In den letzten 115 Jahren haben Physiker entdeckt, dass fast alles Material, einschlieĂlich Steine, Regen, Sonne und Sonnenlicht, Meereswellen und Radiowellen, in Form von Partikeln (und ihren entsprechenden Feldern) beschrieben werden kann. Experimente haben eine Vielzahl von Arten von Partikeln entdeckt, die uns heute elementar erscheinen (dh sie bestehen nicht aus elementareren Partikeln). Die ganze komplexe Vielfalt unserer vertrauten Welt besteht aus einer kleinen Menge solcher Partikel. Die restlichen Partikel sind flĂźchtig, sie zerfallen so schnell, dass wir sie unter normalen Bedingungen nicht treffen. Aber sie kĂśnnen die SchlĂźssel zu den Geheimnissen des Universums behalten, die fĂźr uns unzugänglich bleiben.
In diesem Artikel finden Sie einen kleinen Ăberblick Ăźber das aktuelle Verständnis von Partikeln und deren Organisation in Klassen. So etwas wie ein Periodensystem von Partikeln mit ein paar Tricks. AuĂerdem erfahren Sie, was das Higgs-Feld und seine entscheidende Rolle im Leben des Universums mit Partikeln tun.
Unser derzeitiges Verständnis wird zusammen mit den einfachsten Hypothesen Ăźber die Funktionsweise des Teilchens und des Higgs-Feldes auf einen Satz von Gleichungen reduziert, der als "Standardmodell der Teilchenphysik" oder einfach als "Standardmodell" bezeichnet wird. Elementarteilchen im Standardmodell haben historisch gesehen sehr seltsame Namen sowie eine groĂe Massenstreuung. In Abb. 1:
⢠Ich habe oben schwerere Partikel und unten leichte Partikel gezeichnet. Nach meiner Logik sind masselose Partikel das Mindestniveau, und es gibt keine Obergrenze fĂźr die Partikelmasse. Das heiĂt, es gibt unten einen harten Boden und oben nur Himmel.
⢠Anstelle von Massen zitiere ich äquivalente Massenenergien (E = mc
2 ), die ßblicherweise von Teilchenphysikern verwendet werden. Das Verfolgen von Energie, die nicht verschwindet und nicht erscheint, ist einfacher als das Verfolgen der Masse von Partikeln, die sich in bestimmten Prozessen ändern kÜnnen, beispielsweise
während des Zerfalls . Die GeV-Einheit entspricht ungefähr der Massenenergie des leichtesten Atoms, Wasserstoff.
⢠Ich habe drei Klassen von Partikeln identifiziert: geladene Leptonen (blaue Scheiben), Neutrinos (schwarze Scheiben) und Quarks (rote Scheiben). Quarks werden normalerweise in zwei Klassen unterteilt, obere und untere, die sich nur in der elektrischen Ladung unterscheiden. Die Bedeutung einer solchen Klassifizierung wird später klar.
⢠In den Rechtecken habe ich drei Wechselwirkungen zusammen mit ihren Trägerpartikeln angegeben. Ich habe die vierte Wechselwirkung, die Schwerkraft, ausgeschlossen, um das Bild nicht zu verstopfen.
⢠Das Higgs-Feld (oder etwas, das seine Rolle spielt) in der Natur ist im Durchschnitt ungleich Null. Ich habe es durch einen grßnen Hintergrund gekennzeichnet.
Abb. 1
Was fĂźr Partikel sind das? Alle von ihnen haben Antiteilchen, aber der KĂźrze halber lasse ich sie weg. Lassen Sie uns schnell die Struktur der Materie durchgehen und sie zerlegen, bis wir das gewĂźnschte Niveau erreicht haben.
⢠Atome, deren Radius etwa eine Milliarde Mal kleiner als Ihr Kopf ist, bestehen aus ihren Elektronen und Atomkernen.
⢠Atome absorbieren und emittieren Lichtteilchen, Photonen. Dies geschieht aufgrund der elektromagnetischen Wechselwirkung, die vom Photon getragen wird (dh wenn der Elektromagnetismus funktioniert, sind immer Photonen vorhanden).
⢠Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen, die 100.000 kleiner als das Atom selbst sind und hauptsächlich aus oberen und unteren Quarks (und Antiquarks) und Gluonen bestehen.
⢠Protonen und Neutronen fallen nicht auseinander und bleiben aufgrund der starken Wechselwirkung von 8 Gluonentypen auch im Kern erhalten.
⢠Die Sonne scheint und einige Atomkerne zerfallen aufgrund der Umwandlung von Quarks eines Typs in Quarks eines anderen Typs. In diesem Fall werden Elektronen und Neutrinos emittiert, diese Teilchen kommen direkt aus dem Sonnenzentrum.
⢠Diese Umwandlung von Quarks und die Emission von Neutrinos ist auf die schwache Wechselwirkung der Partikel W
+ , W
- und Z
0 zurĂźckzufĂźhren .
⢠Die letzte bekannte Wechselwirkung ist die Schwerkraft, die ein Graviton tragen soll. Aufgrund der erstaunlichen Schwäche der Schwerkraft ist dieses Partikel sehr schwer zu erkennen.
Fast alle Aspekte unserer Welt werden von diesen Partikeln bestimmt. Aber es gibt noch andere. Das Elektron Neutrino-1, der obere Quark und der untere Quark werden als eine "Generation" von Partikeln bezeichnet - in diesem Fall bedeutet die Erzeugung ungefähr die gleiche wie die eines Stammbaums. Es gibt zwei schwerere Generationen, von denen jede Kopien dieser vier Partikel gewichtet hat.
⢠Die zweite Generation besteht aus einem Myon, Neutrino-2, einem verzauberten Quark und einem seltsamen Quark.
⢠Die dritte Generation besteht aus Tau, Neutrino-3, T-Quark und B-Quark.
Die Struktur der Generationen unterteilt diese Partikel in horizontale Schichten. Sie kĂśnnen auch vertikal in die von mir erwähnten Klassen unterteilt werden: Menschen sprechen oft von âTeilchen des elektronischen Typsâ oder âgeladenen Leptonenâ, beziehen sich auf Elektron, Myon und Tau, sprechen von âNeutrinosâ im Allgemeinen und teilen die Quarks in âobereâ (oben, bezaubert, t) und "unten" (unten, seltsam, b).
Sie fragen sich vielleicht, warum Neutrinos im Vergleich zu anderen Partikeln so langweilige Namen haben. Wir haben sie anders genannt, aber in den letzten 20 Jahren haben wir viel Ăźber sie gelernt und lernen immer noch weiter. Vielleicht geben wir ihnen neue Namen, wenn sich der Staub gelegt hat.
Wir wissen wenig Ăźber das Higgs-Teilchen, aber in naher Zukunft werden wir mehr erfahren.
Werfen wir einen Blick auf die verschiedenen Massen. Sie haben nicht nur eine groĂe Verbreitung, sondern auch kein explizites System. Hier einige Hinweise zu Massen, beginnend mit den leichtesten Partikeln:
⢠Das Photon und das Graviton haben wahrscheinlich keine Masse - ihre Masse muss ßberraschend klein sein, damit intergalaktische Magnetfelder und riesige Strukturen des Universums beobachtet werden kÜnnen.
⢠Gluonen haben keine Masse, soweit dies sinnvoll ist - sie verbringen ihr Leben in Gefangenschaft in Hadronen wie Protonen, und es ist nicht einfach, ihre Masse direkt zu messen.
⢠Theoretiker haben lange ßber das Vorhandensein von Neutrinomasse gestritten. Die Experimente des letzten Jahrzehnts haben diesen Streit beigelegt (obwohl aufgrund der Tatsache, dass die erhaltenen Beweise indirekt sind, noch Handlungsspielraum besteht). Die Neutrinomassen sind sehr klein, die schwerste von ihnen ist mindestens eine Milliarde Mal leichter als das leichteste Atom (Wasserstoff) und die Masse der leichtesten ist noch kleiner.
