Fisika partikel: Fakta tentang partikel elementer yang membentuk alam semesta kita

Fisika partikel adalah studi tentang alam semesta pada skala sekecil mungkin: partikel dan kekuatan paling elementer yang, ketika digabungkan, membentuk segalanya. Anda, bersama dengan semua makhluk hidup lainnya, setiap debu mota dan setiap bintang di langit, terbuat dari partikel fundamental yang sama.

Anda dapat memikirkan partikel seperti sepeda motor kecil debu atau sebutir garam. Namun, ketika fisikawan berbicara tentang partikel, mereka merujuk pada sesuatu yang remaja dan kecil yang lebih baik digambarkan dengan matematika. Partikel -partikel tidak berperilaku dengan cara yang sama seperti benda sehari -hari. Dan mereka sangat kecil sehingga kami tidak mengukur ukurannya dalam hal panjang atau lebar, kami mengukurnya dalam energi. Kami bahkan tidak yakin Jika elektron memiliki ukuran Sama sekali, tidak ada yang bisa menemukannya.

Beberapa partikel sangat tidak stabil, dan hanya memiliki pecahan sedetik. Kita dapat membuatnya dan mempelajarinya, bahkan dengan kehidupan yang begitu singkat, melalui instrumen seperti Great Hadron Colliding (LHC)Akselerator partikel raksasa yang bekerja mematahkan partikel satu sama lain pada kecepatan cahaya yang hampir sama berjalan dalam kekosongan. LHC dimakamkan di terowongan panjang 17 mil (23 kilometer) di bawah Prancis dan Swiss, di mana ia menggunakan lebih dari 10.000 magnet yang kuat untuk membentuk sinar dalam lingkaran dan membimbing mereka satu sama lain. Tabrakan yang dihasilkan membuat partikel baru dan menarik.

Dia Model Fisika Partikel Standar Jelaskan semua partikel elementer yang diketahui dan tiga dari empat kekuatan yang diketahui yang menentukan bagaimana mereka berinteraksi satu sama lain: gaya elektromagnetik, “interaksi lemah” dan “interaksi yang kuat”. Interaksi yang kuat adalah apa yang menyatukan beberapa partikel elementer, seperti proton dan neutron yang membentuk pusat atom. Interaksi yang lemah disebut “lemah” karena bekerja pada jarak yang jauh lebih kecil daripada interaksi yang kuat, kurang dari diameter satu proton.

Anda mungkin pernah mendengar bahwa cahaya bertindak sebagai gelombang, dan elektron bertindak sebagai partikel. Dalam fisika, ketika sesuatu bertindak sebagai gelombang, ia bertindak seperti danau: ia memiliki gelombang yang naik dan turun secara teratur dan itu adalah hal yang hebat. Ketika hal -hal “bertindak sebagai partikel”, mereka lebih seperti banyak batu yang sangat kecil. Anda bisa menghitung batu dan tahu persis berapa banyak yang ada. Untuk waktu yang lama, para ilmuwan menganggap segala sesuatunya bertindak sebagai gelombang atau partikel, tetapi ini tidak benar: lihat ke dalam atom dan hal -hal bertindak seperti keduanya. Ini disebut partikel gelombang, dan model standar sebagian dikembangkan untuk menjelaskannya.

Bagaimana sesuatu bisa bertindak seperti objek yang unik dan gelombang? Partikel subatomik paling baik dijelaskan dengan matematika difus. Kami tidak tahu persis Dimana elektron – Tapi kita tahu kemungkinan berada pada titik tertentu di area umum yang dikelilingi oleh batas. Probabilitas ini dijelaskan dengan persamaan yang disebut fungsi gelombang. Ketika kita mengukur perilaku yang terlihat seperti objek terpisah, kita fokus pada batas. Ketika kita mengukur perilaku yang terlihat seperti gelombang, kita fokus pada probabilitas.

Pada 2012, para ilmuwan menemukan Partikel Boson Higgsyang merupakan partikel yang sangat tidak stabil yang memberi massa untuk semua partikel dengan adonan tepat setelah Big Bang. Temuan ini merupakan validasi penting dari model standar, yang telah meramalkan keberadaan partikel.

Namun, model standar memiliki beberapa lubang. Masalah yang paling jelas adalah gravitasi: fisikawan belum ditemukan Salah satu cara untuk menggabungkan gravitasi Dalam model standar. Ini masih merupakan alat terbaik yang kita miliki untuk menggambarkan perilaku partikel subatomik: ini sangat tepat, kecuali untuk gravitasi.

Atom dibentuk oleh proton, neutron dan elektron. Jumlah proton, neutron dan elektron menentukan bagaimana atom berinteraksi dengan atom lainnya. Dia Tabel Berkala Ini adalah panduan dari berbagai jenis atom; Ini penuh dengan pola yang memetakan bagaimana setiap elemen bertindak.

