Del:
10 mærkelige teoretiske subatomære partikler
Partikelfysik er et af de mest interessante felter i fysik. Selv om der allerede er mange forskellige partikler, fortsætter forskerne med at postulere nye og spændende partikler. De fleste af disse nye partikler er bundet i undersøgelsen af mørkt materiale og mørk energi, og fysikere forsøger i øjeblikket deres bedste for at opdage dem.
10 Black Hole Electron
I begyndelsen af det 20. århundrede introducerede Albert Einstein banebrydende fysik om sorte huller, som hans teori om generel relativitet støttede. Blandt hans mest interessante arbejde var teorien om et sort hul elektron. Sorte huller kan komme i forskellige former og størrelser afhængigt af hvordan de dannes. Einstein sorte hul elektron var et målrettet sort hul, der havde samme størrelse og masse som en elektron.
I Einsteins papirer diskuterede han, hvad dette lille sorte hul ville se ud. Mærkeligt nok ville det opleve de samme magnetiske egenskaber som en normal elektron. Hvis nogen nogensinde har set et sort hul elektron, ville det ligne en normal elektron. Ud over det ville det sorte hul elektron være relativt stabilt og forblive størrelsen af en elektron i hele sit liv.
Einsteins arbejde med sort-elektronen blev ikke en mainstream del af partikelfysik i sin tid, men de seneste innovationer i strengteori vender tilbage til forkant. Moderne strengteoretikere har konstrueret modeller, der betragter partikler som miniature sorte huller. Disse modeller hjælper med at løse computerproblemer, der findes i normal fysik, så det er muligt, at Einstein ikke var for langt væk fra mærket.
9 Dark Photon
Mørkstofforskning er et af de mest diskuterede felter i moderne partikelfysik. Ingen ved præcis, hvad mørkt materie er, og fysikere stiller konstant nye kandidater til dette svindrende stof. I 2008 foreslog et hold af forskere en ny type subatomic partikel kaldet det mørke foton. Denne partikel virker som en normal foton, men vil kun interagere med mørkt materiale.
Den mørke foton er den foreslåede kraftbærer til den elektromagnetiske kraft mellem mørk materie. I stedet for at stole på den normale foton som kraftbæreren, foreslog forskere, at det mørke foton er, hvad der bærer interaktionen. For at forklare, hvorfor mørkt materiale er usynligt for observation, spekulerede fysikere, at en anden grundlæggende kraft virker på mørkt stof. Denne "mørke elektromagnetisme" er en langvidde gauge force, men er kun medieret af det mørke foton.
Så mærkeligt som dette kan synes, havde partikelforskere grund til at tro på, at mørke fotoner eksisterede. I begyndelsen af 2000'erne udførte forskere et eksperiment med navnet g-2. Dette forsøg forsøgte at måle muon (en anden type subatomisk partikel) spin "wobbles", da de passerede gennem et magnetfelt.
Under eksperimentet arbejdede muon-vinklerne ikke ud til, hvad standardmodellen forudsagde. Yderligere eksperimenter blev udført ved partikelacceleratorer for at se om de uregelmæssige aflæsninger kunne være tegn på mørke fotoner. Desværre viste resultaterne, at mørke fotoner ikke er synderen. Noget andet er.
G-2-anomali er ikke blevet løst endnu, selv om forskerne er sikre på, at mørke fotoner ikke skyldes. Alligevel er mørke fotoner ikke umulige. De kan eksistere i vores univers.
8 kameleonpartikel
Selv om mørkt materiale er et stort mysterium i fysikken, er mørk energi en endnu større. Alle målinger og modeller viser, at universet ikke kun ekspanderer, det accelererer i stigende grad. Fysikere ved ikke, hvad der forårsager accelerationen, og utallige forskere foreslår forskellige forklaringer til den "mørke energi", der skaber vores ekspanderende univers. Et af de mest interessante ideer er kameleonpartiklen.
