10 konstiga teoretiska subatomiska partiklar

Partikelfysik är en av de mest intressanta fälten inom fysik. Även om det finns många olika partiklar, fortsätter forskarna att postulera nya och spännande partiklar. De flesta av dessa nya partiklar är knutna till forskning av mörk materia och mörk energi, och fysiker försöker för närvarande sitt bästa för att upptäcka dem.

10 Black Hole Electron

Fotokredit: Alain r

I början av 1900-talet introducerade Albert Einstein nyskapande fysik om svarta hål, som hans teori om generell relativitet stödde. Bland hans mest intressanta arbete var teorin om ett svart hålelektron. Svarta hål kan komma i olika former och storlekar beroende på hur de bildas. Einsteins svarthålelektron var ett avsiktligt svart hål som hade samma storlek och massa som en elektron.

I Einsteins papper diskuterade han vad det här lilla svarta hålet skulle se ut. Otroligt nog skulle det uppleva samma magnetiska egenskaper som en vanlig elektron. Om någon någonsin observerat ett svart hålelektron, skulle det se ut som en vanlig elektron. Utöver det skulle svarthålelektronen vara relativt stabil och förbli storleken på en elektron i hela sitt liv.

Einsteins arbete med svarthålselektroniken blev inte en vanlig del av partikelfysiken på sin tid, men de senaste innovationerna i strängteori återvänder det till framkant. Moderna strängteoretiker har konstruerat modeller som anser partiklar som miniatyrsvarta hål. Dessa modeller hjälper till att lösa de beräkningsproblem som finns i normal fysik, så det är möjligt att Einstein inte var långt ifrån märket.

9 Dark Photon

Forskning om mörk materia är ett av de mest diskuterade fälten i modern partikelfysik. Ingen vet exakt vad mörk materia är, och fysiker föreslår ständigt nya kandidater för den här smärtsamma substansen. Under 2008 föreslog ett forskargrupp en ny typ av subatomisk partikel som kallades mörk foton. Denna partikel verkar som en vanlig foton men skulle bara interagera med mörk materia.

Den mörka foton är den föreslagna kraftbäraren för den elektromagnetiska kraften mellan mörk materia. I stället för att förlita sig på den normala foton som kraftbärare föreslog forskare att den mörka foton är vad som bär interaktionen. För att förklara varför mörkt materia är osynligt för observation, spekulerade fysiker att en annan grundläggande kraft verkar på mörk materia. Denna "mörka elektromagnetism" är en långdistansmätare kraft men förmedlas bara av den mörka foton.

Så konstigt som det här kan tyckas, hade partikelforskare anledning att tro att mörka fotoner existerade. I början av 2000-talet genomförde forskare ett experiment som heter g-2. Detta experiment försökte mäta muon (en annan typ av subatomisk partikel) spin "wobbles" när de passerade genom ett magnetfält.

Under experimentet fungerade muonwobblesna inte ut på vad standardmodellen förutspådde. Ytterligare experiment utfördes vid partikelacceleratorer för att se om de avvikande avläsningarna kunde vara tecken på mörka fotoner. Tyvärr visade resultaten att mörka fotoner inte är synderna. Något annat är.

G-2-anomali har inte lösts ännu, även om forskare är säkra på att mörka fotoner inte är skyldiga. Fortfarande är mörka fotoner inte omöjliga. De kan existera i vårt universum.

8 kameleonpartikel

Även om mörk materia är ett enormt mysterium i fysiken är mörk energi en ännu större. Alla mätningar och modeller visar att universum inte bara expanderar, det accelererar i allt högre grad. Fysiker vet inte vad som orsakar accelerationen, och otaliga forskare föreslår olika förklaringar för "mörk energi" som skapar vårt växande universum. En av de mest intressanta idéerna är kameleonpartikeln.

I teorin skulle kameleonpartikeln förmedla ett femte fält i vårt universum kallat kameleonfältet. Partikeln för detta fält har en rad olika udda egenskaper. Forskare föreslår att den har en variabel effektiv massa som förändras med densiteten i det område där den rymmer.