Jumlah atom dari tabel periodik memberi tahu Anda berapa banyak proton (partikel dengan muatan listrik positif) ada dalam material. Mereka dikelompokkan ke dalam neutron atom untuk mengimbangi nukleus. Neutron tidak memiliki muatan listrik, tetapi mereka memiliki massa. Proton dan neutron merupakan sebagian besar massa atom.

Mengorbit inti yang dimuat secara positif. Mereka adalah elektron: partikel kecil dengan beban negatif. Beban masing -masing elektron memiliki besarnya yang sama dengan proton, didefinisikan sebagai muatan listrik dasar (1 E). Jumlah dan posisi elektron ditunjukkan pada tabel periodik dengan baris dan kolom elemen.

Proton dan neutron terbuat dari partikel dasar yang bahkan lebih kecil yang disebut quark. Ada enam “rasa” (jenis) quark: naik, turun, pesona, aneh, atas dan bawah. Tiga kelompok terbentuk untuk menciptakan proton dan neutron, dipertahankan bersatu dengan “beban warna” mereka. Beban warna tidak ada hubungannya dengan warna yang kita lihat; Ini hanya istilah untuk mengidentifikasi interaksi yang disatukan quark. Beban warna mirip dengan muatan listrik, tetapi alih -alih memiliki beban positif atau negatif, ada tiga “warna” yang bisa memiliki quark: merah, hijau atau biru.

Ada juga lepton. Partikel -partikel elementer ini mirip dengan quark, tetapi tidak seperti quark, lepton tidak memiliki “interaksi yang kuat.” Dengan kata lain, mereka tidak membentuk jenis tautan yang sama yang membuat quark. Elektron adalah jenis lepton, bersama dengan muon, lepton, dan neutrino tau. Muones dan tau lepton tidak stabil dan dipecah menjadi elektron. Neutrino adalah lepton tanpa muatan listrik.

Quark dan lepton adalah fermion, partikel elementer yang membentuk masalah ini. Kelompok partikel lain, yang dikenal sebagai boson, bertindak sebagai “pembawa kekuatan.” Itu berarti bahwa mereka mendukung kekuatan yang memungkinkan partikel berinteraksi satu sama lain. Jenis boson termasuk foton; Gluons, yang membantu bergabung dengan partikel; Z Bosons; W Boson; Dan Boson Misterius Higgs, yang, bersamaan dengan Higgs Field, memberikan partikel -partikel itu massa.

Satyendra Nath Bose (1 Januari 1894 – 4 Februari 1974) adalah pelopor mekanika kuantum yang, bersama dengan Albert Einstein, mengembangkan jenis statistik baru yang menggambarkan bagaimana boson berperilaku dengan dualitas partikel gelombang. Boson menyandang namanya.

Chien-Shiung Wu (31 Mei 1912 – 16 Februari 1997) bekerja di Proyek Manhattan Dan dia melakukan eksperimen fisika untuk mempelajari dekomposisi beta, bahan radioaktif dari proses tersebut menderita menjadi lebih stabil. Itu tidak termasuk dalam Hadiah Nobel dalam Fisika tahun 1957 yang diberikan kepada dua rekannya, meskipun memberikan bukti eksperimental pertama dari dekomposisi beta.

Peter Higgs (29 Mei 1929 – 8 April 2024) adalah fisikawan yang bertanggung jawab atas bagian fisika partikel standar yang menjelaskan bagaimana partikel memperoleh massa mereka di awal alam semesta. Boson Higgs menyandang namanya. Dia memenangkan Hadiah Fisika Nobel 2013, yang dia bagikan dengan François Englert.

Paul Dirac (8 Agustus 1902 – 20 Oktober 1984) membantu mengembangkan teori tentang Mekanika kuantum dan berbagi Hadiah Nobel dalam Fisika tahun 1933 dengan Erwin Schrödinger. Yang dikembangkan Persamaan Diracyang menggambarkan bagaimana fermion bertindak sebagai partikel dan gelombang. Juga memperkirakan keberadaan antimateriYang penting dengan massa yang sama dan muatan listrik yang berlawanan sebagai materi biasa.

Marie Curie (7 November 1867 – 4 Juli 1934) menemukan dekomposisi radioaktif: proses yang diderita oleh beberapa elemen yang tidak stabil untuk berubah menjadi elemen yang lebih stabil. Dia memajukan pemahaman kita tentang struktur atom dan memenangkan dua penghargaan Nobel, satu dalam fisika dan satu dalam kimia.

Richard Feynman (11 Mei 1918 – 15 Februari 1988) mengerjakan proyek Manhattan dan mengembangkan diagram Feynman, cara menggambarkan perilaku partikel subatomik. Karyanya memperluas pemahaman kita tentang mekanika kuantum.