I teorien ville kameleonpartiklen formidle et femte felt i vores univers kaldet kameleonfeltet. Partiklen til dette felt har en række forskellige egenskaber. Forskere foreslår, at det har en variabel effektiv masse, der ændrer sig med densiteten af det område i rummet, den beboer.
Jo større den effektive masse er, jo mere kraft det udøver. For eksempel, i vores solsystem, ville kameleon partikel være uopdagelig, fordi den høje relative tæthed af vores solsystem ville gøre partiklen udøve en ekstremt svag kraft. Men i intergalaktisk rum, som er næsten tomt, vil kameleonpartiklen være ekstremt stærk, fordi densiteten er så lav.
Dette forslag forklarer hvorfor forskere ser universel ekspansion. Forskerne vil imidlertid opdage partiklerne. Men det er svært, fordi forskere er på jorden i en tæt del af universet, hvor kameleontstyrken ville være ekstremt svag.
Et team i Berkeley byggede et eksperimentelt apparat til at detektere kameleonpartikler. Selvom testen var ubetinget, udelukket det ikke eksistensen af kameleonpartikler. Så forskere arbejder på flere eksperimenter og instrumenter til at opdage disse uklare partikler og opdage naturen af mørk energi.
7 sterile neutrinos
En anden kandidat til mørkt stof er den sterile neutrino. Normale neutriner er ekstremt svagt interaktive partikler dannet i forskellige nukleare reaktioner. De tre typer af neutriner i standardmodellen er velforståelige. De er så svagt interaktive, at forskere henviser til dem som spøgelsespartikler.
Sterile neutrinoer er forskellige, fordi de kun interagerer via tyngdekraften. Normale neutrinoer (aka aktive neutrinoer) modtager ladning fra den svage kraft, men sterile neutriner er fuldstændig uinflueret af nogen af de subatomære kræfter i standardmodellen. De er spøgelser af spøgelsespartiklen.
Sterile neutrinoer er en mulig kandidat til mørkt stof. De er interessante, fordi de eksisterer udenfor standardmodellen af partikelfysik ved at tilføje flere neutrinoer til de tre videnskabsfolk allerede kender.Hvis det opdages, ville sterile neutrinos tvinge forskere til at omarrangere dele af standardmodellen. Hvad angår mørkt materiale, er fysikere stadig på hegnet om, hvorvidt disse spøgelsesagtige partikler er en god kandidat til det.
Men nylige opdagelser har givet beviser for, at sterile neutriner kan eksistere. Problemet er, at sterile neutriner er yderst vanskelige at opdage, fordi de næsten ikke interagerer med andre former for stof. Forskere har svært ved at opdage deres aktive fætre, langt mindre de sterile versioner.
I 2014 opdagede astronomerne ulige røntgenemissionslinjer fra en nærliggende galakse, der passer ind i den sterile neutrino-teori. Ved hjælp af disse data viste astrofysiker Kevork Abazajian, at den sterile neutrino-model kunne forklare strukturen i andre nærliggende galakser. Denne opdagelse er det bedste nuværende bevis for sterile neutrinoer, fordi de underjordiske detektorer for aktive neutriner ikke har haft held og lykke til at optage signaturer af denne spøgelsespartikel.
6 Axion
Af alle kandidater, som forskere har foreslået for koldt mørkt materiale, får axion mest publicitet og interesse. Axion blev først foreslået at løse et vanskeligt problem med den stærke atomkraft.
I standardmodelmatematik indeholder partikelfysikere visse inputvariabler for at gøre matematikarbejdet. Men en variabel har en værdi på næsten nul, hvilket gør det uobserverbart. Når fysikere plugged denne værdi i deres ligninger, viste det sig at en af de grundlæggende kvarker ville være masseløse.
Observation af kvarker modsagt denne model, så forskere kom op med et nyt felt og partikel til at løse situationen. Denne partikel er axion. Den har en ekstremt lav masse, tæt på en trilliondel af massen af en elektron.
Også axioner påvirker kun svagt med andre spørgsmål, men har mærkelige og specielle interaktioner med den stærke atomkraft. I teorien er disse partikler fuldstændigt gennemsigtige for lys og interagerer ikke med materiel ifølge standardmodel.
