Verrückte Physik: Warum haben Teilchen Aromen?

In dieser regelmäßigen Serie untersucht LiveScience einige der verrücktesten, wildesten Teile unseres Universums, von Quantum Merkwürdigkeiten, verborgene Dimensionen.

Die Bausteine der Materie – Elementarteilchen – kommen in vielen mehr Geschmack als die Basic, die die Atome bilden wir sind vertraut mit.

Geschmack ist der Name Wissenschaftler auf unterschiedliche Versionen des gleichen Typs von Teilchen geben. Zum Beispiel Quarks (die Protonen und Neutronen im Inneren der Atome ausmachen) gibt es in sechs Geschmacksrichtungen: oben, unten, oben, unten, seltsame und Charme. Teilchen genannt Leptonen, eine Kategorie, die Elektronen, enthält auch kommen in sechs Geschmacksrichtungen, jeweils eine unterschiedliche Masse.

Aber Physiker sind ratlos, warum Aromen überhaupt existieren und warum jeder Geschmack hat andere Eigenschaften.

"Dies ist bekannt als das Aroma-Problem", sagte JoAnne Hewett, ein theoretischer Physiker am SLAC National Accelerator Laboratory in Menlo Park, Kalifornien "Warum so viele Varianten gibt es? Warum haben wir sechs Arten von Quarks und Leptonen sechs Arten, und warum haben sie die unterschiedlichen Massen, die sie tun? Wir habe keine Ahnung." [Grafik: kleinsten Teilchen der Natur erklärt]

Wechselnden Geschmack

Die seltsame Welt der Teilchenphysik, unterscheiden sich die verschiedenen Aromen der Quarks und Leptonen durch ihre individuellen Eigenschaften, einschließlich Masse, aufladen und spin.

Beispielsweise alle Quarks haben die gleichen spin (1/2), und drei von ihnen (Up, Charme und Top) haben kostenlos 2/3, während die anderen drei (Down, seltsame und unten) haben Ladung minus 1/3. Jeder hat eine einzigartige Masse.

Noch seltsamer ist, dass Partikel von einem Geschmack zum anderen wechseln können. Z. B. Down-Quarks können leicht in Up-Quarks verwandeln und Charme Quarks können verwandeln sich in Strange-Quarks und So weiter. Während einige Übergänge häufiger als andere, in der Theorie sind können die meisten Aromen von Quark in den meisten anderen Varianten wechseln.

"Wir wissen nicht, was im Inneren eines Quarks ist", sagte Michael Peskin, ein weiterer Teilchenphysiker am SLAC. "Wir denken, es ist die Ähnlichkeit oder Unähnlichkeit der internen Struktur, das macht es schwer oder leicht, diese Übergänge zu machen."

Und während Partikel in vielen Geschmacksrichtungen kommen, unser Universum bevorzugt setzt sich aus nur ein paar.

Die Elemente in der periodischen Tabelle, wie Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff, bestehen aus Protonen, Neutronen und Elektronen. Protonen und Neutronen, wiederum enthalten nur auf und ab Quarks; oben und unten, Charm und Strange-Quarks sind kaum zu finden.

Das gleiche gilt für Leptonen: während Elektronen im Überfluss, sind einige der anderen Aromen, wie Myonen und Taus, selten in der Natur gefunden.

"sie gab es in der sehr frühen Bruchteile einer Sekunde des Universums und dann zerfallen sie Weg", sagte Hewett LiveScience, unter Bezugnahme auf die seltenen Partikel-Aromen. "sie existieren nicht wirklich im Alltag."

Andere Geheimnisse

Neben der Suche nach dem Ursprung des Aromas, Physiker studieren diese Themen auch hoffe, über verwandte Geheimnisse, wie die Sache komisch Zwilling, Antimaterie zu lernen. Jedes Teilchen wird gedacht, um einen Antimaterie-Partner mit der gleichen Masse, aber die entgegengesetzte Ladung haben.

Doch Physiker denke, es sollte viel mehr Antimaterie im Universum, als es ist, und Geschmack Physik kann dazu beitragen, um diesen "Verlust" von Antimaterie zu erklären.

"Es gibt eine Materie-Antimaterie-Asymmetrie im Universum, in dem Sinne, dass das Universum aus Materie besteht und es keine Antimaterie gibt heute beobachtet, aber in dem Urknall Materie und Antimaterie entstanden in gleicher Höhe," sagte Hewett. "Was geschah mit der Antimaterie? "Wir denken, dass dies zum Würzen von Physik zusammenhängt."

Wenn ein Teilchen und der Antimaterie-Partner gerecht zu werden, vernichten sie einander um reine Energie zu werden. Die meisten Materie und Antimaterie Partikel erstellt am Anfang des Universums werden gedacht, um zerstört zu haben einander, so dass eine kleine Menge der Materie übrig, die wurde die Sterne und Galaxien, die wir heute sehen.

Physiker denken, die Unterschiede in der Art und Weise Sache zerfällt gegenüber Antimaterie kann erklären, warum Angelegenheit dauerte länger, Verfall, und deshalb überlebt. Forscher haben einige Asymmetrien im Verfall Preis von Materie und Antimaterie beobachtet, aber dies allein sind nicht ausreichend, um das Universum zu erklären, wie wir es sehen.

