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10 seltsame theoretische subatomare Teilchen
Die Teilchenphysik ist eines der interessantesten Gebiete der Physik. Obwohl es bereits viele verschiedene Teilchen gibt, postulieren die Forscher weiterhin neue und aufregende Teilchen. Die meisten dieser neuen Teilchen sind in die Erforschung der dunklen Materie und der dunklen Energie eingebunden, und die Physiker versuchen derzeit, sie zu entdecken.
10 Black Hole Electron
Im frühen 20. Jahrhundert führte Albert Einstein die neueste Physik über Schwarze Löcher ein, die seine allgemeine Relativitätstheorie untermauerte. Zu seinen interessantesten Arbeiten gehörte die Theorie eines Schwarzen Lochelektronen. Schwarze Löcher können je nach Form in verschiedenen Formen und Größen vorliegen. Einsteins schwarzes Loch-Elektron war ein bestimmtes schwarzes Loch, das die gleiche Größe und Masse wie ein Elektron hatte.
In Einsteins Papieren diskutierte er, wie dieses winzige Schwarze Loch aussehen würde. Seltsamerweise würde es die gleichen magnetischen Eigenschaften wie ein normales Elektron erfahren. Wenn jemand jemals ein Elektron mit einem schwarzen Loch beobachtet, würde es genau wie ein normales Elektron aussehen. Darüber hinaus wäre das Schwarze-Loch-Elektron relativ stabil und bleibt während seiner gesamten Lebensdauer die Größe eines Elektrons.
Einsteins Arbeit über das Schwarze-Loch-Elektron wurde zu seiner Zeit nicht zum Mainstream der Teilchenphysik, aber die jüngsten Neuerungen in der Stringtheorie bringen es wieder in den Vordergrund. Moderne Stringtheoretiker haben Modelle konstruiert, die Partikel als schwarze Minilöcher betrachten. Diese Modelle helfen bei der Lösung von Berechnungsproblemen, die in der normalen Physik existieren. Es ist daher möglich, dass Einstein nicht zu weit weg war.
9 Dunkles Photon
Die Forschung der dunklen Materie ist eines der am meisten diskutierten Gebiete der modernen Teilchenphysik. Niemand weiß genau, was dunkle Materie ist, und Physiker schlagen ständig neue Kandidaten für diese schwer fassbare Substanz vor. Im Jahr 2008 schlug ein Team von Forschern einen neuen Typ von subatomaren Partikeln vor, genannt das dunkle Photon. Dieses Teilchen würde wie ein normales Photon wirken, würde aber nur mit dunkler Materie interagieren.
Das dunkle Photon ist der vorgeschlagene Kraftträger für die elektromagnetische Kraft zwischen dunkler Materie. Anstatt sich auf das normale Photon als Kraftträger zu stützen, schlugen die Forscher vor, dass das dunkle Photon die Wechselwirkung ist. Um zu erklären, warum dunkle Materie für die Beobachtung unsichtbar ist, spekulierten Physiker, dass eine andere fundamentale Kraft auf die dunkle Materie wirkt. Dieser "dunkle Elektromagnetismus" ist eine weitreichende Kraft, die jedoch nur durch das dunkle Photon vermittelt wird.
So seltsam dies auch erscheinen mag, hatten Teilchenforscher Grund zu der Annahme, dass dunkle Photonen existieren. In den frühen 2000er Jahren führten die Forscher ein Experiment mit dem Namen g-2 durch. Bei diesem Experiment wurde versucht, den Spin von Myon (einer anderen Art von subatomaren Partikeln) zu "wackeln", während sie ein Magnetfeld passieren.
Während des Experiments erwiesen sich die Myonenwobbelungen nicht als das, was das Standardmodell vorhergesagt hatte. Weitere Experimente wurden an Teilchenbeschleunigern durchgeführt, um zu sehen, ob die anomalen Messwerte das Zeichen von dunklen Photonen sein könnten. Leider haben die Ergebnisse gezeigt, dass dunkle Photonen nicht der Schuldige sind. Etwas anderes ist
Die g-2-Anomalie ist noch nicht gelöst, obwohl die Forscher sicher sind, dass dunkle Photonen nicht schuld sind. Dunkle Photonen sind jedoch nicht unmöglich. Sie können in unserem Universum existieren.
