อาเรย์ของอนุภาคพลังและเขตข้อมูลที่หลากหลายทำให้ทุกอย่างที่เราเห็น
Paul Sutter เป็นนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่ The Ohio State University และหัวหน้านักวิทยาศาสตร์ที่ศูนย์วิทยาศาสตร์ COSI ซัทเทอร์ยังเป็นเจ้าภาพของ "Ask a Spaceman" และ "Space Radio" และนำไปสู่ AstroTours ทั่วโลก ซัทเทอร์สนับสนุนบทความนี้เพื่อเสียงผู้เชี่ยวชาญของ Space.com: Op-Ed & Insights
หากต้องการเยี่ยมชมดินแดนแปลกประหลาดที่เต็มไปด้วยความสงสัยและความลึกลับคุณไม่จำเป็นต้องแอบเข้าไปในตู้วิเศษขี่สัตว์บินที่ไม่ควรบินหรือกระโดดข้ามพอร์ทัลไปสู่มิติอื่น ไม่เลยสิ่งที่คุณต้องทำก็คือเปิดตัวเร่งความเร็วของอนุภาคและมองลงมาลง
ในระดับ Subatomic ความหลากหลายและความงดงามที่แท้จริงของธรรมชาตินั้นเต็มไปด้วยการแสดงเต็มรูปแบบโดยมีกลุ่มของอนุภาคพลังและเขตข้อมูลทั้งหมดที่หวือหวาและส่งเสียงครวญครางภายใต้กฎแห่งฟิสิกส์ แต่อย่างใดแทนที่จะสร้างระเบียบที่วุ่นวายการโต้ตอบที่ซับซ้อนทั้งหมดของพวกเขาสร้างโลกที่มีระเบียบแบบแผนที่เราคุ้นเคย [ควาร์กและ Muons แปลก ๆ Oh My! อนุภาคที่เล็กที่สุดของธรรมชาติชำแหละ (Infographic)]
เราสามารถเข้าใจได้ว่าโลกใบเล็ก ๆ ที่แยกออกเป็นลำดับชั้นที่เข้มงวดโดยมีเส้นแบ่งที่ชัดเจนระหว่างผู้ปกครองกับผู้ปกครองระหว่างผู้ที่นั่งสบาย ๆ ในปราสาทที่มั่นคงและชาวบ้านที่ต่ำต้อย ปฏิสัมพันธ์ระหว่างผู้อยู่อาศัยต่าง ๆ นั้นถูกกำหนดโดยกฎเกณฑ์ที่ไม่เปลี่ยนรูป: มีสถานที่สำหรับทุกคนและทุกคนมีสถานที่
มาเยี่ยมกันเถอะ
เป็นการดีที่ได้เป็นราชา
ที่ใจกลางของมันทั้งหมดเป็นอนุภาคที่เสถียรมากที่สุด: ควาร์กขึ้นและลง อายุยืนของพวกเขาช่วยให้พวกเขารวมตัวกันเป็นป้อมปราการที่ต้านทานไม่ได้: ปราสาทนิวคลีออนที่รู้จักกันในชื่อโปรตอนและนิวตรอน แต่ไม่ใช่ควาร์กเองที่ทำหน้าที่ดูแลรักษานิวเคลียสของนิวคลีออนเหล่านี้ อันที่จริงมวลรวมของควาร์กทั้งหมดในนิวคลีออนนั้นมีขนาดเล็กกว่ามวลของโปรตอนหรือนิวตรอน
ควาร์กขึ้นและลงจะถูกดูดซับด้วยความสามารถพิเศษที่ไม่รู้จักกับอนุภาคอื่นในอาณาจักร พวกเขาสามารถรู้สึกถึงพลังนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่ง นั่นคือพลังที่ทรงพลังที่สุดโดยรวมควาร์กเข้าด้วยกันอย่างแรงกล้าจนไม่มีใครโดดเดี่ยว ปฏิสัมพันธ์นั้นก่อให้เกิดกระดูกสันหลังที่มองไม่เห็นของโลกที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่า เรารับโปรตอนและนิวตรอนเพื่อรับ - นั่นเป็นวิธีที่พวกเขาสร้างกำแพงปราสาทอย่างแน่นหนา และมวลของพวกเขาส่วนใหญ่เกิดจากความแข็งแรงของพันธะนิวเคลียร์ภายในของพวกเขามากกว่าควาร์กแต่ละตัว
พลังนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่งไม่ได้หยุดอยู่ที่ระดับของโปรตอนและนิวตรอน กาวที่รวมควาร์กเข้าด้วยกันทำให้พวกมันมีอำนาจเหนืออนุภาคอื่น ๆ ทั้งหมดนั้นมีความโดดเด่นมากจนสามารถรวบรวมปราสาทเหล่านี้บางแห่งไว้ด้วยกันในป้อมปราการที่แข็งแกร่งซึ่งรู้จักกันในชื่อนิวเคลียสของอะตอม ในขณะที่โครงสร้างนี้ไม่สามารถต้านทานได้เหมือนโปรตอนและนิวตรอนเองการโค่นล้มนิวเคลียสยังคงต้องใช้ความพยายามอันยิ่งใหญ่
