science >> Wetenschap >  >> Fysica

5 Verbijsterende subatomaire deeltjes

de raadsel, de Joker, Catwoman en de Penguin spelen het in de film 'Batman' uit 1966. Bekijk meer Batman-foto's. Zilveren schermcollectie/bijdrager/Getty Images

Batman en deeltjesfysici hebben veel gemeen.

Zeker wel, ze kunnen verschillen op het gebied van enterhaken en zwart, vinyl kabeljauwstukken, maar de caped crusader en CERN (de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek) grijpen allebei naar de nieuwste hightech-gadgets en kampen met een uitzonderlijk bizarre schurkengalerij.

Terwijl Batman vecht met anarchistische clowns en gemuteerde ecoterroristen, Wetenschappers van CERN proberen zulke opmerkelijke tegenstanders als de Higgs-deeltje .

Je herinnert je de Higgs. Dit theoretische (op het moment van schrijven) deeltje staat centraal in het standaardmodel van de natuurkunde. Het standaardmodel stelt voor dat elektriciteit, magnetisme, licht en sommige soorten radioactiviteit zijn allemaal manifestaties van iets dat de elektrozwakke kracht . En de elektrozwakke kracht verenigt de elektromagnetische en zwakke krachten, twee van de vier fundamentele natuurkrachten, samen met de sterke kracht en zwaartekracht. Nog steeds bij me? Mooi zo.

Echter, het model werkt alleen als de deeltjes om ons heen in de periode direct na de oerknal geen massa hadden. theoretisch, het Higgs-deeltje zendt de . uit Higgs-veld , een kosmos-breed energieveld dat alles van massa voorziet -- dus als het standaardmodel geldig is, dan moeten de Higgs bestaan. We moeten het alleen eerst pakken.

Met andere woorden, iemand heeft de bank beroofd en, Oh kijk, het moet de Joker zijn, want - ooit de letterlijke - liet hij een visitekaartje achter met zijn gezicht erop. In de tussentijd, het zogenaamde "goddeeltje" leeft een kort bestaan ​​in de nasleep van een versnelde deeltjesbotsing - en laat dan een subatomair vervalsignatuur achter.

De Joker is misschien wel de beroemdste vijand van Batman, maar hij is niet de vreemdste. Hetzelfde kan gezegd worden van het Higgs-deeltje, dus laten we de andere subatomaire superschurken leren kennen.

Inhoud
  1. Het Graviton Enigma
  2. De wilde wereld van tachyons
  3. Majorana Fermion, de duivel met twee gezichten
  4. Axions, Handlangers en zwarte gaten
  5. Kameleondeeltjes

5:Het Graviton-enigma

Iets van een E. Nigma, dat raadsel. Zilveren schermcollectie/bijdrager/Getty Images

Raad me dit aan, Batman:Hoe werkt zwaartekracht?

Kijk, het is niet een onderwerp dat Batman graag bespreekt. Volgens natuurkundigen van de Universiteit van Leicester, zwaartekracht zou de merkwaardige gewoonte hebben om Batman naar zijn dood te trekken elke keer dat de gekostumeerde burgerwacht probeerde die fysiek onpraktische cape te gebruiken. Dus hij heeft de neiging om het hele zwaartekracht-raadsel met rust te laten en in plaats daarvan achter Edward Nigma aan te jagen.

Voor natuurkundigen, echter, de vraag heeft veel meer - ja - gewicht. Zeker wel, we hebben een behoorlijk hands-on begrip van de effecten van de zwaartekracht. We weten hoe de kracht ervan invloed heeft op de hemelmechanica en de vorming van kosmische lichamen. Toch hebben we nog steeds geen duidelijk antwoord op het raadsel van de zwaartekracht.

Een mogelijk antwoord leidt ons rechtstreeks naar een ander verbijsterend deeltje in de subatomaire schurkengalerij:de zwaartekracht . Als het echt bestaat, dit hypothetische deeltje brengt de zwaartekracht over, waardoor objecten elkaar aantrekken. O ja, en het bestaan ​​ervan zou ons ook in staat stellen om de algemene relativiteitstheorie te verenigen met de kwantummechanica. Zwaartekracht, zie je, fungeert vaak als een aapsleutel in verschillende allesomvattende theorieën.

Dus ja, het graviton is nogal belangrijk -- tenzij het niet bestaat.

