En yrande mängd partiklar, krafter och fält dikterar den subatomära grunden för allt vi ser.
Paul Sutter är en astrofysiker vid Ohio State University och chefsforskare vid COSI Science Center. Sutter är också värd för "Ask a Spaceman" och "Space Radio" och leder AstroTours runt om i världen. Sutter bidrog med denna artikel till Space.com: s expertröster: Op-Ed & Insights.
För att besöka ett verkligt konstigt land fullt av förundran och mysterium, behöver du inte smyga igenom ett magiskt skåp, rida på en flygande varelse som inte borde kunna flyga eller hoppa hänsynslöst genom en portal till en annan dimension. Nej, allt du behöver göra är att öppna din partikelaccelerator och titta ner, ner, ner.
På den subatomära nivån är naturens sanna variation och prakt fullständigt visad, med en svimlande uppsättning av partiklar, krafter och fält som alla susar och surrar om, styrda av nästan otänkbara fysiklagar. Men på något sätt, snarare än att skapa en kaotisk röra, producerar alla deras komplicerade interaktioner den regelbundna, ordnade, mönstrade makroskopiska världen som vi känner till. [Strange Quarks and Muons, Oh My! Naturens minsta partiklar dissekerade (infographic)]
Man kan förstå den lilla världen som segregeras till en strikt hierarki, med tydliga linjer mellan härskarna och de styrda, mellan de som sitter bekvämt i sina stabila slott och de låga bönderna som faktiskt får arbetet gjort. Samspelet mellan de olika borgarna är stängt av oföränderliga regler: Det finns en plats för alla, och alla har en plats.
Kom, låt oss besöka.
Det är bra att vara kungen
I mitten av allt är de mest massiva stabila partiklarna: de upp och ner kvarkarna. Deras livslängd gör det möjligt för dem att binda samman i nästan impregnerbara fästningar: nukleonslott som kallas protoner och neutroner. Men det är inte själva kvarkarna som gör arbetet med att underhålla dessa nukleoniska citadeller. Faktum är att den kombinerade massan av alla kvarkar i en nukleon är mycket mindre än massan för en proton eller neutron.
Istället är de upp och ner kvarkarna genomsyrade av en speciell förmåga som inte är känd för de andra partiklarna i världen. De kan känna den starka kärnkraften. Det är den överlägset mest kraftfulla kraften, som limmar samman kvarkarna så intensivt att en enda man aldrig kan ses isolerat. Denna interaktion utgör den osynliga ryggraden i vår makroskopiska värld. Vi tar protoner och neutroner för givet - det är så solidt de bygger sina slottväggar. Och deras massor beror främst på styrkan i deras inre kärnkraftsobligationer snarare än de enskilda kvarkarna.
Den starka kärnkraften stannar inte på nivån av protoner och neutroner. Limet som binder samman kvarkarna och ger dem härskning över alla andra partiklar är så dominerande att det kan samla några av dessa slott tillsammans till en robust fästning känd som en atomkärna. Även om denna struktur inte är impregnerbar som protonerna och neutronerna själva, kräver det fortfarande en enorm ansträngning att kasta en kärna.
Men för all deras dominerande kraft är räckvidden för kvarkernas vice-liknande grepp begränsad till deras speciella slott och närliggande omgivningar. Det beror på att den starka kraften, för all sin styrka, är starkt begränsad i räckvidd. Det är detta som sätter storleken på fästningar, slott och behållare som vi identifierar som kärnorna i vår värld. [7 konstiga fakta om kvarkar]
Slita på fälten
Utöver det begränsade intervallet håller kvarkarna sina domäner i schack och kommunicerar med varandra via de kungliga budbärarna - fotonerna. Dessa snabbfotade sändebud hoppar från plats till plats i universumet, aldrig tröttande, bär den elektromagnetiska kraften - elektricitet, magnetism och till och med ljus själv - till alla partiklar som har elektrisk laddning. Detta inflytande sträcker sig över hela kosmos, men ju längre du är från källan, desto svagare är effekten.
Denna elektromagnetiska bindning håller underlänningarna i den subatomära världen i linje, och medan kvarkarna tillbringar sina dagar på tomgång i den relativa komforten i deras säkra och avskilda slotthållare, nedströmda "bönder" - elektroner - gör allt arbete för att göra de rika variationerna av kemiska reaktioner möjligt. Det stämmer - det är de fattiga, otydliga elektronerna som slavar för sina kvarkmästare. Bundet till kärnan genom elektromagnetism - men vanligtvis förhindrad från att faktiskt gå in i reglerna för kvantmekanik - utbyts elektroner mellan atomer, vilket ger oss den kemi som gör nästan allt om våra dagliga liv möjligt.
