Một loạt các hạt, lực và trường chóng mặt quyết định cơ sở hạ nguyên tử cho mọi thứ chúng ta thấy.
Paul Sutter là nhà vật lý thiên văn tại Đại học bang Ohio và là nhà khoa học trưởng tại trung tâm khoa học COSI. Sutter cũng là người dẫn chương trình "Ask a Spaceman" và "Space Radio" và dẫn dắt AstroTours trên toàn thế giới. Sutter đã đóng góp bài viết này cho Chuyên gia lên tiếng của Space.com: Op-Ed & Insights.
Để đến một vùng đất thực sự kỳ lạ đầy bí ẩn và bí ẩn, bạn không cần phải lén lút qua một chiếc tủ ma thuật, cưỡi một sinh vật bay không thể bay hoặc nhảy một cách liều lĩnh qua một cánh cổng vào một chiều không gian khác. Không, tất cả những gì bạn phải làm là mở máy gia tốc hạt của bạn và nhìn xuống, xuống, xuống.
Ở cấp độ hạ nguyên tử, sự đa dạng và huy hoàng thực sự của thiên nhiên được thể hiện đầy đủ, với một loạt các hạt, lực và trường chóng mặt, tất cả đều rít lên và quay cuồng, bị chi phối bởi các định luật vật lý gần như khó hiểu. Tuy nhiên, bằng cách nào đó, thay vì tạo ra một mớ hỗn độn, tất cả các tương tác phức tạp của chúng tạo ra một thế giới vĩ mô thường xuyên, có trật tự, khuôn mẫu mà chúng ta quen thuộc. [Quark và Muons lạ, Oh My! Các hạt nhỏ nhất của tự nhiên được mổ xẻ (Infographic)]
Người ta có thể hiểu rằng thế giới nhỏ bé được phân tách thành một hệ thống phân cấp chặt chẽ, với những ranh giới rõ ràng giữa những người cai trị và người bị trị, giữa những người ngồi thoải mái trong lâu đài ổn định của họ và những người nông dân thấp kém thực sự hoàn thành công việc. Sự tương tác giữa các công dân khác nhau được đặt trong đá theo quy tắc bất di bất dịch: Có một nơi dành cho tất cả mọi người, và mọi người đều có một nơi.
Hãy đến, hãy ghé thăm.
Làm vua thật tốt
Ở trung tâm của tất cả là các hạt ổn định lớn nhất: các quark lên và xuống. Tuổi thọ của chúng cho phép chúng liên kết với nhau thành những pháo đài gần như bất khả xâm phạm: các lâu đài nucleon được gọi là proton và neutron. Nhưng đó không phải là các quark tự làm công việc duy trì các thành trì hạt nhân này. Thật vậy, khối lượng kết hợp của tất cả các quark trong một nucleon nhỏ hơn nhiều so với khối lượng của một proton hoặc neutron.
Thay vào đó, các quark lên và xuống được thấm nhuần một khả năng đặc biệt mà các hạt khác trong vương quốc không biết đến. Họ có thể cảm thấy lực hạt nhân mạnh mẽ. Đó là lực lượng mạnh nhất, gắn kết các quark mạnh mẽ đến mức một người duy nhất không bao giờ có thể được nhìn thấy trong sự cô lập. Sự tương tác đó tạo thành xương sống vô hình của thế giới vĩ mô của chúng ta. Chúng ta coi các proton và neutron là đương nhiên - đó là cách họ kiên cố xây dựng các bức tường lâu đài của mình. Và khối lượng của chúng chủ yếu là do sức mạnh của các liên kết hạt nhân bên trong của chúng, chứ không phải là các quark riêng lẻ.
Lực hạt nhân mạnh không dừng lại ở mức độ của proton và neutron. Chất keo kết dính các hạt quark lại với nhau, tạo cho chúng sự thống trị trên tất cả các hạt khác, chiếm ưu thế đến mức nó có thể tập hợp một vài trong số các lâu đài này lại với nhau thành một pháo đài vững chắc được gọi là hạt nhân nguyên tử. Trong khi cấu trúc này không thể bất khả xâm phạm như chính các proton và neutron, việc lật đổ một hạt nhân vẫn đòi hỏi nỗ lực to lớn.
