Susunan zarah, daya dan medan yang memusingkan menentukan dasar subatomik untuk semua yang kita lihat.
Paul Sutter adalah ahli astrofizik di The Ohio State University dan ketua saintis di pusat sains COSI. Sutter juga menjadi tuan rumah "Ask a Spaceman" dan "Space Radio," dan mengetuai AstroTours di seluruh dunia. Sutter menyumbangkan artikel ini kepada Pakar Suara Space.com: Op-Ed & Wawasan.
Untuk mengunjungi tanah yang benar-benar aneh yang penuh dengan keajaiban dan misteri, anda tidak perlu menyelinap melalui kabinet ajaib, menunggang makhluk terbang yang seharusnya tidak dapat terbang atau melompat secara sembrono melalui portal ke dimensi lain. Tidak, yang harus anda lakukan hanyalah membuka pecutan zarah anda dan melihat ke bawah, bawah, bawah.
Pada tingkat subatomik, keragaman dan keindahan alam yang sebenarnya dipamerkan penuh, dengan sekumpulan zarah, daya dan medan yang memusingkan, yang mana semua itu menggerunkan dan berputar, diatur oleh undang-undang fizik yang hampir tidak dapat disekat. Namun, entah bagaimana, daripada membuat kekacauan, semua interaksi mereka yang rumit menghasilkan dunia makroskopik biasa, teratur dan bercorak yang kita kenal. [Quark dan Muons Aneh, Oh! Zarah Terkecil Alam Yang Terpisah (Infografik)]
Seseorang dapat memahami bahawa dunia kecil itu dipisahkan menjadi hierarki yang ketat, dengan garis yang jelas antara penguasa dan yang diperintah, antara mereka yang duduk dengan selesa di istana mereka yang stabil dan petani rendah yang benar-benar menyelesaikan pekerjaan. Interaksi antara pelbagai deniz diatur oleh peraturan yang tidak dapat diubah: Terdapat tempat untuk semua orang, dan setiap orang mempunyai tempat.
Mari, mari kita lawati.
Senang menjadi raja
Di tengah-tengah itu semua adalah zarah stabil yang paling besar: quark atas dan bawah. Umur panjang mereka membolehkan mereka mengikat menjadi benteng yang hampir tidak dapat ditembus: istana nukleon yang dikenali sebagai proton dan neutron. Tetapi bukan quark sendiri yang melakukan kerja-kerja menjaga citadel nukleonik ini. Sesungguhnya, jisim gabungan semua quark dalam nukleon jauh lebih kecil daripada jisim proton atau neutron.
Sebagai gantinya, quark atas dan bawah disemai dengan kemampuan khas yang tidak diketahui oleh zarah-zarah lain di alam ini. Mereka dapat merasakan kekuatan nuklear yang kuat. Sejauh ini adalah kekuatan yang paling kuat, menyatukan kuark dengan sangat kuat sehingga satu pun tidak dapat dilihat secara terpisah. Interaksi itu membentuk tulang belakang yang tidak dapat dilihat dari dunia makroskopik kita. Kami menganggap proton dan neutron begitu sahaja - dengan begitu kukuh mereka membina tembok istana mereka. Dan massa mereka kebanyakannya disebabkan oleh kekuatan ikatan nuklear dalaman mereka, dan bukannya quark individu.
Kekuatan nuklear yang kuat tidak berhenti pada tahap proton dan neutron. Lem yang mengikat quark, memberikan mereka penguasaan atas semua zarah lain, sangat dominan sehingga dapat mengumpulkan beberapa istana ini menjadi benteng kuat yang dikenali sebagai inti atom. Walaupun struktur ini tidak dapat ditembus seperti proton dan neutron itu sendiri, menjatuhkan inti masih memerlukan usaha yang besar.
Namun, untuk semua kekuatan mereka yang dominan, jangkauan cengkeraman seperti kuark hanya terbatas pada istana dan sekitarnya. Itu kerana kekuatan yang kuat, untuk semua kekuatannya, sangat terhad dalam jangkauan. Inilah yang menentukan ukuran kubu, istana dan kubu yang kita kenal pasti sebagai inti dunia kita. [7 Fakta Pelik Tentang Quark]
Mengusahakan ladang
Di luar jangkauan terhad itu, quark menjaga domain mereka tetap dalam pengawasan dan berkomunikasi antara satu sama lain melalui utusan kerajaan - foton. Para utusan berkaki cepat itu melompat dari satu tempat ke tempat di alam semesta, tidak pernah lelah, membawa daya elektromagnetik - elektrik, magnet dan bahkan cahaya itu sendiri - ke mana-mana zarah yang mempunyai muatan elektrik. Pengaruh ini membentang di seluruh kosmos, walaupun tentu saja, semakin jauh anda dari sumbernya, semakin lemah kesannya.
Pengikatan elektromagnetik ini menjadikan bawahan dunia subatomik tetap sejajar, dan sementara quark menghabiskan hari-hari mereka dengan santai dalam keselesaan relatif dari kastil aman dan terpencil mereka, "petani" - elektron yang tertindas - melakukan semua pekerjaan untuk membuat variasi yang kaya kemungkinan tindak balas kimia. Betul - elektron miskin yang tidak dapat digunakan untuk menjadi tuan kuark mereka. Terikat dengan inti oleh elektromagnetisme - tetapi biasanya dicegah masuk ke dalam peraturan mekanik kuantum - elektron ditukar antara atom, memberi kita kimia yang memungkinkan hampir semua perkara mengenai kehidupan seharian kita.
