Υποατομικά σωματίδια:Τι είναι αυτά;

Υπάρχει ένα παλιό αστείο — «Μην εμπιστεύεσαι τα άτομα. Αποτελούν τα πάντα.»

Παύση για γέλιο.

Αν και είναι αλήθεια ότι τα άτομα είναι τα δομικά στοιχεία για τα πάντα, από το σώμα σας μέχρι την οθόνη του smartphone ή του υπολογιστή που διαβάζετε αυτό το άρθρο, ξέρατε ότι υπάρχουν πράγματα στο σύμπαν ακόμη μικρότερα από τα άτομα; Αυτά τα υποατομικά σωματίδια παίζουν έναν μοναδικό ρόλο που μόλις αρχίζουμε να καταλαβαίνουμε. Ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στο τι είναι αυτά τα σωματίδια, τι κάνουν και τι μαθαίνουμε ακόμα γι' αυτά.

Τι είναι τα υποατομικά σωματίδια;

Πριν εξερευνήσουμε συγκεκριμένα παραδείγματα, ας προσδιορίσουμε τι είναι. Ο ορισμός των υποατομικών σωματιδίων:«Οποιοδήποτε από τα διάφορα σωματίδια ύλης που είναι μικρότερα από ένα άτομο υδρογόνου». Όταν ανακαλύφθηκαν για πρώτη φορά αυτά τα σωματίδια, ήταν πέντε. Τρία από αυτά - πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια, τα σωματίδια που αποτελούν ένα άτομο - έχουμε ήδη μιλήσει. Τα άλλα δύο αρχικά σωματίδια, τα νετρίνα και τα ποζιτρόνια, θα φτάσουμε σε ένα λεπτό.

Σήμερα, τόσα πολλά από αυτά τα σωματίδια έχουν ανακαλυφθεί που ορισμένοι φυσικοί το έχουν ονομάσει ζωολογικός κήπος σωματιδίων. Ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά σε αυτά τα σωματίδια, τα οποία είναι τόσο μικρά που μπορεί να μην τα δείτε ποτέ στη ζωή σας.

Τα φωτόνια φωτίζουν τη ζωή σας

Θα ξεκινήσουμε με τα φωτόνια. Αυτά τα υποατομικά σωματίδια είναι ένας τύπος στοιχειώδους σωματιδίου bosun. Στοιχειώδη, σε αυτή την περίπτωση, σημαίνει ότι δεν αποτελούνται από κάτι μικρότερο από αυτό που γνωρίζουμε. Αυτό το υποατομικό σωματίδιο είναι πιθανώς ένα που γνωρίζετε. Βλέπετε φωτόνια κάθε φορά που ανοίγετε τα μάτια σας, ανάβετε ένα φως ή βγαίνετε στον ήλιο. Τα φωτόνια είναι ελαφριά - και δεν εννοούμε ότι δεν ζυγίζουν πολύ. Οι ακτίνες φωτός αποτελούνται από κινούμενα φωτόνια.

Στο κενό, αυτά τα σωματίδια μπορούν να κινούνται με την ταχύτητα του φωτός - ένα από τα λίγα πράγματα που μπορούν - και δεν έχουν μάζα. Τίποτα δεν ταξιδεύει γρηγορότερα από τα φωτόνια, και ακόμη και όταν αναρροφηθεί στον ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας δεν μπορεί να επιταχύνει τα φωτόνια πιο γρήγορα από την ταχύτητα του φωτός, ή 299.792.458 μέτρα ανά δευτερόλεπτο. Αυτό είναι το όριο ταχύτητας του σύμπαντος.

Τα νετρίνα περνούν από τα πάντα

Τα νετρίνα είναι μοναδικά σωματίδια που δεν έχουν σχεδόν καθόλου μάζα. Μοιάζουν με ηλεκτρόνια, αλλά δεν έχουν φορτίο, επομένως δεν ανταποκρίνονται σε ηλεκτρομαγνητική έλξη όπως τα ηλεκτρόνια. Έχουμε εντοπίσει τρεις τύπους νετρίνων μέχρι σήμερα:νετρίνα ηλεκτρονίων, νετρίνα μιονίων και νετρίνα ταυ.

