5 Forvirrende subatomære partikler

Batman og partikelfysikere har meget tilfælles.

Jo da, de kan variere i spørgsmål om gribekroge og sort, vinyl codpieces, men kappekorsfareren og CERN (European Organization for Nuclear Research) når begge frem til det nyeste inden for højteknologisk gadgetry og kæmper med et usædvanligt bizart rogues-galleri.

Mens Batman kæmper med anarkistiske klovne og muterede økoterrorister, CERN -forskere søger at identificere og fange sådanne bemærkelsesværdige modstandere som Higgs boson .

Du husker Higgs. Denne teoretiske (fra denne skrivning) partikel er central for standardmodellen for fysik. Standardmodellen foreslår, at elektricitet, magnetisme, lys og nogle former for radioaktivitet er alle manifestationer af noget, der kaldes elektrisk svag kraft . Og den svage kraft forener de elektromagnetiske og svage kræfter, to af de fire grundlæggende naturkræfter, sammen med den stærke kraft og tyngdekraften. Stadig hos mig? Godt.

Imidlertid, modellen fungerer kun, hvis partiklerne omkring os havde nulmasse i perioden umiddelbart efter big bang. Teoretisk set Higgs -partiklen udsender Higgs -feltet , et kosmosomfattende energifelt, der tilfører alt med masse-så hvis standardmodellen er gyldig, så må Higgs eksistere. Vi skal bare fange det først.

Med andre ord, nogen røver banken og åh se, det må være Jokeren, for - nogensinde bogstaveren - efterlod han et telefonkort med ansigtet på. I mellemtiden, den såkaldte "gudpartikel" lever en kort eksistens i kølvandet på en accelereret partikelkollision-og efterlader derefter en subatomær henfaldssignatur.

Jokeren kan være Batmans mest berømte fjende, men han er næppe den mærkeligste. Det samme kan siges om Higgs boson, så lad os lære de andre subatomiske superskurke at kende.

1. Graviton Enigma
2. Tachyons vilde verden
3. Majorana Fermion, fjenden med to ansigter
4. Axioner, Henchmen og sorte huller
5. Kamæleonpartikler

5:The Graviton Enigma

Gåde mig dette, Batman:Hvordan virker tyngdekraften?

Se, det er ikke et emne Batman kan lide at diskutere så meget. Ifølge fysikere ved University of Leicester, tyngdekraften ville have den underlige vane at trække Batman til sin død hver gang den udklædte vagilante forsøgte at bruge den fysisk upraktiske kappe. Så han har en tendens til at lade hele tyngdekraften gå alene og i stedet jage efter Edward Nigma.

For fysikere, imidlertid, spørgsmålet bærer meget mere - ja - vægt. Jo da, vi har en anstændig praktisk forståelse af tyngdekraftens virkninger. Vi ved, hvordan dens magtfaktorer ind i himmelsk mekanik og dannelsen af ​​kosmiske legemer. Men alligevel har vi ikke et fast svar på tyngdekraftens gåde.

Et muligt svar fører os lige til en anden forbløffende partikel i det subatomære rogues -galleri:the graviton . Hvis det faktisk eksisterer, denne hypotetiske partikel overfører tyngdekraften, får objekter til at tiltrække hinanden. Oh yeah, og dens eksistens ville også sætte os i stand til at forene generel relativitet med kvantemekanik. Tyngdekraft, du ser, fungerer ofte som en apnøgle i forskellige altomfattende teorier.

Så ja, gravitonen er en stor ting - medmindre den ikke findes.

4:Tachyons vilde verden

Hurtig. Sexet. Svært at fange.

Batman har sin Catwoman, og partikelfysikere må kæmpe med den undvigende - og muligvis fejlagtige - eksistens af tachyoner . Den ene er en sexet indbrudstyv klædt i læder, og den anden er en subatomær partikel, der bevæger sig hurtigere end lysets hastighed.

Jeg ved, hvad du undrer dig over:Hvordan kan en tachyon rejse hurtigere end lysets hastighed, hvis lyshastigheden faktisk er den "universelle hastighedsgrænse"? Det er ligesom at sige "ingen ænder kan bære bukser, "og så kører kameraet over til en gråand iført friggin corduroys. Vi har universelle love af en grund, mennesker.

Det bliver endnu værre:Hvis principperne om særlig relativitet holder stik, tachyoner bryder ikke bare den universelle hastighedsgrænse, de krænker også selve kausaliteten. I dette univers i hvert fald, årsag kommer altid før virkning. Uden denne lov i kraft, universets stof opløses.

Hvis der findes tachyoner, det skyldes sandsynligvis dette smuthul:Selvom relativitet forhindrer stof i at accelerere til lysets hastighed (da dette ville kræve uendelig energi), det gælder ikke for partikler, der altid bevæger sig hurtigere end lys. Til tachyoner, minimumshastigheden er lysets hastighed, og det ville kræve uendelig energi bare for at bremse dem ned til subluminale hastigheder.

