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 setiap makhluk hidup lainnya, setiap bintik debu dan setiap bintang di langit – semuanya terbuat dari partikel fundamental yang sama.

Anda mungkin menganggap partikel sebagai setitik debu kecil atau sebutir garam. Namun, ketika fisikawan berbicara tentang partikel, maksudnya adalah hal kecil dan kecil yang paling baik dijelaskan dengan matematika. Partikel tidak berperilaku 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, hanya memiliki fraksi satu detik. Kita dapat membuat dan mempelajarinya, bahkan dengan kehidupan yang begitu singkat, melalui instrumen seperti Besar Hadron Collider (LHC)akselerator partikel raksasa yang bekerja dengan menghancurkan balok partikel satu sama lain pada kecepatan yang hampir sama dengan cahaya dalam ruang hampa. LHC dimakamkan di terowongan sepanjang 17 mil (23 kilometer) di bawah Prancis dan Swiss, di mana ia menggunakan lebih dari 10.000 magnet yang kuat untuk membentuk balok menjadi lingkaran dan mengarahkannya satu sama lain. Tabrakan yang dihasilkan membuat partikel baru dan menarik.

Itu Model Standar Fisika Partikel Menjelaskan semua partikel dasar 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 dasar, 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 seperti gelombang, dan elektron bertindak seperti partikel. Dalam fisika, ketika sesuatu bertindak seperti gelombang, itu bertindak seperti danau – memiliki riak yang naik dan turun secara teratur dan merupakan satu hal besar. Ketika hal -hal “bertindak seperti partikel,” mereka lebih seperti tumpukan batu yang sangat kecil. Anda bisa menghitung batu dan tahu persis berapa banyak yang ada. Untuk waktu yang lama, para ilmuwan berpikir hal -hal bertindak seperti gelombang atau partikel, tetapi ini tidak benar – mengintip di dalam atom dan hal -hal bertindak seperti keduanya. Ini disebut dualitas gelombang-partikel, dan model standar dikembangkan sebagian untuk menjelaskannya.

Bagaimana sesuatu bisa bertindak sebagai objek unik dan gelombang? Partikel subatomik paling baik dijelaskan dengan matematika fuzzy. Kami tidak tahu persis dimana elektron berada – Tapi kita tahu kemungkinan bahwa itu pada titik tertentu di area umum yang dikelilingi oleh batas. Peluang tersebut dijelaskan dengan persamaan yang disebut fungsi gelombang. Ketika kita mengukur perilaku yang terlihat seperti objek yang 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 massa 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 cara untuk menggabungkan gravitasi ke dalam model standar. Ini masih merupakan alat terbaik yang kami miliki untuk menggambarkan perilaku partikel subatomik – sangat akurat, kecuali untuk gravitasi.

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

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

Mengorbit nukleus bermuatan positif adalah elektron – partikel kecil dengan muatan negatif. Muatan masing -masing elektron memiliki besarnya yang sama dengan proton, didefinisikan sebagai satu muatan listrik dasar (1 E). Jumlah dan posisi elektron ditampilkan pada tabel periodik dengan baris dan kolom elemen.

Proton dan neutron terbuat dari partikel unsur yang lebih kecil yang disebut quark. Ada enam “rasa” (jenis) quark: naik, turun, pesona, aneh, atas dan bawah. Mereka membentuk kelompok tiga untuk membuat proton dan neutron, disatukan oleh “muatan warna” mereka. Biaya warna tidak ada hubungannya dengan warna yang kita lihat; Ini hanya istilah untuk mengidentifikasi interaksi yang menyatukan quark. Muatan warnanya mirip dengan muatan listrik, tetapi alih -alih memiliki muatan positif atau negatif, ada tiga “warna” yang mungkin dimiliki 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 quark yang sama. Elektron adalah jenis lepton, bersama dengan muon, tau lepton dan neutrino. Lepton muon dan tau tidak stabil dan membusuk menjadi elektron. Neutrino adalah lepton tanpa muatan listrik.

Quark dan lepton adalah fermion – partikel elementer yang membentuk materi. Kelompok partikel lain, yang dikenal sebagai boson, bertindak sebagai “pembawa kekuatan.” Itu berarti mereka memegang kekuatan yang memungkinkan partikel berinteraksi satu sama lain. Jenis boson termasuk foton; Gluons, yang membantu mengikat partikel bersama; Z Bosons; W Boson; dan Boson Higgs yang misterius, yang, bersamaan dengan ladang Higgs, memberikan partikel massa mereka.

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 dinamai menurut namanya.

Chien-Shiung Wu (31 Mei 1912 – 16 Februari 1997) bekerja di Proyek Manhattan dan melakukan eksperimen fisika untuk mempelajari peluruhan beta, proses bahan radioaktif yang dialami menjadi lebih stabil. Dia tidak termasuk dalam Hadiah Nobel dalam Fisika 1957 yang diberikan kepada dua rekan prianya, meskipun memberikan bukti eksperimental pertama pembusukan beta.

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

Paul Dirac (8 Agustus 1902 – 20 Oktober 1984) membantu mengembangkan teori tentang mekanika kuantum dan berbagi Hadiah Nobel 1933 dalam Fisika dengan Erwin Schrödinger. Dia berkembang Persamaan Diracyang menggambarkan bagaimana fermion bertindak sebagai partikel dan gelombang. Dia 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 peluruhan radioaktif – proses beberapa elemen tidak stabil yang dialami untuk berubah menjadi elemen yang lebih stabil. Dia memajukan pemahaman kita tentang struktur atom dan memenangkan dua hadiah Nobel – satu dalam fisika dan satu dalam kimia.

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