Wacky Physics: Dlaczego Cząsteczki Mają Smaki?

{h1}

Fizycy zastanawiają się, dlaczego podstawowe cząstki mają różne smaki i mogą się między nimi przechodzić. Nowe eksperymenty na granicy intensywności mają nadzieję odpowiedzieć na te pytania.

W tej regularnej serii WordsSideKick.com bada niektóre z najdzikszych, najdziwniejszych części naszego wszechświata, od kwantowych osobliwości po ukryte wymiary.

Budulce materii - podstawowe cząstki - mają o wiele więcej smaków niż kilka podstawowych, z których składają się znane nam atomy.

Smak to nazwa, którą naukowcy nadają różnym wersjom tego samego rodzaju cząstek. Na przykład kwarki (które tworzą protony i neutrony w atomach) występują w sześciu smakach: góra, dół, góra, dół, dziwne i urok. Cząsteczki zwane leptonami, kategoria obejmująca elektrony, występują również w sześciu smakach, każdy o innej masie.

Ale fizycy są zaskoczeni, dlaczego w ogóle istnieją smaki i dlaczego każdy smak ma inne cechy.

„Jest to znane jako problem ze smakiem” - powiedziała JoAnne Hewett, fizyk teoretyczny z SLAC National Accelerator Laboratory w Menlo Park w Kalifornii. „Dlaczego jest tyle smaków? Dlaczego mamy sześć rodzajów kwarków i sześć rodzajów leptonów i dlaczego mają różne masy, które mają? Nie mamy pojęcia. ” [Grafika: Objaśnienie najmniejszych cząstek natury]

Zmieniający się smak

W dziwnym świecie fizyki cząstek różne smaki kwarków i leptonów różnią się ich indywidualnymi właściwościami, w tym masą, ładunkiem i spinem.

Na przykład wszystkie kwarki mają ten sam spin (1/2), a trzy z nich (góra, urok i góra) mają ładunek 2/3, podczas gdy pozostałe trzy (dół, dziwny i dół) mają ładunek minus 1/3. Każdy ma unikalną masę.

Jeszcze dziwniejsze jest to, że cząsteczki mogą zmieniać jeden smak na inny. Na przykład kwarki dolne mogą z łatwością przerodzić się w kwarki górne, a kwarki urokowe mogą przekształcić się w dziwne kwarki i tak dalej. Chociaż niektóre przejścia są bardziej powszechne niż inne, teoretycznie większość smaków twarogu może przejść do większości innych smaków.

„Nie wiemy, co kryje się w kwarku” - powiedział Michael Peskin, inny fizyk cząstek w SLAC. „Uważamy, że to podobieństwo lub odmienność wewnętrznej struktury sprawia, że ​​wykonanie tych przejść jest trudne lub łatwe”.

Oto podział Modelu Standardowego i drobnych cząstek, za które jest odpowiedzialny.

Oto podział Modelu Standardowego i drobnych cząstek, za które jest odpowiedzialny.

Źródło: Karl Tate, artysta Infographic WordsSideKick.com

I chociaż cząsteczki występują w wielu smakach, nasz wszechświat składa się z zaledwie kilku.

Elementy w układzie okresowym, takie jak węgiel, tlen i wodór, składają się z protonów, neutronów i elektronów. Z kolei protony i neutrony zawierają tylko kwarki w górę i w dół; u góry iu dołu nie można znaleźć uroku i dziwnych kwarków.

To samo dotyczy leptonów: chociaż elektronów jest mnóstwo, niektóre inne smaki, takie jak miony i taus, rzadko występują w naturze.

„Istniały we wczesnych częściach sekundy wszechświata, a następnie rozpadły się” - powiedział Hewett WordsSideKick.com, odnosząc się do rzadkich smaków cząstek. „Nie istnieją tak naprawdę w życiu codziennym”.

Inne tajemnice

Oprócz poszukiwania źródła smaku fizycy studiujący te tematy mają również nadzieję na poznanie powiązanych tajemnic, takich jak dziwny bliźniak materii, antymateria. Uważa się, że każda cząstka ma partnera antymaterii o tej samej masie, ale o przeciwnym ładunku.

