10 theoretische Teilchen, die alles erklären könnten

Seit Jahrhunderten hat sich die Menschheit in die Mysterien eingegraben, die die genaue Zusammensetzung des Universums umgeben. Die alten Griechen waren die ersten, die die Existenz von Atomen vermuteten, von denen sie glaubten, dass sie die kleinsten Teilchen im Universum sind - die „Bausteine“ von allem. Das war das meiste, was wir über ungefähr 1500 Jahre über Materie wussten. Dann, 1897, verließ die Entdeckung des Elektrons die wissenschaftliche Welt in Unordnung. Genau wie Moleküle aus Atomen bestehen, scheinen die Atome nun ihre eigenen Bestandteile zu haben.

Und je tiefer wir schauten, desto mehr schienen die Antworten durch unsere Fingerspitzen zu rollen, immer außer Reichweite. Sogar Protonen und Neutronen - die Bausteine ​​der Atome - bestehen aus immer kleineren Stücken, den sogenannten Quarks. Jede Entdeckung scheint nur weitere Fragen zu stellen. Sind Zeit und Raum nur Bündel und Bündel kleiner aufgeladener Krümel zu klein, um überhaupt zu sehen? Vielleicht - aber andererseits könnten diese zehn theoretischen Teilchen alles erklären. Wenn wir sie tatsächlich finden könnten:

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Strangelets

Beginnen wir mit etwas, das dem, was wir bereits kennen, am nächsten kommt. Es gibt mehrere Arten von Quarks: Sechs, um genau zu sein. "Auf" und "ab" Quarks sind die gebräuchlichsten Typen, und diese bauen die Protonen und Neutronen von Atomen auf. Seltsame Quarks sind dagegen nicht so häufig. Wenn sich fremde Quarks in gleicher Anzahl mit auf- und absteigenden Quarks kombinieren, erzeugen sie ein Teilchen, das Strangelet genannt wird, und Strangelets sind die winzigen Fragmente, die sich in fremde Materie aufbauen.

Nach der seltsamen Materie-Hypothese werden Strangelets in der Natur erstellt, wenn ein massiver Neutronenstern - ein massereich zusammengebrochener Stern - so viel Druck aufbaut, dass die Elektronen und Protonen in seinem Kern miteinander verschmelzen und dann zu einer Art Dichte zusammenfallen Quark-Blase, die wir seltsame Materie nennen. Und da große Strangelets theoretisch außerhalb dieser Hochdruck-Zentren von Sternen existieren können, ist es wahrscheinlich, dass sie sich von diesen Sternen in andere Sonnensysteme - einschließlich unseres eigenen - entfernt haben.

Und hier wird es wahnsinnig: Wenn es diese Dinge gibt, könnte ein großer Strangelet den Kern eines Atoms in einen anderen Strangelet umwandeln, indem er mit ihm kollidiert. Die neue Strangelet könnte dann mit mehr Kernen kollidieren und diese in einer Kettenreaktion in weitere Strangelets umwandeln, bis die gesamte Materie der Erde in eine fremde Materie umgewandelt wurde. In der Tat musste das Large Hadron Collider-Werk eine Pressemitteilung herausgeben, in der es als unwahrscheinlich bekannt ist, dass es unwahrscheinlich ist, dass aus Versehen Strangelets entstehen, die den Planeten zerstören könnten. So ernst nimmt die wissenschaftliche Gemeinschaft die Angelegenheit von Strangelets.

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Sparticles

Die Theorie der Supersymmetrie besagt, dass jedes Teilchen im Universum ein gegenüberliegendes Zwillingspartikel hat, das als supersymmetrisches Teilchen oder Spartikel bekannt ist. Für jedes Quark da draußen gibt es eine Schwester - einen Squark -, die eine perfekte Symmetrie mit sich teilt. Für jedes Photon gibt es ein Photino. Und so weiter für alle einundsechzig bekannten Elementarteilchen. Wenn es also so viele gibt, warum haben wir es nicht entdeckt? irgendein von diesen Spartikeln schon?

