O gamă amețitoare de particule, forțe și câmpuri dictează baza subatomică pentru tot ceea ce vedem.
Paul Sutter este un astrofizician la Universitatea de Stat din Ohio și omul de știință al Centrului științific COSI. Sutter este, de asemenea, gazda „Ask a Spaceman” și „Space Radio” și conduce AstroTours în întreaga lume. Sutter a contribuit cu acest articol la Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Pentru a vizita un ținut cu adevărat ciudat, plin de minuni și mister, nu trebuie să te strecori printr-un dulap magic, să călărești o creatură zburătoare care nu ar trebui să poată zbura sau să sară neglijent printr-un portal într-o altă dimensiune. Nu, tot ce trebuie să faci este să îți deschizi acceleratorul de particule și să privești în jos, în jos, în jos.
La nivel subatomic, adevărata varietate și splendoarea naturii se află pe afișaj complet, cu o gamă amețitoare de particule, forțe și câmpuri care se învârtesc și se învârtesc, guvernate de legile fizicii aproape inscriptibile. Totuși, cumva, în loc să creeze o mizerie haotică, toate interacțiunile lor complicate produc lumea macroscopică regulată, ordonată, modelată cu care suntem familiarizați. [Quarks și Muons ciudate, Oh My! Particule cele mai minuscule ale naturii disecate (infografice)]
Se poate înțelege acea lume minusculă ca fiind segregată într-o ierarhie strictă, cu linii clare între conducători și stăpâni, între cei care stau confortabil în castelele lor stabile și țăranii slabi, care își fac efectiv munca. Interacțiunile dintre diverși denizens sunt stabilite prin reguli imuabile: Există un loc pentru toată lumea și fiecare are un loc.
Vino, hai să vizităm.
E bine să fii rege
În centrul tuturor sunt cele mai masive particule stabile: quarcurile sus și jos. Longevitatea lor le permite să se unească în fortărețe aproape inexpugnabile: castelele cu nucleoni cunoscuți sub numele de protoni și neutroni. Dar nu aceștia sunt singuri care fac munca de menținere a acestor citadele nucleonice. Într-adevăr, masa combinată a tuturor quarkurilor dintr-un nucleon este mult mai mică decât masa unui proton sau a unui neutron.
În schimb, quark-urile în sus și în jos sunt îmbogățite de o abilitate specială necunoscută celorlalte particule de pe tărâm. Ei pot simți forța nucleară puternică. Aceasta este de departe cea mai puternică forță, lipind împreună quark-urile atât de intens încât unul singur nu poate fi niciodată văzut în izolare. Această interacțiune formează coloana vertebrală nevăzută a lumii noastre macroscopice. Luăm protonii și neutronii de la capăt - asta este cât de solid își construiesc zidurile castelului. Și masele lor se datorează în mare parte rezistenței legăturilor lor nucleare interne, mai degrabă decât a zarurilor individuale.
Forța nucleară puternică nu se oprește la nivelul protonilor și neutronilor. Adezivul care leagă împreună quark-urile, dându-le stăpânire asupra tuturor celorlalte particule, este atât de dominant încât poate colecta câteva dintre aceste castele împreună într-o fortăreață robustă cunoscută sub numele de nucleu atomic. Deși această structură nu este impregnabilă precum protonii și neutronii înșiși, răsturnarea unui nucleu necesită totuși eforturi imense.
Cu toate acestea, pentru toată puterea lor dominatoare, atingerea strânsoarei vicioase a lui Quarks este limitată la castelul lor special și împrejurimile din apropiere. Acest lucru se datorează faptului că forța puternică, pentru toată puterea sa, este sever limitată. Aceasta este ceea ce stabilește dimensiunea cetăților, a castelelor și a păstrarea pe care o identificăm drept nucleonii lumii noastre. [7 Fapte ciudate despre Quarks]
Pânzând câmpurile
Dincolo de această plajă limitată, quark-urile își păstrează domeniile sub control și comunică între ei prin intermediul mesagerilor regali - fotonii. Acei trimisi cu pași repezi sară dintr-un loc în altul în univers, niciodată obositori, purtând forța electromagnetică - electricitate, magnetism și chiar lumina în sine - la orice particulă care are încărcătură electrică. Această influență se întinde pe întregul cosmos, deși cu cât ești mai departe de sursă, cu atât efectul este mai slab.
