Wissenschaftler erstellt eine revolutionäre Karte aller Kräfte im Universum

Es gibt einige Möglichkeiten, die Teilchen im Standardmodell der Teilchenphysik zu visualisieren. Die Methode, die nur die fundamentalen Teilchen in einem Periodensystem zeigt, ist möglicherweise die gebräuchlichste -- jedoch ignoriert sie Verbindungen, was einer der Gründe dafür istdem Standardmodell fehlt noch eine geordnete Visualisierung.

Wie wir eine bessere Visualisierung erreichen können, hat Wissenschaftler seit Jahren verwirrt, und 2005 hat der Teilchenphysiker Chris Quigg vom Fermi National Accelerator Laboratory in Illinois die "Doppelsimplex" Darstellung, um Menschen mit den bekannten Teilchen der Natur vertraut zu machen.

Im Jahr 2020, Quanta-Magazin übernahm Quiggs Schema und nahm weitere Modifikationen vor, um das zu erreichen, was sie "eine neue Karte aller Teilchen und Kräfte" nennen.

Bevor wir jedoch in die "Doppelsimplex"-Darstellung eintauchen, schauen wir uns das Periodensystem der Standardmodellteilchen an, um die Teilchenphysik besser zu verstehen:

In diesem Format werden Materieteilchen, die Fermionen genannt werden, und Kraftträger, die Bosonen genannt werden, in zwei Hauptspalten unterteilt. Fermionen werden weiter in zwei Untergruppen, die Quarks und Leptonen genannt werden, und Bosonen werden in Untergruppen, die Vektor- und Skalarbosonen genannt werden, unterteiltFermionen werden auch aufgrund ihrer Massen in drei Generationenspalten unterteilt.

Partikelgruppen erklärt:

Wir müssen untersuchen, was jede dieser Gruppen bedeutet und wie sie sich unterscheiden, bevor wir darüber sprechen, wie sie in einer Tabelle angeordnet werden könnten. Beginnen wir mit Fermionen. Ein wichtiges Merkmal von Fermionen heißt „Spin“, und es bleibt entweder übrig-händig oder rechtshändig. Händigkeit ist beim Gruppieren wichtig, weil sie beeinflusst, wie bestimmte Teilchen miteinander interagieren, und weil es seltsamerweise kein rechtshändiges Neutrino gibt!

Die erste Untergruppe in Fermionen sind Quarks. Die erste Generation von Quarks, Up- und Down-Quarks genannt, bilden die Atomkerne, und sie sind wie alle Quarks geladen. Das Up-Quark hat +2/3 und das Down-Quark hat-1/2 der Gesamtladung eines Protons. Diese Quarks können entweder links- oder rechtshändig sein. Während sich die linkshändigen Top- und Bottom-Quarks durch Emission oder Absorption eines W-Bosons ineinander umwandeln können, tun es rechtshändige Quarksnicht ineinander übergehen!

Quarks haben auch eine Eigenschaft namens „Farbladung“. Dies hat nichts mit normaler Farbe zu tun, sondern ist nur ein Maß dafür, wie sie mit der starken Kraft interagieren. Quarks unterschiedlicher Farbe binden sich, indem sie Gluonen emittieren oder absorbieren,das Trägerteilchen der starken Kraft. Die Gluonen haben auch eine Farbladung, d.h. Gluonen wechselwirken neben Quarks auch mit sich selbst.

Die zweite Gruppe in Fermionen sind Leptonen. Es gibt zwei Arten: Elektronen und Neutrinos. Genau wie linkshändige Auf- und Ab-Quarks können sich linkshändige Elektronen und Neutrinos über die schwache Kraft ineinander umwandeln. Wie bereits erwähnt,ein rechtshändiges Neutrino ist noch zu entdecken.Im Gegensatz zu Quarks haben Leptonen keine Farbladung, spüren daher die starke Kraft nicht.Auch wie bei Bosonen wandelt sich keines der rechtshändigen Leptonen ineinander umüber die schwach geladene Wechselwirkung.

Lasst uns nun unsere Diskussion auf Bosonen umstellen, die die Kraftträger aller bekannten Kräfte außer der Gravitation sind. Wir haben bereits darüber gesprochen, wie starke und schwache geladene Wechselwirkungen auftreten können. Was wir bisher übersehen haben, sind die elektromagnetischenWechselwirkung, schwache neutrale Wechselwirkung und der Higgs-Mechanismus.

Die vielleicht bekannteste aller dieser Kräfte ist die elektromagnetische Kraft, und die Faustregel ist einfach: Wenn ein Teilchen geladen ist, spürt es die elektromagnetische Kraft. Die Wechselwirkung wird vom Photon getragen und verursacht keine Transformationvon Teilchen, nur eine Kraft.

Die schwache neutrale Wechselwirkung, die vom Z^0-Boson getragen wird, bewirkt im Gegensatz zur schwachen geladenen Wechselwirkung keine Teilchenumwandlung, sondern nur eine Impuls- oder Energieänderung, also nur eine KraftDie schwachen neutralen und elektromagnetischen Wechselwirkungen ähneln sich sehr, und dies ist nicht überraschend, da sie einst eine einzige Kraft waren, die als elektroschwache Kraft bezeichnet wurde. Die Trennung dieser Kräfte geschah, als das Universum synchron mit dem Auftreten eines Feldes abkühlteHiggs-Feld genannt, dessen Anregungen dem Higgs-Boson entsprechen.

Dieses Feld soll Teilchen Masse geben. Eine vereinfachte Erklärung dieses Prozesses lautet so: Wenn sich ein Teilchen mit Masse durch den Raum bewegt, wechselwirkt es ständig über das Higgs-Boson mit dem Higgs-Feld. Diese Wechselwirkungen entsprechenzu Impuls- und Händigkeitsänderungen im Partikel, wodurch sich das Partikel anfühlt, als würde es sich durch ein gefülltes Medium bewegen. Diese verlangsamen das Partikel, und dieser Bewegungswiderstand wird als Masse wahrgenommen.

Nun, das letzte Puzzleteil sind die Fermionengenerationen. Wir haben bereits über die ersten Generationen von Quarks und Leptonen gesprochen. Die zweite und dritte Generation sind nur die schwereren Cousins ​​​​dieser Teilchen. Die Charm- und Top-Quarks sind schwerere Cousins ​​​​des Up-Quarks, und die Strange- und Bottom-Quarks sind die schwereren Cousins ​​des Down-Quarks. Die gleiche Analogie gilt für Myon und Tau und ihre Neutrino-Gegenstücke. Myon- und Tau-Teilchen sind schwerere Cousins ​​​​der Elektronen und Myon-Neutrinos undTau-Neutrinos sind die Teilchen, die Sie erhalten, wenn sich ein linkshändiges Myon oder Tau über die schwache geladene Wechselwirkung umwandelt.

Es sollte beachtet werden, dass es einen Unterschied zwischen Leptonen und Quarks gibt, wie sie sich über die schwache Wechselwirkung transformieren: Quarks können sich zwischen Generationen umwandeln, während dies bei Leptonen nicht beobachtet wurde.

Chris Quiggs Karte

Schließlich können wir über die von Chris Quigg entworfene Karte sprechen. Die Karte ist unterteilt in rechts- und linkshändige Fermionen, Bosonen, die die als Linien gezeigten Wechselwirkungen tragen, dreieckige Bereiche zwischen verschiedenen Farben von Quarks diese Bereiche repräsentieren die Gluonen unddie Gluon-Wechselwirkungen zwischen den Gluonen und das Higgs-Boson, das in der Mitte sitzt, gibt den Teilchen Masse.

Die schwach geladenen Wechselwirkungen W-Boson, die Fermionen ineinander umwandeln, sind mit orangen geraden Linien dargestellt. Beachten Sie, dass diese Linien sowie Neutrinos auf der rechten Seite nicht zu sehen sind. Die schwachen neutralen Wechselwirkungen Z^0-Boson werden mit orangefarbenen Wellenlinien dargestellt.

Die elektromagnetischen Wechselwirkungen Photon sind mit weißen Wellenlinien dargestellt. Higgs-Wechselwirkungen Higgs-Boson sind in gelben gestrichelten Linien dargestellt. Und die starken Wechselwirkungen Gluonen sind in den schattierten Dreiecksbereichen dargestellt.

Während das klassische Periodensystem der Elementarteilchen eine einfache und prägnante Visualisierung bietet, zeigt diese von Quigg entworfene Karte die komplizierten Beziehungen und Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Teilchen sowie die Bedeutung der Händigkeit detaillierter, was sie zu einem hervorragenden visuellen Lernwerkzeug macht.