Ju större den effektiva massan desto större kraft det utövar. Till exempel, i vårt solsystem, skulle kameleonpartikeln vara odetekterbar eftersom den höga relativa densiteten hos vårt solsystem skulle göra partikeln exakt en extremt svag kraft. Men i intergalaktiskt utrymme, som är nästan tomt, skulle kameleonpartikeln vara extremt stark eftersom densiteten är så låg.

Detta förslag förklarar varför forskare ser universell expansion. Vetenskapsmännen vill dock upptäcka partikeln. Men det är svårt eftersom forskare är på jorden i en tät del av universum där kameleontstyrkan skulle vara extremt svag.

Ett lag på Berkeley byggde en experimentell apparat för att detektera kameleonpartiklar. Även om testet var ofullständigt, utesluter det inte existensen av kameleonpartiklar. Så forskare arbetar på fler experiment och instrument för att upptäcka dessa smärtsamma partiklar och upptäcka naturen av mörk energi.

7 sterila neutrinos

En annan kandidat för mörk materia är den sterila neutrinoen. Normala neutrinor är extremt svagt interagerande partiklar som bildas i olika kärnreaktioner. De tre typerna av neutrinor i standardmodellen är väl förstådda. De är så svagt samspelande att forskare hänvisar till dem som spökepartiklar.

Sterila neutrinor är olika eftersom de bara interagerar via gravitationskraften. Normala neutrinor (aka aktiva neutrinor) tar emot laddning från den svaga kraften, men sterila neutrinoer är helt oinfluenserade av några av de subatomära krafterna i standardmodellen. De är spökar av spökpartikeln.

Sterila neutrinor är en möjlig kandidat för mörk materia. De är intressanta eftersom de existerar utanför standardmodellen för partikelfysik genom att lägga till fler neutrinor till de tre som forskarna redan vet.Om det upptäcktes skulle sterila neutrinor tvinga forskare att omorganisera delar av standardmodellen. När det gäller mörk materia finns det fortfarande fysiker på stängslet om dessa spöklika partiklar är en bra kandidat för det.

Men nya upptäckter har visat att sterila neutrinor kan existera. Problemet är att sterila neutrinor är extremt svåra att upptäcka eftersom de knappt interagerar med andra former av materia. Forskare har svårt att upptäcka sina aktiva kusiner, mycket mindre de sterila versionerna.

År 2014 upptäckte astronomer udda röntgenutsläppslinjer från en närliggande galax som passar in i den sterila neutrino-teorin. Med hjälp av denna data visade astrofysiker Kevork Abazajian att den sterila neutrino-modellen kunde förklara strukturen hos andra närliggande galaxer. Denna upptäckt är det bästa aktuella beviset på sterila neutrinor eftersom de underjordiska detektorerna för aktiva neutrinor inte har haft någon tur att plocka upp signaturer av denna spöklika partikel.

6 Axion

Av alla kandidater som forskare har föreslagit för kallt mörkt materia får axionen mest publicitet och intresse. Axion föreslogs först för att lösa ett knepigt problem med den starka kärnkraften.

I standardmodellmatematik innehåller partikelfysiker vissa inmatningsvariabler för att göra matematikarbetet. En variabel har dock ett värde på nästan noll, vilket gör det observerbart. När fysiker pluggar det värdet i deras ekvationer, visade det sig att en av de grundläggande kvarkerna skulle vara masslös.

Observation av kvark motsäger denna modell, så forskare kom med ett nytt fält och partikel för att åtgärda situationen. Denna partikel är axionen. Den har en extremt låg massa, nära en biljon av massan av en elektron.

Också axioner påverkar endast svagt med andra frågor men har udda och speciella interaktioner med den starka kärnkraften. I teorin är dessa partiklar helt transparenta för ljus och interagerar inte med materia enligt standardmodell.

