10 strane particelle anatomiche subatomiche

La fisica delle particelle è uno dei campi più interessanti della fisica. Sebbene ci siano già molte particelle diverse, i ricercatori continuano a postulare particelle nuove ed eccitanti. Molte di queste nuove particelle sono legate alla ricerca della materia oscura e dell'energia oscura, ei fisici stanno facendo del loro meglio per scoprirli.

10 elettroni Black Hole

Credito fotografico: Alain r

All'inizio del 20 ° secolo, Albert Einstein introdusse la fisica all'avanguardia sui buchi neri, che la sua teoria della relatività generale sosteneva. Tra i suoi lavori più interessanti c'era la teoria di un elettrone a buco nero. I buchi neri possono venire in varie forme e dimensioni a seconda di come si formano. L'elettrone del buco nero di Einstein era un buco nero che aveva le stesse dimensioni e la stessa massa di un elettrone.

Nei documenti di Einstein, ha discusso di come sarebbe questo piccolo buco nero. Stranamente, sperimenterebbe le stesse proprietà magnetiche di un normale elettrone. Se qualcuno avesse mai osservato un elettrone a buco nero, sarebbe sembrato un normale elettrone. Oltre a ciò, l'elettrone del buco nero sarebbe relativamente stabile e rimarrà la dimensione di un elettrone per tutta la sua durata.

Il lavoro di Einstein sull'elettrone del buco nero non è diventato una parte principale della fisica delle particelle ai suoi tempi, ma le recenti innovazioni nella teoria delle stringhe stanno riportandolo alla ribalta. I moderni teorici delle stringhe hanno costruito modelli che considerano le particelle come buchi neri in miniatura. Questi modelli aiutano a risolvere i problemi computazionali che esistono nella fisica normale, quindi è possibile che Einstein non fosse troppo lontano dal marchio.

9 fotone scuro

La ricerca sulla materia oscura è uno dei campi più discussi nella fisica delle particelle moderna. Nessuno sa esattamente quale sia la materia oscura e i fisici propongono costantemente nuovi candidati per questa sostanza elusiva. Nel 2008, un team di ricercatori ha proposto un nuovo tipo di particella subatomica chiamata fotone scuro. Questa particella sembrerebbe un normale fotone ma interagirebbe solo con la materia oscura.

Il fotone scuro è il vettore di forza proposto per la forza elettromagnetica tra la materia oscura. Invece di affidarsi al normale fotone come vettore di forza, i ricercatori hanno proposto che il fotone oscuro è ciò che porta l'interazione. Per spiegare perché la materia oscura è invisibile all'osservazione, i fisici hanno ipotizzato che un'altra forza fondamentale agisca sulla materia oscura. Questo "elettromagnetismo oscuro" è una forza di gauge a lungo raggio ma è solo mediato dal fotone scuro.

Per quanto strano possa sembrare, i ricercatori delle particelle hanno avuto motivo di credere che esistessero fotoni scuri. Nei primi anni 2000, i ricercatori hanno effettuato un esperimento chiamato g-2. Questo esperimento ha provato a misurare il muone (un altro tipo di particella subatomica) che "vacilla" mentre attraversano un campo magnetico.

Durante l'esperimento, le oscillazioni del muone non hanno funzionato su ciò che il modello standard predisse. Ulteriori esperimenti sono stati condotti su acceleratori di particelle per vedere se le letture anomale potrebbero essere il segno di fotoni scuri. Sfortunatamente, i risultati hanno mostrato che i fotoni scuri non sono il colpevole. Qualcos'altro è.

L'anomalia g-2 non è stata ancora risolta, sebbene i ricercatori siano sicuri che i fotoni scuri non siano da biasimare. Tuttavia, i fotoni scuri non sono impossibili. Possono esistere nel nostro universo.

8 Chameleon Particle

Sebbene la materia oscura sia un enorme mistero in fisica, l'energia oscura è ancora più grande. Tutte le misurazioni e i modelli mostrano che l'universo non si sta espandendo solo, ma sta accelerando a un ritmo crescente. I fisici non sanno cosa stia causando l'accelerazione e innumerevoli ricercatori stanno proponendo varie spiegazioni per l '"energia oscura" che sta creando il nostro universo in espansione. Una delle idee più interessanti è la particella del camaleonte.

