Ένας νέος χάρτης όλων των σωματιδίων και των δυνάμεων

[Σημείωση του συντάκτη:Ο πλήρης, διαδραστικός χάρτης είναι διαθέσιμος παρακάτω.]

Όλη η φύση πηγάζει από μια χούφτα συστατικά - τα θεμελιώδη σωματίδια - που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους με λίγους μόνο διαφορετικούς τρόπους. Στη δεκαετία του 1970, οι φυσικοί ανέπτυξαν ένα σύνολο εξισώσεων που περιγράφουν αυτά τα σωματίδια και τις αλληλεπιδράσεις. Μαζί, οι εξισώσεις σχημάτισαν μια συνοπτική θεωρία που τώρα είναι γνωστή ως το Καθιερωμένο Μοντέλο της Φυσικής των Σωματιδίων.

Στο Καθιερωμένο μοντέλο λείπουν μερικά κομμάτια παζλ (εμφανώς απουσιάζουν τα υποτιθέμενα σωματίδια που συνθέτουν τη σκοτεινή ύλη, αυτά που μεταφέρουν τη δύναμη της βαρύτητας και μια εξήγηση για τη μάζα των νετρίνων), αλλά παρέχει μια εξαιρετικά ακριβή εικόνα σχεδόν όλων άλλα παρατηρούμενα φαινόμενα.

Ωστόσο, για ένα πλαίσιο που ενσωματώνει την καλύτερη κατανόηση της θεμελιώδους τάξης της φύσης, το Καθιερωμένο Μοντέλο εξακολουθεί να στερείται μιας συνεκτικής οπτικοποίησης. Οι περισσότερες προσπάθειες είναι πολύ απλές ή αγνοούν σημαντικές διασυνδέσεις ή είναι μπερδεμένες και συντριπτικές.

Εξετάστε την πιο κοινή απεικόνιση, η οποία εμφανίζει έναν περιοδικό πίνακα σωματιδίων:

Αυτή η προσέγγιση δεν προσφέρει εικόνα για τις σχέσεις μεταξύ των σωματιδίων. Τα σωματίδια που μεταφέρουν δύναμη (δηλαδή το φωτόνιο, που μεταφέρει την ηλεκτρομαγνητική δύναμη, τα μποζόνια W και Z, που μεταφέρουν την ασθενή δύναμη και τα γλουόνια, που μεταφέρουν την ισχυρή δύναμη) τοποθετούνται στην ίδια βάση με τα σωματίδια της ύλης που μεταφέρουν αυτές τις δυνάμεις ενεργούν μεταξύ — κουάρκ, ηλεκτρονίων και των συγγενών τους. Επιπλέον, βασικές ιδιότητες όπως το "χρώμα" παραλείπονται.

Μια άλλη αναπαράσταση αναπτύχθηκε για την ταινία του 2013 Particle Fever :

Ενώ αυτή η οπτικοποίηση υπογραμμίζει σωστά την κεντρική θέση του μποζονίου Higgs - τον σύνδεσμο του Καθιερωμένου Μοντέλου, για λόγους που εξηγούνται παρακάτω - το Higgs τοποθετείται δίπλα στο φωτόνιο και το γλουόνιο, παρόλο που στην πραγματικότητα το Higgs δεν επηρεάζει αυτά τα σωματίδια. Και τα τεταρτημόρια του κύκλου είναι παραπλανητικά — υπονοώντας, για παράδειγμα, ότι το φωτόνιο συνδέεται μόνο με τα σωματίδια που αγγίζει, κάτι που δεν συμβαίνει.

Μια νέα προσέγγιση

Ο Chris Quigg, φυσικός σωματιδίων στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντών Fermi στο Ιλινόις, σκέφτεται πώς να απεικονίσει το Καθιερωμένο Μοντέλο εδώ και δεκαετίες, ελπίζοντας ότι μια πιο ισχυρή οπτική αναπαράσταση θα βοηθούσε στην εξοικείωση των ανθρώπων με τα γνωστά σωματίδια της φύσης και θα τους παρακινούσε να σκεφτούν για το πώς αυτά τα σωματίδια θα μπορούσαν να χωρέσουν σε ένα μεγαλύτερο, πληρέστερο θεωρητικό πλαίσιο. Η οπτική αναπαράσταση του Quigg δείχνει περισσότερα από την υποκείμενη τάξη και δομή του Καθιερωμένου Μοντέλου. Ονομάζει το σχήμα του αναπαράσταση «διπλού απλού», επειδή τα αριστερόστροφα και τα δεξιά σωματίδια της φύσης σχηματίζουν το καθένα ένα απλό — μια γενίκευση ενός τριγώνου. Έχουμε υιοθετήσει το σχήμα του Quigg και έχουμε κάνει περαιτέρω τροποποιήσεις.

