Eine schwindelerregende Anordnung von Partikeln, Kräften und Feldern bestimmt die subatomare Basis für alles, was wir sehen.
Paul Sutter ist Astrophysiker an der Ohio State University und Chefwissenschaftler am COSI Science Center. Sutter ist auch Moderator von "Ask a Spaceman" und "Space Radio" und führt AstroTours auf der ganzen Welt. Sutter hat diesen Artikel zu Space.coms Expert Voices: Op-Ed & Insights beigetragen.
Um ein wirklich fremdes Land voller Wunder und Geheimnisse zu besuchen, müssen Sie sich nicht durch ein magisches Kabinett schleichen, eine fliegende Kreatur reiten, die nicht fliegen oder rücksichtslos durch ein Portal in eine andere Dimension springen kann. Nein, alles was Sie tun müssen, ist Ihren Teilchenbeschleuniger aufzubrechen und nach unten, unten, unten zu schauen.
Auf subatomarer Ebene zeigt sich die wahre Vielfalt und Pracht der Natur mit einer schwindelerregenden Reihe von Teilchen, Kräften und Feldern, die alle herumwirbeln und surren und von nahezu unergründlichen Gesetzen der Physik beherrscht werden. Doch anstatt ein chaotisches Durcheinander zu erzeugen, erzeugen all ihre komplizierten Interaktionen die reguläre, geordnete, strukturierte makroskopische Welt, mit der wir vertraut sind. [Seltsame Quarks und Myonen, oh mein Gott! Die kleinsten präparierten Partikel der Natur (Infografik)]
Man kann verstehen, dass diese winzige Welt in eine strenge Hierarchie unterteilt ist, mit klaren Linien zwischen den Herrschern und den Regierten, zwischen denen, die bequem in ihren Stallburgen sitzen, und den niederen Bauern, die die Arbeit tatsächlich erledigen. Die Interaktionen zwischen den verschiedenen Bewohnern sind durch unveränderliche Regeln in Stein gemeißelt: Es gibt einen Platz für alle, und jeder hat einen Platz.
Komm, lass uns besuchen.
Es ist gut, der König zu sein
Im Zentrum stehen die massereichsten stabilen Partikel: die Auf- und Ab-Quarks. Ihre Langlebigkeit ermöglicht es ihnen, sich zu nahezu uneinnehmbaren Festungen zusammenzuschließen: den als Protonen und Neutronen bekannten Nukleonenburgen. Aber es sind nicht die Quarks selbst, die diese nukleonischen Zitadellen erhalten. In der Tat ist die kombinierte Masse aller Quarks in einem Nukleon weitaus kleiner als die Masse eines Protons oder Neutrons.
Stattdessen sind die Auf- und Ab-Quarks von einer besonderen Fähigkeit durchdrungen, die den anderen Teilchen im Reich nicht bekannt ist. Sie können die starke Atomkraft spüren. Das ist bei weitem die mächtigste Kraft, die die Quarks so intensiv zusammenklebt, dass eine einzige niemals isoliert gesehen werden kann. Diese Interaktion bildet das unsichtbare Rückgrat unserer makroskopischen Welt. Wir halten Protonen und Neutronen für selbstverständlich - so solide bauen sie ihre Burgmauern. Und ihre Massen sind hauptsächlich auf die Stärke ihrer inneren Kernbindungen zurückzuführen, nicht auf die einzelnen Quarks.
Die starke Kernkraft hört nicht auf der Ebene der Protonen und Neutronen auf. Der Klebstoff, der die Quarks zusammenhält und ihnen die Herrschaft über alle anderen Partikel verleiht, ist so dominant, dass er einige dieser Burgen zu einer stabilen Festung zusammenfassen kann, die als Atomkern bekannt ist. Während diese Struktur nicht wie die Protonen und Neutronen selbst uneinnehmbar ist, erfordert das Umstürzen eines Kerns immer noch immense Anstrengungen.
Trotz all ihrer herrschsüchtigen Macht ist die Reichweite des vizeähnlichen Griffs der Quarks auf ihre jeweilige Burg und die nahe Umgebung beschränkt. Das liegt daran, dass die Stärke der starken Kraft bei aller Stärke stark eingeschränkt ist. Dies bestimmt die Größe der Festungen, Burgen und Festungen, die wir als Nukleonen unserer Welt identifizieren. [7 seltsame Fakten über Quarks]
Mühen die Felder
Jenseits dieser begrenzten Reichweite halten die Quarks ihre Domänen in Schach und kommunizieren über die königlichen Boten - die Photonen - miteinander. Diese schnellfüßigen Gesandten springen unermüdlich von Ort zu Ort im Universum und tragen die elektromagnetische Kraft - Elektrizität, Magnetismus und sogar Licht selbst - zu jedem Teilchen, das elektrische Ladung hat. Dieser Einfluss erstreckt sich über den gesamten Kosmos. Je weiter Sie von der Quelle entfernt sind, desto schwächer ist natürlich der Effekt.
Diese elektromagnetische Bindung hält die Untergebenen der subatomaren Welt in Einklang, und während die Quarks ihre Tage im relativen Komfort ihrer sicheren und abgelegenen Burgfestungen verbringen, erledigen unterdrückte "Bauern" - Elektronen - die ganze Arbeit, um die reichen Variationen zu machen von chemischen Reaktionen möglich. Das ist richtig - es sind die armen, unedlen Elektronen, die für ihre Quark-Meister sklaven. Durch Elektromagnetismus an den Kern gebunden - aber normalerweise durch die Regeln der Quantenmechanik daran gehindert, tatsächlich einzutreten - werden Elektronen zwischen Atomen ausgetauscht, was uns die Chemie gibt, die fast alles in unserem täglichen Leben ermöglicht.
Die herrschenden Quarks werden gerne ein bescheidenes Elektron aus einer benachbarten Domäne handeln, stehlen und ausleihen und ihre Bewegungen mit hartnäckigen Stößen aus den Photonen formen - ohne sich um ihre individuellen Hoffnungen, Träume oder Ambitionen zu kümmern (frei durch das Universum strömen, sich magnetisch drehen) Felder und so weiter).
Im Schatten lauern
Aber nicht alle Teilchen im Universum werden unter dem Daumen der despotischen Quarks gehalten. Einige können frei durch das Universum strömen, ohne die starke Kraft zu spüren und mürrische Blendungen von vorbeiziehenden Photonen zu ignorieren: die Neutrinos. Diese gespenstischen Teilchen können sich in der Öffentlichkeit verstecken, so sprudelnd, dass wir sie jahrzehntelang für völlig masselos hielten.
Es gibt drei Arten von Neutrinos: Elektronenneutrino, Myonenneutrino und Tau-Neutrino. Sie sind jedoch so gut getarnt, dass Sie nie sicher sind, welche Sie gerade sehen. Während sie reisen, können sie durch die Masken radeln, die sie tragen, und ihre Identität mit der Leichtigkeit eines erfahrenen Spions wechseln. Ihre Masken bestimmen, wie sie (gelegentlich) mit den übrigen Teilchen im Universum interagieren: Ein Elektronenneutrino nimmt beispielsweise nur an Reaktionen teil, an denen Elektronen beteiligt sind.
Aufgrund der schelmischen Natur der Neutrinos kann ein Prozess, der einen bestimmten Geschmack dieses Partikels erzeugt, nicht immer umgekehrt ablaufen, um die ursprüngliche Sorte wieder zu fangen - es sind getauschte Identitäten.
Trotz all ihrer Tricks und List sind Neutrinos nicht immun gegen Einflüsse aus den Domänen der Quarks. Damit ein solcher Effekt auftritt, sind jedoch Spezialkräfte erforderlich. Expertenpartikel namens W- und Z-Bosonen, Träger der schwachen Kernkraft, sind die einzigen, die mit den schelmischen Neutrinos kommunizieren können. In einigen Fällen schaffen es Bosonen, Neutrinos in konformere Kreaturen wie Elektronen umzuwandeln.
Selbst dann ist es eine glückliche Chance: Meistens kommen die hinterhältigen Neutrinos ungeschoren davon.
Die Fähigkeiten dieser W- und Z-Bosonen, der geheimen Black-Ops-Kämpfer der Teilchenwelt, reichen jedoch weiter als nur die seltene Begegnung mit Neutrinos. Sie haben auch fast ausschließlichen Zugang zum inneren Heiligtum der Nukleonenfestung und können eine Art von Quark in eine andere verwandeln. Sollte ein Neutron aus der Sicherheit eines Atomkerns entkommen, können diese speziellen Bosonen dieses Teilchen in ein stabileres Proton umwandeln.
Außerhalb des Reiches
Dies gibt natürlich nicht das vollständige Bild der subatomaren Welt. Das gesamte Standardmodell, unser Porträt dieser winzigen Kreaturen und all ihrer geschäftigen Interaktionen ist viel größer und komplexer, als es in einigen Absätzen enthalten sein kann. Und obwohl das Standardmodell ein Triumph der modernen Physik ist, der im Laufe der Jahrzehnte schmerzhaft zusammengefügt wurde, mit genauen Vorhersagen und präzisen Experimenten, ist es auch ein unvollständiges Bild unserer Welt.
Zum einen schließt es die Schwerkraft nicht ein, was derzeit am besten durch die ebenfalls unvollständige allgemeine Relativitätstheorie beschrieben wird. Es gibt auch die anhaltenden kosmologischen Fragen nach der Natur der Dunklen Materie und der Dunklen Energie, über die das traditionelle Standardmodell schweigt (weil diese Phänomene erst kürzlich entdeckt wurden). Es gibt noch mehr: die Masse des Neutrinos, die Hierarchie der Kräfte und so weiter.
Das Standardmodell ist zwar alles andere als vollständig und in seiner Herangehensweise an Kaugummi und Klebeband zur Modellierung der physischen Welt vielleicht ein wenig unbefriedigend, aber unglaublich nützlich. Es kann mit erstaunlicher Genauigkeit die Bewegungen und Bewegungen dieser subatomaren Bewohner und all ihre schändlichen Pläne vorhersagen.
Weitere Informationen erhalten Sie in der Folge "Wer lebt im Partikelzoo?" im Podcast "Ask a Spaceman", verfügbar bei iTunes und im Internet unter http://www.askaspaceman.com. Vielen Dank an Alessandro M., Roger, Martin N., Daniel C. und @PoZokhr für die Fragen, die zu diesem Stück geführt haben! Stellen Sie Ihre eigene Frage auf Twitter mit #AskASpaceman oder folgen Sie Paul @PaulMattSutter und facebook.com/PaulMattSutter.