Δεδομένου ότι δεν έχουν σχεδόν καθόλου μάζα και μπορούν να περάσουν σχεδόν από τα πάντα, τα νετρίνα είναι πολύ δύσκολο να ανιχνευθούν. Γνωρίζουμε ότι οι αντιδράσεις σύντηξης του ήλιου τις παράγουν. Επιπλέον, γνωρίζουμε ότι συμβαίνουν όταν ένα αστέρι γίνεται σουπερνόβα, αλλά πέρα ​​από αυτό, δεν γνωρίζουμε πολλά για αυτά. Σκεφτήκαμε εν συντομία ότι τα νετρίνα ήταν ικανά να ταξιδεύουν ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός, αλλά αυτή η ανακάλυψη, δυστυχώς, προκλήθηκε από ελαττωματικό εξοπλισμό παρακολούθησης εντός του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων. Ωστόσο, ένα πράγμα που μπορούν να κάνουν αυτά τα άπιαστα μικρά σωματίδια είναι η μετατόπιση του σχήματος! Οι φυσικοί πυροβόλησαν μια δέσμη μιονικών νετρίνων από το CERN στη Γενεύη της Ελβετίας και μέχρι να φτάσουν στο εργαστήριο Gran Sasso στην Ιταλία, είχαν μετατοπιστεί σε ταυ νετρίνα.

Τα ποζιτρόνια είναι αντι-ηλεκτρόνια

Τα ηλεκτρόνια, όπως γνωρίζουμε, έχουν αρνητικό φορτίο, το οποίο τα έλκει στα θετικά φορτισμένα πρωτόνια στον πυρήνα ενός ατόμου. Τα ποζιτρόνια είναι το πρώτο αντισωματίδιο για το οποίο θα μιλήσουμε. Είναι το αντίθετο των ηλεκτρονίων, έχουν την ίδια μάζα και φέρουν θετικό φορτίο. Μερικές φορές θα τα δείτε να ονομάζονται θετικά ηλεκτρόνια ή αντιηλεκτρόνια.

Ο Carl David Anderson ανακάλυψε το πρώτο αντισωματίδιο, ένα ποζιτρόνιο, το 1932. Είναι δύσκολο να μελετηθούν επειδή αντιδρούν εκρηκτικά με τα ηλεκτρόνια. Ακόμη και η παραγωγή τους στο κενό τους παρέχει ηλεκτρόνια με τα οποία μπορούν να αντιδράσουν.

Τα κουάρκ έρχονται σε γεύσεις

Τα κουάρκ είναι διασκεδαστικά. Έρχονται σε έξι διαφορετικές γεύσεις - ακόμη και οι φυσικοί αναφέρονται σε αυτούς τους διαφορετικούς τύπους υποατομικών σωματιδίων ως γεύσεις. Μπορείτε να βρείτε πάνω, κάτω, πάνω, κάτω, παράξενα και γοητευμένα κουάρκ στο σύμπαν. Καθένα από αυτά τα έξι κουάρκ έρχεται σε τρία χρώματα — κόκκινο, μπλε και πράσινο, ανάλογα με την κβαντική τους κατάσταση.

Τα πρωτόνια και τα νετρόνια σε κάθε άτομο στον περιοδικό πίνακα αποτελούνται όλα από κουάρκ. Από όσο γνωρίζουμε, δεν υπάρχει τίποτα μικρότερο από τα κουάρκ. Φυσικά, υπάρχουν τόσα πολλά που δεν γνωρίζουμε για τη σωματιδιακή φυσική που θα μπορούσαμε να γράψουμε μια βιβλιοθήκη βιβλίων για το θέμα – αν ξέραμε από πού να ξεκινήσουμε να γράφουμε, δηλαδή.