De härskande kvarkarna kommer lyckligtvis att handla, stjäla och låna en ödmjuk elektron från ett angränsande domän, och forma sina rörelser med kraftigt utsprång från fotonerna - utan att bry sig om deras individuella förhoppningar, drömmar eller ambitioner (strömma fritt genom universum, snurrar runt magnetiska fält och så vidare).
Lurar i skuggorna
Men inte alla partiklar i universum hålls under tummen av de despotiska kvarkarna. Vissa kan strömma fritt över hela universum, inte avkänna den starka kraften och på ett säkert sätt ignorera sura bländningar från några förbipasserande fotoner: neutrinoerna. Dessa spökefulla partiklar kan gömma sig i en enkel syn, så brusande att vi i årtionden trodde att de var helt masslösa.
Neutrino finns i tre typer, elektronneutrino, muon-neutrino och tau-neutrino, men de är så väl förklädda att du aldrig är säker på vilken du tittar på. När de reser kan de cykla igenom maskerna de bär och byta identitet med lättheten av en rutin spion. Deras masker bestämmer hur de (ibland) interagerar med resten av partiklarna i universum: En elektronneutrino deltar bara i reaktioner som involverar till exempel elektroner.
Men på grund av neutrinoernas busiga natur kan en process som genererar en speciell smak av denna partikel inte alltid köras i omvänd riktning för att fånga den ursprungliga sorten igen - det är växlade identiteter.
Trots alla deras tricks och subterfuge är neutrinoer inte immun mot påverkan från kvarkernas domäner. Men för att den typen av effekt ska uppstå krävs specialkrafterna. Expertpartiklar som kallas W- och Z-bosoner, bärare av den svaga kärnkraften, är de enda som kan kommunicera med de skurna neutrinoerna. I vissa fall lyckas bosoner konvertera neutrino till mer kompatibla varelser, som elektroner.
Även då är det en lycklig chans: För det mesta slipper de smygiga neutrinerna skottfria.
Men skicklighetsuppsättningen för dessa W- och Z-bosoner, de hemliga black-ops-kämparna i partikelvärlden, sträcker sig längre än bara det sällsynta neutrino-mötet. De har också nästan exklusiv tillgång till den inre helgen i nukleonfästningen och kan förändra en slags kvark till en annan. Om en neutron flyr från en atomkärnas säkerhet kan dessa speciella bosoner förvandla den partikeln till ett mer stabilt proton.
Utanför riket
Naturligtvis ger detta inte hela bilden av den subatomära världen. Hela standardmodellen, vårt porträtt av de små varelserna och alla deras upptagna kroppsinteraktioner är mycket större och mer komplexa än vad som kan finnas i några få stycken. Och även om Standardmodellen är en triumf för modern fysik, smärtande smärtad under decennier, med exakta förutsägelser och exakta experiment, är det också en ofullständig bild av vår värld.
För det första inkluderar det inte tyngdkraften, som just nu bäst beskrivs av den också ofullständiga allmänna relativitetsteorin. Det finns också de kvarstående kosmologiska frågorna om naturen av mörk materia och mörk energi, som den traditionella standardmodellen tystar på (eftersom dessa fenomen först nyligen upptäcktes). Det finns mer: neutrino-massan, styrkorna hierarki och så vidare.
Men även om det är långt ifrån komplett, och kanske lite otillfredsställande i sin tuggummi-och-kanal-bandmetod för att modellera den fysiska världen, är Standardmodellen oerhört användbar. Den kan förutsäga med häpnadsväckande noggrannhet rörelser och rörelser hos dessa subatomära medborgare och all deras avskyvärda scheming.
Läs mer genom att lyssna på avsnittet "Vem bor i partikelzoo?" på podcasten "Ask a Spaceman", tillgänglig på iTunes och på webben på http://www.askaspaceman.com. Tack till Alessandro M., Roger, Martin N., Daniel C. och @PoZokhr för frågorna som ledde till detta stycke! Ställ din egen fråga på Twitter med #AskASpaceman eller genom att följa Paul @PaulMattSutter och facebook.com/PaulMattSutter.
