10 Theoretische deeltjes die alles zouden kunnen verklaren

Eeuwenlang heeft de mensheid zich ingegraven in de mysteries rond de exacte samenstelling van het universum. De oude Grieken waren de eersten die veronderstelden dat er atomen waren, waarvan zij dachten dat ze de kleinste deeltjes in het universum waren - de 'bouwstenen' van alles. Al ongeveer 1500 jaar was dat het meest dat we over materie wisten. Toen, in 1897, verliet de ontdekking van het elektron de wetenschappelijke wereld in een puinhoop. Net zoals moleculen van atomen waren gemaakt, leken de atomen nu hun eigen ingrediënten te hebben.

En hoe dieper we keken, hoe meer de antwoorden door onze vingertoppen leken te schieten, altijd buiten bereik. Zelfs protonen en neutronen - de bouwstenen van atomen - zijn gemaakt van steeds kleinere stukjes die quarks worden genoemd. Elke ontdekking lijkt alleen maar meer vragen op te roepen. Zijn tijd en ruimte slechts bundels en clusters van kleine geladen kruimels te klein om zelfs maar te zien? Misschien - maar dan nog, deze tien theoretische deeltjes kunnen alles verklaren. Als we ze daadwerkelijk zouden kunnen vinden:

10

strangelets

Laten we beginnen met iets dat het dichtst in de buurt komt van wat we al weten - quarks. Er is meer dan één type quark: zes, om precies te zijn. "Omhoog" en "omlaag" quarks zijn de meest voorkomende soorten, en deze zijn wat ingebouwd in de protonen en neutronen van atomen. "Vreemde" quarks zijn echter niet zo gewoon. Wanneer vreemde quarks combineren met op en neer quarks in gelijke aantallen, creëren ze een deeltje dat een strangelet wordt genoemd, en strangelets zijn de onregelmatige fragmenten die zich in vreemde materie nestelen.

Nu, volgens de vreemde materie-hypothese, worden strangelets in de natuur geschapen wanneer een massieve neutronenster - een in hoge mate ineenstortende ster - zoveel druk bouwt dat de elektronen en protonen in de kern samensmelten en vervolgens verder ineenzakken tot een soort van dichte quark bubble, wat we rare materie noemen. En aangezien grote strangelets theoretisch kunnen bestaan ​​buiten die hoge druk centrum-van-een-ster-omgevingen, is het waarschijnlijk dat ze van die sterren weg zijn gedreven naar andere zonnestelsels - inclusief die van onszelf.

En hier wordt het gek: als deze dingen zouden bestaan, zou een grote strangelet de kern van een atoom kunnen omzetten in een ander strangelet door ermee in botsing te komen. De nieuwe strangelet kan dan botsen met meer kernen, ze in meer strangelets in een kettingreactie omzetten, totdat alle materie op aarde in vreemde materie was omgezet. In feite moest de Large Hadron Collider-faciliteit een persbericht uitbrengen waarin stond dat het onwaarschijnlijk was dat ze per ongeluk strangelets zouden creëren die de planeet zouden kunnen vernietigen. Dat is hoe serieus de wetenschappelijke gemeenschap de kwestie van de strangelets neemt.

9

Sparticles

De theorie van supersymmetrie stelt dat elk deeltje in het universum een ​​tegenovergesteld tweelingdeeltje heeft - bekend als een supersymmetrisch deeltje of spodop. Dus voor elke quark die er is, is er een zuster - een squark - die er een perfecte symmetrie mee deelt. Voor elk foton is er een fototoestel. En zo verder voor alle eenenzestig bekende elementaire deeltjes. Dus als er zoveel zijn, waarom hebben we het dan niet ontdekt? ieder van deze sparticles al?

Hier is de theorie: in de deeltjesfysica vervallen zwaardere deeltjes sneller dan lichtere deeltjes. Als een deeltje zwaar genoeg wordt, breekt het bijna onmiddellijk af zodra het is gemaakt. Dus ervan uitgaande dat de spikicles ongelofelijk zwaar zijn, zouden ze in een oogwenk afbreken, terwijl hun superpartners - de deeltjes die we kunnen zien en waarnemen - voortleven. Dit zou ook kunnen verklaren waarom er zo veel materie in het universum bestaat, maar een kostbare kleine donkere materie, omdat de spartikels donkere materie kunnen bevatten en bestaan ​​in een veld dat tot nu toe niet waarneembaar is.