Allt detta gör axionen till en nyckelkandidat för mörk materia. Den andra ledande teorin är WIMP (svagt interagerande massiv partikelmodell), som föreslår nya partiklar som är mycket tyngre än protonen och neutronen. Axionmodeller har en fördel jämfört med WIMP: erna, eftersom de redan är en del av kvantteori.

Kosmologiska teorier anger att axioner kan utgöra 85 procent av den mörka materien i vårt universum. Resten skulle vara andra partiklar. Forskare gör experiment för att hitta dessa osynliga partiklar, men sökningen är inte lätt.

5 Dilaton

Dilaton är en konstig partikel som föreslås av strängteori. När strängteoretiker arbetar med Kaluza-Klein-komprimeringsteorierna, är dilaton en partikel som måste existera. Men det får de grundläggande konstanterna i naturen att fluktuera.

I stället för att vårt universum har konstanter som Newtons konstant eller Planckkonstanten, skulle dilatonet ha tillåtit dessa siffror att fluktuera under det tidiga universum. Därefter skulle dilatonet ha fryst i värde, vilket också orsakade att de grundläggande konstanternas värden frysde.

Dilatoner kan tyckas konstiga, men de är kritiska för att förstå strängteoriens kosmologi. Stringteori bygger på Kaluza-Klein teorier, och det finns inget sätt att ignorera dilatonet i dessa teorier. Faktum är att fysikerna tror att dilaton är en grundläggande skalär i vårt universum, vilket innebär att det är omöjligt att ignorera det om det existerar.

Men experiment för att upptäcka dilaton skulle vara extremt svårt att genomföra. Men dess egenskaper matchar perfekt egenskaperna hos mörk energi. Så om strängteori är korrekt, kan dilatonet lösa det ihållande mysteriet om mörk energi.

4 bländning

En av de största mysterierna för big bang kosmologi är universums inflytande period. Under splittringen andra efter att storskalan började upplevde universum exponentiell tillväxt. Så småningom minskade den snabba tillväxten till expansionsgraden som observerades idag.

Denna inflationsperiod har gjort det möjligt för forskare att observera den kosmiska bakgrunden mikrovågsstrålning och andra intressanta funktioner i universum. Men ingen vet varför universum upplevde en inflationär expansion eller varför den stannade.

Uppblåstningen är ett föreslagna fält som skulle förklara varför universum utvidgades som det gjorde. Liksom varje fält, har uppblåstningen en partikel förknippad med den (kallas också uppblåstningen).

Uppblåsningen fungerade i några grundläggande steg. I början av universum var det i ett hög-energiläge och erfarna slumpmässiga kvantfluktuationer som förväntat från superdense spädbarnsuniverset. Så småningom uppstod uppblåsningen till ett låg-energiläge, vilket utlöste en massiv repulsiv kraft som möjliggjorde uppblåsningen att återvända till sin hög energitillstånd. Det är märkligt att uppblåsningen inte utövar denna repulsiva kraft när den har hög energi.

Inflatörsteorier kan verka eleganta, men de diskuteras fortfarande varmt bland fysiker eftersom inflationsmodellen inte har accepterats av alla forskare. Nya teorier kring det tidiga universum visar dock att inflationsfältet är en bra kandidat för att beskriva hur vårt universum kom att se ut som det gör. Vissa forskare tror att den nyligen upptäckta Higgs bosonen är uppblåsningspartikeln som de har letat efter. Möjligen är dessa två partiklar samma sak.

3 Bateman Partikel

Fotokredit: NASA, ESA, M.J. Jee och H. Ford

Föreslagits av ett team ledt av James Bateman, är denna anonymiserade partikel en annan kandidat för en superlight mörk materiepartikel. Bateman partikel är mycket tyngre än axion men fortfarande bara en bråkdel av en elektrons massa. Liksom andra kandidater med mörk materia, skulle den nya partikeln vara helt osynlig eftersom den inte skulle interagera med ljus.Det skulle emellertid interagera med normal materia och förklara några av anomalierna kring mörk materia.

En intressant egenskap hos den här nya partikeln är att dess växelverkan med normal materia endast är effektiv över långa sträckor eller i starka gravitationsfält. Således skulle den nya partikeln vara helt opåverkad av jorden.