In teoria, la particella camaleontica avrebbe mediato un quinto campo nel nostro universo chiamato campo camaleonte. La particella per questo campo ha una varietà di proprietà dispari. I ricercatori propongono di avere una massa efficace variabile che cambia con la densità della regione dello spazio in cui si trova.

Maggiore è la massa effettiva, maggiore è la forza che esercita. Per esempio, nel nostro sistema solare, la particella del camaleonte non sarebbe rilevabile perché l'alta densità relativa del nostro sistema solare farebbe sì che la particella esercitasse una forza estremamente debole. Ma nello spazio intergalattico, che è quasi vuoto, la particella del camaleonte sarebbe estremamente forte perché la densità è così bassa.

Questa proposta spiega perché gli scienziati vedono un'espansione universale. Tuttavia, gli scienziati vogliono rilevare la particella. Ma è difficile perché gli scienziati sono sulla Terra in una parte densa dell'universo in cui la forza camaleontica sarebbe estremamente debole.

Un team di Berkeley ha costruito un apparato sperimentale per rilevare le particelle di camaleonte. Sebbene il test fosse inconcludente, non escludeva l'esistenza di particelle di camaleonte. Quindi gli scienziati stanno lavorando su più esperimenti e strumenti per rilevare queste particelle elusive e scoprire la natura dell'energia oscura.

7 Neutrini sterili

Un altro candidato per la materia oscura è il neutrino sterile. I neutrini normali sono particelle di interazione estremamente debole formate in varie reazioni nucleari. I tre tipi di neutrini nel modello standard sono ben compresi. Stanno interagendo così debolmente che gli scienziati si riferiscono a loro come particelle fantasma.

I neutrini sterili sono diversi perché interagiscono solo tramite la forza gravitazionale. I neutrini normali (detti neutrini attivi) ricevono la carica dalla forza debole, ma i neutrini sterili non sono completamente influenzati da nessuna delle forze subatomiche nel modello standard. Sono i fantasmi della particella fantasma.

I neutrini sterili sono un possibile candidato per la materia oscura. Sono interessanti perché esistono al di fuori del modello standard della fisica delle particelle aggiungendo più neutrini ai tre che gli scienziati già conoscono.Se scoperti, i neutrini sterili costringerebbero gli scienziati a riorganizzare parti del modello standard. Per quanto riguarda la materia oscura, i fisici sono ancora in bilico sul fatto che queste particelle spettrali siano un buon candidato per questo.

Ma recenti scoperte hanno fornito la prova che potrebbero esistere neutrini sterili. Il problema è che i neutrini sterili sono estremamente difficili da rilevare perché interagiscono a malapena con altre forme di materia. Gli scienziati hanno difficoltà a rilevare i loro cugini attivi, tanto meno le versioni sterili.

Nel 2014, gli astronomi hanno rilevato strane linee di emissione dei raggi X da una galassia vicina che si adattavano alla teoria del neutrino sterile. Usando questi dati, l'astrofisico Kevork Abazajian ha dimostrato che il modello di neutrino sterile potrebbe spiegare la struttura di altre galassie vicine. Questa scoperta è la migliore prova corrente di neutrini sterili perché i rivelatori sotterranei per neutrini attivi non hanno avuto fortuna nel raccogliere le firme di questa particella spettrale.

6 Axion

Di tutti i candidati che gli scienziati hanno proposto per la materia oscura fredda, l'assione sta ottenendo più pubblicità e interesse. L'assione fu inizialmente proposto per risolvere un problema spinoso che coinvolgeva la forte forza nucleare.

Nella matematica del modello standard, i fisici delle particelle includono determinate variabili di input per far funzionare la matematica. Tuttavia, una variabile ha un valore quasi pari a zero, rendendola non osservabile. Quando i fisici hanno inserito quel valore nelle loro equazioni, ha dimostrato che uno dei quark fondamentali sarebbe privo di massa.

L'osservazione dei quark ha contraddetto questo modello, quindi gli scienziati hanno inventato un nuovo campo e una particella per risolvere la situazione. Questa particella è l'assione. Ha una massa estremamente bassa, vicina a un trilionesimo della massa di un elettrone.

Inoltre, le assioni interagiscono solo debolmente con altre materie ma hanno interazioni strane e speciali con la forza nucleare forte. In teoria, queste particelle sono completamente trasparenti alla luce e non interagiscono con la materia secondo il modello standard.