8

antideeltjes

Materie is gemaakt van deeltjes - en op dezelfde manier is antimaterie gemaakt van antideeltjes. Dit is allemaal logisch, toch? Antiparticles hebben dezelfde massa als normale deeltjes, maar een tegenovergestelde lading en een tegenovergesteld hoekmoment (spin). Het klinkt als de supersymmetrie theorie, maar in tegenstelling tot deeltjes, gedragen antideeltjes zich net als deeltjes - zelfs opbouwend in anti-elementen, zoals antiwaterstof. In principe heeft alle materie overeenkomstige antimaterie.

Of dat zou het tenminste moeten zijn. Dat is het probleem - er is genoeg stof in de buurt, maar antimaterie komt gewoon niet echt overal tevoorschijn. (Met uitzondering van de Large Hadron Collider-volledige openbaring zijn antideeltje gevonden en zijn deze niet langer theoretisch).

Tijdens de oerknal hadden er evenveel deeltjes en antideeltjes moeten zijn geweest. Het idee is dat alle materie in het universum op dat moment is gemaakt. Dus standaard moest alle antimaterie tegelijkertijd worden gemaakt. Eén theorie is dat er andere delen van het universum worden gedomineerd door antimaterie. Alles wat we kunnen zien, zelfs de meest verre sterren, is meestal materie. Maar ons zichtbare universum zou slechts één klein deel van het universum kunnen zijn, terwijl antimaterieplaneten en -zonnen en melkwegstelsels zwermen in een andere sfeer van het universum, zoals tegengestelde geladen elektronen en protonen die rond elkaar draaien in een atoom.

7

gravitonen

Op dit moment zijn antideeltjes een enorm probleem in de huidige theorieën over deeltjesfysica. Wil je horen over een ander probleem? Zwaartekracht. Vergeleken met andere krachten, zoals elektromagnetisme, is de zwaartekracht zwakker dan niezen door een vuistgevecht. Het lijkt ook van aard te veranderen op basis van de massa van een object. Zwaartekracht is gemakkelijk te observeren in planeten en sterren, maar haal het naar het moleculaire niveau en het lijkt te doen wat het wil. En daarnaast heeft het zelfs geen deeltje om het te dragen, zoals de fotonen die licht dragen.

Dat is waar de graviton binnenkomt. De graviton is het theoretische deeltje dat de zwaartekracht soortelijk zou laten passen in hetzelfde model als elke andere waarneembare kracht.Omdat zwaartekracht een zwakke trekkracht uitoefent op elk object, ongeacht de afstand, zou het massaloos moeten zijn. Maar dat is niet het probleem - fotonen zijn massaal en ze zijn gevonden. We zijn zo ver gegaan om de exacte parameters te definiëren waar een graviton in zou moeten passen, en zodra we een deeltje - elk deeltje - vinden dat overeenkomt met die parameters, hebben we een graviton.

Het vinden van het zou belangrijk zijn omdat, vanaf nu, de algemene relativiteit en kwantumfysica onverenigbaar zijn. Maar op een bepaald nauwkeurig energieniveau, bekend als de Planck-schaal, stopt de zwaartekracht met het volgen van relativiteitsregels en glijdt het in kwantumregels. Dus het oplossen van het zwaartekrachtprobleem zou de sleutel kunnen zijn tot een verenigde theorie.

6

Graviphotons

Er is nog een ander theoretisch zwaartekrachtdeeltje en het is absoluut prachtig. De gravifoton is een deeltje dat zou worden gecreëerd wanneer het zwaartekrachtveld in een vijfde dimensie wordt geëxciteerd. Het komt van de Kaluza Klein-theorie, die voorstelt dat elektromagnetisme en zwaartekracht verenigd kunnen worden in een enkele kracht onder de voorwaarde dat er meer dan vier dimensies zijn in ruimtetijd. Een gravifoton zou de kenmerken van een graviton hebben, maar het zou ook de eigenschappen van een foton dragen en creëren wat natuurkundigen een "vijfde kracht" noemen (er zijn momenteel vier fundamentele krachten).

Andere theorieën stellen dat een gravifoton een superpartner (zoals een spicel) van gravitonen zou zijn, maar dat deze tegelijkertijd zou aantrekken en afstoten. Door dat te doen, zouden gravitonen theoretisch anti-zwaartekracht kunnen creëren. En dat is alleen in de vijfde dimensie - de theorie van superzwaartekracht stelt ook het bestaan ​​van gravifotonen, maar staat voor elf dimensies.