Hier die Theorie: In der Teilchenphysik zerfallen schwerere Teilchen schneller als leichtere Teilchen. Wenn ein Partikel schwer genug wird, bricht es sofort nach der Erzeugung zusammen. Vorausgesetzt, die Spartikel sind unglaublich schwer, würden sie im Handumdrehen zusammenbrechen, während ihre Superpartner - die Partikel, die wir sehen und beobachten können - weiterleben. Dies könnte auch erklären, warum es so viel Materie im Universum gibt und dennoch wenig dunkle Materie, weil die Spartikel dunkle Materie enthalten könnten und in einem Gebiet existieren könnten, das bisher nicht beobachtbar ist.

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Antiteilchen

Materie besteht aus Partikeln - und in ähnlicher Weise besteht Antimaterie aus Antiteilchen. Das alles macht Sinn, richtig? Antiteilchen haben die gleiche Masse wie normale Teilchen, jedoch eine entgegengesetzte Ladung und einen entgegengesetzten Drehimpuls (Spin). Es klingt wie die Supersymmetrie-Theorie, aber im Gegensatz zu Partikeln verhalten sich Antiteilchen genauso wie Partikel - sie bauen sogar Anti-Elemente auf, wie Anti-Wasserstoff. Grundsätzlich hat alle Materie entsprechende Antimaterie.

Oder sollte es zumindest. Das ist das Problem - es gibt viel zu tun, aber Antimaterie taucht nirgendwo auf. (Mit Ausnahme der Large Hadron Collider-Full-Veröffentlichung wurden Antiteilchen gefunden, die nicht mehr theoretisch sind).

Während des Urknalls sollten gleich viele Partikel und Antiteilchen vorhanden sein. Die Idee ist, dass alle Materie im Universum zu diesem Zeitpunkt geschaffen wurde. Standardmäßig mussten alle Antimaterie gleichzeitig erstellt werden. Eine Theorie besagt, dass es andere Teile des Universums gibt, die von Antimaterie dominiert werden. Alles, was wir sehen können, selbst die entferntesten Sterne, ist größtenteils Materie. Unser sichtbares Universum könnte jedoch nur ein kleiner Teil des Universums sein, während Antimaterieplaneten, Sonnen und Galaxien in einer anderen Sphäre des Universums schwingen, wie entgegengesetzt geladene Elektronen und Protonen, die sich in einem Atom umlaufen.

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Gravitons

Gegenwärtig sind Antiteilchen ein großes Problem in aktuellen Theorien der Teilchenphysik. Möchten Sie von einem anderen Problem erfahren? Schwere. Im Vergleich zu anderen Kräften, wie dem Elektromagnetismus, ist die Schwerkraft schwächer, als wenn man sich durch einen Faustkampf den Weg durch die Nase zeigt. Es scheint auch seine Natur zu ändern, basierend auf der Masse eines Objekts. Die Schwerkraft ist auf Planeten und Sternen leicht zu beobachten, bringt sie aber auf die molekulare Ebene und scheint zu tun, was sie will. Außerdem hat es nicht einmal ein Teilchen, das es tragen kann, wie die Photonen, die Licht transportieren.

Hier kommt das Graviton ins Spiel. Das Graviton ist das theoretische Teilchen, das es der Schwerkraft erlaubt, in das gleiche Modell wie jede andere beobachtbare Kraft zu passen.Da die Schwerkraft unabhängig von der Entfernung einen schwachen Zug auf jedes Objekt ausübt, müsste es massenlos sein. Aber das ist nicht das Problem - Photonen sind masselos und wurden gefunden. Wir sind so weit gegangen, die genauen Parameter zu definieren, in die ein Graviton passen müsste, und sobald wir ein Teilchen finden, das mit diesen Parametern übereinstimmt, haben wir ein Graviton.