8 Chamäleonpartikel
Obwohl dunkle Materie ein großes Mysterium in der Physik ist, ist dunkle Energie ein noch größeres. Alle Messungen und Modelle zeigen, dass sich das Universum nicht nur ausdehnt, sondern zunehmend schneller wird. Physiker wissen nicht, was die Beschleunigung verursacht, und unzählige Forscher schlagen verschiedene Erklärungen für die "dunkle Energie" vor, die unser wachsendes Universum erschafft. Eine der interessantesten Ideen ist das Chamäleonpartikel.
Theoretisch würde das Chamäleonpartikel ein fünftes Feld in unserem Universum vermitteln, das als Chamäleonfeld bezeichnet wird. Das Teilchen für dieses Feld hat eine Vielzahl von ungeraden Eigenschaften. Die Forscher vermuten, dass es eine variable effektive Masse hat, die sich mit der Dichte der von ihnen bewohnten Region ändert.
Je größer die wirksame Masse ist, desto mehr Kraft wirkt sie aus. In unserem Sonnensystem wäre das Chamäleon-Teilchen beispielsweise nicht nachweisbar, da die hohe relative Dichte unseres Sonnensystems dazu führen würde, dass das Teilchen eine extrem schwache Kraft ausübt. In einem fast leeren intergalaktischen Raum wäre das Chamäleonpartikel jedoch extrem stark, weil die Dichte so gering ist.
Dieser Vorschlag erklärt, warum Wissenschaftler eine universelle Expansion sehen. Wissenschaftler wollen jedoch das Teilchen erkennen. Aber es ist schwierig, weil sich Wissenschaftler auf der Erde in einem dichten Teil des Universums befinden, wo die Chamäleon-Kraft extrem schwach wäre.
Ein Team in Berkeley baute ein Experimentiergerät, um Chamäleon-Partikel zu detektieren. Obwohl der Test nicht schlüssig war, schloss er die Existenz von Chamäleonpartikeln nicht aus. Daher arbeiten Wissenschaftler an weiteren Experimenten und Instrumenten, um diese schwer fassbaren Teilchen zu entdecken und die Natur der dunklen Energie zu entdecken.
7 sterile Neutrinos
Ein weiterer Kandidat für dunkle Materie ist das sterile Neutrino. Normale Neutrinos sind extrem schwach wechselwirkende Teilchen, die in verschiedenen Kernreaktionen gebildet werden. Die drei Arten von Neutrinos im Standardmodell sind gut verstanden. Sie interagieren so schwach miteinander, dass Wissenschaftler sie als Geisterpartikel bezeichnen.
Sterile Neutrinos unterscheiden sich, weil sie nur über die Gravitationskraft interagieren. Normale Neutrinos (auch als aktive Neutrinos bekannt) erhalten Ladung von der schwachen Kraft, aber sterile Neutrinos werden von keiner der subatomaren Kräfte im Standardmodell vollständig beeinflusst. Sie sind Geister des Geisterteilchens.
Sterile Neutrinos sind ein möglicher Kandidat für dunkle Materie. Sie sind interessant, weil sie außerhalb des Standardmodells der Teilchenphysik existieren, indem den drei bereits mehr Neutrinos hinzugefügt werden, die die Wissenschaftler bereits kennen.Falls entdeckt, würden sterile Neutrinos Wissenschaftler dazu zwingen, Teile des Standardmodells neu zu ordnen. Was die Dunkle Materie angeht, sind Physiker immer noch am Zaun, ob diese geisterhaften Teilchen ein guter Kandidat dafür sind.
Neue Entdeckungen haben jedoch gezeigt, dass sterile Neutrinos existieren könnten. Das Problem ist, dass sterile Neutrinos extrem schwer zu erkennen sind, da sie kaum mit anderen Formen der Materie interagieren. Wissenschaftlern fällt es schwer, ihre aktiven Cousins zu erkennen, geschweige denn die sterilen Versionen.