Această legătură electromagnetică ține linia subliniei lumii subatomice, iar în timp ce quark-urile își petrec zilele în larg în confortul relativ al castelului lor securizat și retras, „țăranii” droniți - electroni - fac toată munca pentru a face variațiile bogate a reacțiilor chimice posibile. Așa este - sunt săracii electroni ignobili care sclavizează pentru stăpânii lor de quark. Legat de nucleu prin electromagnetism - dar, de obicei, împiedicat să intre efectiv prin regulile mecanicii cuantice - electronii sunt schimbați între atomi, oferindu-ne chimia care face posibilă aproape totul despre viața noastră de zi cu zi.
Quark-urile conducătoare vor tranzacționa, vor fura și împrumuta un electron umil dintr-un domeniu învecinat, modelându-și mișcările cu o mână grea de la fotoni - fără să-i pese de speranțele, visele sau ambițiile lor individuale (curgând liber prin univers, șerpuind în jurul magnetului câmpuri și așa mai departe).
Lăcrimând în umbră
Dar nu toate particulele din univers sunt ținute sub degetul vârfurilor despotice. Unii pot circula liber în întregul univers, fără să simtă forța puternică și ignorând în siguranță ochii strălucitori de la fotoni care trec: neutrinii. Aceste particule fantomate se pot ascunde la o vedere simplă, atât de efervescente încât de zeci de ani am crezut că sunt în întregime fără masă.
Neutrinii vin în trei tipuri, electron-neutrino, muon-neutrino și tau-neutrino, dar sunt atât de bine deghizați încât nu sunteți niciodată sigur pe care îl vedeți. Pe măsură ce călătoresc, se pot deplasa prin măștile pe care le poartă, schimbându-și identitatea cu ușurința unui spion asociat. Măștile lor determină modul în care interacționează (ocazional) cu restul particulelor din univers: Un electron-neutrino nu va participa decât la reacțiile care implică electroni, de exemplu.
Dar, datorită naturii răutăcioase a neutrinilor, un proces care generează o aromă particulară a acestei particule nu poate fi întotdeauna derulat în sens invers pentru a prinde din nou varietatea originală - identitățile comutate.
Cu toate acestea, în ciuda tuturor trucurilor și subterfugiilor lor, neutrinii nu sunt imuni să influențeze din domeniile quark-ului. Dar pentru ca acest tip de efect să se producă, forțele speciale sunt necesare. Particulele de experti numite bosonii W si Z, purtatori ai fortei nucleare slabe, sunt singurele capabile sa comunice cu neutrinii vagabonzi. În unele cazuri, bosonii reușesc să transforme neutrinii în creaturi mai conforme, cum ar fi electronii.
Chiar și atunci, este o șansă norocoasă: de cele mai multe ori, neutrinii neobosiți scapă fără scot.
Dar setul de abilități al acelor bosoni W și Z, luptătorii secreți ai negrului din lumea particulelor, se extinde mai departe decât doar întâlnirea neobișnuită a neutrinilor. De asemenea, au acces aproape exclusiv la sanctumul interior al fortăreței nucleonului și pot schimba un fel de quark în altul. Dacă un neutron evadează din siguranța unui nucleu atomic, acești bosoni speciali pot transforma acea particulă într-un proton mai stabil.
În afara tărâmului
Desigur, acest lucru nu oferă imaginea completă a lumii subatomice. Întregul model standard, portretul nostru despre acele creaturi minuscule și toate interacțiunile lor cu oamenii ocupați este mult mai mare și mai complex decât poate fi conținut în câteva paragrafe. Și deși Modelul Standard este un triumf al fizicii moderne, asociat cu durere de-a lungul deceniilor, cu predicții exacte și experimentare precisă, este și o imagine incompletă a lumii noastre.
În primul rând, nu include gravitația, care acum este descrisă cel mai bine de teoria generală relativ incompletă. Există, de asemenea, întrebările cosmologice persistente despre natura materiei întunecate și a energiei întunecate, pe care modelul standard tradițional este tăcut (pentru că acele fenomene au fost descoperite doar recent). Există mai multe: masa neutrinului, ierarhia forțelor și așa mai departe.
Însă, în timp ce este departe de a fi complet și, poate, puțin nemulțumitor în abordarea sa de gumă-gumă și conductă pentru modelarea lumii fizice, modelul standard este incredibil de util. Poate prezice cu o acuratețe uimitoare mișcările și mișcările acelor denizeni subatomici și toate schemele lor nefaste.
Aflați mai multe ascultând episodul „Cine locuiește în grădina zoologică de particule?” pe podcastul „Ask a Spaceman”, disponibil pe iTunes și pe web la http://www.askaspaceman.com. Mulțumim Alessandro M., Roger, Martin N., Daniel C. și @PoZokhr pentru întrebările care au dus la această piesă! Puneți-vă propria întrebare pe Twitter folosind #AskASpaceman sau urmând Paul @PaulMattSutter și facebook.com/PaulMattSutter.