Pions κρύβονται

Τα Pions είναι δύσκολο να εντοπιστούν επειδή αποτελούνται από ένα κουάρκ και ένα αντικουάρκ. Το πρόβλημα με αυτό το μακιγιάζ εμφανίζεται όταν σωματίδια και αντισωματίδια έρχονται σε επαφή μεταξύ τους. Όταν συμβαίνει αυτό, τείνουν να εκραγούν εάν τα κουάρκ είναι της ίδιας γεύσης. Μπορείτε να έχετε ένα pion που αποτελείται από ένα up quark και ένα down antiquark, για παράδειγμα.

Αυτά τα σωματίδια είναι γνωστά ως φορείς δύναμης. Μεταδίδουν δυνάμεις μεταξύ νουκλεονίων, αλλά τελικά θα διασπαστούν σε λεπτόνια όπως τα ηλεκτρόνια. Το σε τι διασπώνται εξαρτάται από τη φόρτισή τους:

• Θετικά πιόνια:αποτελούνται από ένα κουάρκ επάνω και ένα αντίκουάρκ κάτω
• Αρνητικά πιόνια:αποτελούνται από ένα down quark και ένα up antiquark
• Ουδέτερα πιόνια:αποτελούνται από ένα up κουάρκ και ένα προς το αντικουάρκ

Gluons κρατούν τα πάντα μαζί

Εάν πρέπει να κολλήσετε δύο πράγματα μεταξύ τους, λαμβάνετε ένα μπουκάλι κόλλα. Ωστόσο, η κόλλα του Έλμερ είναι λίγο πολύ μεγάλη για μικροσκοπικά σωματίδια, όπου έρχονται τα γκλουόνια. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι αυτά τα σωματίδια, που ταξινομούνται ως σωματίδια βοσούνιου, συγκρατούν τα κουάρκ μαζί. Όπου τα κουάρκ έχουν έξι γεύσεις και τρία χρώματα, τα γκλουόνια έρχονται σε οκτώ διαφορετικά χρώματα. Το χρώμα τους εξαρτάται από την κβαντική κατάσταση των κουάρκ που συγκρατούν μαζί.

Τα γλουόνια έχουν επίσης τη δυνατότητα να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους όταν βρίσκονται σε εμβέλεια ενός fermi, δημιουργώντας ζεύγη κουάρκ-αντικουάρκ. Αυτό είναι διαφορετικό από άλλους τύπους αλληλεπιδράσεων μεταξύ γκλουονίων και άλλων υποατομικών σωματιδίων. Αυτό οδήγησε τους φυσικούς να διατυπώσουν τη θεωρία ότι μπορεί να υπάρχουν συλλογές γκλουονίων γνωστών στην καθομιλουμένη ως «κολλητές μπάλες». Τα γλουόνια βοηθούν επίσης στη σύνθεση των αδρονίων. Η παρατηρούμενη εσωτερική κατάσταση ενός αδρονίου αποτελείται από έναν ισορροπημένο αριθμό γκλουονίων και τα συσχετιζόμενα ζεύγη κουάρκ-αντικουάρκ.

Το Higgs-Bosun είναι άπιαστο

Αυτό το σωματίδιο είναι μια από τις πιο συναρπαστικές ανακαλύψεις των τελευταίων ετών. Το Higgs-Bosun, γνωστό και ως το σωματίδιο του Θεού, θεωρητικοποιήθηκε τη δεκαετία του 1970. Οι φυσικοί συνειδητοποίησαν ότι κάτι πρέπει να συγκρατεί αδύναμες και ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις, αλλά δεν μπορούσαν να συλλάβουν μία. Μόλις το 2013 οι επιστήμονες που εργάζονταν στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων του CERN παρατήρησαν τελικά έναν — ή τουλάχιστον, παρατήρησαν ένα σωματίδιο με μάζα σύμφωνη με τη θεωρία Higgs-Bosun.

