Size parçacık fiziği hakkında gösterecek on soru
Binlerce yıldır insanlar en temel iki soruyu düşünüyor:
Dünya neyden yapılmıştır?
Maddeyi sıkıca birbirine bağlayan nedir?
Sürekli olarak iki soru üzerine düşünmemizin nedeni, cevapların sadece bizimle yakından ilişkili olmaması, aynı zamanda evrenin şekillenmesinin arkasındaki yasaları anlamanın anahtarıdır.
Parçacık fiziği tam da böyle bir disiplindir, her şeyi oluşturan temel parçacıkları ve bu parçacıkların nasıl etkileşime girdiğini inceler. Bilim tarihinde, parçacık fiziği çalışması en büyük, en karmaşık ve en karmaşık deneyleri içerir. Pratik uygulamalar perspektifinden bakıldığında, parçacık fiziği, katı hal fiziğinden tıbbi teşhise ve dağıtılmış hesaplamaya kadar her yönüyle uygulanmıştır.
Parçacık fiziği sadece evren anlayışımızı değiştirmedi, aynı zamanda diğer bilim, eğitim ve yaşam kalitesine de önemli katkılarda bulundu. (Resim kaynağı: Sandbox Studio, Chicago)
Şimdi, takip eden on soruyla parçacık fiziğinde bir keşif yolculuğuna çıkalım!
1. Temel parçacıklardan az önce bahsetmiştim, "temel" teriminin özel bir anlamı var mı?
"Dediğimizde temel parçacık "Ne zaman Artık daha küçük partiküllerden yapılamayan partiküller . Temel parçacıklar iki kategoriye ayrılır: Fermiyonlar (Fermion) ve Bozon (Bozon).
Günlük hayatta kendimiz dahil gördüğümüz her şeye atom oluşmaktadır. Demokritos, iki bin yıldan fazla bir süre önce, maddenin bölünmez atomlardan oluştuğunu öne sürdü. Ancak Thomson, ilk modern atom modelini önerdiği 1897 yılına kadar elektronları keşfetti.
Şekil 1: Thomson atom modeli: Küresel bir atom pozitif yüklerle doldurulurken, negatif yüklü elektronlar kuru üzüm gibi içlerine gömülüdür. (Resim kaynağı: Benjamin)
Kısa süre sonra, deneyciler atomun iç yapısını "soymaya" çalıştılar ve atomun aslında son derece küçük ama pozitif yüklü yoğun bir şekilde yapıldığını görünce şaşırdılar. Çekirdek Ve çekirdeğin etrafında negatif yüklü elektronik oluşmaktadır.
Kısa süre sonra fizikçiler çekirdeğin pozitif yüklü olduğunu keşfetti Proton Ve şarjsız nötron oluşmaktadır. Ancak bu, fizikçilerin daha temel olasılıkları keşfetmeye devam etmesini engellemedi.Sonuç olarak, proton ve nötronların aslında daha küçükler tarafından üretildiğini keşfettiler. Kuark oluşmaktadır!
Atomun yapısı: Orta çekirdek proton ve nötronlardan oluşurken, protonlar ve nötronlar daha küçük kuarklardan oluşur ve çekirdek elektronlarla çevrilidir. (Resim kaynağı: CERN)
Bildiğimiz kadarıyla, Kuarklar ve leptonlar (Elektronik gibi) en temel olanıdır. Tüm kuarklar ve leptonlar temel fermiyonlardır. Tüm parçacıklar var Çevirmek (Parçacıkların içsel özellikleri ilişkilidir ancak klasik mekaniğin açısal momentumuna denk değildir), Fermiyonların dönüşleri yarım tam sayılardır (1/2, 3/2 ...) Ve hepsi takip eder Fermi-Dirac İstatistikleri (İstatistiksel mekanikte, Pauli'nin dışlama ilkesini karşılayan çok sayıda fermiyondan oluşan bir sistemde farklı kuantum durumlarındaki parçacıkların istatistiksel yasasını tanımlamak için kullanılır).