Im Jahr 2014 entdeckten Astronomen ungerade Röntgenstrahllinien aus einer nahen Galaxie, die in die sterile Neutrino-Theorie passen. Mit diesen Daten zeigte der Astrophysiker Kevork Abazajian, dass das sterile Neutrino-Modell die Struktur anderer nahegelegener Galaxien erklären könnte. Diese Entdeckung ist der beste aktuelle Beweis für sterile Neutrinos, da die unterirdischen Detektoren für aktive Neutrinos kein Glück hatten, Signaturen dieses geisterhaften Partikels aufzunehmen.
6 Axion
Von allen Kandidaten, die Wissenschaftler für kalte dunkle Materie vorgeschlagen haben, erhält das Axion die meiste Öffentlichkeit und Interesse. Das Axion wurde zuerst vorgeschlagen, um ein heikles Problem der starken Atomkraft zu lösen.
In der Standardmodellmathematik enthalten Teilchenphysiker bestimmte Eingabevariablen, damit die Mathematik funktioniert. Eine Variable hat jedoch einen Wert von nahezu Null und ist daher nicht beobachtbar. Als Physiker diesen Wert in ihre Gleichungen steckten, zeigte sich, dass eines der fundamentalen Quarks masselos sein würde.
Die Beobachtung von Quarks widersprach diesem Modell, sodass sich die Wissenschaftler mit einem neuen Feld und Teilchen befassten, um die Situation zu korrigieren. Dieses Teilchen ist das Axion. Es hat eine extrem geringe Masse, die in der Nähe von einem Billionstel der Masse eines Elektrons liegt.
Axionen interagieren auch nur schwach mit anderen Stoffen, haben aber merkwürdige und spezielle Wechselwirkungen mit der starken Kernkraft. Theoretisch sind diese Partikel für Licht vollständig transparent und interagieren nicht mit der Materie gemäß dem Standardmodell.
All dies macht das Axion zu einem Schlüsselkandidaten für die Dunkle Materie. Die andere führende Theorie ist das WIMP-Modell (schwach wechselwirkende massive Teilchen), das neue Teilchen vorschlägt, die viel schwerer als das Proton und das Neutron sind. Axion-Modelle haben gegenüber den WIMPs den Vorteil, dass sie bereits Teil der Quantentheorie sind.
Kosmologische Theorien besagen, dass Axionen 85 Prozent der dunklen Materie in unserem Universum ausmachen könnten. Der Rest wären andere Teilchen. Wissenschaftler führen Experimente durch, um diese unsichtbaren Teilchen zu finden, aber die Suche ist nicht einfach.
5 Dilaton
Das Dilaton ist ein seltsames Teilchen, das von der Stringtheorie vorgeschlagen wurde. Wenn Stringtheoretiker mit den Kaluza-Klein-Kompaktifizierungstheorien arbeiten, ist das Dilaton ein Teilchen, das existieren muss. Dies bewirkt jedoch, dass die grundlegenden Konstanten in der Natur schwanken.
Anstelle der Tatsache, dass unser Universum Konstanten wie die Newton-Konstante oder die Planck-Konstante hat, hätte der Dilaton diese Zahlen im frühen Universum schwanken lassen. Danach wäre der Dilaton im Wert eingefroren, wodurch auch die Werte der Grundkonstanten eingefroren wurden.
Dilatons mögen seltsam erscheinen, sind aber für das Verständnis der Stringtheorie-Kosmologie von entscheidender Bedeutung. Die Stringtheorie stützt sich auf die Kaluza-Klein-Theorien, und es gibt keine Möglichkeit, das Dilatieren dieser Theorien zu ignorieren. Tatsächlich glauben Physiker, dass das Dilaton ein fundamentaler Skalar in unserem Universum ist, was bedeutet, dass es unmöglich ist, es zu ignorieren, wenn es existiert.
