fysikere har gjentatte ganger målt formen på et elektron og funnet at den er perfekt runde etter beste kunnskap, og etterlater dem uten svar for antimaters conundrums.
Elektronet har to tyngre søskenbarn, kalt muon og tau. Muoner kan skapes når høyenergiske kosmiske stråler fra det ytre rom treffer toppen av jordas atmosfære og genererer en dusj av eksotiske partikler. Taus er enda sjeldnere og vanskeligere å produsere, siden de er mer enn 3.400 ganger tyngre enn elektron. Neutrino, elektron, muon og taus utgjør en kategori av grunnleggende partikler som kalles leptoner.
Quarks og deres sære
Kvarker, som utgjør protoner og nøytroner, er en annen type grunnleggende partikkel. Sammen med leptonene utgjør kvarkene tingene vi tenker på som materie.
En gang i tiden trodde forskere at atomer var den minste mulige gjenstanden; Ordet kommer fra det greske "atomos", som betyr "udelelig." Rundt 1900-tallskiftet ble atomkjerner vist å bestå av protoner og nøytroner. Deretter avslørte partikkelakseleratorer utover 1950- og 60-tallet en mengde eksotiske subatomiske partikler, for eksempel pioner og kaoner.
I 1964 foreslo fysikerne Murray Gell-Mann og George Zweig uavhengig av en modell som kunne forklare den indre virkningen av protoner, nøytroner og resten av partikkeldyret, ifølge en historisk rapport fra SLAC National Accelerator Laboratory i California. Bor i protoner og nøytroner er små partikler som kalles kvarker, som kommer i seks mulige typer eller smaker: opp, ned, rart, sjarm, bunn og topp.
Protoner er laget av to opp kvarker og en dunkvark, mens nøytroner består av to nedturer og en oppover. De opp og ned kvarkene er de letteste variantene. Fordi mer-massive partikler har en tendens til å forfalle til mindre massive, er opp- og ned-kvarkene også de vanligste i universet; derfor utgjør protoner og nøytroner det meste av saken vi kjenner.
I 1977 hadde fysikere isolert fem av de seks kvarkene i laboratoriet - opp, ned, rart, sjarm og bunn - men det var ikke før i 1995 at forskere ved Fermilab National Accelerator Laboratory i Illinois fant den endelige kvarken, den øverste kvarken. Søk etter det hadde vært like intenst som den senere jakten på Higgs-boson. Toppkvarken var så vanskelig å produsere fordi den er rundt 100 billion ganger tyngre enn opp kvarker, noe som betyr at det krevde mye mer energi å lage i partikkelakseleratorer.
Naturens grunnleggende partikler
Så er det de fire grunnleggende naturkreftene: elektromagnetisme, tyngdekraft og de sterke og svake atomkrefter. Hver av disse har en tilknyttet grunnleggende partikkel.
Fotoner er de mest kjente; de bærer den elektromagnetiske kraften. Gluoner bærer den sterke atomkraften og bor med kvarker inne i protoner og nøytroner. Den svake kraften, som medierer visse kjernefysiske reaksjoner, bæres av to grunnleggende partikler, W- og Z-bosonene. Neutrinoer, som bare føler den svake kraften og tyngdekraften, samhandler med disse bosonene, og fysikere var derfor i stand til å først gi bevis for deres eksistens ved å bruke nøytrinoer, ifølge CERN.
Tyngdekraften er en utenforstående her. Den er ikke innlemmet i standardmodellen, selv om fysikere mistenker at den kan ha en tilknyttet grunnleggende partikkel, som vil bli kalt graviton. Hvis gravitoner eksisterer, kan det være mulig å lage dem på Large Hadron Collider (LHC) i Genève, Sveits, men de ville raskt forsvinne i ekstra dimensjoner og etterlate seg en tom sone der de ville ha vært, ifølge CERN. Så langt har LHC ikke sett noen bevis for gravitasjoner eller ekstra dimensjoner.
Den unnvikende Higgs boson
Til slutt er det Higgs boson, kongen av elementære partikler, som er ansvarlig for å gi alle andre partikler sin masse. Jakt på Higgs var en viktig bestrebelse for forskere som forsøkte å fullføre sin katalog over standardmodellen. Da Higgs endelig ble oppdaget, i 2012, fryktet fysikere seg, men resultatene har også etterlatt dem på et vanskelig sted.
Higgs ser ganske mye ut som den var spådd å se ut, men forskere håpet på mer. Standardmodellen er kjent for å være ufullstendig; for eksempel mangler det en beskrivelse av tyngdekraften, og forskere trodde å finne Higgs ville være med på å peke på andre teorier som kan erstatte standardmodellen. Men så langt har de kommet tomt i det søket.
Ytterligere ressurser:
