Selama 115 tahun terakhir, fisikawan telah menemukan bahwa hampir semua bahan, termasuk batu, hujan, matahari dan sinar matahari, gelombang laut dan gelombang radio, dapat digambarkan dalam bentuk partikel (dan bidang yang sesuai). Eksperimen telah menemukan berbagai jenis partikel yang saat ini tampak elementer bagi kita (yaitu, mereka tidak terdiri dari lebih banyak partikel elementer). Semua keragaman kompleks dari dunia kita yang akrab terdiri dari sekumpulan kecil partikel semacam itu. Partikel-partikel yang tersisa cepat berlalu, mereka membusuk begitu cepat sehingga dalam kondisi normal kita tidak bertemu dengan mereka. Tetapi mereka dapat menyimpan kunci rahasia alam semesta yang tetap tidak dapat diakses oleh kita.
Dalam artikel ini, Anda akan menemukan gambaran kecil dari pemahaman partikel saat ini dan organisasi mereka ke dalam kelas. Sesuatu seperti tabel partikel secara berkala dengan beberapa trik. Selain itu, Anda akan belajar apa yang dilakukan bidang Higgs dan peran kritisnya dalam kehidupan alam semesta terhadap partikel.
Pemahaman kami saat ini, bersama dengan hipotesis paling sederhana tentang operasi partikel dan medan Higgs, direduksi menjadi seperangkat persamaan yang disebut "Model Standar Fisika Partikel", atau sekadar "Model Standar". Partikel elementer dalam Model Standar secara historis memiliki nama yang sangat aneh, serta sebaran massa yang besar. Dalam gbr. 1:
• Saya menggambar partikel yang lebih berat di bagian atas, dan yang ringan di bagian bawah. Menurut logika saya, partikel tanpa massa adalah level minimum, dan tidak ada batas atas untuk massa partikel. Artinya, ada lantai keras di bawah, dan hanya langit di atas.
• Alih-alih massa, saya mengutip energi massa ekivalen (E = mc
2 ), yang umumnya digunakan oleh fisikawan partikel. Melacak energi yang tidak hilang dan tidak muncul lebih mudah daripada memonitor massa partikel, yang dapat berubah dalam proses tertentu, misalnya,
selama peluruhan . Unit GeV kira-kira sama dengan energi massa atom teringan, hidrogen.
• Saya telah mengidentifikasi tiga kelas partikel: lepton bermuatan (cakram biru), neutrino (cakram hitam) dan quark (cakram merah). Quark biasanya dibagi menjadi dua kelas, atas dan bawah, berbeda hanya dalam muatan listrik. Pentingnya klasifikasi seperti itu akan menjadi jelas nanti.
• Dalam persegi panjang, saya menunjukkan tiga interaksi bersama dengan partikel pembawa mereka. Saya mengecualikan interaksi keempat, gravitasi, agar tidak menyumbat gambar.
• Bidang Higgs (atau sesuatu yang memainkan perannya) di alam rata-rata bukan nol. Saya menugaskannya melalui latar belakang hijau.
Fig. 1
Partikel apa ini? Semuanya memiliki antipartikel, tetapi untuk singkatnya saya menghilangkannya. Mari kita cepat membahas struktur materi, membongkarnya sampai kita mencapai tingkat yang diinginkan.
• Atom, yang jari-jarinya sekitar satu miliar kali lebih kecil dari kepala Anda, tersusun atas elektron dan inti atomnya.
• Atom menyerap dan memancarkan partikel cahaya, foton. Ini terjadi karena interaksi elektromagnetik yang dilakukan oleh foton (yaitu, ketika elektromagnetisme bekerja, foton selalu ada).
• Inti atom terdiri dari proton dan neutron, 100.000 lebih kecil dari atom itu sendiri, dan sebagian besar terdiri dari kuark atas dan bawah (dan antiquark) dan gluon.
• Proton dan neutron tidak hancur berantakan, dan juga tersimpan di dalam nukleus karena interaksi yang kuat yang dilakukan oleh 8 jenis gluon.
• Matahari bersinar, dan beberapa inti atom membusuk karena konversi quark dari satu tipe ke quark dari tipe lain. Dalam hal ini, elektron dan neutrino dipancarkan, partikel-partikel ini datang langsung dari pusat matahari.
• Transformasi quark dan emisi neutrino ini disebabkan oleh interaksi yang lemah yang dilakukan oleh partikel W
+ , W
- dan Z0.
• Interaksi terakhir yang diketahui adalah gravitasi, yang seharusnya membawa gravitasi. Karena kelemahan gravitasi yang luar biasa, partikel ini sangat sulit dideteksi.
Hampir semua aspek dunia kita ditentukan oleh partikel-partikel ini. Tapi ada yang lain. Elektron, neutrino-1, kuark atas dan kuark bawah disebut satu "generasi" partikel - dalam hal ini, generasi ini memiliki arti yang hampir sama dengan pohon keluarga. Ada dua generasi yang lebih berat, yang masing-masing memiliki salinan dari keempat partikel ini.
• Generasi kedua terdiri dari muon, neutrino-2, quark terpesona, dan quark aneh.
• Generasi ketiga terdiri dari tau, neutrino-3, t-quark dan b-quark.
Struktur generasi membagi partikel-partikel ini menjadi lapisan horisontal. Mereka juga dapat dibagi secara vertikal ke dalam kelas yang saya sebutkan: orang sering berbicara tentang "partikel dari tipe elektronik" atau "lepton bermuatan", merujuk pada elektron, muon dan tau, berbicara tentang "neutrino" secara umum, dan membagi quark menjadi yang "atas" (atas, terpesona, t) dan "lebih rendah" (lebih rendah, aneh, b).