Alt dette gør axion til en vigtig kandidat til mørkt stof. Den anden ledende teori er den WIMP (svagt interaktive massive partikel) model, der foreslår nye partikler, der er meget tungere end protonen og neutronen. Axion modeller har en fordel i forhold til WIMP'erne, idet de allerede er en del af kvanteorienteringen.
Kosmologiske teorier anfører, at axioner kunne udgøre 85 procent af det mørke stof i vores univers. Resten ville være andre partikler. Forskere foretager eksperimenter for at finde disse usynlige partikler, men søgningen er ikke let.
5 Dilaton
Dilaton er en underlig partikel foreslået af streng teori. Når strengteoretikere arbejder med Kaluza-Klein komprimeringsteorierne, er dilaton en partikel, der skal eksistere. Men det får de grundlæggende konstanter i naturen til at svinge.
I stedet for at vores univers har konstanter som Newtons konstante eller Planck-konstant, ville dilaton have tilladt disse tal at svinge under det tidlige univers. Derefter ville dilaton have frosset i værdi, hvilket også medførte, at de grundlæggende konstanters værdier frysede.
Dilatoner kan virke underlige, men de er kritiske for at forstå strengteori-kosmologi. Stringteori bygger på Kaluza-Klein teorierne, og der er ingen måde at ignorere dilatonet i disse teorier. Faktisk mener fysikere, at dilaton er en grundlæggende skalar i vores univers, hvilket betyder, at det er umuligt at ignorere det, hvis det eksisterer.
Forsøg på at opdage dilaton ville imidlertid være yderst vanskeligt at udføre. Men dets egenskaber passer perfekt til mørk energi. Så hvis strengteori er korrekt, kan dilaton løse det vedvarende mysterium om mørk energi.
4 blomstring
En af de største mysterier af big bang kosmologi er universets inflationsperiode. I splittet sekund efter det store bang begyndte universet eksponentiel vækst. Til sidst faldt den hurtige vækst i den ekspansionshastighed, der blev observeret i dag.
Denne inflationsperiode har givet forskere mulighed for at observere den kosmiske baggrunds mikrobølgestråling og andre interessante funktioner i universet. Men ingen ved, hvorfor universet oplevede inflationær ekspansion eller hvorfor det stoppede.
Oppustningen er et foreslået felt, der ville forklare hvorfor universet udvidede ligesom det gjorde. Som alle felter har opblussen en partikel i forbindelse med den (også kaldet inflaton).
Oppustningen arbejdede i et par grundlæggende trin. I begyndelsen af universet var det i en høj energitilstand og erfarne tilfældige kvantesvingninger som forventet fra superdense spædbarn universet. Til sidst blev opblussen i en lav-energitilstand, som udløste en massiv afstødende kraft, der gjorde det muligt for inflationen at vende tilbage til sin høj-energitilstand. Mærkeligt udøver opblæsningen ikke denne afstødende kraft, når den har høj energi.
Inflatonsteorier kan virke elegante, men de diskuteres stadig blandt fysikere, fordi den inflationsmodel ikke er blevet accepteret af alle videnskabsmænd. Nye teorier om det tidlige univers viser imidlertid, at inflationsfeltet er en god kandidat til at beskrive hvordan vores univers kom til at ligne det. Nogle forskere mener, at den nyligt opdagede Higgs boson er opblæsningspartikelen, som de har søgt efter. Disse to partikler er muligvis de samme.
3 Bateman Particle
Foreslået af et hold ledet af James Bateman, er denne us navngivne partikel en anden kandidat til en superlight mørk materiel partikel. Bateman's partikel er meget tungere end axion men stadig kun en brøkdel af massen af en elektron. Ligesom andre mørke stofkandidater ville den nye partikel være helt usynlig, fordi den ikke ville interagere med lys.Det ville imidlertid interagere med det normale materie og forklare nogle af anomalierne omkring mørkt stof.