Tuy nhiên, đối với tất cả sức mạnh độc đoán của họ, tầm với của tay cầm giống như quark bị giới hạn trong lâu đài đặc biệt của họ và môi trường xung quanh. Đó là bởi vì lực mạnh, với tất cả sức mạnh của nó, bị giới hạn nghiêm trọng trong phạm vi. Đây là những gì thiết lập kích thước của pháo đài, lâu đài và giữ cho chúng ta xác định là hạt nhân của thế giới của chúng ta. [7 Sự thật kỳ lạ về Quark]
Làm ruộng
Ngoài phạm vi giới hạn đó, các quark giữ cho miền của chúng được kiểm tra và liên lạc với nhau thông qua các sứ giả hoàng gia - các photon. Những đặc phái viên nhanh nhẹn nhảy từ nơi này sang nơi khác trong vũ trụ, không bao giờ mệt mỏi, mang theo lực điện từ - điện, từ tính và thậm chí là ánh sáng - đến bất kỳ hạt nào có điện tích. Ảnh hưởng này trải dài trên toàn bộ vũ trụ, mặc dù tất nhiên, bạn càng ở xa nguồn, hiệu ứng càng yếu.
Liên kết điện từ này giữ cho các thuộc hạ của thế giới hạ nguyên tử thẳng hàng, và trong khi các quark dành cả ngày để nhàn rỗi trong sự thoải mái tương đối của lâu đài an toàn và kín đáo của họ, những "nông dân" đột ngột - điện tử - làm tất cả công việc tạo ra các biến thể phong phú các phản ứng hóa học có thể. Điều đó đúng - đó là những người nghèo, bỏ qua các điện tử làm nô lệ cho các bậc thầy quark của họ. Bị ràng buộc vào hạt nhân bằng lực điện từ - nhưng thường bị ngăn cản thực sự xâm nhập bởi các quy tắc của cơ học lượng tử - các electron được trao đổi giữa các nguyên tử, cho chúng ta hóa học làm cho hầu hết mọi thứ về cuộc sống hàng ngày của chúng ta đều có thể.
Các quark cầm quyền sẽ vui vẻ trao đổi, đánh cắp và mượn một điện tử khiêm tốn từ một lãnh thổ lân cận, định hình các chuyển động của chúng bằng những cú đấm mạnh tay từ các photon - mà không quan tâm đến những hy vọng, ước mơ hay tham vọng cá nhân của chúng (truyền tự do trong vũ trụ, cuộn quanh từ tính các lĩnh vực và như vậy).
Lẩn khuất trong bóng tối
Nhưng không phải tất cả các hạt trong vũ trụ đều được giữ dưới ngón tay cái của các quark tuyệt vọng. Một số có thể truyền tự do khắp vũ trụ, không cảm nhận được lực mạnh và bỏ qua những tia sáng chắc chắn từ bất kỳ photon đi qua nào: neutrino. Những hạt ma quái này có thể ẩn mình trong tầm nhìn rõ ràng, sủi bọt đến nỗi trong nhiều thập kỷ, chúng tôi nghĩ rằng chúng hoàn toàn không có khối lượng.
Neutrino có ba loại, neutrino electron, muon-neutrino và tau-neutrino, nhưng chúng được ngụy trang rất tốt đến nỗi bạn không bao giờ chắc chắn mình đang xem cái nào. Khi họ đi du lịch, họ có thể đạp xe qua những chiếc mặt nạ họ đeo, chuyển đổi danh tính với sự dễ dàng của một điệp viên dày dạn kinh nghiệm. Mặt nạ của chúng xác định cách chúng (đôi khi) tương tác với phần còn lại của các hạt trong vũ trụ: Chẳng hạn, một neutrino electron sẽ chỉ tham gia vào các phản ứng liên quan đến electron.
