Elementära partiklar är de minsta kända byggstenarna i universum. De tros inte ha någon intern struktur, vilket innebär att forskare tänker på dem som noll-dimensionella punkter som inte tar något utrymme. Elektroner är förmodligen de mest kända elementära partiklarna, men fysikens standardmodell, som beskriver interaktioner mellan partiklar och nästan alla krafter, känner igen 10 totala elementära partiklar.
Elektroner och relaterade partiklar
Elektroner är de negativt laddade komponenterna i atomer. Medan de tros vara noll-dimensionella punktpartiklar, omges elektroner av ett moln av andra virtuella partiklar som ständigt blinkar in och ut ur existensen, som i huvudsak fungerar som en del av själva elektronen. Vissa teorier har förutspått att elektronen har en något positiv pol och en något negativ pol, vilket innebär att detta moln av virtuella partiklar därför borde vara lite asymmetriskt.
Om detta var fallet, kan elektroner bete sig annorlunda än deras antimateriella dubblar, positroner, vilket potentiellt kan förklara många mysterier om materia och antimateria. Men fysiker har upprepade gånger mätat formen på en elektron och tyckt att den är perfekt rund efter bästa kunskap och lämnar dem utan svar för antimatters svårigheter.
Elektronen har två tyngre kusiner, kallade muon och tau. Muons kan skapas när högenergi kosmiska strålar från det yttre rymden träffar toppen av jordens atmosfär och genererar en dusch av exotiska partiklar. Taus är ännu sällsynta och svårare att producera, eftersom de är mer än 3.400 gånger tyngre än elektroner. Neutrino, elektroner, muoner och taus utgör en kategori grundläggande partiklar som kallas leptoner.
Quarks och deras knäppa
Kvarkar, som utgör protoner och neutroner, är en annan typ av grundläggande partikel. Tillsammans med leptonerna utgör kvarkar de saker vi tänker på som materia.
En gång i tiden trodde forskare att atomer var de minsta möjliga föremålen; Ordet kommer från det grekiska "atomos", vilket betyder "odelbar". Runt sekelskiftet visade sig atomkärnor bestå av protoner och neutroner. Sedan under 50- och 60-talet avslöjade partikelacceleratorerna en mängd exotiska subatomära partiklar, såsom pioner och kaoner.
1964 föreslog fysikerna Murray Gell-Mann och George Zweig oberoende av en modell som kunde förklara protoner, neutroner och resten av partikelzooens inre funktion, enligt en historisk rapport från SLAC National Accelerator Laboratory i Kalifornien. Bor i protoner och neutroner är små partiklar som kallas kvarkar, som finns i sex möjliga typer eller smaker: upp, ner, konstigt, charm, botten och topp.
Protoner är gjorda av två upp kvarkar och en ner kvark, medan neutroner består av två ner och en upp. De upp och ner kvarkarna är de lättaste varianterna. Eftersom mer-massiva partiklar tenderar att förfalla till mindre massiva, är upp- och ned-kvarkarna också de vanligaste i universum; därför utgör protoner och neutroner det mesta av det vi känner till.
År 1977 hade fysiker isolerat fem av de sex kvarkarna i labbet - upp, ner, konstigt, charm och botten - men det var inte förrän 1995 som forskare vid Fermilab National Accelerator Laboratory i Illinois hittade den sista kvarken, toppkvarken. Sökandet efter det hade varit lika intensivt som den senare jakten på Higgs boson. Toppkvarken var så svår att producera eftersom den är ungefär 100 biljoner gånger tyngre än upp kvarkar, vilket betyder att det krävde mycket mer energi att göra i partikelacceleratorer.
Naturens grundläggande partiklar
Sedan finns det de fyra grundläggande krafterna i naturen: elektromagnetism, gravitation och de starka och svaga kärnkrafterna. Var och en av dessa har en associerad grundpartikel.
Fotoner är de mest kända; de bär den elektromagnetiska kraften. Gluoner bär den starka kärnkraften och bor med kvarkar i protoner och neutroner. Den svaga kraften, som medierar vissa kärnreaktioner, bärs av två grundläggande partiklar, W- och Z-bosonerna. Neutrino, som bara känner den svaga kraften och tyngdkraften, interagerar med dessa bosoner, och så fysiker kunde först ge bevis för deras existens med hjälp av neutrino, enligt CERN.
Gravity är en outsider här. Den är inte införlivad i standardmodellen, även om fysiker misstänker att den kan ha en tillhörande grundpartikel, som skulle kallas graviton. Om gravitoner finns kan det vara möjligt att skapa dem vid Large Hadron Collider (LHC) i Genève, Schweiz, men de försvann snabbt i extra dimensioner och lämnar en tom zon där de skulle ha varit, enligt CERN. Hittills har LHC inte sett några bevis på gravitationer eller extra dimensioner.
Den svårfångade Higgs boson
Slutligen finns det Higgs boson, kungen av de elementära partiklarna, som ansvarar för att ge alla andra partiklar deras massa. Jakt på Higgs var en viktig strävan för forskare som strävar efter att komplettera sin katalog med standardmodellen. När Higgs äntligen upptäcktes, 2012, gladde fysiker, men resultaten har också lämnat dem på en svår plats.
Higgs ser ganska mycket ut precis som den förutsågs se ut, men forskare hoppades på mer. Standardmodellen är känd för att vara ofullständig; till exempel saknar det en beskrivning av allvar, och forskare trodde att hitta Higgs skulle hjälpa till att peka på andra teorier som skulle kunna ersätta standardmodellen. Men hittills har de kommit tomma i den sökningen.
Ytterligare Resurser:
