Susunan partikel, gaya, dan medan yang memusingkan menentukan dasar subatomik untuk semua yang kita lihat.
Paul Sutter adalah seorang astrofisika di The Ohio State University dan kepala ilmuwan di pusat sains COSI. Sutter juga pembawa acara "Ask a Spaceman" dan "Space Radio," dan memimpin AstroTours di seluruh dunia. Sutter menyumbangkan artikel ini untuk Suara Ahli Space.com: Op-Ed & Insights.
Untuk mengunjungi negeri yang benar-benar aneh penuh keajaiban dan misteri, Anda tidak perlu menyelinap melalui lemari ajaib, mengendarai makhluk terbang yang seharusnya tidak bisa terbang atau melompat dengan ceroboh melalui portal ke dimensi lain. Tidak, yang harus Anda lakukan adalah membuka akselerator partikel Anda dan melihat ke bawah, ke bawah, ke bawah.
Pada tingkat subatomik, keanekaragaman dan kemegahan alam yang sesungguhnya ada pada layar penuh, dengan susunan partikel, kekuatan, dan medan yang memusingkan yang semuanya berputar dan berputar, diatur oleh hukum fisika yang hampir tidak dapat dipahami. Namun, entah bagaimana, alih-alih menciptakan kekacauan yang kacau, semua interaksi mereka yang rumit menghasilkan dunia makroskopik yang teratur, teratur, berpola yang kita kenal. [Quark and Muons Aneh, Ya ampun! Partikel Terkecil di Alam Dibedah (Infografis)]
Orang dapat memahami bahwa dunia kecil itu dipisahkan ke dalam hierarki yang ketat, dengan garis-garis yang jelas antara para penguasa dan yang diperintah, antara mereka yang duduk dengan nyaman di kastil mereka yang stabil dan para petani rendahan yang benar-benar menyelesaikan pekerjaan. Interaksi di antara berbagai penghuni diatur oleh aturan-aturan abadi: Ada tempat untuk semua orang, dan setiap orang punya tempat.
Ayo, mari kita kunjungi.
Senang menjadi raja
Di tengah-tengahnya semua adalah partikel stabil yang paling masif: quark atas dan bawah. Umur panjang mereka memungkinkan mereka untuk mengikat bersama menjadi benteng yang hampir tak tertembus: kastil nukleon yang dikenal sebagai proton dan neutron. Tapi itu bukan quark sendiri yang melakukan pekerjaan mempertahankan citrus nukleon ini. Memang, massa gabungan semua quark dalam nukleon jauh lebih kecil dari massa proton atau neutron.
Alih-alih, quark atas dan bawah diilhami dengan kemampuan khusus yang tidak diketahui partikel lain di dunia. Mereka bisa merasakan kekuatan nuklir yang kuat. Sejauh ini, itu adalah kekuatan yang paling kuat, menempelkan quark dengan sangat kuat sehingga tidak ada satu pun yang bisa dilihat secara terpisah. Interaksi itu membentuk tulang punggung dunia makroskopis kita yang tak terlihat. Kami menerima proton dan neutron begitu saja - begitulah solid mereka membangun dinding kastil mereka. Dan massa mereka sebagian besar disebabkan oleh kekuatan ikatan nuklir internal mereka, daripada quark individu.
Kekuatan nuklir yang kuat tidak berhenti pada tingkat proton dan neutron. Lem yang mengikat quark, memberi mereka dominasi atas semua partikel lainnya, sangat dominan sehingga dapat mengumpulkan beberapa kastil ini bersama-sama menjadi benteng kokoh yang dikenal sebagai inti atom. Sementara struktur ini tidak dapat ditembus seperti proton dan neutron itu sendiri, menggulingkan nukleus masih membutuhkan upaya yang sangat besar.
Namun, untuk semua kekuatan dominan mereka, jangkauan cengkeraman seperti quark terbatas pada kastil khusus mereka dan sekitarnya. Itu karena kekuatan yang kuat, untuk semua kekuatannya, sangat terbatas dalam jangkauannya. Inilah yang mengatur ukuran benteng, kastil dan menjaga yang kita identifikasi sebagai nukleon dunia kita. [7 Fakta Aneh Tentang Quark]
Bekerja keras di ladang
Di luar rentang terbatas itu, quark menjaga domain mereka di cek dan berkomunikasi satu sama lain melalui utusan kerajaan - foton. Utusan yang cepat itu melompat dari satu tempat ke tempat lain di alam semesta, tidak pernah melelahkan, membawa gaya elektromagnetik - listrik, magnet, dan bahkan cahaya itu sendiri - ke partikel mana pun yang memiliki muatan listrik. Pengaruh ini membentang di seluruh kosmos, meskipun tentu saja, semakin jauh Anda dari sumbernya, semakin lemah efeknya.
Ikatan elektromagnetik ini menjaga bawahan dunia subatomik tetap sama, dan sementara quark menghabiskan hari-hari mereka dalam kenyamanan relatif dari kastil mereka yang aman dan terpencil, "para petani" yang tertindas - elektron - melakukan semua pekerjaan untuk membuat variasi kaya reaksi kimia mungkin terjadi. Itu benar - itu adalah elektron miskin dan tercela yang menjadi budak tuan quark mereka. Terikat pada nukleus oleh elektromagnetisme - tetapi biasanya dicegah agar tidak benar-benar masuk oleh aturan mekanika kuantum - elektron dipertukarkan di antara atom-atom, memberi kita kimia yang memungkinkan hampir segala hal tentang kehidupan kita sehari-hari menjadi mungkin.