Quark yang berkuasa dengan senang hati akan berdagang, mencuri dan meminjam elektron yang rendah hati dari domain jiran, membentuk pergerakan mereka dengan dorongan kuat dari foton - tanpa mempedulikan harapan, impian atau cita-cita masing-masing (mengalir secara bebas melalui alam semesta, berputar di sekitar magnet ladang dan sebagainya).
Mengintai bayang-bayang
Tetapi tidak semua zarah di alam semesta dipegang di bawah ibu jari kuarkotik. Sebahagiannya dapat mengalir dengan bebas ke seluruh alam semesta, tidak merasakan kekuatan yang kuat dan dengan aman mengabaikan cahaya suram dari foton yang melintas: neutrino. Zarah-zarah hantu ini dapat menyembunyikan diri dalam pandangan yang jelas, begitu berkobar-kobar sehingga selama beberapa dekad kami menyangka mereka sama sekali tidak besar.
Neutrinos terdapat dalam tiga jenis, iaitu elektron-neutrino, muon-neutrino dan tau-neutrino, tetapi mereka tersembunyi sehingga anda tidak pasti mana yang anda lihat. Semasa mereka melakukan perjalanan, mereka dapat mengelilingi topeng yang mereka pakai, menukar identiti mereka dengan mudahnya mata-mata berpengalaman. Topeng mereka menentukan bagaimana mereka (kadang-kadang) berinteraksi dengan zarah-zarah lain di alam semesta: Elektron-neutrino hanya akan mengambil bahagian dalam tindak balas yang melibatkan elektron, misalnya.
Tetapi kerana sifat nakal neutrino, proses yang menghasilkan rasa tertentu dari zarah ini tidak selalu dapat dijalankan secara terbalik untuk menangkap varietas semula - ia bertukar identiti.
Namun, di sebalik semua muslihat dan kecerdasan mereka, neutrino tidak kebal terhadap pengaruh dari domain quark. Tetapi untuk kesan seperti itu berlaku, kekuatan khas diperlukan. Zarah pakar yang disebut bos W dan Z, pembawa kekuatan nuklear yang lemah, adalah satu-satunya yang dapat berkomunikasi dengan neutrino jahat. Dalam beberapa kes, boson berjaya mengubah neutrino menjadi makhluk yang lebih patuh, seperti elektron.
Walaupun begitu, ini adalah peluang bertuah: Selalunya, neutrino yang licik akan bebas dari scot.
Tetapi keahlian boson W dan Z, pejuang black-ops rahsia dunia zarah, meluas lebih jauh daripada sekadar pertemuan neutrino yang jarang terjadi. Mereka juga mempunyai akses hampir eksklusif ke tempat perlindungan kubu nukleon dan dapat mengubah satu jenis quark menjadi yang lain. Sekiranya neutron melepaskan diri dari keselamatan inti atom, boson khas ini dapat mengubah zarah itu menjadi proton yang lebih stabil.
Di Luar Alam
Sudah tentu, ini tidak memberikan gambaran lengkap mengenai dunia subatomik. Keseluruhan Model Piawai, potret kita tentang makhluk kecil itu dan semua interaksi orang sibuknya jauh lebih besar dan lebih kompleks daripada yang dapat terkandung dalam beberapa perenggan. Dan walaupun Model Piawai adalah kejayaan fizik moden, disatukan dengan susah payah selama beberapa dekad, dengan ramalan yang tepat dan eksperimen yang tepat, ia juga merupakan gambaran dunia kita yang tidak lengkap.
Pertama, ia tidak termasuk graviti, yang sekarang paling tepat digambarkan oleh teori relativiti umum yang tidak lengkap. Terdapat juga persoalan kosmologi yang berlanjutan mengenai sifat bahan gelap dan tenaga gelap, yang diam-diam diamalkan oleh Model Standard tradisional (kerana fenomena tersebut baru sahaja ditemui). Terdapat banyak lagi: jisim neutrino, hierarki kekuatan dan sebagainya.
Tetapi sementara masih belum lengkap, dan mungkin sedikit tidak memuaskan dalam pendekatan pita pengunyah permen karet dan saluran untuk memodelkan dunia fizikal, Model Piawai sangat berguna. Ia dapat meramalkan dengan ketepatan yang mengejutkan pergerakan dan gerakan orang-orang yang berada di bawah subatomik dan semua rancangan jahat mereka.
Ketahui lebih lanjut dengan mendengar episod "Who Lives in the Particle Zoo?" di podcast "Ask a Spaceman", tersedia di iTunes dan di web di http://www.askaspaceman.com. Terima kasih kepada Alessandro M., Roger, Martin N., Daniel C. dan @PoZokhr untuk soalan yang membawa kepada karya ini! Tanyakan soalan anda sendiri di Twitter menggunakan #AskASpaceman atau dengan mengikuti Paul @PaulMattSutter dan facebook.com/PaulMattSutter.