Fermiyonlar: Solda yukarı (u), aşağı (d), tılsım (c), tek (s), alt (t) ve üst (b) olmak üzere üç nesil kuark vardır; sağda üç kuşak lepton vardır: elektron (e), Mezonlar ve tau mezonlar ve bunlara karşılık gelen nötrinolar (). (Resim kaynağı: Sandbox Studio, Ana Kova ile Chicago)
Öte yandan, sözde Bozon ,Evet Spin bir tam sayıdır (0, 1, 2 ..) Parçacıklar ve gözlemleyin Bose-Einstein İstatistikleri (Fermiyonların aksine, bozonlar belirli bir enerji seviyesinde sonsuz sayıda parçacığı tutabilirler, bu nedenle bunlar Bose-Einstein istatistiksel dağılımına uyan parçacıklardır). Bozonlar şunları içerir: Foton, W bozonu, Z bozonu, gluon, Higgs bozonu (Daha sonra bahsedilecektir). Bu parçacıklara Taşıyan parçacıklar , Temel kuvvetleri ileten orta parçacıklardır . Her bozon tipi dört temel kuvvetten biriyle ilişkilidir, örneğin elektromanyetik kuvvet fotonlar tarafından iletilir.
Şekilde gösterilen bozonlar şunlardır: gluon (g), Higgs bozonu (H), W bozonu ve foton (). (Resim kaynağı: Sandbox Studio, Ana Kova ile Chicago)
Basitçe ifade etmek gerekirse, bu kuvvet taşıyan parçacıklar, iki parçacık arasındaki habercilerdir. Temel kuvvet, deneysel verilerle güçlü bir şekilde desteklenen kuvvet taşıyan parçacıkların değişimi ile üretilir.
Temel kuvvet, taşıyıcı parçacıkların değişimi yoluyla üretilir. (Resim kaynağı: Sandbox Studio, Ana Kova ile Chicago)
Bu temel parçacıklar çok, çok küçük, ne kadar küçükler? Eğer ilgileniyorsanız, şunu okumanızı öneririm: "Kaç tane temel parçacık var?" ".
2. Yukarıda bahsedilen temel güçler, biraz daha açıklayabilir misiniz? Bazen temel kuvvetler hakkında makaleler okurum, bazen de temel etkileşimler görüyorum İkisi arasında bir fark var mı?
Geçen yüzyılın çabaları sayesinde, fizikçiler doğada dört temel kuvvet olduğunu ve tüm kuvvetlerin bu dört temel kuvvet olarak özetlenebileceğini keşfettiler. Örneğin, günlük yaşamda aşina olduğumuz sürtünme, manyetizma, yerçekimi, nükleer bozulma vb. Hepsi bu dört temel kuvvetten birinden kaynaklanır.
Dört temel kuvvet: Yerçekimi, Elektromanyetizma, Güçlü ve Zayıf. (Resim kaynağı: Bir Seferde Bir Evren)
Dört kuvvet, güç eşitsizliğine göre düzenlenirse, bunlar Güçlü nükleer güç (Çekirdekleri birbirine bağlamak), Elektromanyetik güç (Pusulanın kuzeyi göstermesine neden olur), Zayıf nükleer güç (Bize enerji sağlayabilen güneştir) ve yerçekimsel (Elmanın yere düşmesine neden olur). Aracı parçacıkları gluonlar, fotonlar, W ± / Z bozonları ve hayali gravitonlardır.
Büyük birleşik teori: Üç temel kuvvet, yüksek enerji altında birleşecektir. (Resim kaynağı: CERN)
Fizikçilerin uzun zamandır değer verdiği arzusu, bu dört temel kuvveti birleştirmektir. Yüksek enerji altında, elektromanyetik kuvvet ve zayıf nükleer kuvvet gerçekten de Elektro zayıf kuvvet . Bazı fizikçiler, daha yüksek enerjilerde - şu anda deneylerde elde edebileceğimizin çok ötesinde - güçlü nükleer kuvvet, zayıf nükleer kuvvet ve elektromanyetik kuvvetin "büyük birleşik" kuvvet olarak birleşeceğine inanıyor. Böyle bir teoriye " Büyük birleşik teori "(BAĞIRSAK).
Birçok fizikçi de istediği zaman "temel kuvvetleri" ve "temel etkileşimleri" kullanır. Kesin olarak konuşursak, kuvvet, bir parçacığın varlığının başka bir parçacığı etkilemesidir ve parçacıkların etkileşimi onu etkileyen tüm kuvvetleri ve parçacığın yaşayabileceği bozulma ve yok oluşu içerir. Bu nedenle "etkileşim" kullanımı daha doğrudur. Genellikle her ikisini de istediğiniz zaman kullanabilirsiniz, ancak aralarındaki farkı hatırlamanız gerekir.