Et interessant træk ved denne nye partikel er, at dets interaktion med det normale materiale kun er effektivt over lange intervaller eller i stærke gravitationsområder. Således ville den nye partikel være fuldstændig upåvirket af Jorden.
Bateman mener, at hans partikel ville være i stand til at rejse gennem Jorden og dens atmosfære uden at støde ind i andre partikler eller være detekterbar, fordi den har en så lille masse. Millioner af Bateman-partikler kunne strømme gennem dig lige nu. Hvis partiklen er reel, ville det vise, at mørkt materiale gennemsyrer rummet meget mere, end man tidligere troede.
Imidlertid er denne unavngivne partikel så svagt interagerende, at det er ekstremt svært at designe et eksperiment, der ville opdage det. Lige nu er dommen stadig ude af eksistensen af Bateman-partiklen. Indtil der er bedre eksperimenter, vil Bateman-partiklen simpelthen forblive en interessant mulighed.
2 Planck Partikler
En nøgleværdi i kvantemekanik er Compton bølgelængden, der er karakteristisk for en partikel, der er afhængig af dens masse og viser dets forhold til at aktivere fotoner. Hvis Compton-bølgelængden af en partikel er lig med sin Schwarzschild-radius, er den en Planck-partikel.
Schwarzschild-radius viser, hvor langt du kan komprimere et objekt, før tyngdekraften overvælder de andre fysiske kræfter i universet og skaber et sort hul. Ved denne størrelse ville flugthastigheden fra objektets overflade være større end lysets hastighed, hvilket er det afgørende karakteristika for et sort hul. Således er Planck partikler så kompakte, at de er blevet til sorte huller.
Planck-partikler har egenskaber svarende til Planck-konstanterne for masse og størrelse. En partikel af denne art ville veje så meget som Planck-massen (10 gange protonens masse) og være ekstremt lille (10 gange protonens diameter). Dette gør Planck-partiklen ekstremt tæt.
Disse underlige partikler er interessante for fysikere. I første omgang blev de lige indført i ligninger som en måde at udarbejde dimensioner af resultatet. Nu er de interessante, fordi de kan holde nøglen til at gøre kvantemekanik og generel relativitet arbejde sammen.
Kosmologer er også interesserede i Planck partikler, fordi de kunne have eksisteret i stor overflod i det tidlige univers. Ved at have inkluderet Planck-partikelen i kosmologiske modeller har forskere været i stand til at bestemme, at det tidlige forfald af Planck-partikler kan have resulteret i de observerede egenskaber hos partiklerne i vores æra af universet.
1 negativ masse
De fleste mennesker er bekendt med ideen om en antipartikel, som har den modsatte ladning af sin normale følgesvend. For eksempel har en elektron en -1-ladning, og dens antipartikel, positronen, har en +1-ladning. Teoretiske fysikere har udvidet denne ide til masse og postuleret et nyt sæt partikler, der har den modsatte masse af vores normale partikler.
Dette er et ret underligt koncept. Hvis du havde en masse på 1 kilo, ville samme mængde negativt stof være -1 kilogram. Antipartikler har positive masser men modsatte afgifter. Negativ sagen er i en egen liga. Hvis der eksisterer negativ materiel, ville det hjælpe med at løse nogle af de mest interessante problemer i fysikken. For eksempel ville det føre til forening af generel relativitet og kvantemekanik.
Fysikere undersøger negativt stof, fordi det vil give mennesker mulighed for at opdage måder at rejse universet på. Generel relativitet siger, at negativt stof ville afvise alt andet, både negativt og positivt. Således, hvis negativ materiel kunne udnyttes, ville det give mennesker mulighed for at strække rumtiden og muligvis åbne ormehuller, gennem hvilke skibe kunne rejse.
Forskere udfører også negativ masseforskning, fordi det kan hjælpe os med at forstå tidens pil og nogle af de mere forvirrende begreber om sorte huller. Negativt stof kunne også bruges til at skabe et plasma, som ville absorbere tyngdekraftbølger. Desværre er det langt fra at skabe negativt materiale, men det er klart, at disse nye subatomære partikler kunne revolutionere videnskab og rumrejse.