Dies zu finden wäre wichtig, da die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenphysik ab sofort nicht miteinander vereinbar sind. Bei einem bestimmten präzisen Energieniveau, der Planck-Skala, hört die Schwerkraft auf, den Relativitätsregeln zu folgen und gleitet in Quantenregeln. Die Lösung des Schwerkraftproblems könnte daher der Schlüssel zu einer einheitlichen Theorie sein.

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Graviphotonen

Es gibt ein weiteres theoretisches Gravitationspartikel, und es ist absolut schön. Das Graviphoton ist ein Teilchen, das entstehen würde, wenn das Gravitationsfeld in einer fünften Dimension angeregt wird. Sie stammt aus der Kaluza-Klein-Theorie, die vorsieht, dass Elektromagnetismus und Gravitation unter der Bedingung, dass es mehr als vier Dimensionen in der Raumzeit gibt, zu einer einzigen Kraft vereinigt werden können. Ein Graviphoton hätte die Eigenschaften eines Gravitons, aber es würde auch die Eigenschaften eines Photons mit sich bringen und eine sogenannte fünfte Kraft erzeugen (derzeit gibt es vier fundamentale Kräfte).

Andere Theorien besagen, dass ein Graviphoton ein Superpartner (wie ein Spartikel) von Gravitonen wäre, dass es sich jedoch tatsächlich gleichzeitig anziehen und abstoßen würde. Auf diese Weise könnten Gravitonen theoretisch Anti-Schwerkraft erzeugen. Und das ist nur in der fünften Dimension - die Theorie der Supergravitation setzt auch die Existenz von Graviphotonen voraus, lässt aber elf Dimensionen zu.

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Preons

Woraus bestehen Quarks? Lassen Sie uns zunächst eine Vorstellung von der Skalierung gewinnen. Der Kern eines Goldatoms hat neunundsiebzig Protonen. Jedes Proton besteht aus drei Quarks. Nun beträgt die Breite des Kerns dieses Goldatoms etwa acht Femtometer. Das ist acht Millionstel Nanometer, und ein Nanometer ist bereits ein Milliardstel Meter. Also stimmen wir einfach zu, dass Quarks klein sind, und erkennen, dass Preons-Sub-Quark-Partikel so klein sein müssen, dass es momentan keine Skala gibt, die ihre Größe messen könnte.

Es gibt andere Wörter, um die theoretischen Bausteine ​​von Quarks zu beschreiben, einschließlich Primons, Subquarks, Quinks und Tweedles, aber "Preon" wird im Allgemeinen am meisten akzeptiert. Und Preons sind wichtig, weil Quarks im Moment ein fundamentales Teilchen sind - sie sind so niedrig wie möglich. Wenn sich herausstellte, dass sie zusammengesetzt waren oder aus anderen Teilen bestanden, könnte dies Tausenden von neuen Theorien die Tür öffnen. Eine Theorie besagt zum Beispiel, dass die schwer fassbare Antimaterie des Universums tatsächlich in Preons enthalten ist und daher alles in sich Antimaterie-Stücke enthält. Nach dieser Theorie sind Sie selbst ein Teil der Antimaterie - Sie können es einfach nicht sehen, weil die Materieteile zu größeren Blöcken zusammengefügt werden.

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Tachyonen

Nichts kann einem Verstoß gegen die bekannten Relativitätsgesetze näher kommen als ein Tachyon. Es ist ein Teilchen, das sich schneller als Licht bewegt, und wenn es existiert, deutet dies darauf hin, dass die Lichtgeschwindigkeitsbarriere… nun, keine Barriere mehr ist. Tatsächlich würde dies bedeuten, dass die Geschwindigkeit, die wir als Lichtgeschwindigkeit kennen, der Mittelpunkt ist - so wie normale Teilchen unendlich langsam (und sich überhaupt nicht bewegen) können, wäre ein Tachyon auf der anderen Seite der Barriere vorhanden unendlich schnell bewegen können.