Quark yang berkuasa akan dengan senang hati berdagang, mencuri dan meminjam elektron sederhana dari domain tetangga, membentuk gerakan mereka dengan desakan dari foton - tanpa peduli dengan harapan, mimpi, atau ambisi individu mereka (mengalir bebas melalui alam semesta, berputar-putar di sekitar magnet bidang dan sebagainya).
Bersembunyi di bayang-bayang
Tetapi tidak semua partikel di alam semesta berada di bawah jempol quark despotik. Beberapa dapat mengalir dengan bebas di seluruh alam semesta, tidak merasakan kekuatan yang kuat dan dengan aman mengabaikan tatapan bermuka masam dari foton yang lewat: neutrino. Partikel-partikel hantu ini dapat bersembunyi di depan mata, sangat berbuih bahwa selama beberapa dekade kami pikir mereka sama sekali tidak bermassa.
Neutrino terdiri dari tiga jenis, electron-neutrino, muon-neutrino dan tau-neutrino, tetapi mereka sangat tersamar sehingga Anda tidak pernah yakin yang mana yang Anda lihat. Saat mereka bepergian, mereka dapat bersepeda melalui topeng yang mereka kenakan, mengganti identitas mereka dengan mudah sebagai mata-mata berpengalaman. Topeng mereka menentukan bagaimana mereka (kadang-kadang) berinteraksi dengan sisa partikel di alam semesta: Sebuah elektron-neutrino hanya akan berpartisipasi dalam reaksi yang melibatkan elektron, misalnya.
Tetapi karena sifat jahat neutrino, sebuah proses yang menghasilkan rasa tertentu dari partikel ini tidak dapat selalu berjalan secara terbalik untuk menangkap varietas asli lagi - itu mengubah identitas.
Namun, terlepas dari semua trik dan akal-akalan mereka, neutrino tidak kebal terhadap pengaruh dari domain quark. Tetapi agar efek seperti itu terjadi, pasukan khusus diperlukan. Partikel ahli yang disebut boson W dan Z, pembawa gaya nuklir lemah, adalah satu-satunya yang mampu berkomunikasi dengan neutrino nakal. Dalam beberapa kasus, boson berhasil mengubah neutrino menjadi makhluk yang lebih patuh, seperti elektron.
Bahkan kemudian, itu adalah kesempatan yang beruntung: Sebagian besar waktu, neutrino yang licik lolos tanpa hukuman.
Tetapi keahlian yang dimiliki bos-bos W dan Z itu, para pejuang black-ops rahasia dunia partikel, meluas lebih jauh dari sekadar pertemuan neutrino yang jarang terjadi. Mereka juga memiliki akses hampir eksklusif ke tempat suci benteng nukleon dan dapat mengubah satu jenis quark menjadi yang lain. Seandainya neutron lepas dari keamanan inti atom, boson khusus ini dapat mengubah partikel itu menjadi proton yang lebih stabil.
Diluar Alam
Tentu saja, ini tidak memberikan gambaran lengkap tentang dunia subatomik. Seluruh Model Standar, potret kami tentang makhluk-makhluk kecil dan semua interaksi orang-orang yang sibuk mereka jauh lebih besar dan lebih kompleks daripada yang dapat dimuat dalam beberapa paragraf. Dan meskipun Model Standar adalah kemenangan fisika modern, disatukan bersama dengan menyakitkan selama beberapa dekade, dengan prediksi yang akurat dan eksperimen yang tepat, itu juga merupakan gambaran yang tidak lengkap dari dunia kita.
Untuk satu, itu tidak termasuk gravitasi, yang saat ini paling baik dijelaskan oleh teori relativitas umum yang juga tidak lengkap. Ada juga pertanyaan kosmologis yang masih melekat tentang sifat materi gelap dan energi gelap, yang diam-diam Model Standar tradisional (karena fenomena itu baru saja ditemukan). Masih ada lagi: massa neutrino, hierarki kekuatan dan sebagainya.
Tetapi sementara jauh dari lengkap, dan mungkin sedikit tidak memuaskan dalam pendekatan mengunyah permen karet dan selotip untuk memodelkan dunia fisik, Model Standar sangat berguna. Itu bisa memprediksi dengan akurasi mengejutkan gerakan dan gerakan para penghuni subatomik itu dan semua perencana jahat mereka.
Pelajari lebih lanjut dengan mendengarkan episode "Who Lives in the Particle Zoo?" di podcast "Ask a Spaceman", tersedia di iTunes dan di web di http://www.askaspaceman.com. Terima kasih kepada Alessandro M., Roger, Martin N., Daniel C. dan @PoZokhr untuk pertanyaan yang mengarah pada tulisan ini! Ajukan pertanyaan Anda sendiri di Twitter menggunakan #AskASpaceman atau dengan mengikuti Paul @PaulMattSutter dan facebook.com/PaulMattSutter.