Tutto ciò rende l'assione un candidato chiave per la materia oscura. L'altra teoria principale è il modello WIMP (weakly interacting massive particle), che propone nuove particelle che sono molto più pesanti del protone e del neutrone. I modelli Axion hanno un vantaggio rispetto ai WIMP in quanto sono già parte della teoria dei quanti.

Le teorie cosmologiche affermano che le assioni potrebbero costituire l'85 percento della materia oscura nel nostro universo. Il resto sarebbero altre particelle. Gli scienziati stanno conducendo esperimenti per trovare queste particelle invisibili, ma la ricerca non è facile.

5 Dilaton

Il dilaton è una strana particella proposta dalla teoria delle stringhe. Quando i teorici delle stringhe lavorano con le teorie di compattazione di Kaluza-Klein, il dilatato è una particella che deve esistere. Ma fa fluttuare le costanti fondamentali della natura.

Invece che il nostro universo avesse costanti come la costante di Newton o la costante di Planck, il dilatato avrebbe permesso a questi numeri di fluttuare durante l'universo primordiale. Successivamente, il dilatato si sarebbe congelato in valore, il che avrebbe anche causato il congelamento dei valori delle costanti fondamentali.

I dilatatori possono sembrare strani, ma sono fondamentali per comprendere la cosmologia della teoria delle stringhe. La teoria delle stringhe si basa sulle teorie di Kaluza-Klein, e non c'è modo di ignorare il dilatarsi di quelle teorie. In realtà, i fisici credono che il dilatato sia uno scalare fondamentale nel nostro universo, il che significa che è impossibile ignorarlo se esiste.

Tuttavia, gli esperimenti per rilevare il dilatone sarebbero estremamente difficili da condurre. Ma le sue proprietà si adattano perfettamente alle proprietà dell'energia oscura. Quindi, se la teoria delle stringhe è corretta, il dilatato potrebbe risolvere il mistero persistente dell'energia oscura.

4 Inflaton

Uno dei più grandi misteri della cosmologia del Big Bang è il periodo inflazionistico dell'universo. Nella frazione di secondo dopo l'inizio del big bang, l'universo ha registrato una crescita esponenziale. Alla fine, quella rapida crescita si assottigliò nel tasso di espansione osservato oggi.

Questo periodo inflazionistico ha permesso agli scienziati di osservare le radiazioni a microonde di fondo cosmico e altre interessanti caratteristiche dell'universo. Tuttavia, nessuno sa perché l'universo abbia sperimentato un'espansione inflazionistica o perché si sia fermato.

L'inflazione è un campo proposto che spiegherebbe perché l'universo si è espanso come ha fatto. Come ogni campo, l'inflazione ha una particella associata (chiamata anche inflazione).

L'inflazione ha funzionato in alcuni passaggi di base. All'inizio dell'universo, si trovava in uno stato di alta energia e sperimentò fluttuazioni quantistiche casuali come atteso dall'universo infantile superdense. Alla fine, l'inflazione si stabilizzò in uno stato di bassa energia, che innescò una massiccia forza repulsiva che permise all'infiammato di ritornare al suo stato di alta energia. Stranamente, l'inflazione non esercita questa forza repulsiva quando ha alta energia.

Le teorie di Inflaton possono sembrare eleganti, ma sono ancora molto dibattute tra i fisici perché il modello inflazionistico non è stato accettato da tutti gli scienziati. Tuttavia, le nuove teorie che circondano il primo universo mostrano che il campo di inflazione è un buon candidato per descrivere come il nostro universo è apparso come sembra. Alcuni ricercatori ritengono che il bosone di Higgs, scoperto di recente, sia la particella di inflazione per la quale sono stati ricercati. Forse, queste due particelle sono la stessa cosa.

3 Bateman Particle

Crediti fotografici: NASA, ESA, M.J. Jee e H. Ford

Proposto da una squadra guidata da James Bateman, questa particella senza nome è un altro candidato per una particella di materia oscura superleggera. La particella di Bateman è molto più pesante dell'asse ma solo una frazione della massa di un elettrone. Come altri candidati della materia oscura, la nuova particella sarebbe completamente invisibile perché non interagirebbe con la luce.Tuttavia, interagirebbe con la materia normale, spiegando alcune delle anomalie della materia oscura.