Seltsamerweise würde sich ihr Verhältnis zur Lichtgeschwindigkeit widerspiegeln. Einfach ausgedrückt: Wenn ein normales Teilchen schneller wird, steigt der Energiebedarf. Um die Lichtschrankenbarriere tatsächlich zu durchbrechen, würde der Energiebedarf unendlich steigen - sie würde unendlich viel Energie benötigen. Je langsamer es für einen Tachyon ist, desto mehr Energie braucht er. Wenn es sich verlangsamt und sich der Lichtgeschwindigkeit von der anderen Seite nähert, wird der Energiebedarf unendlich. Wenn es jedoch schneller wird, nimmt der Energiebedarf ab, bis er überhaupt keine Energie benötigt, um sich mit unendlicher Geschwindigkeit zu bewegen.

Stellen Sie sich das wie einen Magneten vor. Sie haben einen Magneten an der Wand und einen anderen in der Hand. Wenn Sie Ihren Magneten mit ausgerichteten Polen in Richtung der Wand drücken, wird Ihr Magnet abgestoßen. Je näher Sie es setzen, desto schwieriger müssen Sie drücken. Stellen Sie sich auf der anderen Seite der Wand einen anderen Magneten vor, der dasselbe tut. Der Wandmagnet ist die Lichtgeschwindigkeit und die zwei Magneten sind Tachyonen und normale Teilchen. Selbst wenn es Tachyonen gäbe, wären sie für immer auf der gegenüberliegenden Seite einer Barriere eingeschlossen, die wir selbst nicht passieren können. Wir haben jedoch vergessen zu erwähnen, dass sie technisch dazu genutzt werden könnten, Nachrichten in die Vergangenheit zu senden.

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Zeichenketten

Nahezu alle Partikel, über die wir bisher gesprochen haben, werden Punktpartikel genannt. Quarks und Photonen existieren als ein einzelner Punkt - ein winziger kleiner Punkt, wenn Sie so wollen - mit null Dimensionen. Die Stringtheorie legt nahe, dass diese Elementarteilchen nicht wirklich Punkte auf alles sind - sie sind Strings, eindimensionale Partikelstränge. Im Kern ist die Stringtheorie eine Theorie von allem, die sowohl mit der Schwerkraft als auch mit der Quantenphysik koexistieren kann (basierend auf dem, was wir jetzt wissen, können die beiden nicht physisch im selben Raum existieren. Die Schwerkraft funktioniert nicht beim Quantum Niveau).

Die Stringtheorie ist also im Grunde eine Quantentheorie der Schwerkraft. Zum Vergleich würden Strings Preons als Bausteine ​​für Quarks ersetzen, während auf höheren Ebenen alles gleich bleibt. In der Stringtheorie kann aus der Saite alles entstehen, je nachdem, wie sie geformt ist. Wenn der String ein offener Strang ist, wird er zum Photon. Wenn die Enden derselben Saite miteinander verbunden sind und eine Schleife bilden, wird sie zu einem Graviton - auf die gleiche Weise, wie das gleiche Stück Holz entweder ein Haus oder eine Flöte werden kann.

Es gibt tatsächlich mehrere Stringtheorien, und interessanterweise sagt jeder eine andere Anzahl von Dimensionen voraus. Die meisten dieser Theorien besagen, dass es zehn oder elf Dimensionen gibt, während die bosonische Stringtheorie (oder Superstringtheorie) nicht weniger als sechsundzwanzig verlangt. In diesen anderen Dimensionen hätte die Schwerkraft eine gleiche oder größere Stärke als andere fundamentale Kräfte, was erklärt, warum sie in unseren drei räumlichen Dimensionen so schwach ist.