Jednak fizycy uważają, że we wszechświecie powinno być o wiele więcej antymaterii, a fizyka smaku może pomóc wyjaśnić tę „utratę” antymaterii.

„We wszechświecie istnieje asymetria antymateria-materia, w tym sensie, że wszechświat jest zbudowany z materii i nie obserwuje się dzisiaj antymaterii, ale w Wielkim Wybuchu materia i antymateria zostały stworzone w równych ilościach” - powiedział Hewett. „Więc co się stało z całym antymaterią? Uważamy, że ma to związek z fizyką smaku”.

Kiedy cząstka i jej partner antymaterii spotykają się, niszczą się nawzajem, by stać się czystą energią. Uważa się, że większość cząstek materii i antymaterii utworzonych na początku wszechświata zniszczyła się nawzajem, pozostawiając niewielką ilość materii, która stała się gwiazdami i galaktykami, które widzimy dzisiaj.

Fizycy uważają, że różnice w sposobie rozpadu materii w porównaniu z antymaterią mogą wyjaśniać, dlaczego materia rozpadała się dłużej i dlatego przetrwała. Naukowcy zaobserwowali pewne asymetrie w szybkościach rozpadu materii i antymaterii, ale same one nie są wystarczające do wyjaśnienia wszechświata tak, jak go widzimy.

„Rozróżniasz te asymetrie, ale jest ona około miliarda razy mniejsza niż potrzebujesz” - powiedział Peskin. „Muszą być inne nowe równania, dla których nie widzieliśmy jeszcze dowodów, które przewidują także różne rodzaje asymetrii antymaterii”.

Naukowcy mają nadzieję, że badając dziwne właściwości smakowe cząstek, mogą pójść dalej w kierunku wyjaśnienia trwałości materii po Wielkim Wybuchu.

Granica intensywności

Nadzieja naukowców, aby dotrzeć do sedna smaku cząstek, może leżeć w szeregu nowych eksperymentów proponowanych w celu zajęcia się tak zwaną „granicą intensywności”.

W tych eksperymentach badacze chcą obserwować przejście cząstek z jednego smaku do drugiego, a nie tylko wspólne przejścia, takie jak kwark dolny w kwark górny, ale bardziej egzotyczne przełączniki, takie jak zmiana dolnego kwarku na urok twaróg.

Aby to zrobić, naukowcy muszą zwiększyć intensywność lub liczbę wytwarzanych cząstek w swoich akceleratorach cząstek.

„Szukamy rzadkich zjawisk, więc sposobem na ich zaobserwowanie jest zrobienie ich z wielu, wielu przykładów” - powiedział fizyk cząstek Robert Tschirhart z Fermi National Accelerator Laboratory w Batavii, Illinois. „Jeśli chcesz wygrać na loterii, musisz kupić wiele losów na loterię ”.

Tschirhart jest wiodącym naukowcem w Projekcie X, planie Fermilab dotyczącym budowy akceleratora cząstek o bardzo wysokiej intensywności, który szukałby rzadkich zmian smaku.

Zespół LHCb stoi przed eksperymentem, detektorem LHCb, w Wielkim Zderzaczu Hadronów w Genewie.

Zespół LHCb stoi przed eksperymentem, detektorem LHCb, w Wielkim Zderzaczu Hadronów w Genewie.

Źródło: CERN / Maximilien Brice, Rachel Barbier

„Wyprodukowalibyśmy bardzo wysoki strumień neutrin i bardzo wysoki strumień mezonów K, które są niestabilnymi cząsteczkami o dziwnych kwarkach, oraz bardzo wysoki strumień mionów, które są niestabilnymi cząsteczkami, cięższymi kuzynami normalnych elektronów”, Tschirhart powiedziany. „Byłby to największy projekt akceleracyjny w Stanach Zjednoczonych, byłby to akcelerator cząstek o największej intensywności dla fizyki cząstek”.

Inne przedsięwzięcia mające na celu budowę nowych obiektów dla fizyki smaku są prowadzone we Włoszech i Japonii.