Bateman tror att hans partikel skulle kunna resa genom jorden och atmosfären utan att stöta på andra partiklar eller vara detekterbar eftersom den har en så liten massa. Millioner Batemanpartiklar kan strömma genom dig just nu. Om partikeln är verklig, skulle det visa att mörk materia genomtränger rymden mycket mer än vad man tidigare trodde.

Denna ovannämnda partikel är emellertid så svagt samspelande att det är extremt svårt att designa ett experiment som skulle upptäcka det. Just nu är domen fortfarande ute på existensen av Batemanpartikeln. Till dess att det finns bättre experiment, kommer Bateman-partikeln helt enkelt att förbli en intressant möjlighet.

2 Planck Partiklar

Ett nyckelvärde i kvantmekanik, Compton våglängden är en egenskap av en partikel som är beroende av dess massa och visar sitt förhållande till att aktivera fotoner. Om Compton våglängden av en partikel är lika med sin Schwarzschild-radie, är den en Planckpartikel.

Schwarzschild-radien visar hur långt du kan komprimera ett objekt innan tyngdkraften överväger de andra fysiska krafterna i universum och skapar ett svart hål. Vid den storleken skulle flyghastigheten från objektets yta vara större än ljusets hastighet, vilket är det avgörande kännetecknet för ett svart hål. Således är Planckpartiklarna så kompakta att de har förvandlats till svarta hål.

Planckpartiklar har egenskaper som är lika med Planckkonstanterna för massa och storlek. En partikel av denna typ skulle väga så mycket som Planckmassan (10 gånger protonens massa) och vara extremt liten (10 gånger protonens diameter). Detta gör Planck-partikeln extremt tät.

Dessa konstiga partiklar är intressanta för fysiker. Först introducerades de bara i ekvationer som ett sätt att arbeta ut dimensionerna av resultatet. Nu är de intressanta eftersom de kan hålla nyckeln till att göra kvantmekanik och generell relativitet arbete tillsammans.

Kosmologer är också intresserade av Planckpartiklar eftersom de kan ha funnits i stor överflöd i det tidiga universum. Genom att inkludera Planck-partikeln i kosmologiska modeller har forskare kunnat fastställa att den tidiga sönderfallet av Planckpartiklar kan ha resulterat i de observerade egenskaperna hos partiklarna i vår era av universum.

1 negativ massa

De flesta människor är bekanta med tanken på en antipartikel, som har motsatt laddning av sin normala följeslagare. Till exempel har en elektron en -1 laddning och dess antipartikel, positronen, har en +1-laddning. Teoretiska fysiker har utökat denna idé till massa och postulerat en ny uppsättning partiklar som har motsatt massa av våra normala partiklar.

Detta är ett ganska konstigt koncept. Om du hade en massa på 1 kilo, skulle samma mängd negativt material vara -1 kilo. Antipartiklar har positiva massor men motsatta laddningar. Negativ materia är i en egen liga. Om det finns negativ materia skulle det hjälpa till att lösa några av de mest intressanta problemen i fysiken. Till exempel skulle det leda till att man förenar generell relativitet och kvantmekanik.

Fysiker undersöker negativ materia eftersom det skulle göra det möjligt för människor att upptäcka sätt att resa universum. Allmän relativitet säger att negativ materia skulle avvärja all annan sak, både negativ och positiv. Således, om negativ materia skulle kunna utnyttjas, skulle det göra det möjligt för människor att sträcka rymdtid och möjligen öppna maskhål genom vilka fartyg skulle kunna resa.

Forskare gör också negativ massforskning eftersom det kan hjälpa oss att förstå tidens pil och några av de mer förvirrande begreppen om svarta hål. Negativ materia kan också användas för att skapa en plasma som skulle absorbera tyngdkraftsvågor. Tyvärr är skapandet av negativ materia långt ifrån, men det är uppenbart att dessa nya subatomära partiklar kan revolutionera vetenskap och rymdresor.