Een duizelingwekkende reeks deeltjes, krachten en velden dicteert de subatomaire basis voor alles wat we zien.
Paul Sutter is astrofysicus aan de Ohio State University en de hoofdwetenschapper aan het COSI science center. Sutter is ook gastheer van "Ask a Spaceman" en "Space Radio" en leidt AstroTours over de hele wereld. Sutter droeg dit artikel bij aan Space.com's Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Om een echt vreemd land vol wonder en mysterie te bezoeken, hoef je niet door een magische kast te sluipen, op een vliegend wezen te rijden dat niet in staat zou moeten zijn om roekeloos door een portaal naar een andere dimensie te vliegen of springen. Nee, het enige wat je hoeft te doen is je deeltjesversneller openen en naar beneden, naar beneden, naar beneden kijken.
Op subatomair niveau is de ware verscheidenheid en pracht van de natuur volledig te zien, met een duizelingwekkende reeks van deeltjes, krachten en velden die allemaal zoeven en suizen, geregeerd door bijna ondoorgrondelijke natuurwetten. Maar in plaats van een chaotische puinhoop te creëren, produceren al hun gecompliceerde interacties op de een of andere manier de reguliere, geordende, patroonvormige macroscopische wereld die we kennen. [Strange Quarks en Muons, oh my! Nature's Tiniest Particles Dissected (Infographic)]
Men kan begrijpen dat die kleine wereld gescheiden is in een strikte hiërarchie, met duidelijke lijnen tussen de heersers en de heersers, tussen degenen die comfortabel in hun stabiele kastelen zitten en de nederige boeren die het werk echt gedaan krijgen. De interacties tussen de verschillende bewoners zijn vastgelegd in onveranderlijke regels: er is plaats voor iedereen en iedereen heeft een plaats.
Kom, laten we op bezoek komen.
Het is goed om de koning te zijn
Centraal staan allemaal de meest massieve stabiele deeltjes: de up en down quarks. Door hun lange levensduur kunnen ze zich verbinden tot bijna onneembare forten: de nucleon-kastelen die bekend staan als protonen en neutronen. Maar het zijn niet de quarks zelf die het werk doen om deze nucleonische citadellen te behouden. In feite is de gecombineerde massa van alle quarks in een nucleon veel kleiner dan de massa van een proton of neutron.
In plaats daarvan zijn de op en neer quarks doordrenkt met een speciaal vermogen dat niet bekend is bij de andere deeltjes in het rijk. Ze kunnen de sterke kernkracht voelen. Dat is veruit de krachtigste kracht, die de quarks zo intens aan elkaar verlijmt dat een enkele nooit afzonderlijk kan worden gezien. Die interactie vormt de onzichtbare ruggengraat van onze macroscopische wereld. We nemen protonen en neutronen als vanzelfsprekend aan - zo stevig bouwen ze hun kasteelmuren. En hun massa is vooral te danken aan de sterkte van hun interne nucleaire banden, in plaats van aan de individuele quarks.
De sterke atoomkracht stopt niet op het niveau van protonen en neutronen. De lijm die de quarks aan elkaar bindt, waardoor ze over alle andere deeltjes heersen, is zo dominant dat het een paar van deze kastelen samen kan verzamelen in een stevig fort dat bekend staat als een atoomkern. Hoewel deze structuur niet onneembaar is zoals de protonen en neutronen zelf, vereist het omverwerpen van een kern nog steeds een enorme inspanning.
Maar ondanks al hun dominerende kracht is het bereik van de ondeugdelijke greep van de quarks beperkt tot hun specifieke kasteel en de nabije omgeving. Dat komt omdat de sterke kracht, ondanks al zijn kracht, ernstig beperkt is in bereik. Dit is wat de grootte bepaalt van de forten, kastelen en kastelen die we identificeren als de kern van onze wereld. [7 vreemde feiten over quarks]
De velden zwoegen
Buiten dat beperkte bereik houden de quarks hun domeinen onder controle en communiceren ze met elkaar via de koninklijke boodschappers - de fotonen. Die snelvoetige gezanten springen van plaats naar plaats in het universum, worden nooit moe en dragen de elektromagnetische kracht - elektriciteit, magnetisme en zelfs licht zelf - naar elk deeltje dat een elektrische lading heeft. Deze invloed strekt zich uit over de hele kosmos, maar hoe verder je van de bron verwijderd bent, hoe zwakker het effect.
Deze elektromagnetische binding houdt de ondergeschikten van de subatomaire wereld op één lijn, en terwijl de quarks hun dagen doorbrengen in het relatieve comfort van hun veilige en afgelegen kasteelkastelen, vertrappen platgetreden 'boeren' - elektronen - al het werk om de rijke variaties te maken van chemische reacties mogelijk. Dat klopt - het zijn de arme, onfatsoenlijke elektronen die voor hun quark-meesters wegzwaaien. Gebonden aan de kern door elektromagnetisme - maar meestal verhinderd door de regels van de kwantummechanica - worden elektronen uitgewisseld tussen atomen, wat ons de chemie geeft die bijna alles over ons dagelijks leven mogelijk maakt.
De heersende quarks zullen met plezier een nederig elektron uit een naburig domein verhandelen, stelen en lenen, en hun bewegingen vormgeven met hardhandig aandringen van de fotonen - zonder zich zorgen te maken over hun individuele hoop, dromen of ambities (vrijelijk door het universum stromend, rond magnetisch velden enzovoort).
Op de loer in de schaduw
Maar niet alle deeltjes in het universum worden onder de duim van de despotische quarks gehouden. Sommigen kunnen vrij door het universum stromen, zonder de sterke kracht te voelen en nors blikken veilig te negeren van passerende fotonen: de neutrino's. Deze spookachtige deeltjes kunnen zich in het volle zicht verbergen, zo bruisend dat we decennia lang dachten dat ze helemaal massaal waren.
Neutrino's zijn er in drie soorten, de elektron-neutrino, muon-neutrino en tau-neutrino, maar ze zijn zo goed vermomd dat je nooit zeker weet welke je bekijkt. Terwijl ze reizen, kunnen ze door de maskers die ze dragen fietsen en hun identiteit veranderen met het gemak van een doorgewinterde spion. Hun maskers bepalen hoe ze (af en toe) omgaan met de rest van de deeltjes in het heelal: een elektronenneutrino zal bijvoorbeeld alleen deelnemen aan reacties met elektronen.
Maar vanwege de ondeugende aard van neutrino's, kan een proces dat een bepaalde smaak van dit deeltje genereert niet altijd in omgekeerde volgorde worden uitgevoerd om de oorspronkelijke variëteit opnieuw te vangen - het zijn verwisselde identiteiten.
Maar ondanks al hun trucs en uitvluchten zijn neutrino's niet immuun voor invloed van de domeinen van de quarks. Maar om dat soort effect te laten optreden, zijn de speciale krachten vereist. Enige deeltjes genaamd W- en Z-bosonen, dragers van de zwakke kernkracht, zijn de enigen die kunnen communiceren met de guitige neutrino's. In sommige gevallen slagen bosonen erin om neutrino's om te zetten in meer conforme wezens, zoals elektronen.
Zelfs dan is het een gelukkige kans: meestal ontsnappen de stiekeme neutrino's zonder scot.
Maar de vaardigheden van die W- en Z-bosonen, de geheime black-ops-jagers van de deeltjeswereld, reiken verder dan alleen de zeldzame neutrino-ontmoeting. Ze hebben ook bijna exclusieve toegang tot het binnenste heiligdom van het nucleonfort en kunnen het ene soort quark in een ander veranderen. Mocht een neutron ontsnappen uit de veiligheid van een atoomkern, dan kunnen deze speciale bosonen dat deeltje omzetten in een stabieler proton.
Buiten het rijk
Dit geeft natuurlijk niet het volledige beeld van de subatomaire wereld. Het hele standaardmodel, ons portret van die kleine wezens en al hun bemoeizuchtige interacties is veel groter en complexer dan in een paar alinea's kan worden opgenomen. En hoewel het standaardmodel een triomf van de moderne natuurkunde is, in de loop van decennia pijnlijk aan elkaar is geplakt, met veeleisende voorspellingen en nauwkeurige experimenten, is het ook een onvolledig beeld van onze wereld.
Ten eerste omvat het de zwaartekracht niet, wat op dit moment het best kan worden beschreven door de eveneens onvolledige algemene relativiteitstheorie. Er zijn ook de slepende kosmologische vragen over de aard van donkere materie en donkere energie, waar het traditionele standaardmodel over zwijgt (omdat die verschijnselen pas onlangs werden ontdekt). Er is meer: de massa van de neutrino, de hiërarchie van de strijdkrachten enzovoort.
Maar hoewel verre van volledig, en misschien een beetje onbevredigend in zijn kauwgom-en-duct-tape-benadering voor het modelleren van de fysieke wereld, is het standaardmodel ongelooflijk nuttig. Het kan met verbazingwekkende nauwkeurigheid de bewegingen en bewegingen van die subatomaire bewoners en al hun snode plannen voorspellen.
Lees meer door te luisteren naar de aflevering "Who Lives in the Particle Zoo?" op de podcast "Ask a Spaceman", beschikbaar op iTunes en op internet op http://www.askaspaceman.com. Met dank aan Alessandro M., Roger, Martin N., Daniel C. en @PoZokhr voor de vragen die tot dit stuk hebben geleid! Stel je eigen vraag op Twitter met #AskASpaceman of door Paul @PaulMattSutter en facebook.com/PaulMattSutter te volgen.
