10 teoretiska partiklar som kan förklara allt

I åldrar har mänskligheten grävt in i mysterierna kring universums exakta sammansättning. Forntida greker var de första som ansåg förekomsten av atomer, som de trodde vara de minsta partiklarna i universum - "byggstenarna" av allting. För ungefär 1500 år var det mest vi visste om materia. Därefter lämnade elektronikens upptäckt 1897 den vetenskapliga världen i en shambles. Precis som molekyler gjordes av atomer, tycktes atomerna ha sina egna ingredienser.

Och ju djupare vi såg, desto mer verkade svaren svika genom fingertopparna, alltid utanför räckhåll. Även protoner och neutroner - atonernas byggstenar - är gjorda av ständigt mindre bitar som kallas kvarker. Varje upptäckt verkar bara ge upphov till fler frågor. Är tid och rymd bara buntar och kluster av små laddade smulor för små att ens se? Kanske - men då igen, kunde dessa tio teoretiska partiklar förklara allting. Om vi ​​faktiskt kunde hitta dem:

10

Strangelets

Låt oss börja med något som är närmast vad vi redan vet kvarkar. Det finns mer än en typ kvark: sex, för att vara exakt. "Upp" och "ner" kvarkar är de vanligaste typerna, och det här bygger på protoner och neutroner av atomer. "Strange" kvarkar å andra sidan är inte så vanliga. När konstiga kvarker kombineras med upp och ner kvarker i lika antal skapar de en partikel som kallas en strangelet, och stränger är de spridda fragmenten som bygger på konstig materia.

Nu, enligt den märkliga materiehypotesen, skapas stränger i naturen när en massiv neutronstjärna - en högmassad kollapsad stjärna - bygger så mycket tryck att elektronerna och protonerna i kärnan smälter samman och sedan kollapsar vidare i en slags tät kvarkbubbla, som vi kallar konstig materia. Och eftersom stora strängar kan teoretiskt existera utanför dessa högtrycksmiljöer, är det troligt att de har floatat bort från dessa stjärnor och till andra solsystem, inklusive våra egna.

Och det är här det blir galet: om dessa saker existerade skulle en stor strangelet kunna omvandla en atoms kärna till en annan strangelet genom att kollidera med den. Den nya strängen kan då kollidera med fler kärnor och omvandla dem till fler stränger i en kedjereaktion tills allt materiellt på jorden hade omvandlats till konstig materia. Faktum var att Large Hadron Collider-anläggningen skulle lägga fram ett pressmeddelande där de ansåg att de osannolikt inte skulle skapa stränger som kunde förstöra planeten. Det är så allvarligt det vetenskapliga samfundet tar upp frågan om stränger.

9

Sparticles

Teorin om supersymmetri säger att varje partikel i universum har en motsatt tvillingpartikel, känd som en supersymmetrisk partikel eller spartikel. Så för varje kvark där ute finns en syster-en squark-som delar perfekt symmetri med den. För varje foton är det en fotino. Och så vidare för alla sextio-ena kända elementära partiklar. Så om det finns så många av dem, varför har vi inte upptäckt det några av dessa spartiklar än?

Här är teorin: i partikelfysiken försvinner tyngre partiklar snabbare än lättare partiklar. Om en partikel blir tung nog, bryter den ner nästan omedelbart när den är skapad. Så om man antar att spartiklarna är otroligt tunga, skulle de bryta ner i ögonkastet, medan deras superpartner - de partiklar vi kan se och observera - fortsätt. Detta kan också förklara varför det finns så mycket materia i universum men ändå dyrbar liten mörk materia, eftersom spartiklarna kan innefatta mörk materia och existera i ett fält som är så långt obestridligt.

8

antipartiklar

Materia är gjord av partiklar - och på liknande sätt är antimateriel gjord av antipartiklar. Det här är vettigt, eller hur? Antipartiklar har samma massa som normala partiklar, men en motsatt laddning och en motsatt vinkelmoment (spin). Det låter som supersymmetri-teorin, men i motsats till partiklar uppträder antipartiklar som partiklar, till och med byggande i anti-element, som antihydrogen. I grund och botten har all materia motsvarande antimateria.

Eller åtminstone bör det. Det är problemet - det finns massor av materia runt, men antimatris syns inte riktigt någonstans. (Förutom den stora Hadron Collider-fullständig avslöjning, har antipartiklar hittats och är inte längre teoretiska).

Under Big Bang borde det ha varit lika många partiklar och antipartiklar. Tanken är att all materia i universum skapades vid den tiden. Så som standard måste all antimateria skapas samtidigt. En teori är att det finns andra delar av universum som domineras av antimateriel. Allt vi kan se, även de mest avlägsna stjärnorna, är mestadels sak. Men vårt synliga universum kunde bara vara ett litet avsnitt av universum, medan antimaterier planerar och soler och galaxer svärmar i en annan sfär av universum, som motsatta laddade elektroner och protoner som roterar runt varandra i en atom.