Experimente zum Nachweis des Dilatons wären jedoch äußerst schwierig durchzuführen. Aber seine Eigenschaften passen perfekt zu den Eigenschaften der dunklen Energie. Wenn also die Stringtheorie richtig ist, könnte das Dilaton das hartnäckige Rätsel der dunklen Energie lösen.
4 Inflaton
Eines der größten Mysterien der Urknall-Kosmologie ist die Inflationsperiode des Universums. Im Bruchteil einer Sekunde nach dem Urknall erlebte das Universum ein exponentielles Wachstum. Schließlich ging das schnelle Wachstum in die heute beobachtete Expansion über.
In dieser Inflationsperiode konnten Wissenschaftler die kosmische Hintergrundstrahlung und andere interessante Merkmale des Universums beobachten. Niemand weiß jedoch, warum das Universum eine inflationäre Expansion erfuhr oder warum es aufhörte.
Die Inflation ist ein vorgeschlagenes Feld, das erklären würde, warum das Universum so expandierte. Wie jedes Feld hat auch das Inflaton ein Partikel (auch Inflaton genannt).
Die Inflation funktionierte in wenigen grundlegenden Schritten. Zu Beginn des Universums befand es sich in einem Zustand mit hoher Energie und erlebte zufällige Quantenfluktuationen, wie sie vom Superdense-Säuglingsuniversum erwartet wurden. Schließlich setzte sich der Inflaton in einen Zustand niedriger Energie um, der eine massive Abstoßungskraft auslöste, die es dem Inflaton ermöglichte, in seinen Zustand hoher Energie zurückzukehren. Seltsamerweise übt der Inflaton diese abstoßende Kraft nicht aus, wenn er hohe Energie hat.
Inflatontheorien mögen elegant erscheinen, aber sie werden unter Physikern immer noch heftig diskutiert, da das Inflationsmodell nicht von allen Wissenschaftlern akzeptiert wurde. Neue Theorien rund um das frühe Universum zeigen jedoch, dass das Inflatonenfeld ein guter Kandidat ist, um zu beschreiben, wie unser Universum so aussah, als würde es aussehen. Einige Forscher glauben, dass das kürzlich entdeckte Higgs-Boson das Inflatonteilchen ist, nach dem sie gesucht haben. Möglicherweise sind diese beiden Teilchen dasselbe.
3 Bateman Particle
Dieses namenlose Teilchen, das von einem Team unter der Leitung von James Bateman vorgeschlagen wird, ist ein weiterer Kandidat für ein superleichtes Teilchen aus dunkler Materie. Batemans Teilchen ist viel schwerer als das Axion, aber immer noch nur ein Bruchteil der Elektronenmasse. Wie andere Kandidaten für dunkle Materie wäre das neue Teilchen vollständig unsichtbar, da es nicht mit Licht interagieren würde.Es würde jedoch mit normaler Materie interagieren und einige Anomalien um dunkle Materie erklären.
Ein interessantes Merkmal dieses neuen Partikels ist, dass seine Wechselwirkung mit normaler Materie nur über große Entfernungen oder in starken Gravitationsfeldern wirksam ist. Somit wäre das neue Teilchen von der Erde völlig unberührt.
Bateman glaubt, dass sein Teilchen in der Lage wäre, durch die Erde und ihre Atmosphäre zu reisen, ohne auf andere Teilchen zu stoßen oder detektierbar zu sein, weil es eine so kleine Masse hat. Millionen von Bateman-Partikeln könnten jetzt gerade durch Sie strömen. Wenn das Teilchen real ist, würde dies zeigen, dass dunkle Materie viel mehr den Raum durchdringt als bisher angenommen.
Dieses nicht benannte Teilchen interagiert jedoch so schwach, dass es extrem schwierig ist, ein Experiment zu entwerfen, das es erkennen könnte. Im Moment ist das Urteil über die Existenz des Bateman-Partikels noch aus. Bis es bessere Experimente gibt, bleibt das Bateman-Teilchen einfach eine interessante Möglichkeit.