5

Preons

Waar zijn quarks van gemaakt? Eerst en vooral, laten we een idee van schaal krijgen. De kern van een gouden atoom heeft negenenzeventig protonen. Elk proton is gemaakt van drie quarks. De breedte van de kern van dat goudatoom is ongeveer acht femtometers breed. Dat is acht miljoenste van een nanometer, en een nanometer is al een miljardste van een meter. Laten we het er dus over eens zijn dat quarks klein zijn en beseffen dat preons-sub-quark deeltjes zo oneindig klein moeten zijn dat er op dit moment geen schaal is die hun grootte kan meten.

Er zijn andere woorden die worden gebruikt om de theoretische bouwstenen van quarks te beschrijven, waaronder primons, subquarks, quinks en tweedles, maar 'preon' is over het algemeen de meest geaccepteerde. En preons zijn belangrijk, want op dit moment zijn quarks een fundamenteel deeltje - ze zijn zo laag als je kunt gaan. Als ze samengesteld zouden zijn of uit andere stukken zouden bestaan, zou dit de deur naar duizenden nieuwe theorieën kunnen openen. Bijvoorbeeld, één theorie zegt op dit moment dat de ongrijpbare antimaterie van het universum zich feitelijk in preons bevindt, en daarom heeft alles stukjes antimaterie erin opgesloten. Volgens deze theorie ben je zelf een deel antimaterie - je kunt het gewoon niet zien omdat de materiestukken zich in grotere blokken nestelen.

4

tachyonen

Niets komt dichterbij het overtreden van de bekende relativiteitswetten dan van een tachyon. Het is een deeltje dat sneller beweegt dan het licht, en als het bestond, zou het suggereren dat de lichtsnelheidsbarrière ... nou ja, niet langer een barrière is. In feite zou het betekenen dat de snelheid die we kennen als de snelheid van het licht het middelpunt zou zijn - net zoals normale deeltjes oneindig langzaam kunnen bewegen (helemaal niet bewegend), een tachyon die aan de andere kant van de barrière aanwezig is, zou in staat om oneindig snel te bewegen.

Vreemd genoeg zou hun relatie tot de snelheid van het licht worden weerspiegeld. Om het simpel te zeggen, wanneer een normaal deeltje versnelt, neemt de energiebehoefte ervan toe. Om de lichtsnelheidsbarrière daadwerkelijk te doorbreken, zou zijn energiebehoefte tot in het oneindige stijgen - het zou oneindige energie nodig hebben. Voor een tachyon, hoe langzamer het gaat, hoe meer energie het nodig heeft. Terwijl het vertraagt ​​en de snelheid van het licht van de andere kant nadert, worden zijn energiebehoeften oneindig. Maar wanneer het versnelt, nemen de energievereisten af, totdat het helemaal geen energie nodig heeft om met een oneindige snelheid te bewegen.

Zie het als een magneet - je hebt een magneet op een muur geplakt en een andere in je hand. Als je je magneet met de polen in de richting van de muur duwt, wordt je magneet afgestoten. Hoe dichter je het legt, hoe harder je moet duwen. Stel je nu voor dat aan de andere kant van de muur een andere magneet is, die hetzelfde doet. De muurmagneet is de snelheid van het licht, en de twee magneten zijn tachyonen en normale deeltjes. Dus zelfs als tachyons zouden bestaan, zouden ze voor altijd gevangen zitten aan de andere kant van een barrière die we zelf niet kunnen passeren. Hoewel we vergeten zijn te vermelden dat ze technisch kunnen worden gebruikt om berichten naar het verleden te sturen.

3

strings

Bijna alle deeltjes waar we tot nu toe over gesproken hebben, worden puntdeeltjes genoemd; quarks en fotonen bestaan ​​als een enkel punt - een heel klein stipje, als je wilt - met nul dimensies. Snaartheorie suggereert dat deze elementaire deeltjes helemaal geen punten zijn - het zijn snaren, eendimensionale deeltjesstrengen. In de kern is snaartheorie een Theorie van Alles die erin slaagt naast de zwaartekracht en de kwantumfysica samen te bestaan ​​(gebaseerd op wat we nu weten, die twee kunnen fysiek niet in dezelfde ruimte bestaan ​​- de zwaartekracht werkt niet in het kwantum niveau).

Dus in brede zin is snaartheorie eigenlijk een kwantumtheorie van de zwaartekracht. En ter vergelijking: snaren vervangen voortonen als de bouwstenen van quarks, terwijl op hogere niveaus alles hetzelfde blijft. En in de snaartheorie kan de snaar veranderen in alles op basis van de vorm. Als de string een open streng is, wordt deze een foton. Als de uiteinden van diezelfde snaar verbinden en een lus vormen, wordt het een graviton - op dezelfde manier dat hetzelfde stuk hout een huis of een fluit kan worden.