Nhưng do bản chất tinh nghịch của neutrino, một quá trình tạo ra hương vị đặc biệt của hạt này không thể luôn luôn chạy ngược lại để bắt lại giống ban đầu - đó là nhận dạng đã được chuyển đổi.
Tuy nhiên, bất chấp mọi thủ đoạn và sự khuất phục của họ, neutrino không tránh khỏi ảnh hưởng từ các miền của quark. Nhưng để loại hiệu ứng đó xảy ra, các lực lượng đặc biệt được yêu cầu. Các hạt chuyên gia được gọi là boson W và Z, chất mang của lực hạt nhân yếu, là những hạt duy nhất có thể giao tiếp với các neutrino lởm chởm. Trong một số trường hợp, boson quản lý để chuyển đổi neutrino thành các sinh vật tuân thủ nhiều hơn, như điện tử.
Ngay cả sau đó, đó là một cơ hội may mắn: Hầu hết thời gian, các neutrino lén lút đều không có scot.
Nhưng bộ kỹ năng của các boson W và Z đó, những chiến binh đen tối bí mật của thế giới hạt, mở rộng hơn nữa chỉ là cuộc chạm trán neutrino không thường xuyên. Họ cũng có quyền truy cập gần như độc quyền vào khu bảo tồn bên trong của pháo đài hạt nhân và có thể thay đổi một loại quark thành một loại quark khác. Nếu một neutron thoát ra khỏi sự an toàn của hạt nhân nguyên tử, những boson đặc biệt này có thể biến đổi hạt đó thành một proton ổn định hơn.
Bên ngoài vương quốc
Tất nhiên, điều này không đưa ra bức tranh đầy đủ về thế giới hạ nguyên tử. Toàn bộ Mô hình Chuẩn, chân dung của chúng ta về những sinh vật nhỏ bé đó và tất cả các tương tác bận rộn của chúng lớn hơn và phức tạp hơn nhiều so với có thể được chứa trong một vài đoạn. Và mặc dù Mô hình Chuẩn là một chiến thắng của vật lý hiện đại, được chắp vá một cách đau đớn trong suốt nhiều thập kỷ, với những dự đoán chính xác và thử nghiệm chính xác, đó cũng là một bức tranh không hoàn chỉnh về thế giới của chúng ta.
Đối với một, nó không bao gồm lực hấp dẫn, mà ngay bây giờ được mô tả tốt nhất bởi lý thuyết tương đối tổng quát cũng chưa hoàn chỉnh. Ngoài ra còn có các câu hỏi vũ trụ học kéo dài về bản chất của vật chất tối và năng lượng tối, mà Mô hình Chuẩn truyền thống im lặng (vì những hiện tượng này chỉ mới được phát hiện gần đây). Còn nữa: khối lượng neutrino, thứ bậc của các lực lượng và vân vân.
Nhưng trong khi chưa hoàn thành, và có lẽ một chút không thỏa mãn trong cách tiếp cận nhai kẹo cao su và băng keo để mô hình hóa thế giới vật lý, Mô hình Chuẩn cực kỳ hữu ích. Nó có thể dự đoán với độ chính xác đáng ngạc nhiên các chuyển động và chuyển động của những người hạ nguyên tử đó và tất cả các âm mưu bất chính của họ.
Tìm hiểu thêm bằng cách nghe tập "Ai sống trong sở thú hạt?" trên podcast "Hỏi một Spaceman", có sẵn trên iTunes và trên web tại http://www.askaspaceman.com. Cảm ơn Alessandro M., Roger, Martin N., Daniel C. và @PoZokhr vì những câu hỏi dẫn đến tác phẩm này! Đặt câu hỏi của riêng bạn trên Twitter bằng cách sử dụng #AskASpaceman hoặc bằng cách theo dõi Paul @PaulMattSutter và facebook.com/PaulMattSutter.