4:De wilde wereld van tachyons

Julie Nieuwmar, de typische Catwoman Silver Screen Collection/Hulton Archive/Getty Images

Snel. Sexy. Moeilijk te vangen.

Batman heeft zijn Catwoman, en deeltjesfysici hebben te kampen met het ongrijpbare -- en mogelijk foutieve -- bestaan ​​van tachyonen . De ene is een sexy inbreker gekleed in leer, en de andere is een subatomair deeltje dat sneller reist dan de lichtsnelheid.

Ik weet wat je je afvraagt:hoe kan een tachyon sneller reizen dan de lichtsnelheid als de lichtsnelheid inderdaad de "universele snelheidslimiet" is? Dat is hetzelfde als zeggen "geen eenden kunnen een broek dragen, " en dan draait de camera naar een wilde eend die friggin' corduroys draagt. We hebben niet voor niets universele wetten, mensen.

Het wordt nog erger:als de principes van de speciale relativiteitstheorie gelden, tachyons breken niet alleen de universele snelheidslimiet, ze schenden ook de causaliteit zelf. In dit universum tenminste, oorzaak gaat altijd voor gevolg. Zonder dat die wet van kracht is, het weefsel van het universum ontrafelt.

Als tachyonen bestaan, het is waarschijnlijk te wijten aan deze maas in de wet:terwijl relativiteit voorkomt dat materie versnelt tot de snelheid van het licht (omdat dit oneindige energie zou vereisen), het is niet van toepassing op deeltjes die altijd sneller reizen dan het licht. Voor tachyonen, de minimale snelheid is de lichtsnelheid, en het zou oneindige energie nodig hebben om ze te vertragen tot subluminale snelheden.

Tachyons:Het zijn totale snelheidsduivels, en ze zouden gewoon echt kunnen bestaan.

3:Majorana Fermion, de duivel met twee gezichten

Two-Face en Riddler, feest voor drie Getty Images

Kan iets zijn eigen tegendeel zijn?

Ja, Batman weet hier het een en ander over.

Je herinnert je het verhaal:heroïsche advocaat Harvey Dent loopt vreselijke brandwonden op op 50 procent van zijn lichaam, en zijn geest breekt. Een slechte, criminele persona komt naar de oppervlakte, en hij wordt Two-Face, de door munten geobsedeerde maniak met een belachelijke smaak in half-om-half kleding.

Deeltjesfysici hebben ook een paradoxaal tweegezicht in hun schurkengalerij:de Majorana fermion , een deeltje dat als zijn eigen antideeltje fungeert.

Laten we opfrissen. Volgens het standaardmodel deeltjes en quasideeltjes vallen in twee categorieën:fermionen en bosonen. Het fermionkamp omvat quarks en leptonen zoals elektronen, onder andere. We noemen deze Dirac-fermionen . Hier zou je negatief geladen elektronen vinden die kwadrateren met antideeltjes-tegenhangers genaamd positronen , die een positieve lading inpakken. Wanneer deze deeltjes met elkaar in contact komen, ze vernietigen elkaar.

Dat is precies het soort dualiteit dat Two-face zou waarderen. De munt heeft twee kanten, en het is of het een of het ander, kop of munt. Geef hem een ​​tweekoppige munt of zoiets en het drijft hem de muur op.

Het bosonkamp omvat de fotonen waaruit licht bestaat; deze briljante deeltjes zijn hun eigen antideeltjes, het produceren van een volledig neutrale lading. Werkelijk, je verwacht dit soort dingen van een boson.

Maar is zoiets mogelijk in het fermionkamp? In de jaren dertig, natuurkundigen voorspelden dat het zo was, maar niemand heeft ooit een zogenaamde Majorana fermion . In 2012, een team van Nederlandse deeltjesfysici ontdekte deze kleine twee gezichten indirect in een laboratoriumexperiment, maar dit is geen officiële bevestiging dat ze bestaan.

Zodra we het experimentele bewijs hebben gevonden, echter, spannende dingen kunnen gebeuren. Majorana-fermionen zouden bogen op een uniek vermogen om eerdere posities met betrekking tot elkaar te 'herinneren', waardoor ze zeer nuttig zijn op het gebied van kwantumcomputers. Eén theorie stelt zelfs dat alle donkere materie in het universum eigenlijk bestaat uit Majorana-fermionen.

Donkere materie computers. Denk daar maar even over na.