Θεωρητικά, το Higgs-Bosun δίνει μάζα σε άλλα σωματίδια, αλλά οι επιστήμονες δεν έχουν παρατηρήσει αυτό το φαινόμενο μέχρι τη στιγμή που γράφονται αυτές οι γραμμές. Φυσικά, δεν είναι όλοι ενθουσιασμένοι με την ιδέα να ανακαλύψουν αυτό το άπιαστο σωματίδιο. Ο Στίβεν Χόκινγκ και πολλοί άλλοι επιστήμονες πιστεύουν στη θεωρία του Higgs Bosun Doomsday, στην οποία μια φυσαλίδα κενού που δημιουργήθηκε από μια κβαντική διακύμανση μέσα σε ένα πεδίο Higgs θα μπορούσε ενδεχομένως να εξαλείψει το σύμπαν. Ευτυχώς, ακόμη και εκείνοι που συνταγογραφούν αυτή τη θεωρία δεν πιστεύουν ότι θα συμβεί σύντομα.

Τα γκραβιτόνια είναι θεωρητικά

Θα διαπιστώσετε ότι τα γκραβιτόνια είναι διασκεδαστικά θεωρητικά σωματίδια που πιστεύεται ότι μεσολαβούν βαρυτικές δυνάμεις σε όλο το σύμπαν. Τα γκραβιτόνια ταξινομούνται επί του παρόντος ως απαρατήρητα σωματίδια. Εφόσον γνωρίζουμε ότι η βαρύτητα είναι γεγονός στον κόσμο της φυσικής, πρέπει να υπάρχει κάτι που να αντιπροσωπεύει τη βαρύτητα στην κβαντική φυσική. Αυτό το κάτι είναι το graviton.

Τα γκραβιτόνια ονομάζουμε θεωρητικά, αλλά υπάρχουν σε μια γκρίζα περιοχή μεταξύ γνωστών και άγνωστων σωματιδίων. Γνωρίζουμε ότι αυτοί ή κάτι παρόμοιο πρέπει να υπάρχουν, τουλάχιστον όπως καταλαβαίνουμε επί του παρόντος τους νόμους της φυσικής. Μέχρι σήμερα, δεν τα έχουμε παρατηρήσει ούτε στο σύμπαν ούτε σε εργαστηριακό περιβάλλον.

Τάχυον δεν υπάρχουν

Δεν μπορείτε να παρακολουθήσετε μια εκπομπή επιστημονικής φαντασίας χωρίς τουλάχιστον μία αναφορά σε σωματίδια ταχυόν. Αυτά τα θεωρητικά σωματίδια υποτίθεται ότι ταξιδεύουν γρηγορότερα από το φως. Οι εκπομπές επιστημονικής φαντασίας συχνά τις χρησιμοποιούν ως deus ex machina για να εξηγήσουν τα πάντα, από την επικοινωνία σε πραγματικό χρόνο από 2.000 έτη φωτός μακριά (Babylon 5) έως σχεδόν κάθε πρόβλημα στο Σύμπαν του Star Trek.

Αν και είναι πιθανό αυτά τα σωματίδια να υπάρχουν, αυτή τη στιγμή παραμένουν σταθερά στη σφαίρα της επιστημονικής φαντασίας. Τούτου λεχθέντος, υπάρχουν ακόμα τόσα πολλά σχετικά με τη σωματιδιακή φυσική που δεν καταλαβαίνουμε ακόμη. Είναι απολύτως πιθανό να βρούμε ταχυόνια ή κάτι παρόμοιο στο οποίο δίνουμε το όνομα στη δική μας διαστρική αυλή. Ακριβώς όπως έχουμε εξερευνήσει μόνο το 5% του πυθμένα του ωκεανού, εμείς ως είδος μόλις έχουμε χαράξει την επιφάνεια της σωματιδιακής φυσικής και τις δυνατότητες που θα μπορούσε να ξεκλειδώσει μόλις αρχίσουμε να το καταλαβαίνουμε.