Er zijn eigenlijk meerdere snaartheorieën en interessant genoeg voorspelt elke theorie een ander aantal dimensies. De meeste van deze theorieën stellen dat er tien of elf dimensies zijn, terwijl Bosonische snaartheorie (of superstringtheorie) niet minder dan zesentwintig vereist. In deze andere dimensies zou de zwaartekracht een gelijke of grotere sterkte hebben dan andere fundamentele krachten, wat verklaart waarom het zo zwak is in onze drie ruimtelijke dimensies.

2

Branes

Als je echt een verklaring van de zwaartekracht wilt, moet je kijken naar de M-theorie of de membraantheorie. Membranen of branen zijn deeltjes die meerdere dimensies kunnen omvatten. Een 0-braan is bijvoorbeeld een puntvormige braan die bestaat in nul dimensies, zoals een quark. Een 1-braan heeft één dimensie, een tekenreeks. Een 2-braden is een tweedimensionaal membraan, enzovoort. Hoger dimensionale branen kunnen elke grootte hebben - leidend tot de theorie dat ons universum echt één groot braan is met vier dimensies. Die laag, ons universum, is slechts een stuk van een multidimensionale ruimte.

En wat de zwaartekracht betreft, onze vierdimensionale braan kan het niet eenvoudigweg bevatten, dus de zwaartekrachtsergie lekt in andere branen wanneer deze ze passeert in de multidimensionale ruimte; we hebben alleen de dribbels van wat er nog over is, en dat is waarom het zo zwak lijkt in vergelijking met andere krachten.

Dit extrapoleert, is het logisch dat er veel branes door deze oneindige ruimte branes in een oneindige ruimte bewegen. En vanaf daar hebben we de multiverse en cyclische universum-theorieën. De laatste stelt dat het universum zichzelf cycli: het breidt zich uit van de energie van de Big Bang, dan trekt de zwaartekracht alles terug naar dezelfde ruimte voor de Big Crunch. Die compressie-energie veroorzaakt weer een Big Bang, het universum stuiterend in een andere cyclus, zoals een cel die het leven in flitst en dan sterft.

1

Goddeeltje

Het Higgs-deeltje, beter bekend als het Goddeeltje, werd voorlopig gevonden op 14 maart 2013 in de Large Hadron Collider (9). Als een beetje achtergrond werd het Higgs-deeltje in de jaren zestig voor het eerst verondersteld als het deeltje dat massa aan andere deeltjes geeft.

Kortom, het Goddeeltje wordt geproduceerd in het Higgs-veld en werd voorgesteld als een manier om uit te leggen waarom sommige deeltjes die massa hadden moeten hebben feitelijk massaloos waren. Het Higgs-veld - dat nog nooit is waargenomen - zou in het hele universum moeten bestaan ​​en de kracht moeten bieden die deeltjes nodig hebben om hun massa te verwerven. En als dat waar zou zijn, zou het enorme hiaten in het standaardmodel opvullen, wat de basisverklaring is van letterlijk alles (behalve, zoals altijd, zwaartekracht).

Het Higgs-deeltje is van vitaal belang omdat het bewijst dat het Higgs-veld bestaat en legt uit hoe energie binnen het Higgs-veld zich als massa kan manifesteren. Maar het is ook belangrijk omdat het een precedent schept; voordat het werd ontdekt, was het Higgs-deeltje slechts een theorie. Het had wiskundige modellen, fysieke parameters die het zouden laten bestaan, hoe het zou moeten draaien - alles. We hadden gewoon geen enkel bewijs van het bestaan ​​ervan. Maar op basis van die modellen en theorieën konden we een specifiek deeltje lokaliseren - het kleinste ding in het bekende universum - dat overeenkwam met alles wat we hadden verondersteld.

Als we het een keer kunnen doen, wie moet dan zeggen dat een van deze deeltjes niet echt kan zijn? Tachyons, strangelets, gravitons-deeltjes die alles wat we over het leven en het universum weten, zouden verschuiven en ons dichter brengen bij het feitelijk begrijpen van de fundamenten van de wereld waarin we leven.

Andrew Handley

Andrew is een freelance schrijver en de eigenaar van de sexy, sexy HandleyNation Content Service. Wanneer hij niet schrijft, is hij meestal wandelen of rotsklimmen, of gewoon genieten van de frisse lucht uit North Carolina.