"Du einen Unterschied mit diese Asymmetrien, aber es ist etwa eine Milliarde Mal kleiner, als Sie brauchen," sagte Peskin. "Es haben einige neue Gleichungen, denen wir, den Beweis für gesehen haben sein doch auch Vorhersagen, die verschiedene Arten von Materie-Antimaterie Asymmetrien."

Wissenschaftler hoffen, dass durch das Studium der seltsame Geschmack Verhalten der Partikel, weiter zur Erklärung Angelegenheit der Persistenz nach dem Urknall gehen könnte.

Die Intensität-Grenze

Researchers beste Hoffnung, an der Unterseite des Partikels Geschmack kann liegen in eine ganze Reihe von neuen Experimenten vorgeschlagen gegen sogenannte "Intensität Frontier."

In diesen Experimenten wollen die Forscher Teilchen Übergang von einem Geschmack zu einem anderen, und nicht nur die gemeinsame Übergänge, wie z. B. ein Down-Quark in ein Up-Quark, aber exotische Switcheroos, z. B. den Wechsel von einem Bottom-Quark in einem Charm-Quark zu beobachten.

Aber um dies zu tun, müssen Wissenschaftler die Intensität erhöhen oder Anzahl der Teilchen in den Teilchenbeschleunigern produziert.

"Wir sind seltene Phänomene, suchen, so der Weg zu beobachten, dass viele, viele Instanzen davon, machen", sagte Physiker Robert Tschirhart von Fermi National Accelerator Laboratory in Batavia, Illinois "Wenn Sie im Lotto gewinnen wollen du hast zu viele Lottoscheine kaufen."

Tschirhart ist der führende Wissenschaftler für Project X, Fermilab Plan ein extrem hoher Intensität Teilchenbeschleuniger zu bauen, die für seltene Geschmack Übergänge aussehen würde.

"Wir produzieren würde einen sehr hohen Fluss von Neutrinos und einem sehr hohen Fluss von K-Mesonen, die instabilen Teilchen, die Strange-Quarks Schutzregelung zu haben sind, und einen sehr hohen Fluss von Myonen, die instabilen Teilchen, schwerer Vettern der normalen Elektronen sind", sagte Tschirhart. "Es wäre das größte Beschleuniger-Projekt in den USA, es wäre die höchste Intensität Teilchenbeschleuniger für Teilchenphysik." "

Andere Unternehmungen, neue hohe Anlagen für Geschmack Physik zu bauen sind in Italien und Japan angelaufen.

Darüber hinaus hat die größten Teilchenbeschleuniger der Welt, der Large Hadron Collider in der Schweiz, ein Experiment namens LHCb gewidmet, auf der Suche nach bestimmten seltenen Zerfällen Teilchen namens b-Mesonen, die verschiedene aromatisierte Quarks enthalten.

Extra-Dimensionen

Obwohl Wissenschaftler in der Regel ratlos sind auf, wo Partikel ihr Aroma erhalten, eine Theorie schlägt vor, eine faszinierende und bizarr, Lösung.

Partikel-Aromen ist möglicherweise ein Symptom für eine zusätzliche, versteckte Dimension des Universums über die drei Dimensionen des Raumes und eine Zeit, die wir gewohnt sind. Dieses Konzept, verzerrte Dimensionen wurde von Physikern Lisa Randall und Raman Sundrum Pionierarbeit geleistet.

"Vielleicht die verschiedenen Geschmacksrichtungen eigentlich auf eine lustige Art, verschiedene Dimensionen von Raum und Zeit," sagte Tschirhart. "Vielleicht gibt es nur eine Art der Geschmack von Quark und diese verschiedenen Geschmacksrichtungen, die wir sehen – seltsam, Charme, oben, unten — das sind verschiedene geometrischen Eigenschaften von Raum und Zeit."

Für diejenigen unter uns kratzen unseren Köpfen am Anschluss erinnert Tschirhart, dass Einstein selbst zeigte, dass Masse eng mit Raum und Zeit verbunden ist, wann er seine allgemeine Relativitätstheorie eingezogen. Nach der Theorie ist die Schwerkraft, die Anziehungskraft der Masse ist, wirklich eine Krümmung der Raumzeit.

Wir sehen die sechs verschiedenen Quarks mit sechs unterschiedlichen Massen, aber vielleicht tatsächlich haben die gleiche Masse, sondern befinden sich an verschiedenen Stellen in der zusätzlichen Dimension, wodurch sie unterschiedlich dargestellt werden.

Obwohl die Theorie phantastisch klingen mag, macht es einige konkrete Vorhersagen über wie bestimmte Partikel Zerfall und Übergang zwischen Aromen. Forscher hoffen, dass neue Experimente, die die Intensität Grenze schieben möglicherweise in der Lage, einige der diese Zerfälle messen und möglicherweise validieren oder zum Erlöschen dieses und andere Theorien.

"Ich fühle mich wie die Experimente, die wir jetzt vor uns haben die besten Chancen, machen die größten Schritte im Hinblick auf die Beantwortung dieser Fragen haben," sagte Hewett. "Intensität Grenze Experimente sind nur wirklich jetzt immer auf das Niveau von Intensität, wo sie eine Chance haben, sie zu beantworten."

LiveScience Redakteur Clara Moskowitz Twitter @ClaraMoskowitz verfolgt werden können. Für weitere Wissenschaftsnachrichten, LiveScience auf Twitter folgen @livescience.