Tachyoner:De er totalhastighedsdæmoner, og de eksisterer måske bare.

3:Majorana Fermion, fjenden med to ansigter

Kan noget være sit eget modsatte?

Ja, Batman ved en ting eller to om dette.

Du husker historien:Den heroiske advokat Harvey Dent lider forfærdelige forbrændinger på 50 procent af hans krop, og hans sind snapper. Et onde, kriminel person stiger til overfladen, og han bliver to-ansigt, den møntbesatte galning med latterlig smag i halvt og halvt tøj.

Partikelfysikere har også et paradoksalt to-ansigt i deres rogues-galleri:the Majorana fermion , en partikel, der fungerer som sin egen antipartikel.

Lad os opdatere. I henhold til standardmodellen, partikler og kvasipartikler falder i to kategorier:fermioner og bosoner. Fermionlejren indeholder kvarker og leptoner som elektroner, blandt andre. Vi kalder disse Dirac fermioner . Her finder du negativt ladede elektroner, der kvadrerer med antipartikel -modstykker kaldet positroner , som pakker en positiv ladning. Når disse partikler kommer i kontakt med hinanden, de tilintetgør hinanden.

Det er præcis den slags dualitet, Two-face ville sætte pris på. Mønten har to sider, og det er enten det ene eller det andet, hoveder eller haler. Skub ham en tohovedet mønt eller noget, og det driver ham op ad væggen.

Bosonlejren omfatter fotoner, der udgør lys; disse geniale partikler er deres egne antipartikler, producerer en helt neutral ladning. Virkelig, du forventer den slags fra en boson.

Men er sådan noget muligt i fermionlejren? Tilbage i 1930'erne, fysikere forudsagde, at det var, men ingen har faktisk nogensinde opdaget en såkaldt Majorana fermion . I 2012, et hold hollandske partikelfysikere opdagede indirekte disse bittesmå to-ansigter i laboratorieforsøg, men dette mangler en officiel bekræftelse på, at de eksisterer.

Når vi fanger det eksperimentelle bevis, imidlertid, spændende ting kan forekomme. Majorana fermioner ville prale af en unik evne til at "huske" tidligere positioner i forhold til hinanden, hvilket gør dem meget nyttige inden for kvanteberegning. En teori mener endda, at alt det mørke stof i universet faktisk består af Majorana fermioner.

Computere i mørkt stof. Tænk lige over det et øjeblik.

2:Axioner, Henchmen og sorte huller

Batman har en tendens til at have en temmelig omtumlet tid med damerne. Hvis han ikke undviger dødelige kys fra Poison Ivy, så er det en slags drama med Catwoman. Se, enten gifte sig med hende eller smide hende i fængsel allerede.

Og så er der Harley Quinn, den drabsmæssige hun-klovn med en udødelig (og usund) kærlighed til Batmans ærkefjende Jokeren. Jo da, masser af superskurke har deres bøjler og håndlangere, men hun skiller sig ud som en ægte sidekick.

I den subatomære verden, fysikere fortsætter med at holde øje med en hypotetisk partikel kendt som en aksion . Axionen er særlig bemærket, fordi dens eksistens ville tilslutte et stort hul i standardmodellen for partikelfysik. Det er også muligt mørkt stof komponent.

Men lad os vende tilbage til Batman -sammenligningerne. Hvis aksioner er Harley Quinn, hvem er så jokeren? Hvorfor ingen ringere end sorte huller. Det er rigtigt, forskere teoretiserer, at mens sorte huller suger alt ind fra fotoner til stjerner, aksioner er immune over for deres ødelæggende kraft. I stedet for at falde ind i den knusende singularitet, aksioner ville gå i kredsløb om den kollapsede stjerne i en enorm bosonsky.

Endnu skørere, denne sky bliver til sidst ret massiv, trods den ekstremt lave masse af dets aksioner. Skulle skyen endelig falde sammen i det sorte hul, det resulterende bosenova ville rocke selve stoffet i rumtiden [kilde:O'Neill]. Tal om et ubalanceret forhold.

1:Kamæleonpartikler

Selv med alle de skøre kostumer, det er svært at holde styr på super-skurkaktiviteten i Gotham City-især når du har en formskifter som Clayface, der løber rundt. Han kan tage form af hvem som helst:en bankkasserer, Bruce Wayne, du navngiver det. Han tilpasser sit fysiske udseende, så det passer til hans miljø, gør ham til en temmelig klog modstander.

Partikelfysikere har deres egen Clayface i form af kamæleonpartikler . Indtil nu, vi kan kun spekulere om disse ejendommelige bosoner, der måske eller måske ikke driver universets ekspansion. Forskere forudsagde først deres eksistens i 2003 som en mulig forklaring på al den mystiske mørke energi, der udgør 70 procent af vores univers [kilde:Johnston]. Ligesom kriminelle formskiftere, kamæleonpartiklerne justerer deres egenskaber, så de passer til deres lokale miljø. For eksempel, hvis en kamæleonpartikel hænger her på Jorden, hvor materialetætheden er høj, det ville udvise høj masse, også, men dets stofinteraktioner ville være meget svage og kortdistance.