Ας δημιουργήσουμε το double simplex από την αρχή.

Κουάρκ στο κάτω μέρος

Τα σωματίδια της ύλης υπάρχουν σε δύο κύριες ποικιλίες, τα λεπτόνια και τα κουάρκ. (Σημειώστε ότι, για κάθε είδος σωματιδίου ύλης στη φύση, υπάρχει επίσης ένα σωματίδιο αντιύλης, το οποίο έχει την ίδια μάζα αλλά είναι αντίθετο με κάθε άλλο τρόπο. Όπως έχουν κάνει άλλες απεικονίσεις του Καθιερωμένου Μοντέλου, εξαλείφουμε την αντιύλη, η οποία θα σχηματίσει ένα ξεχωριστό , ανεστραμμένο διπλό απλό.)

Ας ξεκινήσουμε με τα κουάρκ, και συγκεκριμένα τους δύο τύπους κουάρκ που αποτελούν τα πρωτόνια και τα νετρόνια μέσα στους ατομικούς πυρήνες. Αυτά είναι το επάνω κουάρκ, το οποίο διαθέτει τα δύο τρίτα της μονάδας ηλεκτρικού φορτίου, και το κουάρκ κάτω, με ηλεκτρικό φορτίο −1/3.

Τα άνω και κάτω κουάρκ μπορεί να είναι είτε "αριστερόχειρα" ή "δεξιόχειρα" ανάλογα με το αν περιστρέφονται δεξιόστροφα ή αριστερόστροφα σε σχέση με την κατεύθυνση της κίνησής τους.

Ασθενής αλλαγή

Τα αριστερόχειρα άνω και κάτω κουάρκ μπορούν να μεταμορφωθούν το ένα στο άλλο, μέσω μιας αλληλεπίδρασης που ονομάζεται αδύναμη δύναμη. Αυτό συμβαίνει όταν τα κουάρκ ανταλλάσσουν ένα σωματίδιο που ονομάζεται μποζόνιο W — ένας από τους φορείς της ασθενούς δύναμης, με ηλεκτρικό φορτίο είτε +1 είτε -1. Αυτές οι ασθενείς αλληλεπιδράσεις αντιπροσωπεύονται από την πορτοκαλί γραμμή:

Περιέργως, δεν υπάρχουν δεξιόχειρα μποζόνια W στη φύση. Αυτό σημαίνει ότι τα δεξιόστροφα κουάρκ δεν μπορούν να εκπέμπουν ή να απορροφούν μποζόνια W, επομένως δεν μετατρέπονται το ένα στο άλλο.

Έντονα χρώματα

Τα κουάρκ διαθέτουν επίσης ένα είδος φορτίου που ονομάζεται χρώμα. Ένα κουάρκ μπορεί να έχει χρώμα κόκκινο, πράσινο ή μπλε. Το χρώμα ενός κουάρκ το κάνει ευαίσθητο στην ισχυρή δύναμη.

Η ισχυρή δύναμη συνδέει κουάρκ διαφορετικών χρωμάτων σε σύνθετα σωματίδια όπως πρωτόνια και νετρόνια, τα οποία είναι «άχρωμα», χωρίς καθαρό χρωματικό φορτίο.

Τα κουάρκ μεταμορφώνονται από το ένα χρώμα στο άλλο απορροφώντας ή εκπέμποντας σωματίδια που ονομάζονται γκλουόνια, οι φορείς της ισχυρής δύναμης. Αυτές οι αλληλεπιδράσεις σχηματίζουν τις πλευρές ενός τριγώνου. Επειδή τα γκλουόνια διαθέτουν τα ίδια χρωματικό φορτίο, αλληλεπιδρούν συνεχώς μεταξύ τους καθώς και με τα κουάρκ. Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ γκλουονίων γεμίζουν το τρίγωνο.