⢠Massen anderer Partikel sind bekannt. Ein Elektron ist ungefähr 1800-mal leichter als Wasserstoff, ein T-Quark ist ungefähr 400.000-mal schwerer als ein Elektron und nur wenige Prozent leichter als ein Goldatom. Die Masse der Partikel W und Z beträgt ungefähr die Hälfte der Masse des t-Quarks.
⢠Alle Partikel mit signifikanter Masse haben es aufgrund der Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld. Neutrinos kÜnnen Masse nicht direkt empfangen, aber das Higgs-Feld spielt auch fßr sie eine wichtige Rolle. Ich bemerkte diese Tatsache durch die grßnen Rahmen unterschiedlicher Dicke auf Scheiben, die Partikel bezeichnen.
⢠Die Massenenergie eines Higgs-Teilchens beträgt 125 GeV
In Abb. 2 Ich habe Partikel und Wechselwirkungen unterschiedlich gruppiert.
Abb. 2
Die Abbildung zeigt, welche Partikel welche direkt beeinflussen. Ich habe Linien zwischen allen Arten von Partikeln gezogen, die direkt miteinander interagieren. Was ist interessant zu beachten:
⢠Nichts, was oft als Materieteilchen bezeichnet wird - geladene Leptonen, Neutrinos oder Quarks - interagiert miteinander.
⢠Materieteilchen interagieren direkt nur mit Teilchen, die Wechselwirkungen ßbertragen!
Dies erklärt, warum Interaktionsträger so genannt werden. Wenn ein Elektron in einem Atom mit einem oberen Quark in einem Atomkern interagiert, geschieht dies nicht direkt. Ein Elektron interagiert direkt mit einem Photon, ein Quark interagiert mit einem Photon und als Ergebnis (es ist ziemlich komplex und nicht intuitiv) stellt sich heraus, dass das Elektron vom Quark angezogen wird und umgekehrt. In ähnlicher Weise ist die Wechselwirkung zwischen zwei Quarks indirekt und beruht auf der direkten Wechselwirkung von Quarks mit Gluonen. Alle bekannten Wechselwirkungen zwischen Materieteilchen treten nicht direkt auf, Träger von Wechselwirkungen sind an ihnen beteiligt. Wenn Sie die Tßr Üffnen, arbeiten Photonen.
Die Abbildung zeigt auch einige wichtige Eigenschaften von Wechselwirkungen und Partikelklassen:
⢠Alle Partikel einer bestimmten Klasse gehorchen einer Interaktion - dies bestimmt ihre ZugehÜrigkeit zur Klasse. Neutrinos spßren nur eine schwache Interaktion. Nur Quarks und Gluonen spßren eine starke Wechselwirkung.
⢠Gekrßmmte Linien zeigen, dass einige der Interaktionsträger direkt mit sich selbst oder mit anderen Trägern interagieren. Gluonen interagieren mit sich selbst, aber das Photon interagiert nicht mit sich selbst (zumindest nicht direkt).
⢠In gewisser Weise ist das Higgs-Teilchen auch ein Träger der Wechselwirkung. Dies ist jedoch ein Sonderfall. Je stärker die Wirkung der Higgs-Wechselwirkung auf ein Teilchen ist, desto grĂśĂer ist die Masse dieses Teilchens in einem Higgs-Feld ungleich Null. (Diese Aussage gilt fĂźr bekannte Partikel, mĂśglicherweise jedoch nicht fĂźr diejenigen, die noch nicht entdeckt wurden.) Ich habe es mit dem Gradienten des grĂźnen Feldes markiert, der oben dunkler wird, was die Verstärkung des Effekts fĂźr schwere Partikel bedeutet. In ähnlicher Weise interagiert ein Higgs-Teilchen stärker mit schweren Teilchen als mit leichten.
Diese Welt sieht furchtbar seltsam aus, aber ob du es willst oder nicht, es gehÜrt uns. Sie kÜnnen einige grob markierte Schemata sehen, aber es gibt immer noch keine klare Organisation. Die Desorganisation auf die eine oder andere Weise hängt mit dem Higgs-Feld (oder den Higgs-Feldern) zusammen.