Dele:
10 merkelige teoretiske subatomære partikler
Partikkelfysikk er et av de mest interessante feltene i fysikk. Selv om det allerede er mange forskjellige partikler, fortsetter forskerne å postulere nye og spennende partikler. De fleste av disse nye partiklene er knyttet til forskning av mørk materie og mørk energi, og fysikere prøver for tiden å oppdage dem.
10 Black Hole Electron
I begynnelsen av 1900-tallet introduserte Albert Einstein banebrytende fysikk om svarte hull, som hans teori om generell relativitet støttet. Blant hans mest interessante arbeid var teorien om et svart hulls elektron. Svarte hull kan komme i forskjellige former og størrelser, avhengig av hvordan de dannes. Einstein sorte hulls elektron var et bestemt svart hull som hadde samme størrelse og masse som et elektron.
I Einsteins papirer diskuterte han hva dette lille svarte hullet ville se ut. Merkelig nok vil det oppleve de samme magnetiske egenskapene som en vanlig elektron. Hvis noen noensinne har observert et svart hulls elektron, ser det ut som en vanlig elektron. Utover det ville det elektroniske svarthullet være relativt stabilt og forbli størrelsen på en elektron gjennom hele sitt liv.
Einsteins arbeid på svart hulls elektron ble ikke en vanlig del av partikkelfysikken i sin tid, men de siste nyvinningene i strengteori er tilbake til forkant. Moderne strengteoretikere har konstruert modeller som anser partikler som miniatyr sorte hull. Disse modellene bidrar til å løse beregningsproblemer som eksisterer i normal fysikk, så det er mulig at Einstein ikke var for langt unna merket.
9 Dark Photon
Mørk materiellforskning er et av de mest diskuterte feltene i moderne partikkelfysikk. Ingen vet nøyaktig hva mørkt materie er, og fysikere foreslår stadig nye kandidater for denne unnvikende substansen. I 2008 foreslo et forskergruppe en ny type subatomisk partikkel kalt det mørke fotonet. Denne partikkelen virker som en vanlig foton, men vil bare samhandle med mørk materie.
Den mørke foton er den foreslåtte kraftbæreren for den elektromagnetiske kraften mellom mørk materie. I stedet for å stole på normal foton som kraftbærer, foreslo forskere at mørk foton er det som bærer samspillet. For å forklare hvorfor mørkt materiale er usynlig for observasjon, spekulerte fysikere at en annen grunnleggende kraft virker på mørkt materiale. Denne "mørke elektromagnetismen" er en langvidde gauge force, men er kun formidlet av det mørke fotonet.
Like merkelig som dette kan virke, hadde partikkelforskere grunn til å tro at mørke fotoner eksisterte. På begynnelsen av 2000-tallet utførte forskere et eksperiment kalt g-2. Dette forsøket forsøkte å måle muon (en annen type subatomisk partikkel) spin "wobbles" mens de passerte gjennom et magnetfelt.
Under eksperimentet trente muon-wobbles ikke ut på hva standardmodellen spådde. Ytterligere eksperimenter ble utført ved partikkelacceleratorer for å se om de uregelmessige avlesningene kunne være tegn på mørke fotoner. Dessverre viste resultatene at mørke fotoner ikke er skyldige. Noe annet er.
G-2-anomali har ikke blitt løst ennå, selv om forskerne er sikre på at mørke fotoner ikke er skyldige. Likevel er mørke fotoner ikke umulige. De kan eksistere i vårt univers.
8 kameleonpartikkel
Selv om mørkt materiale er et stort mysterium i fysikk, er mørk energi enda større. Alle målinger og modeller viser at universet ikke bare ekspanderer, det akselererer i økende grad. Fysikere vet ikke hva som forårsaker akselerasjonen, og utallige forskere foreslår ulike forklaringer for "mørk energi" som skaper vårt ekspanderende univers. En av de mest interessante ideene er kameleonpartikkelen.
I teorien ville kameleonpartikkelen formidle et femte felt i vårt univers kalt kameleonfeltet. Partikkelen for dette feltet har en rekke ulike egenskaper. Forskere foreslår at den har en variabel effektiv masse som endres med tettheten i det område av rom den beboer.
Jo større effektiv masse, jo mer kraft det utøver. For eksempel, i vårt solsystem, ville kameleonpartikkelen være uoppdagelig fordi den høye relative tettheten av vårt solsystem ville gjøre partikkelen utøve en ekstremt svak kraft. Men i intergalaktisk rom, som er nesten tomt, vil kameleonpartikkelen være ekstremt sterk fordi tettheten er så lav.
Dette forslaget forklarer hvorfor forskere ser universell utvidelse. Imidlertid vil forskere oppdage partikkelen. Men det er vanskelig fordi forskere er på jorden i en tett del av universet der kameleontstyrken vil være ekstremt svak.
Et team i Berkeley bygget et eksperimentelt apparat for å oppdage kameleonpartikler. Selv om testen var ufattelig, utelukket det ikke eksistensen av kameleonpartikler. Så forskere jobber med flere eksperimenter og instrumenter for å oppdage disse unnvikende partiklene og oppdage naturen av mørk energi.
7 sterile nøytriner
En annen kandidat for mørkt materiale er den sterile nøytrinen. Normale nøytriner er ekstremt svake samvirkende partikler dannet i forskjellige nukleare reaksjoner. De tre typene neutrinos i standardmodellen er godt forstått. De er så svake samspillet at forskere refererer til dem som spøkelsespartikler.
Sterile nøytriner er forskjellige fordi de bare samhandler via gravitasjonskraften. Normale neutrinoer (aka aktive neutrinoer) mottar ladning fra den svake kraften, men sterile nøytriner er helt uinfluksjert av noen av de subatomære kreftene i standardmodellen. De er spøkelser av spøkelsespartikkelen.
Sterile nøytriner er en mulig kandidat for mørkt materiale. De er interessante fordi de eksisterer utenfor standardmodellen av partikkelfysikk ved å legge til flere nøytriner til de tre forskerne allerede kjenner.Hvis det oppdages, ville sterile nøytriner tvinge forskere til å omorganisere deler av standardmodellen. Når det gjelder mørkt materiale, er fysikere fortsatt på gjerdet om disse spøkelsespartiklene er en god kandidat til det.
Men nyere funn har gitt bevis på at sterile nøytriner kan eksistere. Problemet er at sterile nøytriner er ekstremt vanskelig å oppdage fordi de knapt samhandler med andre former for materie. Forskere har en vanskelig tid å oppdage sine aktive kusiner, langt mindre de sterile versjonene.
I 2014 oppdaget astronomer ulige røntgenutslippslinjer fra en nærliggende galakse som passer inn i den sterile neutrino-teorien. Ved hjelp av disse data viste astrofysiker Kevork Abazajian at den sterile neutrino-modellen kunne forklare strukturen til andre nærliggende galakser. Denne oppdagelsen er det beste nåværende bevis på sterile nøytriner fordi de underjordiske detektorer for aktive neutrinoer ikke har hatt lykke til å plukke opp signaturer av denne spøkelsespartikelen.
6 Axion
Av alle kandidatene som forskere har foreslått for kaldt mørkt materie, får aksen mest publisitet og interesse. Axion ble først foreslått for å løse et vanskelig problem som involverer sterk atomkraft.
I standardmodellmatematikk inkluderer partikkelfysikere visse innspillvariable for å gjøre matematikkarbeidet. Imidlertid har en variabel en verdi på nesten null, noe som gjør det uobserverbart. Når fysikere plugget den verdien i sine ligninger, viste det seg at en av de grunnleggende kvarkene ville være masseløs.
Observasjon av kvarker motsatte denne modellen, så forskere kom opp med et nytt felt og partikkel for å fikse situasjonen. Denne partikkelen er aksen. Den har en ekstremt lav masse, nær en trilliondel av massen av en elektron.
Også, axions påvirker bare svakt med andre saker, men har merkelige og spesielle samspill med den sterke atomkraft. I teorien er disse partiklene helt gjennomsiktige for lys og interagerer ikke med materie i henhold til standardmodellen.
Alt dette gjør aksjen til en nøkkelkandidat for mørkt materiale. Den andre ledende teorien er WIMP (svakt samvirkende massiv partikkel) -modellen, som foreslår nye partikler som er mye tyngre enn proton og nøytron. Axion-modeller har en fordel over WIMPene, fordi de allerede er en del av kvanteteori.
Kosmologiske teorier fastslår at axioner kan utgjøre 85 prosent av det mørke saken i vårt univers. Resten ville være andre partikler. Forskere utfører eksperimenter for å finne disse usynlige partiklene, men søket er ikke lett.
5 Dilaton
The dilaton er en merkelig partikkel foreslått av strengteori. Når strengteoretikere arbeider med Kaluza-Klein komprimeringsteorier, er dilaton en partikkel som må eksistere. Men det fører til at de grunnleggende konstanter i naturen svinger.
I stedet for at vårt univers har konstanter som Newtons konstante eller Planckkonstanten, ville dilaton ha tillatt disse tallene å svinge under det tidlige universet. Etter det ville dilatonet ha frosset i verdi, noe som også medførte at verdiene til de grunnleggende konstantene ble fryst.
Dilatoner kan virke rart, men de er kritiske for å forstå strengteori-kosmologi. Stringteori bygger på Kaluza-Klein teorier, og det er ingen måte å ignorere dilatonet i disse teoriene. Faktisk tror fysikere at dilaton er en grunnleggende skalar i vårt univers, noe som betyr at det er umulig å ignorere det hvis det eksisterer.
Imidlertid vil eksperimenter for å oppdage dilaton være ekstremt vanskelig å utføre. Men dens egenskaper passer perfekt til egenskapene til mørk energi. Så hvis strengteori er riktig, kan dilaton løse det vedvarende mysteriet om mørk energi.
4 blomstring
En av de største mysteriene til big bang kosmologi er universets inflasjonstid. I splittet sekund etter at big bang startet, opplevde universet eksponentiell vekst. Til slutt ble den raske veksten avtatt i ekspansjonsgraden observert i dag.
Denne inflasjonsperioden har gitt forskere til å observere den kosmiske bakgrunnen mikrobølgestråling og andre interessante funksjoner i universet. Men ingen vet hvorfor universet opplevde inflasjonsutvidelse eller hvorfor det stoppet.
Oppblåsingen er et foreslått felt som ville forklare hvorfor universet utvidet som det gjorde. Som alle felt har inflaton en partikkel forbundet med den (også kalt inflaton).
Oppblåsningen fungerte i noen grunnleggende trinn. I begynnelsen av universet var det i en høy-energitilstand og erfarne tilfeldige kvantesvingninger som forventet fra superdense spedbarnsuniverset. Til slutt satte oppblåsningen seg i en lav-energitilstand, noe som utløste en massiv motstridende kraft som gjorde at oppblåsingen kunne komme tilbake til sin høye energitilstand. Merkelig, oppblåsningen utøver ikke denne motstridende kraften når den har høy energi.
Oppblåsthetsteorier kan virke elegante, men de diskuteres fortsatt blant fysikere fordi inflasjonsmodellen ikke er blitt akseptert av alle forskere. Nye teorier rundt det tidlige universet viser imidlertid at inflationsfeltet er en god kandidat for å beskrive hvordan vårt univers kom til å se ut som det gjør. Noen forskere tror at den nylig oppdagede Higgs boson er oppblåsningspartikkelen som de har søkt etter. Muligvis er disse to partiklene det samme.
3 Bateman Particle
Foreslått av et team ledet av James Bateman, er denne unnamed particle en annen kandidat for en superlight mørk materie partikkel. Batemans partikkel er mye tyngre enn axion, men fortsatt bare en brøkdel av massen av en elektron. Som andre mørke saks kandidater, ville den nye partikkelen være helt usynlig fordi den ikke ville samhandle med lys.Det ville imidlertid samhandle med vanlig sak, forklare noen av anomaliene rundt mørk materie.
En interessant egenskap ved denne nye partikkelen er at samspillet med normalt materiale bare er effektivt over lange områder eller i sterke tyngdefelt. Dermed vil den nye partikkelen være helt upåvirket av Jorden.
Bateman mener at hans partikkel ville kunne reise gjennom Jorden og atmosfæren uten å støte på andre partikler eller være detekterbar fordi den har en så liten masse. Millioner av Bateman-partikler kan strømme gjennom deg akkurat nå. Hvis partikkelen er ekte, vil det vise at mørkt materiale gjennomsyrer rom mye mer enn det man tidligere trodde.
Imidlertid er denne unnamed particle så svakt interaksjon at det er ekstremt vanskelig å designe et eksperiment som ville oppdage det. Akkurat nå er dommen fortsatt ute på eksistensen av Bateman-partikkelen. Inntil det er bedre eksperimenter, vil Bateman-partikkelen ganske enkelt forbli en interessant mulighet.
2 Planck Partikler
En nøkkelverdi i kvantemekanikk, Compton bølgelengden er en karakteristikk for en partikkel som er avhengig av sin masse og viser forholdet til energi på fotoner. Hvis Compton-bølgelengden til en partikkel er lik sin Schwarzschild-radius, er den en Planck-partikkel.
Schwarzschild-radiusen viser hvor langt du kan komprimere et objekt før tyngdekraften overvelder de andre fysiske kreftene i universet og skaper et svart hull. I den størrelsen ville flyktehastigheten fra objektets overflate være større enn lysets hastighet, som er den definerende egenskapen til et svart hull. Således er Planck partikler så kompakte at de har blitt til svarte hull.
Planck-partikler har egenskaper som er lik Planck-konstantene for masse og størrelse. En partikkel av denne art vil veie så mye som Planck-massen (10 ganger protonens masse) og være ekstremt liten (10 ganger protonens diameter). Dette gjør Planck-partikkelen ekstremt tett.
Disse rare partiklene er interessante for fysikere. I begynnelsen ble de bare innført i ligninger som en måte å utdype dimensjonene til resultatet. Nå er de interessante fordi de kan holde nøkkelen til å gjøre kvantemekanikk og generell relativitet jobbe sammen.
Kosmologer er også interessert i Planck-partikler fordi de kanskje har eksistert i stor overflod i tidlig univers. Ved å inkludere Planck-partikkelen i kosmologiske modeller har forskere vært i stand til å fastslå at den tidlige forfall av Planck-partikler kan ha resultert i de observerte egenskapene til partiklene i universets era.
1 negativ masse
De fleste er kjent med ideen om en antipartikkel, som har motsatt ansvar for sin normale følgesvenn. For eksempel har et elektron en -1-ladning og dets antipartikkel, positronen, har en +1-kostnad. Teoretiske fysikere har utvidet denne ideen til masse og postulert et nytt sett med partikler som har motsatt masse av våre normale partikler.
Dette er et ganske rart konsept. Hvis du hadde en masse på 1 kilo, ville samme mengde negativt materiale være -1 kilo. Antiparticles har positive masser, men motsatte kostnader. Negativ saken er i en egen liga. Hvis det foreligger negativt materiale, vil det bidra til å løse noen av de mest interessante problemene i fysikken. For eksempel vil det føre til forening av generell relativitet og kvantemekanikk.
Fysikere undersøker negativt materiale fordi det vil tillate mennesker å oppdage måter å reise universet på. Generell relativitet sier at negativt materiale ville avvise alt annet, både negativt og positivt. Således, hvis negativ materiell kunne utnyttes, ville det tillate mennesker å strekke mellom tid og muligens åpne ormhull gjennom hvilke skip kunne reise.
Forskere utfører også negativ masseforskning fordi det kan hjelpe oss å forstå pilen av tid og noen av de mer forvirrende konseptene om sorte hull. Negativ sak kan også brukes til å lage et plasma som vil absorbere tyngdekraftbølger. Dessverre er det langt unna å lage negativt materiale, men det er klart at disse nye subatomiske partiklene kunne revolusjonere vitenskap og romreiser.