3. Fizikçiler bu parçacıkları keşfetmek için hangi araçları kullanıyor?
Bu parçacıkları keşfetmek için iki sorunla karşılaştık:
Bu parçacıkların yapısını keşfetmek için ışığı kullanamayız çünkü ışığın dalga boyu çok uzun.
Fizikçilerin incelemek istediği büyük parçacıklar nasıl üretilir?
Bu iki sorunu çözmek için fizikçilerin Parçacık hızlandırıcı .
Fizikçiler bu parçacıkların yapısını keşfetmek için ışığı kullanamazlar çünkü ışığın dalga boyu çok uzun. Fizikçilerin en küçük parçacıkları görebilmek için mümkün olan en küçük dalga boyuna sahip parçacıklara ihtiyaçları vardır. Bununla birlikte, doğadaki çoğu parçacık nispeten uzun bir dalga boyuna sahiptir. Fizikçiler, parçacıkların dalga boyunu prob haline gelmeleri için nasıl azaltabilirler? Tüm parçacıkların dalga-parçacık ikiliği denen dalga özelliklerine sahip olduğu gerçeğini hatırlamalıyız. Enerji ve frekans orantılı olduğundan, enerji ve dalga boyu ters orantılıdır. Bu nedenle, parçacıklar hızlandırıcıda daha yüksek enerjiye hızlandırıldığında, dalga boyu atoma nüfuz edecek kadar küçüktür.
Kütle ve enerjinin denkliği: E enerjiyi, m kütleyi ve c ışık hızını temsil eder.
O halde Einsteinın Özel görelilik . Bu teorinin en derin kavrayışı, kütle ve enerjinin birbiriyle değiştirilebileceğinin keşfidir.Bir nesnenin hızı ışık hızına ne kadar yakınsa kütlesi o kadar büyük olur. Sonuç, hızlandırıcıdaki parçacıklar ışık hızına ne kadar yakın hızlandırılırsa, enerjileri o kadar yüksek olur. Bu şekilde çok sayıda kararsız ve büyük kütleli parçacık oluşturulabilir ve özellikleri incelenebilir.
4. Dünyadaki en büyük parçacık hızlandırıcı hangisidir? Hızlandırıcıdaki çeşitli parçacıklar nasıl tespit edilir?
Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi (CERN) Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) Dünyadaki en güçlü parçacık hızlandırıcısıdır. İki proton ışınını çok yüksek enerjilere kadar hızlandırır, 27 kilometrelik bir yörüngede sürekli olarak hızlanır ve onlarla çarpışır. Çarpışmalar herhangi bir yerde meydana gelmez, ancak dedektörlerle çevrili sabit çarpışma noktalarıdır.
Büyük Hadron Çarpıştırıcısı LHC. (Resim kaynağı: Wikipedia)
En ünlü ve en büyük iki parçacık dedektörü ATLAS ve CMS'dir. Bu ikisine ek olarak LHCb, ALICE, TOTEM, MoEAL ve LHCF bulunmaktadır. Hepsinin farklı parçacıkları bulmak ve incelemek için farklı görevleri var.
Tipik bir modern dedektör dört ana bileşenden oluşur: İzleme, E-M Kalorimetre, Hadron Kalorimetre ve Müon Odaları. Her bileşen, aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi farklı parçacıkları tespit etmekten sorumludur:
ATLAS dedektörü. (Resim kaynağı: ATLAS)
Yukarıdaki şekildeki noktalı çizgi, Nötrino gibi detektörün algılayamadığı parçacıkları temsil eder, çünkü nötrino temelde parçacıklarla etkileşmez. Nötrinoların varlığını yalnızca madde veya enerji eksikliğinden çıkarabiliriz.
Önlemler:
-
Elektronlar ve protonlar gibi yüklü parçacıklar yalnızca izleme odalarında ve elektromanyetik kalorimetrelerde tespit edilebilir.
-
İzleme odasında, nötronlar ve fotonlar gibi nötr parçacıkları tespit edemiyoruz. Ancak dedektörlerle etkileşime girdiklerinde varlıklarını algılayabiliriz. Fotonlar elektromanyetik kalorimetrelerle tespit edilebilir ve nötronlar hadron kalorimetrelerde gözlemlenebilir.