Anda mungkin bertanya-tanya mengapa neutrino memiliki nama yang membosankan dibandingkan dengan partikel lain. Kami memanggil mereka secara berbeda, tetapi selama 20 tahun terakhir kami telah belajar banyak tentang mereka, dan masih terus belajar. Mungkin ketika debu mengendap, kami akan memberi mereka nama baru.
Kita tahu sedikit tentang partikel Higgs, tetapi dalam waktu dekat kita akan belajar lebih banyak.
Mari kita lihat massa yang berbeda. Mereka tidak hanya memiliki penyebaran besar, tetapi juga tidak memiliki sistem eksplisit. Berikut adalah beberapa catatan tentang massa, dimulai dengan partikel paling ringan:
• Foton dan graviton mungkin tidak memiliki massa - massanya pasti sangat kecil sehingga terdapat medan magnet intergalaksi yang dapat diamati dan struktur besar alam semesta.
• Gluon tidak memiliki massa, sebanyak yang masuk akal sama sekali - mereka menghabiskan hidup mereka di penangkaran di dalam hadron seperti proton, dan mengukur massa mereka secara langsung tidaklah mudah.
• Para ahli teori telah lama berdebat tentang keberadaan massa neutrino. Eksperimen dekade terakhir telah menyelesaikan perselisihan ini (meskipun karena fakta bahwa bukti yang diperoleh tidak langsung, masih ada ruang untuk bermanuver). Massa neutrino sangat kecil, yang terberat dari mereka setidaknya satu miliar kali lebih ringan daripada atom paling ringan (hidrogen), dan massa yang paling ringan bahkan lebih kecil.
• Massa partikel lain diketahui. Sebuah elektron sekitar 1800 kali lebih ringan dari hidrogen, t-quark sekitar 400.000 kali lebih berat dari sebuah elektron, dan hanya beberapa persen lebih ringan dari atom emas. Massa partikel W dan Z kira-kira setengah massa t-quark.
• Semua partikel dengan massa yang signifikan memilikinya karena interaksi dengan medan Higgs. Neutrino dapat menerima massa tidak secara langsung, tetapi medan Higgs juga memainkan peran penting bagi mereka. Saya mencatat fakta ini melalui bingkai hijau dengan berbagai ketebalan pada disk yang menunjukkan partikel.
• Energi massa partikel Higgs adalah 125 GeV
Dalam gbr. 2 Saya mengelompokkan partikel dan interaksi secara berbeda.
Fig. 2
Gambar tersebut menunjukkan partikel mana yang secara langsung mempengaruhi yang mana. Saya menggambar garis antara semua jenis partikel yang berinteraksi langsung satu sama lain. Yang menarik untuk dicatat:
• Tidak ada yang sering disebut partikel materi - lepton bermuatan, neutrino, atau quark - berinteraksi satu sama lain.
• Partikel materi berinteraksi langsung hanya dengan partikel yang mentransfer interaksi!
Ini menjelaskan mengapa pembawa interaksi disebut demikian. Ketika sebuah elektron dalam atom berinteraksi dengan kuark atas dalam inti atom, ia tidak melakukan ini secara langsung. Sebuah elektron secara langsung berinteraksi dengan foton, kuark berinteraksi dengan foton, dan sebagai hasilnya (itu cukup kompleks dan tidak intuitif) ternyata elektron tertarik ke quark, dan sebaliknya. Demikian pula, interaksi antara dua quark tidak langsung, dan berasal dari interaksi langsung quark dengan gluon. Semua interaksi antar partikel yang diketahui tidak terjadi secara langsung, pembawa interaksi ikut serta di dalamnya. Ketika Anda membuka pintu, foton berfungsi.
Gambar tersebut juga menunjukkan beberapa sifat penting dari interaksi dan kelas partikel:
• Semua partikel dari kelas tertentu mematuhi satu interaksi - ini yang menentukan milik mereka di kelas. Neutrino hanya merasakan interaksi yang lemah. Hanya quark dan gluon yang merasakan interaksi yang kuat.
• Garis melengkung menunjukkan bahwa beberapa pembawa interaksi berinteraksi langsung dengan diri mereka sendiri atau dengan operator lain. Gluon berinteraksi dengan diri mereka sendiri, tetapi foton tidak berinteraksi dengan dirinya sendiri (setidaknya tidak secara langsung).
• Dalam arti tertentu, partikel Higgs juga merupakan pembawa interaksi. Tetapi ini adalah kasus khusus. Semakin kuat efek yang diberikan oleh interaksi Higgs pada suatu partikel, semakin besar massa partikel ini dalam medan Higgs yang bukan nol. (Pernyataan ini berlaku untuk partikel yang diketahui, tetapi mungkin tidak berlaku untuk partikel yang belum ditemukan). Saya menandainya dengan gradien bidang hijau, yang menjadi lebih gelap di atasnya, yang berarti amplifikasi efek untuk partikel berat. Demikian pula, partikel Higgs berinteraksi lebih kuat dengan partikel berat daripada dengan partikel ringan.
Dunia ini terlihat sangat aneh, tetapi apakah Anda menginginkannya atau tidak, ini milik kita. Anda dapat melihat beberapa skema yang ditandai secara kasar, tetapi masih belum ada organisasi yang jelas. Disorganisasi dalam satu atau lain cara terkait dengan bidang Higgs (atau bidang).