Περισσότερο θέμα

Τώρα ας στραφούμε στα λεπτόνια, το άλλο είδος σωματιδίων ύλης. Τα λεπτόνια υπάρχουν σε δύο τύπους:ηλεκτρόνια, που έχουν ηλεκτρικό φορτίο −1, και νετρίνα, που είναι ηλεκτρικά ουδέτερα.

Όπως συμβαίνει με τα αριστερόστροφα κουάρκ, τα αριστερόστροφα ηλεκτρόνια και τα νετρίνα μπορούν να μετασχηματιστούν το ένα στο άλλο μέσω της ασθενούς αλληλεπίδρασης. Ωστόσο, τα δεξιόχειρα νετρίνα δεν έχουν παρατηρηθεί στη φύση.

Σημειώστε ότι τα λεπτόνια δεν έχουν χρωματικό φορτίο και δεν αλληλεπιδρούν μέσω της ισχυρής δύναμης. αυτό είναι το κύριο χαρακτηριστικό που τα ξεχωρίζει από τα κουάρκ.

The Simplex Skeleton

Συνδυάζοντας ό,τι έχουμε κάνει μέχρι τώρα, έχουμε τα αριστερόστροφα σωματίδια στα αριστερά, ενώ τα δεξιόχειρα σωματίδια εμφανίζονται στα δεξιά. Αποτελούν τον βασικό σκελετό του διπλού απλού Quigg.

Τρεις γενιές

Τώρα, μια επιπλοκή:Για άγνωστους λόγους, υπάρχουν τρεις προοδευτικά βαρύτερες αλλά κατά τα άλλα πανομοιότυπες εκδοχές κάθε τύπου σωματιδίου ύλης. Για παράδειγμα, μαζί με το πάνω και κάτω κουάρκ, υπάρχει το γοητεία και το παράξενο κουάρκ και, ακόμα πιο βαρύ, το πάνω και το κάτω κουάρκ. Το ίδιο ισχύει και για τα λεπτόνια:Μαζί με το νετρίνο ηλεκτρονίων και ηλεκτρονίων, υπάρχουν το νετρίνο μιονίου και μιονίου και το νετρίνο ταυ και ταυ. (Σημειώστε ότι τα νετρίνα έχουν μικρές αλλά άγνωστες μάζες.)

Όλα αυτά τα σωματίδια ζουν στις γωνίες του διπλού απλού. Σημειώστε ότι μια μικρή ποσότητα αδύναμης αλληλεπίδρασης συμβαίνει μεταξύ των αριστερόχειρων κουάρκ σε διαφορετικές γενιές, έτσι ώστε ένα κουάρκ επάνω μπορεί περιστασιακά να φτύνει ένα μποζόνιο W και να γίνει ένα περίεργο κουάρκ, για παράδειγμα. Τα λεπτόνια σε διαφορετικές γενιές δεν έχουν παρατηρηθεί να αλληλεπιδρούν με αυτόν τον τρόπο.

Δυνάμεις και φορτίο

Με ποιους άλλους τρόπους αλληλεπιδρούν τα σωματίδια μεταξύ τους; Αναφέραμε ήδη ότι πολλά σωματίδια ύλης έχουν ηλεκτρικό φορτίο — όλα, στην πραγματικότητα, εκτός από τα νετρίνα. Αυτό που σημαίνει να έχεις ηλεκτρικό φορτίο είναι ότι αυτά τα σωματίδια είναι ευαίσθητα στην ηλεκτρομαγνητική δύναμη. Αλληλεπιδρούν μεταξύ τους ανταλλάσσοντας φωτόνια, τους φορείς της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης. Αντιπροσωπεύουμε τις ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις ως κυματιστές γραμμές που συνδέουν φορτισμένα σωματίδια μεταξύ τους. Σημειώστε ότι αυτές οι αλληλεπιδράσεις δεν μεταμορφώνουν τα σωματίδια το ένα στο άλλο. Σε αυτήν την περίπτωση, τα σωματίδια αισθάνονται απλώς μια ώθηση ή ένα τράβηγμα.