Το X17 είναι νέο

Σύμφωνα με τους αστροφυσικούς, η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια αποτελούν το μεγαλύτερο μέρος του σύμπαντος. Στην πραγματικότητα, σύμφωνα με τη NASA, το σύμπαν είναι 68% σκοτεινή ενέργεια, 27% σκοτεινή ύλη και 5% οτιδήποτε άλλο. Ναι, καλά διαβάσατε – ο πλανήτης μας και όλα όσα μπορούμε να παρατηρήσουμε από τη μικρή μας γωνιά του σύμπαντος αποτελούν μόνο το 5% του γνωστού σύμπαντος. Γνωρίζουμε ότι η σκοτεινή ενέργεια και η ύλη υπάρχουν σε θεωρητικό επίπεδο, αλλά μέχρι τώρα δεν είχαμε τα εργαλεία για να τις παρατηρήσουμε ή ακόμα και να αποδείξουμε ότι υπήρχε.

Το 2016, Ούγγροι φυσικοί άρχισαν να ανιχνεύουν ίχνη ενός νέου σωματιδίου που έχουν ονομάσει X17 λόγω της μάζας του. Θεωρητικοποιήθηκε για πρώτη φορά το 2003, όταν ένας φυσικός έδειξε ότι αν υπάρχει κάτι παρόμοιο, θα μπορούσε να μεταφέρει σκοτεινή ύλη, την οποία δεν μπορούμε να παρατηρήσουμε αυτήν τη στιγμή, με τον ίδιο τρόπο που κάνουν τα φωτόνια για πράγματα που μπορούμε να δούμε. Αν και δεν έχουμε επιβεβαιώσει ακόμη την ύπαρξη του X17, εάν αποδειχθεί βιώσιμο, θα μπορούσε να ανοίξει την πόρτα για έναν ολόκληρο νέο κλάδο της φυσικής της σκοτεινής ύλης.

Μπόνους:Αντιύλη!

Δεν μπορείτε να μιλήσετε για σωματίδια χωρίς να αναφέρετε αντισωματίδια και δεν μπορείτε να τα συζητήσετε χωρίς τουλάχιστον μια παροδική αναφορά της αντιύλης.

Η ύλη, στο σύμπαν μας, αποτελείται από ένα μείγμα πρωτονίων, ηλεκτρονίων και νετρονίων. Η αντιύλη είναι το αντίθετο από αυτό. Η αντιύλη περιλαμβάνει αντιπρωτόνια, αντινετρόνια και ποζιτρόνια (τα αντιηλεκτρόνια που συζητήθηκαν προηγουμένως). Εάν έρθει σε επαφή με την ύλη, η αντιύλη απελευθερώνει μια τεράστια ποσότητα ενέργειας σε μια καταστροφική έκρηξη. Η επιστημονική φαντασία λατρεύει αυτή την ποιότητα. Η αντιύλη είναι ένα αγαπημένο όπλο στην επιστημονική φαντασία. Ο περιορισμός και η αξιοποίηση αυτών των εκρήξεων είναι η βάση για το Warp Drive στο Star Trek.

Είναι πιθανό να υπάρχουν ολόκληρα σύμπαντα φτιαγμένα από αντιύλη. Αυτό που βλέπουμε ως αντιύλη θα ήταν απλώς ύλη για άλλα όντα. Οτιδήποτε εισάγουμε σε αυτό το σύμπαν θα αντιδρούσε τόσο βίαια όσο η αντιύλη σε αυτό. Αυτή η εξήγηση μπορεί να φαίνεται σαν επιστημονική φαντασία, αλλά οι επιστήμονες στο CERN κατάφεραν να δημιουργήσουν μικρές ποσότητες αντιύλης σε εργαστηριακά περιβάλλοντα. Δεν αρκεί ακόμα να τροφοδοτήσετε ένα διαστημόπλοιο, αλλά είναι ένα βήμα προς τη σωστή κατεύθυνση!

Τα άτομα μπορεί να αποτελούν τα πάντα, αλλά τα υποατομικά σωματίδια είναι αυτά που αποτελούν αυτά τα άτομα. Ποιο είναι το αγαπημένο σας υποατομικό σωματίδιο;