Men det er her på Jorden. Ude i tomrummet, kamæleonpartikler ville udvise lav masse og reagere stærkt med stof over store afstande. I teorien, disse spekulative partikler kunne skubbe universet fra hinanden i det, vi kalder kosmisk inflation .

Ikke overraskende, kamæleonpartikler ville være ret vanskelige at opdage her på Jorden. Vi skulle ud i dybet, tom plads til at registrere deres tilstedeværelse.

Stadig, fysikere har en række højteknologiske detektionsordninger i ærmerne, og søgningen fortsætter efter den undvigende kamæleon.

Og så vender Dark Knight endnu engang tilbage til sin underjordiske flagermushule, og fysikere forsvinder også, at styre deres underjordiske partikelkolliderer.

Masser mere information

Forfatterens note:5 Forvirrende subatomære partikler

Som jeg forklarede i afsnittet Stuff to Blow Your Mind "Der var engang en boson ved navn Higgs, "Jeg har en tendens til at tænke på partikelfysik som en chokoladedækket urinalkage. Det er ikke en kommentar til markens betydning eller de vidunderlige individer. men snarere mit syn på dets tilgængelighed som et generelt emne for publikum. Bid bare lidt i kagen, og alt er chokoladeholdigt og lækkert. Bide bare lidt for dybt, imidlertid, og tingene bliver mindre lækre.

Så jeg forsøgte at holde denne artikel så chokoladefuld som muligt ved at diskutere nogle af de fantastiske egenskaber ved vores underligste subatomære partikler - både virkelige og spekulative. Det er den glitrende omslagskunst på en meget dybere bog, fordi den bagvedliggende videnskab her er enorm. Trods alt, partikelfysikens område har til formål at opklare eksistensstrukturen - at nedbryde stof til dets mest grundlæggende form og udvide vores forståelse af, hvad dette univers handler om.

relaterede artikler

• Sådan fungerer Atom Smashers
• Sådan fungerer Dark Matter
• Sådan fungerer Large Hadron Collider
• Sådan fungerer atomerne
• Sådan fungerer lys
• Sådan fungerer Quantum Suicide

Kilder

• Battersby, Stephen. "Hurtigere end lette" tachyoner "kan trods alt være umulige." Ny forsker. 18. marts 2009. (24. juli, 2012) http://www.newscientist.com/article/dn16796-fasterthanlight-tachyons-might-be-impossible-after-all.html
• Francis, Matthew. "Undvigende Majorana fermioner lurer muligvis i en kold nanotråd." Ars Technica. 12. april kl. 2012. (24. juli, 2012) http://arstechnica.com/science/2012/04/experiment-may-have-found-majorana-fermions-in-a-nanowire/
• Johnston, Hamish. "Kamæleonpartikel smelter ind i baggrunden." Fysik Verden. 10. februar kl. 2009. (24. juli, 2012) http://physicsworld.com/cws/article/news/2009/feb/10/chameleon-particle-blends-into-the-background
• "Majorana Fermion -partikelbevis fundet af fysikere." Huff Post Science. 15. april kl. 2012 (24. juli, 2012) http://www.huffingtonpost.com/2012/04/14/majorana-fermion-particle-physicist-discovery_n_1425473.html
• Marshall, D.A. et al. "Bane for en faldende Batman." Journal of Physics Special Topics. 9. december kl. 2011. (24. juli, 2012) https://physics.le.ac.uk/journals/index.php/pst/article/view/484/289
• "Mystisk 'Majorana Fermion' opdaget -kunne revolutionere forståelsen af ​​mørkt stof og fremtiden for kvanteberegning." Daily Galaxy. 16. april kl. 2012. (24. juli, 2012) http://www.dailygalaxy.com/my_weblog/2012/04/long-sought-mystery-particle-discovered-could-revolutionize-understanding-of-dark-matter-future-of-q.html
• O'Neill, Ian. "Sorte huller som eksotiske partikel honninggryder?" Discovery News. 18. juni kl. 2012. (24. juli, 2012) http://news.discovery.com/space/black-holes-as-exotic-particle-honeypots.html
• Rincon, Paul. "Neutrino 'spøgelsespartikel' dimensioneret af astronomer." BBC nyheder. 22. juni kl. 2010. (24. juli, 2012) http://www.bbc.co.uk/news/10364160
• "Tachyon." Wolfram Research. (24. juli kl. 2012) http://scienceworld.wolfram.com/physics/Tachyon.html
• "Graviton." BBC Radio 4. (24. juli, 2012) http://www.bbc.co.uk/programmes/p003k9ks
• Wei, Lisa. "Hvad er en graviton? Hvor kan den findes?" Nysgerrig efter astronomi. Juni 2003. (24. juli, 2012) http://curious.astro.cornell.edu/question.php?number=535