Η αδύναμη δύναμη είναι λίγο πιο περίπλοκη από ό,τι αφήσαμε νωρίτερα. Εκτός από τα μποζόνια W και W - τους ηλεκτρικά φορτισμένους φορείς της ασθενούς δύναμης - υπάρχει επίσης ένας ουδέτερος φορέας της ασθενούς δύναμης, που ονομάζεται μποζόνιο Z. Τα σωματίδια μπορούν να απορροφήσουν ή να εκπέμπουν μποζόνια Ζ χωρίς να αλλάξουν ταυτότητες. Όπως και με τις ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις, αυτές οι «ασθενείς ουδέτερες αλληλεπιδράσεις» προκαλούν απλώς απώλεια ή κέρδος ενέργειας και ορμής. Οι ασθενείς ουδέτερες αλληλεπιδράσεις αντιπροσωπεύονται εδώ με πορτοκαλί κυματιστές γραμμές.

Δεν είναι τυχαίο ότι οι ασθενείς ουδέτερες αλληλεπιδράσεις μοιάζουν πολύ με τις ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις. Οι ασθενείς και οι ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις προέρχονται και οι δύο από μια ενιαία δύναμη που υπήρχε στις πρώτες στιγμές του σύμπαντος, που ονομάζεται ηλεκτροαδύναμη αλληλεπίδραση.

Καθώς το σύμπαν ψύχθηκε, ένα γεγονός γνωστό ως σπάσιμο της ηλεκτροασθενούς συμμετρίας χώρισε τις δυνάμεις στα δύο. Αυτό το γεγονός χαρακτηρίστηκε από την ξαφνική εμφάνιση ενός πεδίου που εκτείνεται σε όλο το διάστημα, γνωστό ως πεδίο Higgs, το οποίο σχετίζεται με ένα σωματίδιο που ονομάζεται μποζόνιο Higgs — το τελευταίο κομμάτι του παζλ μας.

Εισαγάγετε το Higgs

Το μποζόνιο Χιγκς είναι ο συνδετικός κρίκος του Καθιερωμένου Μοντέλου και το κλειδί για το γιατί η διάταξη διπλού απλού έχει νόημα. Όταν το πεδίο Higgs εμφανίστηκε στο πρώιμο σύμπαν, ένωσε σωματίδια αριστερά και δεξιά μεταξύ τους, εμποτίζοντας τα σωματίδια ταυτόχρονα με την ιδιότητα που ονομάζουμε μάζα. (Σημειώστε ότι το νετρίνο έχει μάζα, αλλά η προέλευσή του παραμένει μυστηριώδης, καθώς προέρχεται από κάποιον άλλο μηχανισμό εκτός από το Higgs.)

Εδώ είναι μια εκδοχή κινουμένων σχεδίων για το πώς λειτουργεί αυτή η γενιά μαζικής παραγωγής. Καθώς ένα σωματίδιο όπως ένα ηλεκτρόνιο κινείται στο διάστημα, αλληλεπιδρά συνεχώς με τα μποζόνια Higgs - διεγέρσεις του πεδίου Higgs. Όταν ένα αριστερόχειρο ηλεκτρόνιο προσκρούει σε ένα μποζόνιο Χιγκς, το ηλεκτρόνιο μπορεί να εκτοξευθεί από αυτό σε μια νέα κατεύθυνση και να γίνει δεξιόχειρας, στη συνέχεια να προσκρούσει σε άλλο Χιγκς και να γίνει ξανά αριστερόχειρας κ.ο.κ. Αυτές οι αλληλεπιδράσεις επιβραδύνουν το ηλεκτρόνιο και αυτό εννοούμε με τον όρο "μάζα".

Γενικά, όσο περισσότερο ένα σωματίδιο αλληλεπιδρά με το μποζόνιο Higgs, τόσο μεγαλύτερη μάζα έχει. Επιπλέον, οι συχνές αλληλεπιδράσεις με τα μποζόνια Higgs κάνουν αυτά τα ογκώδη σωματίδια κβαντικά μείγματα αριστερόχειρων και δεξιόχειρων.

Και με αυτό, έχουμε το Καθιερωμένο Μοντέλο της Φυσικής των Σωματιδίων: