10 Vreemde theoretische subatomaire deeltjes

Deeltjesfysica is een van de meest interessante gebieden in de natuurkunde. Hoewel er al veel verschillende deeltjes zijn, blijven onderzoekers nieuwe en opwindende deeltjes postuleren. De meeste van deze nieuwe deeltjes zijn verbonden met het onderzoek naar donkere materie en donkere energie, en natuurkundigen proberen momenteel hun best te doen om ze te ontdekken.

10 Black Hole-elektronen

Foto credit: Alain r

In het begin van de 20e eeuw introduceerde Albert Einstein geavanceerde fysica over zwarte gaten, die zijn theorie van algemene relativiteitstheorie ondersteunde. Een van zijn meest interessante werken was de theorie van een zwart gat-elektron. Zwarte gaten kunnen in verschillende vormen en maten voorkomen, afhankelijk van hoe ze zich vormen. Einstein's zwart gat-elektron was een beoogd zwart gat dat dezelfde grootte en massa had als een elektron.

In de papieren van Einstein besprak hij hoe dit kleine zwarte gat eruit zou zien. Vreemd genoeg zou het dezelfde magnetische eigenschappen ervaren als een normaal elektron. Als iemand ooit een zwart gat-elektron zou hebben waargenomen, zou het eruit zien als een normaal elektron. Verder dan dat, zou het zwart gat-elektron relatief stabiel zijn en de grootte van een elektron blijven gedurende zijn hele leven.

Einsteins werk aan het zwarte gat-elektron werd in zijn tijd geen mainstream onderdeel van de deeltjesfysica, maar recente innovaties in snaartheorie brengen het weer op de voorgrond. Moderne snaartheoretici hebben modellen geconstrueerd die deeltjes als miniatuur zwarte gaten beschouwen. Deze modellen helpen bij het oplossen van computerproblemen die bestaan ​​in de normale fysica, dus het is mogelijk dat Einstein niet te ver weg was.

9 Dark Photon

Onderzoek naar donkere materie is een van de meest besproken gebieden in de moderne deeltjesfysica. Niemand weet precies wat donkere materie is en natuurkundigen stellen voortdurend nieuwe kandidaten voor deze ongrijpbare substantie voor. In 2008 stelde een team van onderzoekers een nieuw type subatomair deeltje voor, het donkere foton. Dit deeltje lijkt een normaal foton, maar zou alleen interageren met donkere materie.

Het donkere foton is de voorgestelde krachtdrager voor de elektromagnetische kracht tussen donkere materie. In plaats van te vertrouwen op het normale foton als krachtmacht, stelden onderzoekers voor dat het donkere foton de interactie is. Om uit te leggen waarom donkere materie onzichtbaar is voor waarneming speculeren natuurkundigen dat een andere fundamentele kracht werkt op donkere materie. Dit "donkere elektromagnetisme" is een meetkundige kracht met een groot bereik maar wordt alleen gemedieerd door het donkere foton.

Hoe vreemd dit ook mag lijken, onderzoekers van deeltjes hadden reden om te geloven dat er donkere fotonen bestonden. Begin jaren 2000 voerden onderzoekers een experiment uit met de naam g-2. Dit experiment probeerde muon (een ander type subatomair deeltje) spin "wiebelt" te meten toen ze door een magnetisch veld gingen.

Tijdens het experiment kwamen de muon-schommels niet overeen met wat het standaardmodel voorspelde. Verdere experimenten werden uitgevoerd op deeltjesversnellers om te zien of de afwijkende metingen het teken van donkere fotonen zouden kunnen zijn. Helaas toonden de resultaten aan dat donkere fotonen niet de boosdoener zijn. Er is nog iets anders.

De g-2 anomalie is nog niet opgelost, hoewel onderzoekers er zeker van zijn dat donkere fotonen niet de schuld zijn. Toch zijn donkere fotonen niet onmogelijk. Ze kunnen in ons universum bestaan.

8 Kameleon Deeltjes

Hoewel donkere materie een enorm mysterie is in de natuurkunde, is duistere energie een nog grotere. Alle metingen en modellen laten zien dat het universum niet alleen uitbreidt, het versnelt ook in toenemende mate. Natuurkundigen weten niet wat de versnelling veroorzaakt, en ontelbare onderzoekers stellen verschillende verklaringen voor voor de "duistere energie" die ons uitbreidend universum creëert. Een van de meest interessante ideeën is het kameleondeeltje.

In theorie zou het kameleondeeltje een vijfde veld bemiddelen in ons universum, het kameleonveld. Het deeltje voor dit veld heeft een verscheidenheid aan oneven eigenschappen. Onderzoekers stellen voor dat het een variabele effectieve massa heeft die verandert met de dichtheid van het gebied van ruimte dat het bewoont.

Hoe groter de effectieve massa, hoe meer kracht het uitoefent. In ons zonnestelsel zou het kameleondeeltje bijvoorbeeld niet waarneembaar zijn, omdat de hoge relatieve dichtheid van ons zonnestelsel het deeltje een extreem zwakke kracht zou laten uitoefenen. Maar in de intergalactische ruimte, die bijna leeg is, zou het kameleondeeltje extreem sterk zijn omdat de dichtheid zo laag is.

Dit voorstel verklaart waarom wetenschappers universele expansie zien. Wetenschappers willen het deeltje echter detecteren. Maar het is moeilijk omdat wetenschappers op Aarde zijn in een dicht deel van het universum waar de kameleonkracht extreem zwak zou zijn.

Een team in Berkeley bouwde een experimenteel apparaat om kameleondeeltjes te detecteren. Hoewel de test niet doorslaggevend was, heeft dit het bestaan ​​van kameleondeeltjes niet uitgesloten. Dus wetenschappers werken aan meer experimenten en instrumenten om deze ongrijpbare deeltjes te detecteren en de aard van donkere energie te ontdekken.

7 steriele neutrino's

Een andere kandidaat voor donkere materie is het steriele neutrino. Normale neutrino's zijn uiterst zwak wisselwerkende deeltjes gevormd in verschillende nucleaire reacties. De drie soorten neutrino's in het standaardmodel zijn goed begrepen. Ze zijn zo zwak in wisselwerking dat wetenschappers naar hen verwijzen als spookdeeltjes.

Steriele neutrino's zijn anders omdat ze alleen interageren via de zwaartekracht. Normale neutrino's (aka actieve neutrino's) ontvangen lading van de zwakke kracht, maar steriele neutrino's zijn volledig niet beïnvloed door een van de subatomaire krachten in het standaardmodel. Het zijn geesten van het spookdeeltje.

Steriele neutrino's zijn een mogelijke kandidaat voor donkere materie. Ze zijn interessant omdat ze buiten het standaardmodel van de deeltjesfysica bestaan ​​door meer neutrino's toe te voegen aan de drie die wetenschappers al kennen.Indien ontdekt, zouden steriele neutrinos wetenschappers dwingen om delen van het standaardmodel opnieuw in te delen. Wat betreft donkere materie, natuurkundigen zijn nog steeds op het hek over de vraag of deze spookachtige deeltjes een goede kandidaat voor zijn.

Maar recente ontdekkingen hebben bewijs geleverd dat er steriele neutrino's zouden kunnen bestaan. Het probleem is dat steriele neutrino's uiterst moeilijk te detecteren zijn omdat ze nauwelijks interageren met andere vormen van materie. Wetenschappers hebben het moeilijk om hun actieve neven en nichten te detecteren, laat staan ​​de steriele versies.

In 2014 ontdekten astronomen vreemde röntgenstralingsemissielijnen van een nabijgelegen sterrenstelsel die binnen de steriele neutrino-theorie pasten. Aan de hand van deze gegevens liet astrofysicus Kevork Abazajian zien dat het steriele neutrino-model de structuur van andere nabije sterrenstelsels kon verklaren. Deze ontdekking is het beste actuele bewijs van steriele neutrino's omdat de ondergrondse detectoren voor actieve neutrino's geen geluk hebben gehad om handtekeningen van dit spookachtige deeltje op te pikken.

6 Axion

Van alle kandidaten die wetenschappers hebben voorgesteld voor koude donkere materie krijgt het axion de meeste publiciteit en interesse. De axion werd voor het eerst voorgesteld om een ​​lastig probleem op te lossen waarbij de sterke kernkracht betrokken was.

In standaardmodelwiskunde bevatten deeltjesfysici bepaalde ingangsvariabelen om de wiskunde te laten werken. Een variabele heeft echter een waarde van bijna nul, waardoor deze niet-waarneembaar is. Toen natuurkundigen die waarde in hun vergelijkingen stopten, bleek dat een van de fundamentele quarks massaloos zou zijn.

Observatie van quarks was in tegenspraak met dit model, dus wetenschappers bedachten een nieuw veld en deeltje om de situatie op te lossen. Dit deeltje is het axion. Het heeft een extreem lage massa, dicht bij één biljoenste van de massa van een elektron.

Ook hebben axions slechts een zwakke wisselwerking met andere materie, maar hebben ze vreemde en speciale interacties met de sterke kernkracht. In theorie zijn deze deeltjes volledig transparant voor licht en hebben ze geen interactie met materie volgens het standaardmodel.

Dit alles maakt de axion een belangrijke kandidaat voor donkere materie. De andere leidende theorie is het WIMP-model (weakly interacting massive particle), dat nieuwe deeltjes voorstelt die veel zwaarder zijn dan het proton en neutron. Axion-modellen hebben een voordeel ten opzichte van de WIMP's omdat ze al deel uitmaken van de kwantumtheorie.

Kosmologische theorieën stellen dat axions 85 procent van de donkere materie in ons universum zouden kunnen uitmaken. De rest zou andere deeltjes zijn. Wetenschappers voeren experimenten uit om deze onzichtbare deeltjes te vinden, maar het zoeken is niet eenvoudig.

5 Dilaton

Het dilaton is een raar deeltje dat wordt voorgesteld door de snaartheorie. Wanneer snaartheoretici werken met de Kaluza-Klein-compactificatietheorieën, is de dilaton een deeltje dat moet bestaan. Maar het zorgt ervoor dat de fundamentele constanten in de natuur fluctueren.

In plaats van dat ons universum constanten heeft zoals de constante van Newton of de constante van Planck, zou de dilaton deze aantallen hebben toegestaan ​​te fluctueren tijdens het vroege universum. Daarna zou de dilaton in waarde bevroren zijn, wat ook de oorzaak was dat de waarden van de fundamentele constanten bevriezen.

Dilatons kunnen vreemd lijken, maar ze zijn cruciaal voor het begrijpen van de kosmologische snaartheorie. Snaartheorie is afhankelijk van de Kaluza-Klein-theorieën, en er is geen manier om de dilaton in die theorieën te negeren. In feite geloven natuurkundigen dat de dilaton een fundamentele scalair is in ons universum, wat betekent dat het onmogelijk is om het te negeren als het bestaat.

Experimenten om de dilaton te detecteren, zijn echter buitengewoon moeilijk uit te voeren. Maar de eigenschappen komen perfect overeen met de eigenschappen van donkere energie. Dus als de snaartheorie correct is, zou de dilaton het aanhoudende mysterie van donkere energie kunnen oplossen.

4 Inflaton

Een van de grootste mysteries van oerknal kosmologie is de inflatoire periode van het universum. In de fractie van een seconde nadat de oerknal begon, kende het universum een ​​exponentiële groei. Uiteindelijk nam die snelle groei af naar het vandaag waargenomen groeipercentage.

Deze inflatoire periode heeft wetenschappers in staat gesteld om de kosmische achtergrond microgolfstraling en andere interessante kenmerken van het universum waar te nemen. Niemand weet echter waarom het universum te maken kreeg met inflatoire expansie of waarom het stopte.

De inflaton is een voorgesteld veld dat zou verklaren waarom het universum is uitgebreid zoals het deed. Zoals elk veld heeft het inflaton een deeltje dat ermee geassocieerd is (ook wel het inflaton genoemd).

De inflaton werkte in een paar basisstappen. Aan het begin van het universum bevond het zich in een hoge energietoestand en ondervond willekeurige kwantumfluctuaties zoals verwacht uit het superdunne baby-universum. Uiteindelijk vestigde het inflaton zich in een lage energietoestand, wat leidde tot een enorme afstotende kracht die de inflaton toeliet terug te keren naar zijn hoge energietoestand. Vreemd genoeg oefent de inflaton deze afstotende kracht niet uit wanneer deze een hoge energie heeft.

Inflaton-theorieën lijken misschien elegant, maar ze worden nog steeds fel bediscussieerd onder natuurkundigen omdat het inflatoire model niet door alle wetenschappers is geaccepteerd. Nieuwe theorieën rond het vroege universum laten echter zien dat het inflatonveld een goede kandidaat is om te beschrijven hoe ons universum er uit zag als het universum. Sommige onderzoekers geloven dat het recent ontdekte Higgs-deeltje het inflatiedeeltje is waarnaar ze hebben gezocht. Mogelijk zijn deze twee deeltjes hetzelfde.

3 Bateman deeltje

Fotocrediet: NASA, ESA, M.J. Jee en H. Ford

Voorgesteld door een team geleid door James Bateman, is dit niet nader genoemde deeltje een andere kandidaat voor een superlicht donker materiedeeltje. Bateman's deeltje is veel zwaarder dan de axion, maar nog steeds slechts een fractie van de massa van een elektron. Net als andere kandidaten voor donkere materie zou het nieuwe deeltje volledig onzichtbaar zijn omdat het niet zou interageren met licht.Het zou echter een wisselwerking hebben met normale materie, en enkele anomalieën rond donkere materie verklaren.

Een interessant kenmerk van dit nieuwe deeltje is dat de interactie met normale materie alleen effectief is over lange afstanden of in sterke zwaartekrachtvelden. Het nieuwe deeltje zou dus totaal onaangetast blijven door de aarde.

Bateman gelooft dat zijn deeltje door de aarde en zijn atmosfeer zou kunnen reizen zonder tegen andere deeltjes te stoten of detecteerbaar te zijn omdat het zo'n kleine massa heeft. Miljoenen deeltjes Bateman kunnen nu door jou heen stromen. Als het deeltje echt is, zou het aantonen dat donkere materie de ruimte veel meer doordringt dan eerder werd gedacht.

Dit niet nader genoemde deeltje is echter zo zwak interactief dat het buitengewoon moeilijk is om een ​​experiment te ontwerpen dat het zou detecteren. Op dit moment is het vonnis nog steeds uit over het bestaan ​​van het Bateman-deeltje. Tot er betere experimenten zijn, blijft het Bateman-deeltje gewoon een interessante mogelijkheid.

2 Planck-deeltjes

Een belangrijke waarde in de kwantummechanica, de Compton-golflengte, is een kenmerk van een deeltje dat afhankelijk is van zijn massa en dat de relatie toont om fotonen te activeren. Als de Compton-golflengte van een deeltje gelijk is aan de Schwarzschild-straal, is het een Planck-deeltje.

De Schwarzschild-radius toont hoe ver je een object kunt comprimeren voordat de zwaartekracht de andere fysieke krachten in het universum overweldigt en een zwart gat creëert. Op die grootte zou de ontsnappingssnelheid van het oppervlak van het object groter zijn dan de lichtsnelheid, wat de bepalende eigenschap is van een zwart gat. Planckdeeltjes zijn dus zo compact dat ze in zwarte gaten zijn veranderd.

Planck-deeltjes hebben kenmerken die gelijk zijn aan de Planck-constanten voor massa en grootte. Een deeltje van deze aard zou evenveel wegen als de Planck-massa (10 maal de massa van het proton) en extreem klein zijn (10 keer de diameter van het proton). Dit maakt het Planck-deeltje extreem dicht.

Deze vreemde deeltjes zijn interessant voor natuurkundigen. Aanvankelijk werden ze zojuist in vergelijkingen geïntroduceerd om de dimensies van het resultaat te berekenen. Nu zijn ze interessant omdat ze de sleutel kunnen vormen tot het samen werken aan kwantummechanica en algemene relativiteit.

Kosmologen zijn ook geïnteresseerd in Planck-deeltjes omdat ze mogelijk in het vroege universum in grote hoeveelheden hebben bestaan. Door het Planck-deeltje in kosmologische modellen op te nemen, hebben onderzoekers kunnen vaststellen dat het vroege verval van Planck-deeltjes kan hebben geleid tot de waargenomen eigenschappen van de deeltjes in ons tijdperk van het universum.

1 Negatieve mis

De meeste mensen zijn bekend met het idee van een antideeltje, dat de tegenovergestelde lading heeft van zijn normale metgezel. Een elektron heeft bijvoorbeeld een lading van -1 en het antideeltje, het positron, heeft een +1 lading. Theoretische fysici hebben dit idee uitgebreid tot massa en gepostuleerd een nieuwe reeks deeltjes die de tegenovergestelde massa van onze normale deeltjes hebben.

Dit is een vrij vreemd concept. Als u een massa van 1 kilogram had, zou dezelfde hoeveelheid negatief materiaal -1 kilogram zijn. Antiparticles hebben positieve massa's maar tegengestelde ladingen. Negatieve zaken staan ​​op zichzelf. Als er negatieve materie bestaat, zou het helpen om enkele van de meest interessante problemen in de natuurkunde op te lossen. Het zou bijvoorbeeld leiden tot het verenigen van de algemene relativiteit en kwantummechanica.

Natuurkundigen onderzoeken negatieve zaken omdat het mensen in staat zou stellen manieren te ontdekken om door het universum te reizen. Algemene relativiteitstheorie stelt dat negatieve materie alle andere materie, zowel negatief als positief, zou afstoten. Dus als negatieve materie zou kunnen worden gebruikt, zou het mensen in staat stellen ruimte-tijd uit te rekken en mogelijk wormgaten te openen waardoor schepen zouden kunnen reizen.

Onderzoekers voeren ook onderzoek naar negatieve massa's uit, omdat dit ons kan helpen de pijl van tijd en enkele van de meer verwarrende concepten over zwarte gaten te begrijpen. Negatieve zaken kunnen ook worden gebruikt om een ​​plasma te maken dat zwaartekrachtgolven absorbeert. Helaas is het creëren van negatieve zaken nog ver weg, maar het is duidelijk dat deze nieuwe subatomaire deeltjes een revolutie teweeg kunnen brengen in wetenschap en ruimtevaart.