7

gravitons

Just nu är antipartiklar ett stort problem i nuvarande partikelfysiksteorier. Oroa dig för att höra om ett annat problem? Allvar. Jämfört med andra krafter, som elektromagnetism, är tyngdkraften svagare än nysa dig igenom en knytnäve. Det verkar också förändra sin natur baserat på massan av ett objekt - tyngdkraften är lätt att observera i planeter och stjärnor, men få ner det till molekylär nivå och det verkar göra vad som helst. Och i tillägg till allt det har det inte ens en partikel att bära den, som foton som bär ljus.

Det är där graviton kommer in. Graviton är den teoretiska partikeln som skulle-sortera-låta gravitation passa i samma modell som alla andra observerbara kraftar.Eftersom gravitationen utövar ett svagt drag på varje objekt, oavsett avstånd, måste det vara masslöst. Men det är inte problemet - foton är masslösa och de har hittats. Vi har gått så långt som att definiera de exakta parametrar som en graviton skulle behöva passa in i, och så fort vi hittar en partikel-vilken partikel som matchar parametrarna, kommer vi att få en graviton.

Att hitta det skulle vara viktigt, eftersom generell relativitet och kvantfysik från och med nu är inkompatibla. Men vid en viss exakt energinivån, känd som Planckskalan, slutar tyngdkraften följa relativitetsreglerna och glider in i kvantregler. Så att lösa tyngdproblemet kan vara nyckeln till en enhetlig teori.

6

Graviphotons

Det finns en annan teoretisk gravitationspartikel, och det är helt vackert. Graviphoton är en partikel som skulle skapas när gravitationsfältet är upphetsat i en femte dimension. Det kommer från Kaluza Klein-teorin, som föreslår att elektromagnetism och gravitation kan förenas till en enda kraft under förutsättning att det finns mer än fyra dimensioner i rymdtid. En graviphoton skulle ha karakteren av en graviton, men den skulle också bära egenskaperna hos en foton och skapa vilka fysiker som kallar en "femte kraft" (det finns för närvarande fyra grundläggande krafter).

Andra teorier säger att en graviphoton skulle vara en superpartner (som en spartikel) av gravitons, men att den faktiskt skulle locka och avvisa samtidigt. Genom att göra det kan gravitons teoretiskt skapa anti-gravitation. Och det är bara i femte dimensionen - teorin om supergravitet ställer också existensen av graviphotons, men tillåter elva dimensioner.

5

Preons

Vad är kvarkar av? Låt oss först få en bild av skalan. Kärnan i en guldatom har nittio nio protoner. Varje proton är gjord av tre kvarker. Nu är bredden på den guldatomens kärna omkring åtta femtometrar över. Det är åtta miljoner av en nanometer, och en nanometer är redan en miljardtedel av en meter. Så låt oss bara hålla med om att kvarkar är små och inser att preons-sub-kvarkpartiklar - måste vara så oändligt små att det inte finns någon skala just nu som kan mäta deras storlek.

Det finns andra ord som används för att beskriva de teoretiska byggstenarna av kvarkar, inklusive primoner, subquarks, quinks och tweedles, men "preon" är i allmänhet den mest accepterade. Och preons är viktiga eftersom just nu kvarkar är en grundläggande partikel - de är så låga som du kan gå. Om de befanns vara sammansatta eller gjorda av andra delar kunde den öppna dörren till tusentals nya teorier. Till exempel säger en teori just nu att universumets elusiva antimatter faktiskt finns i preons, och därför har allt antimatris bitar inuti det. Enligt denna teori är du själv antimateriell själv, du kan bara inte se den eftersom materiaen byggs in i större block.

4

Tachyons

Ingenting kommer närmare att bryta mot relativitetens kända lagar än en tachyon. Det är en partikel som rör sig snabbare än ljuset, och om det existerade skulle det föreslå att lampspärren är ... väl, inte längre en barriär. Faktum är att det skulle innebära att den hastighet vi känner till eftersom ljusets hastighet skulle vara mittpunkten, precis som normala partiklar kan flytta oändligt långsamt (inte alls rörande), skulle en tachyon som befinner sig på andra sidan barriären vara kunna flytta oändligt snabbt.

Bizarre skulle deras förhållande till ljusets hastighet speglas. För att uttrycka det enkelt, när en normal partikel ökar, ökar energibehovet. Att faktiskt bryta sig genom lightspeedbarriären, skulle dess energibehov stiga till oändligheten - det skulle behöva oändlig energi. För en tachyon, desto långsammare går det desto mer energi behöver den. Eftersom det saktar sig och närmar sig ljusets hastighet från andra sidan blir dess energibehov oändligt. Men när det går fort, minskar energikraven, tills det inte behöver någon energi alls att flytta i oändlig hastighet.

Tänk på det som en magnet - du har en magnet tapad mot en vägg och en annan i din hand. När du trycker din magnet mot väggen med polerna inriktade, är din magnet avstängd. Ju närmare du sätter det, desto hårdare måste du trycka. Tänk nu på den andra sidan av väggen är en annan magnet, gör samma sak. Väggmagneten är ljusets hastighet och de två magneterna är tachyoner och normala partiklar. Så även om tachyoner existerade skulle de för alltid fångas på den motsatta sidan av ett hinder som vi själva inte kan passera. Även om vi har glömt att nämna att de tekniskt kunde utnyttjas för att skicka meddelanden till det förflutna.