2:Axions, Handlangers en zwarte gaten

Wat een geweldig stel! Michael Li/Creative Commons

Batman heeft de neiging om een ​​nogal tumultueuze tijd te hebben met de dames. Als hij de dodelijke kusjes van Poison Ivy niet ontwijkt, dan is het een soort drama met Catwoman. Kijk, ofwel met haar trouwen of haar al in de gevangenis gooien.

En dan is er Harley Quinn, de moorddadige zij-clown met een onsterfelijke (en ongezonde) liefde voor Batmans aartsvijand de Joker. Zeker wel, veel superschurken hebben hun aanhangers en handlangers, maar ze onderscheidt zich als een echte sidekick.

In de subatomaire wereld, natuurkundigen blijven uitkijken naar een hypothetisch deeltje dat bekend staat als an axion . Het axion is van bijzonder belang omdat het bestaan ​​ervan een grote leemte in het standaardmodel van de deeltjesfysica zou opvullen. Het is ook mogelijk donkere materie onderdeel.

Maar laten we teruggaan naar de Batman-vergelijkingen. Als axions Harley Quinn zijn, wie is dan de Joker? Waarom niemand minder dan zwarte gaten. Klopt, wetenschappers theoretiseren dat terwijl zwarte gaten alles opzuigen, van fotonen tot sterren, axions zijn immuun voor hun vernietigende kracht. In plaats van te vervallen in de verpletterende singulariteit, axions zouden om de ingestorte ster draaien in een enorme bosonwolk.

Nog gekker, deze wolk wordt uiteindelijk behoorlijk massief, ondanks de extreem lage massa van zijn axions. Mocht de wolk uiteindelijk instorten in het zwarte gat, het resultaat bosenova zou het weefsel van de ruimte-tijd doen schommelen [bron:O'Neill]. Over een onevenwichtige relatie gesproken.

1:Kameleondeeltjes

Clayface:acteur, gedaanteverwisselaar en crimineel Tim Deering/Creative Commons

Zelfs met alle gekke kostuums, het is moeilijk om de activiteit van superschurken in Gotham City bij te houden - vooral als je een gedaanteveranderaar als Clayface hebt die rondrent. Hij kan de vorm aannemen van iedereen:een bankbediende, Bruce Wayne, noem maar op. Hij past zijn fysieke verschijning aan aan zijn omgeving, waardoor hij een nogal sluwe tegenstander is.

Deeltjesfysici hebben hun eigen Clayface in de vorm van kameleon deeltjes . Tot dusver, we kunnen alleen maar speculeren over deze eigenaardige bosonen die al dan niet de expansie van het universum aandrijven. Wetenschappers voorspelden voor het eerst hun bestaan ​​in 2003 als een mogelijke verklaring voor al die mysterieuze donkere energie die 70 procent van ons universum uitmaakt [bron:Johnston]. Zoals criminele vormveranderaars, de kameleondeeltjes passen hun eigenschappen aan hun lokale omgeving aan. Bijvoorbeeld, als een kameleondeeltje hier op aarde rondhangt, waar de materiedichtheid hoog is, het zou een hoge massa vertonen, te, maar de materie-interacties zouden erg zwak en van korte duur zijn.

Maar dat is hier op aarde. In de leegte van de ruimte, kameleondeeltjes zouden een lage massa vertonen en sterk reageren met materie over grote afstanden. In theorie, deze speculatieve deeltjes zouden het universum uit elkaar kunnen duwen in wat we noemen kosmische inflatie .

Niet verrassend, kameleondeeltjes zouden hier op aarde nogal moeilijk te detecteren zijn. We zouden diep moeten gaan, lege ruimte om hun aanwezigheid te registreren.

Nog altijd, natuurkundigen hebben een aantal hoogtechnologische detectieschema's in petto, en de zoektocht gaat verder naar de ongrijpbare kameleon.

En dus keert de Dark Knight weer terug naar zijn ondergrondse Vleermuisgrot en verdwijnen ook natuurkundigen, om hun ondergrondse deeltjesversneller te beheren.

Veel meer informatie

Notitie van de auteur:5 verbijsterende subatomaire deeltjes

Zoals ik heb uitgelegd in de aflevering Stuff to Blow Your Mind "Er was eens een boson genaamd Higgs, " Ik heb de neiging om deeltjesfysica te zien als een met chocolade bedekte urinoircake. Dat is geen commentaar op het belang van het veld of de geweldigheid van de betrokken individuen, maar eerder mijn kijk op de toegankelijkheid ervan als een onderwerp voor een algemeen publiek. Bijt een beetje in de taart, en alles is chocolaty en heerlijk. Bijt net iets te diep in, echter, en dingen worden minder lekker.