ทว่าสำหรับอำนาจครอบงำทั้งหมดของพวกเขาการเข้าถึงของรองคล้ายควาร์ก 'ถูก จำกัด ไว้ที่ปราสาทเฉพาะของพวกเขาและสภาพแวดล้อมโดยรอบ นั่นเป็นเพราะแรงที่แข็งแกร่งสำหรับความแข็งแกร่งทั้งหมดนั้นอยู่ในขอบเขตที่ จำกัด นี่คือสิ่งที่กำหนดขนาดของป้อมปราการปราสาทและช่วยให้เราระบุว่าเป็นนิวเคลียสของโลกของเรา [7 ข้อเท็จจริงแปลก ๆ เกี่ยวกับควาร์ก]
Toiling ฟิลด์
นอกเหนือจากขอบเขตที่ จำกัด แล้วควาร์กยังรักษาโดเมนของพวกเขาไว้ในการตรวจสอบและสื่อสารซึ่งกันและกันผ่านทางผู้ส่งสาร - โฟตอน เหล่านักการทูตที่ก้าวเท้าอย่างรวดเร็วกระโดดจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งในจักรวาลไม่เคยเหน็ดเหนื่อยแบกแรงแม่เหล็กไฟฟ้า - ไฟฟ้าแม่เหล็กและแม้แต่แสงเอง - กับอนุภาคใด ๆ ที่มีประจุไฟฟ้า อิทธิพลนี้แผ่ขยายไปทั่วทั้งจักรวาลแม้ว่าแน่นอนยิ่งคุณอยู่ห่างจากแหล่งกำเนิดมากเท่าไหร่
การผูกด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านี้ช่วยให้ลูกน้องของโลก Subatomic อยู่ในแนวเดียวกันและในขณะที่ควาร์กใช้เวลาทั้งวันเพื่อผ่อนคลายในความสะดวกสบายของปราสาทที่ปลอดภัยและเงียบสงบของพวกเขา ของปฏิกิริยาเคมีที่เป็นไปได้ ถูกต้อง - เป็นคนจนอิเลคตรอนอิเล็กตรอนที่หลุดพ้นจากปรมาจารย์ quark ผูกพันกับนิวเคลียสโดยแม่เหล็กไฟฟ้า - แต่มักจะป้องกันไม่ให้เข้าไปในกฎของกลศาสตร์ควอนตัม - อิเล็กตรอนจะถูกแลกเปลี่ยนระหว่างอะตอมทำให้เรามีเคมีที่ทำให้ทุกอย่างเกี่ยวกับชีวิตประจำวันของเราเป็นไปได้
ควาร์กปกครองจะแลกเปลี่ยนขโมยและยืมอิเล็กตรอนที่ต่ำต้อยจากอาณาเขตใกล้เคียงสร้างการเคลื่อนไหวของพวกเขาด้วยการผลิตอย่างหนักจากโฟตอน - โดยไม่สนใจความหวังความฝันหรือความทะเยอทะยานส่วนตัวของพวกเขา (สตรีมอิสระผ่านจักรวาล ฟิลด์และอื่น ๆ )
ที่ซุ่มซ่อนอยู่ในเงามืด
แต่ไม่ใช่ทุกอนุภาคในเอกภพที่อยู่ภายใต้นิ้วโป้งของควาร์กที่เผด็จการ บางคนสามารถสตรีมได้อย่างอิสระทั่วเอกภพไม่รู้สึกถึงแรงที่แข็งแกร่งและมองข้ามโฟตอนที่ผ่านมาอย่างปลอดภัย: นิวตริโน อนุภาคที่น่ากลัวเหล่านี้สามารถซ่อนตัวในสายตาที่เรียบง่ายดังนั้นจึงไหลผ่านมานานหลายสิบปีที่เราคิดว่าพวกมันไม่มีมวลอย่างสิ้นเชิง
นิวตริโนมีสามประเภทคืออิเลคตรอน - นิวตริโนมิวออน - นิวตริโนและเอกภาพนิวตริโน - แต่พวกเขาก็ไม่มั่นใจว่าคุณไม่เคยดู ในขณะที่เดินทางพวกเขาสามารถวนผ่านหน้ากากที่สวมใส่สลับตัวตนของพวกเขาได้อย่างง่ายดายด้วยสายลับเก๋า มาสก์ของพวกเขาเป็นตัวกำหนดวิธีที่พวกเขา (บางครั้ง) มีปฏิสัมพันธ์กับส่วนที่เหลือของอนุภาคในจักรวาล: อิเล็กตรอน - นิวตริโนจะมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับอิเล็กตรอนเท่านั้น