Una caratteristica interessante di questa nuova particella è che la sua interazione con la materia normale è efficace solo su lunghe distanze o in campi gravitazionali forti. Quindi, la nuova particella non sarebbe affatto influenzata dalla Terra.

Bateman crede che la sua particella sarebbe in grado di viaggiare attraverso la Terra e la sua atmosfera senza urtare altre particelle o essere rilevabile perché ha una massa così piccola. Milioni di particelle Bateman potrebbero fluire attraverso di te proprio adesso. Se la particella è reale, mostrerebbe che la materia oscura pervade lo spazio molto più di quanto si credesse in precedenza.

Tuttavia, questa particella senza nome interagisce così debolmente che è estremamente difficile progettare un esperimento in grado di rilevarlo. In questo momento, il verdetto è ancora sull'esistenza della particella di Bateman. Finché non ci saranno esperimenti migliori, la particella Bateman rimarrà semplicemente una possibilità interessante.

2 particelle di Planck

Un valore chiave nella meccanica quantistica, la lunghezza d'onda di Compton è una caratteristica di una particella che dipende dalla sua massa e mostra la sua relazione per stimolare i fotoni. Se la lunghezza d'onda di Compton di una particella è uguale al suo raggio di Schwarzschild, è una particella di Planck.

Il raggio di Schwarzschild mostra fino a che punto è possibile comprimere un oggetto prima che la gravità travolga le altre forze fisiche nell'universo e crei un buco nero. A quella dimensione, la velocità di fuga dalla superficie dell'oggetto sarebbe maggiore della velocità della luce, che è la caratteristica distintiva di un buco nero. Quindi, le particelle di Planck sono così compatte che si sono trasformate in buchi neri.

Le particelle di Planck hanno caratteristiche pari alle costanti di Planck per massa e dimensioni. Una particella di questa natura peserebbe tanto quanto la massa di Planck (10 volte la massa del protone) ed essere estremamente piccola (10 volte il diametro del protone). Questo rende la particella di Planck estremamente densa.

Queste strane particelle sono interessanti per i fisici. Inizialmente, sono stati introdotti nelle equazioni come un modo per calcolare le dimensioni del risultato. Ora sono interessanti perché potrebbero avere la chiave per far funzionare insieme la meccanica quantistica e la relatività generale.

I cosmologi sono anche interessati alle particelle di Planck perché potrebbero essere esistite in grande abbondanza nell'universo primordiale. Includendo la particella di Planck in modelli cosmologici, i ricercatori sono stati in grado di determinare che il decadimento anticipato delle particelle di Planck può aver avuto come risultato le proprietà osservate delle particelle nella nostra era dell'universo.

1 massa negativa

La maggior parte delle persone ha familiarità con l'idea di un'antiparticella, che ha la carica opposta del suo compagno normale. Ad esempio, un elettrone ha una carica -1 e la sua antiparticella, il positrone, ha una carica +1. I fisici teorici hanno ampliato questa idea alla massa e postulato un nuovo insieme di particelle che hanno la massa opposta delle nostre particelle normali.

Questo è un concetto piuttosto strano. Se avessi una massa di 1 chilogrammo, la stessa quantità di materia negativa sarebbe -1 chilogrammo. Le antiparticelle hanno masse positive ma cariche opposte. La materia negativa è in un campionato a parte. Se la materia negativa esiste, aiuterebbe a risolvere alcuni dei problemi più interessanti della fisica. Per esempio, porterebbe a unire la relatività generale e la meccanica quantistica.

I fisici ricercano la materia negativa perché consentirebbe agli esseri umani di scoprire modi per viaggiare nell'universo. La relatività generale afferma che la materia negativa respingerebbe ogni altra materia, sia negativa che positiva. Quindi, se si potesse imbrigliare la materia negativa, permetterebbe agli esseri umani di allungare lo spazio-tempo ed eventualmente aprire wormhole attraverso i quali le navi potrebbero viaggiare.

I ricercatori conducono anche ricerche di massa negative perché possono aiutarci a capire la freccia del tempo e alcuni dei concetti più confusi sui buchi neri. La materia negativa potrebbe anche essere usata per creare un plasma che assorbirebbe le onde gravitazionali. Sfortunatamente, la creazione di argomenti negativi è molto lontana, ma è chiaro che queste nuove particelle subatomiche potrebbero rivoluzionare la scienza e i viaggi spaziali.