-
Her parçacığın detektörde kendine özgü davranışı vardır. Örneğin, bir fizikçi bir parçacığı yalnızca elektromanyetik kalorimetrede algılarsa, algılanan parçacık bir foton olmalıdır.
5. Başka tür hızlandırıcılar var mı?
LHC toroidal bir hızlandırıcıdır ve Amerika Birleşik Devletleri'nin Göreli Ağır İyon Çarpıştırıcısı (RHIC) iyi bilinen bir diğeridir.
Üç farklı parçacık hızlandırıcı: senkrotron, siklotron ve doğrusal hızlandırıcı. (Resim kaynağı: Sandbox Studio, Ana Kova ile Chicago)
Ancak dairesel hızlandırıcılara ek olarak, doğrusal hızlandırıcılar gibi başka hızlandırıcı türleri de vardır. Hem Çin hem de Japonya, yeni nesil büyük çarpıştırıcılar yapmayı planlıyor.
6. Parçacıkları incelemenin başka yolları var mı?
Elbette, hızlandırıcıda parçacık oluşturmanın yanı sıra, patlayan yıldızlar veya kara delikler gibi uzaydan gelen birçok astronomik fenomen vardır. Örneğin, güneş ışınımına ek olarak çok sayıda nötrino da yayar. Dünyada nötrinoları yakalayan birçok büyük ölçekli deney vardır, ancak nötrinolar ve madde arasındaki etkileşim çok zayıftır, bu nedenle tespit edilmesi son derece zordur. Nötrinoların incelenmesi "yeni fizik" e yol açabilir (bkz. Soru 10 ) Atılım noktası.
Çin'in Daya Körfezi nükleer reaktör nötrino deneyi. Deney ekibi, nötrino salınımlarını tespit ettiği için 2016 Ulusal Doğa Bilimleri Ödülü'nü kazandı. (Resim kaynağı: Wikipedia)
7. Bu parçacıkların arkasındaki teorinin neye benzediğini bilmek istiyorum.
Şimdiye kadar gördüğünüz tek şey temel parçacıklar ve bunların hepsinin hatırlanması kolay. Bu temel parçacıklar, nötronlar ve protonlar gibi birçok bileşik parçacık ve yüzlerce başka parçacık oluşturabilir.
Bu parçacıkları ve etkileşimlerini tanımlayan teori denir Parçacık Fiziğinin Standart Modeli . Genellikle standart modele atıfta bulunurken, şöyle bir resim göreceksiniz:
Standart model: Altı kuark, altı lepton ve bozon içerir. (Resim kaynağı: CERN)
Standart model üç grup içerir: SU (3), SU (2) ve U (1). Her grup kanonik bir etkileşimi temsil eder. Güçlü etkileşim için gösterge grubu SU (3) ve elektrozayıf etkileşim için gösterge grubu SU (2) × U (1). Bu nedenle standart model aynı zamanda SU (3) × SU (2) × U (1) . Standart modelin arkasındaki matematiksel formül şuna benzer:
Standart modelin Lagrangian miktarı L bu denkleme eşittir ....... (Resim kaynağı: T.D. Gutierrez)
Bu denklem hakkında daha fazla bilgi edinmek istiyorsanız, "Basit ve Güzel Standart Model Denklemi" ni okuyabilirsiniz.
8. 2012 yılında, bilim adamları LHC'de Higgs bozonunu buldular Higgs bozonu nedir? Bozon, bunun bir güç olduğu anlamına mı gelir?
1960'larda Standart Model yavaş yavaş bir araya getirildi, ancak teorik fizikçiler temel parçacıkların neden farklı kütlelere sahip olduğunu açıklayamadıklarını buldular.
1964'te, üç farklı grup (Higgs, Brout, Englert, Guralnik, Hagen ve Kibble dahil) bir çözüm önerdi ve sorun yeni bir alan getirilerek çözülebilir. Altı kişi tarafından keşfedilmiş olmasına rağmen, genellikle sadece Higgs Alanı . Higgs alanıyla ilişkili parçacıklar Sıfır dönüşlü Higgs bozonu . Aşağıda, temel parçacıkların Higgs alanı aracılığıyla nasıl kütle elde ettiklerini anlamak için üç karikatür kullanıyoruz:
(Resim kaynağı: CERN)
Bir grup fizikçi bir kokteyl partisinde toplandı ve sanki alan Higgs alanıyla doluymuş gibi sessizce konuştular.
(Resim kaynağı: CERN)
Bir noktada, Einstein aniden partiye girdi ve kalabalığın içinden geçtiğinde küçük bir kargaşaya neden oldu ve hayranları ona yaklaştı.
(Resim kaynağı: CERN)
Odaya girmeden önce Einstein özgürce hareket edebiliyordu. Ancak fizikçilerle dolu bir partiye girdiğinde hızı yavaşladı ve hayranları hareket etmesini zorlaştırdı. Yani kalite kazandı. Bu, Higgs alanıyla etkileşerek kütle kazanan kütlesiz bir parçacık gibidir.
Ayrıca bir önceki soruda her bozonun temel kuvvetlerle ilgili olduğundan bahsetmiştik. Higgs bozonu yeni bir güç mü ifade ediyor? Bu araştırmaya değer bir sorudur.
Bir alanın kuvvet üretmesi için üç koşulun karşılanması gerekir: Alanın açık ve kapalı olması; tercih edilen bir yönü olması; ayrıca çekebilmesi veya itebilmesi gerekir.
Genellikle Higgs alanı ilk ikisini karşılamaz - her zaman açıktır ve tercih edilen yönü yoktur. Ancak Higgs bozonunun varlığı nedeniyle, alan teorik olarak kuvvetin üretilmesine izin verecek şekilde rahatsız olacaktır. Buna Higgs kuvveti diyelim.
Ancak bu gücün evrende oynadığı rol hala bir muamma. Higgs alanının kararlı madde üretmek için gerekli olduğunu biliyoruz. Ancak bildiğimiz kadarıyla Higgs kuvveti ille de gerekli değildir.
Higgs kuvveti, karanlık maddenin varlığı veya madde ile antimadde arasındaki asimetri için çok önemli olabilir. Hala detayları bilmiyoruz. 2012'de Higgs bozonunun ilk keşfi sadece bir başlangıç. Bu nedenle, LHC'nin şu anda ana hedeflerinden biri daha fazla Higgs bozonu keşfetmek ve özelliklerini daha derinlemesine incelemektir.
9. Parçacık fiziğinin Standart Modeli hakkında cevaplanmamış herhangi bir soru var mı?
Örneğin çok var:
-
nedir Karanlık madde ? ("Karanlıkta Işığı Arıyor" yazabilir)
-
Sıra sorusu : Yerçekimi neden diğer temel kuvvetlerden çok daha zayıf?
-
Nötrino içermeyen çift beta bozunması arıyor : Nötrinolar kendi antiparçacıkları mıdır?
-
Güçlü CP sorunu : Neden sadece zayıf nükleer güç eşitliğin korunmasını ihlal ederken ona benzer güçlü nükleer güç olmuyor?
-
Baryon asimetrisi : Teoride, Big Bang sırasında aynı miktarda madde ve antimadde üretilmelidir, ancak bugün gördüğümüz evren neden esas olarak maddeden oluşuyor? ("Neden hepimiz maddeden yaratıldık? Karşımadde değil mi?" Okuyabilirsiniz)
-
Protonlar bozunacak mı?
ve daha fazlası.
10. Sık sık "yeni fizik" in ne anlama geldiğini söyleyen makaleler görüyorum.
"Yeni fizik" genellikle Standart Modelin ötesine geçen teorileri ifade eder.Standart Modelin başarısını kopyalamaya ek olarak, bu teoriler Standart Modelin cevaplayamayacağı soruları da açıklamalıdır. Bu tür birçok teori var. En saygın olanlardan biri süpersimetri teorisidir. Süpersimetri birçok sorunu (karanlık madde ve hiyerarşi sorunları gibi) açıklayabilmesinin yanı sıra, fizikçiler bunun LHC tarafından doğrulanabileceğine inanırlar (ayrıntılar için bkz. "Süpersimetrinin Yükselişi ve Düşüşü").
Kanıtlanmamış yeni teorilere ek olarak, bazı fizikçiler umutlarını nötrinolara bağlıyor. Standart modelde nötrinoların kütlesi yoktur. Bununla birlikte, deneylerde nötrinoların çok küçük bir kütleye sahip olduğunu bulduk, bu şimdiye kadar bulunan ve standart modeli aşan sağlam deneysel kanıta sahip olan tek fenomendir.
İlgili okuma: "On Soru, Sicim Teorisini Tanıyın", "On Soru, Kuantum Mekaniğini Tanıyın"