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Branes

Wenn Sie wirklich eine Erklärung der Schwerkraft wünschen, müssen Sie die M-Theorie oder die Membrantheorie betrachten. Membranen oder Membranen sind Partikel, die mehrere Dimensionen umfassen können. Zum Beispiel ist eine 0-Brücke eine punktförmige, die in Nulldimensionen existiert, wie ein Quark. Eine 1-Brücke hat eine Dimension - eine Zeichenfolge. Eine 2-Brane ist eine zweidimensionale Membran und so weiter. Höher dimensionierte Brane können jede Größe haben, was zu der Theorie führt, dass unser Universum wirklich eine große Brane mit vier Dimensionen ist. Dieses brane - unser Universum - ist nur ein Stück multidimensionaler Raum.

Und was die Schwerkraft angeht, so kann unsere vierdimensionale Brücke sie nicht einfach enthalten. Die Energie der Schwerkraft dringt in die anderen Hohlräume ein, wenn sie im mehrdimensionalen Raum vorbeizieht. Wir haben nur die Dribbles von dem, was übrig ist, weshalb es im Vergleich zu anderen Kräften so schwach erscheint.

Wenn man dies extrapoliert, ist es sinnvoll, dass sich viele Branes in einem unendlich großen Raum durch diese unendlichen Branes bewegen. Und von dort haben wir die Theorien des Multiversums und des zyklischen Universums. Letzteres besagt, dass das Universum sich selbst dreht: es dehnt sich aus der Energie des Urknalls aus, dann zieht die Schwerkraft alles wieder in den gleichen Raum für den Big Crunch. Diese Kompressionsenergie löst einen weiteren Urknall aus und prallt das Universum in einen anderen Zyklus ein, wie eine Zelle, die ins Leben gerät und dann stirbt.

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Gott Partikel

Das Higgs-Boson, besser bekannt als das Gottes-Teilchen, wurde am 14. März 2013 vorläufig im Large Hadron Collider (9) gefunden. Als etwas Hintergrundwissen wurde das Higgs-Boson erstmals in den 1960er Jahren als das Teilchen angenommen, das anderen Teilchen Masse verleiht.

Grundsätzlich wird das Gott-Teilchen im Higgs-Feld produziert und wurde als eine Möglichkeit vorgeschlagen, zu erklären, warum einige Teilchen, die Masse hätten haben sollen, tatsächlich masselos waren. Das Higgs-Feld - das niemals beobachtet worden war - müsste im gesamten Universum existieren und die Kraft liefern, die die Teilchen benötigen, um ihre Masse zu erhalten. Und wenn dies wahr wäre, würde dies im Standardmodell große Lücken füllen, was die grundlegende Erklärung für alles ist (außer wie immer die Schwerkraft).

Das Higgs-Boson ist lebenswichtig, weil es beweist, dass das Higgs-Feld existiert, und erklärt, wie sich die Energie im Higgs-Feld als Masse manifestieren kann. Aber es ist auch wichtig, weil es einen Präzedenzfall schafft. Bevor es entdeckt wurde, war das Higgs-Boson nur eine Theorie. Es gab mathematische Modelle, physikalische Parameter, die es zulassen würden, wie es alles spinnen sollte. Wir hatten einfach keinerlei Beweise für seine Existenz. Basierend auf diesen Modellen und Theorien konnten wir jedoch ein bestimmtes Teilchen bestimmen - das kleinste Ding im bekannten Universum -, das mit allem übereinstimmte, was wir angenommen hatten.

Wenn wir es einmal tun können, wer würde dann sagen, dass eines dieser Partikel nicht echt sein könnte? Tachyonen, Strangelets, Gravitonen-Partikel, die alles, was wir über das Leben und das Universum wissen, verschieben und uns näher bringen, die Grundlagen der Welt, in der wir leben, tatsächlich zu verstehen.

Andrew Handley

Andrew ist freiberuflicher Autor und Besitzer des sexy, sexy HandleyNation Content Service. Wenn er nicht gerade schreibt, wandert oder klettert er oder genießt die frische Luft von North Carolina.