แต่เนื่องจากธรรมชาติที่เป็นอันตรายของนิวตริโนกระบวนการที่สร้างรสชาติเฉพาะของอนุภาคนี้จึงไม่สามารถทำงานในสิ่งที่ตรงกันข้ามเพื่อจับความหลากหลายดั้งเดิมได้อีกครั้ง - มันเป็นการเปลี่ยนอัตลักษณ์
ถึงกระนั้นแม้จะมีกลอุบายและเล่ห์เหลี่ยมทั้งหมดนิวตริโนยังไม่ได้รับอิทธิพลจากขอบเขตของควาร์ก แต่สำหรับเอฟเฟ็กต์แบบนั้นจะเกิดขึ้นต้องใช้กำลังพิเศษ อนุภาคผู้เชี่ยวชาญที่เรียกว่า W และ Z bosons ซึ่งเป็นพาหะของพลังนิวเคลียร์ที่อ่อนแอเป็นเพียงสิ่งเดียวที่สามารถสื่อสารกับนิวตริโนที่น่ารังเกียจ ในบางกรณีโบซอนสามารถแปลงนิวตริโนให้เป็นสิ่งมีชีวิตที่เข้ากันได้มากกว่าเช่นอิเล็กตรอน
ถึงอย่างนั้นมันก็เป็นโอกาสที่โชคดี: ส่วนใหญ่แล้วนิวตริโนที่ลับๆล่อๆก็หนีไปได้
แต่ชุดทักษะของ W และ Z bosons เหล่านักสู้ Black-ops ที่เป็นความลับของโลกอนุภาคขยายไปไกลกว่าการเผชิญหน้ากับนิวตริโนไม่บ่อยนัก พวกเขายังสามารถเข้าถึงส่วนภายในของป้อมปราการของนิวคลีออนได้เกือบพิเศษและสามารถเปลี่ยนควาร์กหนึ่งไปเป็นอีกแบบได้ หากนิวตรอนหลุดรอดจากความปลอดภัยของนิวเคลียสอะตอมโบซอนพิเศษเหล่านี้สามารถเปลี่ยนอนุภาคนั้นให้กลายเป็นโปรตอนที่มีเสถียรภาพมากขึ้น
นอกอาณาจักร
แน่นอนว่านี่ไม่ได้ให้ภาพเต็มของโลกของอะตอมย่อย แบบจำลองมาตรฐานทั้งหมดภาพเหมือนของสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กเหล่านั้นและปฏิสัมพันธ์ระหว่างคนยุ่งทั้งหมดของพวกเขานั้นใหญ่กว่าและซับซ้อนกว่าเกินกว่าจะบรรจุไว้ในสองสามย่อหน้า และถึงแม้ว่าแบบจำลองมาตรฐานจะเป็นชัยชนะของฟิสิกส์ยุคใหม่ปะต่อกันอย่างเจ็บปวดในช่วงหลายทศวรรษด้วยการคาดการณ์ที่แม่นยำและการทดลองที่แม่นยำ แต่มันก็เป็นภาพที่ไม่สมบูรณ์ของโลกของเรา
สำหรับหนึ่งมันไม่รวมถึงแรงโน้มถ่วงซึ่งตอนนี้อธิบายได้ดีที่สุดโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปยังไม่สมบูรณ์ นอกจากนี้ยังมีคำถามเกี่ยวกับจักรวาลที่อืดอาดเกี่ยวกับธรรมชาติของสสารมืดและพลังงานมืดซึ่งรูปแบบมาตรฐานแบบดั้งเดิมเงียบอยู่ (เพราะปรากฏการณ์เหล่านั้นเพิ่งถูกค้นพบเมื่อไม่นานมานี้) ยังมีอีกมากมาย: มวลของนิวตริโนลำดับชั้นของกองกำลังเป็นต้น
แต่ก็ยังห่างไกลจากความสมบูรณ์และอาจจะไม่พอใจเล็กน้อยในแนวทางการเคี้ยวหมากฝรั่งและเทปพันท่อเพื่อจำลองโลกทางกายภาพแบบจำลองมาตรฐานนั้นมีประโยชน์อย่างเหลือเชื่อ มันสามารถทำนายได้ด้วยความแม่นยำที่น่าตกใจต่อการเคลื่อนไหวและการเคลื่อนไหวของกลุ่มย่อยของอะตอมเหล่านั้นและแผนการชั่วร้ายทั้งหมดของพวกเขา
เรียนรู้เพิ่มเติมโดยการฟังตอน "ใครอยู่ในสวนสัตว์ของอนุภาค" ในพอดคาสต์ "Ask a Spaceman" บน iTunes และบนเว็บที่ http://www.askaspaceman.com ขอบคุณ Alessandro M. , Roger, Martin N. , Daniel C. และ @PoZokhr สำหรับคำถามที่นำไปสู่งานชิ้นนี้! ถามคำถามของคุณบน Twitter โดยใช้ #AskASpaceman หรือทำตาม Paul @PaulMattSutter และ facebook.com/PaulMattSutter