Dus ik probeerde dit artikel zo chocoladeachtig mogelijk te houden door enkele van de verbazingwekkende eigenschappen van onze vreemdste subatomaire deeltjes te bespreken - zowel echt als speculatief. Het is de blitse cover art op een veel dieper boek, omdat de onderliggende wetenschap hier enorm is. Ten slotte, het gebied van deeltjesfysica heeft tot doel de structuur van het bestaan ​​te ontrafelen -- materie af te breken tot zijn meest basale vorm en ons begrip van waar dit universum over gaat uit te breiden.

gerelateerde artikelen

  • Hoe Atom Smashers werken
  • Hoe donkere materie werkt
  • Hoe de Large Hadron Collider werkt
  • Hoe atomen werken
  • Hoe licht werkt
  • Hoe kwantumzelfmoord werkt

bronnen

  • Battersby, Stefanus. "Sneller-dan-licht 'tachyons' zijn misschien toch onmogelijk." Nieuwe wetenschapper. 18 maart, 2009. (24 juli, 2012) http://www.newscientist.com/article/dn16796-fasterthanlight-tachyons-might-be-impossible-after-all.html
  • Franciscus, Mattheus. "Ongrijpbare Majorana-fermionen kunnen op de loer liggen in een koude nanodraad." Ars Technica. 12 april 2012. (24 juli, 2012) http://arstechnica.com/science/2012/04/experiment-may-have-found-majorana-fermions-in-a-nanowire/
  • Johnston, Hamish. "Kameleondeeltje versmelt met de achtergrond." Natuurkunde wereld. 10 februari 2009. (24 juli, 2012) http://physicsworld.com/cws/article/news/2009/feb/10/chameleon-particle-blends-into-the-background
  • "Bewijs van Majorana Fermion-deeltjes gevonden door natuurkundigen." Huff Postwetenschap. 15 april, 2012 (24 juli 2012) http://www.huffingtonpost.com/2012/04/14/majorana-fermion-particle-physicist-discovery_n_1425473.html
  • marshall, DA et al. "Traject van een vallende Batman." Journal of Physics speciale onderwerpen. 9 december 2011. (24 juli, 2012) https://physics.le.ac.uk/journals/index.php/pst/article/view/484/289
  • "Mysterieuze 'Majorana Fermion' ontdekt - kan een revolutie teweegbrengen in het begrip van donkere materie en de toekomst van kwantumcomputers." Dagelijkse Melkweg. 16 april 2012. (24 juli, 2012) http://www.dailygalaxy.com/my_weblog/2012/04/long-sought-mystery-particle-discovered-could-revolutionize-understanding-of-dark-matter-future-of-q.html
  • O'Neill, jan. "Zwarte Gaten als Honeypots van exotische deeltjes?" Ontdekkingsnieuws. 18 juni 2012. (24 juli, 2012) http://news.discovery.com/space/black-holes-as-exotic-particle-honeypots.html
  • Rincón, Paulus. "Neutrino 'spookdeeltje' op maat gemaakt door astronomen." BBC nieuws. 22 juni 2010. (24 juli, 2012) http://www.bbc.co.uk/news/10364160
  • "Tachyon." Wolfram-onderzoek. (24 juli, 2012) http://scienceworld.wolfram.com/physics/Tachyon.html
  • "De graviton." BBC Radio 4. (24 juli 2012) http://www.bbc.co.uk/programmes/p003k9ks
  • Wei, Lisa. "Wat is een graviton? Waar kan het worden gevonden?" Nieuwsgierig naar astronomie. juni 2003. (24 juli 2012) http://curious.astro.cornell.edu/question.php?number=535

Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Hoe zijn fytoplankton reproductie?
  2. Differentiërende RNA & DNA-virussen
  3. Trucs voor het onthouden van dieren Phylum
  4. Vergeten is niet altijd slecht - het helpt ons betere beslissingen te nemen
  5. Hoe zijn genen, DNA en chromosomen met elkaar verbonden?
  6. DNA Extraction by Spooling Method
  7. Waarom hebben de meeste mensen 23 paar chromosomen?
  8. Verschil tussen transcriptie en DNA-replicatie
  9. 10 planten verloren in de geschiedenis

Wetenschap