2 Planck-Partikel
Die Compton-Wellenlänge ist ein Schlüsselwert in der Quantenmechanik. Sie ist eine Eigenschaft eines Partikels, die von seiner Masse abhängig ist und seine Beziehung zur Anregung von Photonen zeigt. Wenn die Compton-Wellenlänge eines Partikels seinem Schwarzschild-Radius entspricht, handelt es sich um ein Planck-Partikel.
Der Schwarzschild-Radius zeigt an, wie weit ein Objekt komprimiert werden kann, bevor die Schwerkraft die anderen physischen Kräfte im Universum überwältigt und ein schwarzes Loch erzeugt. Bei dieser Größe wäre die Fluchtgeschwindigkeit von der Oberfläche des Objekts größer als die Lichtgeschwindigkeit, die das charakteristische Merkmal eines Schwarzen Lochs ist. Daher sind Planck-Partikel so kompakt, dass sie sich in Schwarze Löcher verwandelt haben.
Planck-Partikel haben Eigenschaften, die den Planck-Konstanten für Masse und Größe entsprechen. Ein Teilchen dieser Art würde so viel wiegen wie die Planck-Masse (10-fache Masse des Protons) und extrem klein sein (10-facher Durchmesser des Protons). Dies macht das Planck-Teilchen extrem dicht.
Diese seltsamen Teilchen sind für Physiker interessant. Zunächst wurden sie nur in Gleichungen eingeführt, um die Dimensionen des Ergebnisses zu ermitteln. Jetzt sind sie interessant, weil sie den Schlüssel für die Zusammenarbeit von Quantenmechanik und allgemeiner Relativitätstheorie enthalten können.
Kosmologen interessieren sich auch für Planck-Teilchen, weil sie im frühen Universum in großer Fülle vorhanden gewesen sein könnten. Durch die Einbeziehung des Planck-Partikels in kosmologische Modelle konnten Forscher feststellen, dass der frühe Zerfall von Planck-Partikeln möglicherweise zu den beobachteten Eigenschaften der Partikel in unserer Ära des Universums geführt hat.
1 negative Masse
Die meisten Menschen sind mit der Idee eines Antiteilchens vertraut, das die entgegengesetzte Ladung seines normalen Begleiters hat. Beispielsweise hat ein Elektron eine Ladung von -1 und sein Antiteil, das Positron, hat eine Ladung von +1. Theoretische Physiker haben diese Idee auf Masse erweitert und einen neuen Satz von Partikeln postuliert, die die entgegengesetzte Masse unserer normalen Partikel haben.
Dies ist ein ziemlich seltsames Konzept. Wenn Sie eine Masse von 1 Kilogramm hätten, wäre die gleiche Menge negativer Materie -1 Kilogramm. Antiteilchen haben positive Massen, aber entgegengesetzte Ladungen. Negative Materie ist in einer eigenen Liga. Wenn negative Materie existiert, würde dies helfen, einige der interessantesten Probleme der Physik zu lösen. Zum Beispiel würde dies zur Vereinigung der allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik führen.
Physiker erforschen negative Materie, weil sie es Menschen ermöglichen würden, das Universum zu bereisen. Die allgemeine Relativitätstheorie besagt, dass negative Materie alle anderen, sowohl negativen als auch positiven, abstoßen würde. Wenn also negative Materie genutzt werden könnte, würde dies den Menschen erlauben, die Raum-Zeit zu dehnen und möglicherweise Wurmlöcher zu öffnen, durch die Schiffe fahren könnten.
Forscher betreiben auch negative Massenforschung, weil sie uns helfen kann, den Zeitpfeil und einige der verwirrenderen Konzepte über Schwarze Löcher zu verstehen. Negatives Material könnte auch verwendet werden, um ein Plasma zu erzeugen, das Schwerkraftwellen absorbiert. Leider ist die Schaffung negativer Materie noch weit entfernt, aber es ist klar, dass diese neuen subatomaren Teilchen Wissenschaft und Weltraumfahrt revolutionieren könnten.