3

strängar

Nästan alla partiklar som vi har talat om hittills kallas punktpartiklar; kvarks och fotoner existerar som en enda punkt - en liten liten punkt, om du vill - med nolldimensioner. Strängteori föreslår att dessa elementära partiklar inte faktiskt pekar alls - de är strängar, endimensionella partikelsträngar. I grunden är strängteori en Theory of Everything som lyckas sameksistera med både gravitation och kvantfysik (baserat på vad vi vet just nu, dessa två kan inte fysiskt existera i samma utrymme - tyngdkraften fungerar inte vid kvanten nivå).

Så i bred mening är strängteori faktiskt en kvantteori om tyngdkraften. Och för jämförelse skulle strängar ersätta preons som byggstenar av kvarkar, medan på högre nivåer allting förblir detsamma. Och i strängteori kan strängen omvandlas till allt baserat på hur det formas. Om strängen är en öppen sträng blir den en foton. Om ändarna av samma sträng ansluter och bildar en slinga blir det en graviton-på ungefär samma sätt som samma trä kan bli antingen ett hus eller en flöjt.

Det finns faktiskt flera strängteorier, och intressant pratar var och en ett annat antal dimensioner. De flesta av dessa teorier säger att det finns tio eller elva dimensioner, medan Bosonic strängteori (eller superstringsteori) kräver minst tjugosex. I dessa andra dimensioner skulle gravitation ha en lika stor eller större styrka än andra grundläggande krafter och förklara varför det är så svagt i våra tre rumsliga dimensioner.

2

bran

Om du verkligen vill ha en förklaring av gravitation, måste du titta på M-teori eller Membranteori. Membraner, eller braner, är partiklar som kan omfatta flera dimensioner. Till exempel är en 0-bran en punktliknande bran som existerar i nolldimensioner, som en kvark. En 1-bran har en dimension-en sträng. En 2-bran är ett tvådimensionellt membran och så vidare. Högdimensionella braner kan ha någon stor ledning till teorin om att vårt universum verkligen är en stor brane med fyra dimensioner. Den branen - vårt universum - är bara en del av mångdimensionell rymd.

Och för gravitation kan vårt fyrdimensionella bran inte helt enkelt innehålla det, så gravitationens energi läcker in i andra braner när det passerar dem i det mångdimensionella rummet. vi har bara dribblingarna av vad som är kvar, vilket är anledningen till att det verkar så svagt jämfört med andra styrkor.

Extrapolerar det, det är vettigt att det finns många braner som rör sig genom dessa rymd-oändliga braner i ett oändligt utrymme. Och därifrån har vi multiverse- och cykliska universums teorier. Den senare säger att universum cyklar sig själv: det expanderar från Big Bangs energi, då gravitationen drar allt tillbaka i samma utrymme för Big Crunch. Den komprimeringsenergin sätter av en annan stor bang, studsar universum i en annan cykel, som en cell som blossar in i livet och sedan dör.

1

Gudpartikel

Higgs bosonen, mer allmänt känd som gudpartikeln, hittades preliminärt den 14 mars 2013 i Large Hadron Collider (9). Som en liten bakgrund var Higgs boson först hypotesen på 1960-talet som partikeln som ger massa till andra partiklar.

I grund och botten produceras gudpartikeln i Higgs-fältet och föreslogs som ett sätt att förklara varför vissa partiklar som borde ha haft massa var faktiskt masslösa. Higgs-fältet - som aldrig hade observerats - skulle behöva existera i hela universum och ge den kraft som krävs för att partiklar ska förvärva sin massa. Och om det var sant, skulle det fylla stora luckor i standardmodellen, som är den grundläggande förklaringen av bokstavligen allting (förutom, som alltid, gravitationen).

Higgs bosonen är vital eftersom det visar att Higgs-fältet finns och förklarar hur energi inom Higgs-fältet kan manifestera sig som massa. Men det är också viktigt eftersom det ställer ett prejudikat; innan det upptäcktes var Higgs boson bara en teori. Det hade matematiska modeller, fysiska parametrar som skulle tillåta att det existerar, hur det ska snurra allt. Vi hade bara inga bevis på dess existens alls. Men baserat på dessa modeller och teorier kunde vi bestämma en specifik partikel - det minsta i det kända universum - som matchade allt vi hade hypoteser.

Om vi ​​kan göra det en gång, vem ska säga att några av dessa partiklar inte kunde vara riktiga? Tachyons, strangelets, gravitons-partiklar som skulle flytta allt vi vet om livet och universum och bringa oss närmare att förstå grundläggande världar i världen vi lever i.

Andrew Handley

Andrew är frilansskribent och ägare till den sexiga, sexiga HandleyNation Content Service. När han inte skriver skriver han oftast vandring eller bergsklättring, eller bara njuter av den fräscha North Carolina-luften.