Ponadto największy na świecie akcelerator cząstek, Wielki Zderzacz Hadronów w Szwajcarii, ma eksperyment o nazwie LHCb poświęcony poszukiwaniu pewnych rzadkich rozpadów cząstek zwanych mezonami b, które zawierają różne aromatyzowane kwarki.

Dodatkowe wymiary

Chociaż naukowcy są ogólnie zainteresowani tym, gdzie cząsteczki nabierają smaku, jedna teoria proponuje fascynujące i dziwne rozwiązanie.

Smaki cząstek mogą być symptomem dodatkowego, ukrytego wymiaru wszechświata poza trzema wymiarami przestrzeni i czasem, do którego jesteśmy przyzwyczajeni. Ta koncepcja, zwana wypaczonymi wymiarami, została zapoczątkowana przez fizyków Lisę Randall i Ramana Sundrum.

„Może te różne smaki są w zabawny sposób różnymi wymiarami przestrzeni i czasu” - powiedział Tschirhart. „Może jest tylko jeden smak kwarku i te różne smaki, które widzimy - dziwne, urok, góra, dół - to różne geometryczne cechy przestrzeni i czasu.”

Dla tych, którzy drapią się po głowie, Tschirhart przypomina nam, że sam Einstein pokazał, że masa jest ściśle związana z przestrzenią i czasem, kiedy opracował swoją ogólną teorię względności. Zgodnie z teorią grawitacja, która jest przyciągającą siłą masy, jest tak naprawdę krzywizną czasoprzestrzeni.

Widzimy sześć różnych kwarków mających sześć różnych mas, ale być może faktycznie mają tę samą masę, ale znajdują się w różnych miejscach w dodatkowym wymiarze, co powoduje, że wyglądają inaczej.

Chociaż teoria ta może zabrzmieć fantastycznie, zawiera ona pewne konkretne prognozy dotyczące tego, jak pewne cząsteczki rozkładają się i przechodzą między smakami. Naukowcy mają nadzieję, że nowe eksperymenty przesuwające granicę intensywności mogą być w stanie zmierzyć niektóre z tych rozpadów i ewentualnie zweryfikować lub unieważnić tę i inne teorie.

„Wydaje mi się, że eksperymenty, które mamy teraz przed sobą, mają największą szansę na uczynienie największych kroków w zakresie odpowiedzi na te pytania” - powiedział Hewett. „Eksperymenty na granicy intensywności właśnie osiągają poziomy intensywności, na których mają szansę na nie odpowiedzieć”.

Możesz śledzić starszą pisarkę WordsSideKick.com Clarę Moskowitz na Twitterze @ClaraMoskowitz. Aby uzyskać więcej informacji naukowych, śledź WordsSideKick.com na Twitterze @wordssidekick.


Suplement Wideo: How do we smell? - Rose Eveleth.




Badania


Kobieta, Która Poprosiła O Ciasto Mariah Carey, Zamiast Tego Dostała Marie Curie
Kobieta, Która Poprosiła O Ciasto Mariah Carey, Zamiast Tego Dostała Marie Curie

Jak Działają Chupacabras
Jak Działają Chupacabras

Science News


Jak Drukowanie 3D Może Budować Nową Kość
Jak Drukowanie 3D Może Budować Nową Kość

Najstarsze Neandertalskie Dna Znalezione We Włoskim Szkielecie
Najstarsze Neandertalskie Dna Znalezione We Włoskim Szkielecie

Tyć? Obwiniaj Recesję
Tyć? Obwiniaj Recesję

Mężczyzna Nie Je Nic Oprócz Ziemniaków Przez 2 Miesiące
Mężczyzna Nie Je Nic Oprócz Ziemniaków Przez 2 Miesiące

Jak Jeden Ekspert Tworzy Brodę Pszczół (Bardzo Ostrożnie!)
Jak Jeden Ekspert Tworzy Brodę Pszczół (Bardzo Ostrożnie!)


PL.WordsSideKick.com
Wszelkie Prawa Zastrzeżone!
Kopiowanie Jakichkolwiek Materiałów Pozostawiono Tylko Prostanovkoy Aktywny Link Do Strony PL.WordsSideKick.com

© 2005–2020 PL.WordsSideKick.com