New Horizons Epic Second Flyby är mindre än ett år bort

Paul Sutter är astrofysiker vid Ohio State University och chefsforskare vid COSI science center. Sutter är också värd för "Ask a Spaceman" och "Space Radio" och leder AstroTours runt om i världen. Sutter bidrog med denna artikel till ProfoundSpace.orgs Expert Voices: Op-Ed & Insights.

För att besöka ett verkligen konstigt land fullt av underverk och mysterium behöver du inte smyga genom ett magiskt skåp, rida en flygande varelse som inte ska kunna flyga eller hoppa utan hänsyn genom en portal till en annan dimension. Nej, allt du behöver göra är att öppna din partikelaccelerator och titta ner, ner, ner.

På den subatomära nivån är den sanna variationen och prakten i naturen på fullskärm, med ett svimlande utbud av partiklar, krafter och fält som alla whizzing och whirring om styrs av fysikens nästan otänkbara lagar. Men på något sätt, i stället för att skapa en kaotisk röra, producerar alla deras komplicerade interaktioner den vanliga, ordnade, mönstrade makroskopiska världen som vi är bekanta med. [Märkliga Quarks och Muons, Oh My! Naturens minsta partiklar uppvisade (Infographic)]

Man kan förstå den lilla världen som segregerad till en strikt hierarki, med tydliga linjer mellan linjalerna och de regerade, mellan de som sitter bekvämt i sina stabila slott och de lilla bönderna som faktiskt får jobbet gjort. Samspelet mellan de olika individerna ställs i sten av oföränderliga regler: Det finns en plats för alla, och alla har en plats.

Kom, låt oss besöka.

Det är bra att vara kungen

I mitten av det hela är de mest massiva stabila partiklarna: upp och ner kvarkerna. Deras livslängd gör det möjligt för dem att binda samman i nästan impregnerbara fästningar: nukleonslottarna som kallas protoner och neutroner. Men det är inte kvarken själva som arbetar med att upprätthålla dessa nukleoncitadeller. Faktum är att den kombinerade massan av alla kvarkerna i en nukleon är mycket mindre än massan av en proton eller neutron.

I stället är de upp och ner kvarken präglad av en speciell förmåga som inte är känd för de andra partiklarna i riket. De kan känna den starka kärnkraften. Det är den överlägset kraftfullaste kraften, som klibbar kvarkerna så intensivt att en enda aldrig kan ses isolerat. Den interaktionen utgör den osynliga ryggraden i vår makroskopiska värld. Vi tar protoner och neutron för givet - det är så solidt att de bygger sina slottväggar. Och deras massor beror främst på styrkan i sina interna kärnobligationer, snarare än de enskilda kvarkerna.

Den starka kärnkraften stoppar inte i nivå med protoner och neutroner. Limet som binder samman kvarkerna, vilket ger dom dominion över alla andra partiklar, är så dominerande att det kan samla några av dessa slott tillsammans till en robust fästning som kallas en atomkärna. Även om denna struktur inte är impregnerbar som protonerna och neutronerna själva, kräver toppling en kärna fortfarande stor ansträngning.

För all sin dominerande kraft är räckvidden för kvarkernas vice-grepp dock begränsad till deras speciella slott och närliggande omgivningar. Det beror på att den starka kraften, för all sin styrka, är allvarligt begränsad inom intervallet. Det här ställer storleken på fästningarna, slott och håller det vi identifierar som nukleonerna i vår värld. [7 konstiga fakta om Quarks]

Åldrande fälten

Utöver det begränsade området håller kvarkerna sina domäner i kontroll och kommunicerar med varandra via kungliga budbärare - fotonen. De snabba fotbollsmännen hoppar från plats till plats i universum, aldrig tröttsamt, som bär den elektromagnetiska kraften - elektricitet, magnetism och jämnt ljus - till någon partikel som har elektrisk laddning. Detta inflytande sträcker sig över hela kosmos, men ju ju ju ju längre du kommer från källan, desto svagare är effekten.

Denna elektromagnetiska bindning håller subatomernas värld underlag och i takt med att kvarkerna spenderar sina dagar i tomgång i den relativa komforten hos deras säkra och avskilda slott, håller nedtryckta "bönder" - elektroner - allt arbete med att göra de rika variationerna möjliga kemiska reaktioner. Det är rätt - det är de fattiga, otrevliga elektronerna som slaver bort för sina kvarkmästare. Bundet till kärnan genom elektromagnetism - men vanligtvis förhindras att faktiskt komma in med kvantemekanikens regler - byts elektroner ut mellan atomer, vilket ger oss kemi som gör nästan allt om våra dagliga liv.

De härskande kvarkarna kommer lyckligtvis att handla, stjäla och låna en ödmjuk elektron från en angränsande domän och forma sina rörelser med tunghänt prodding från fotonen - utan att bry sig om sina individuella förhoppningar, drömmar eller ambitioner (strömmar fritt genom universum, slingrar runt magnetiska fält och så vidare).

Lurar i skuggorna

Men inte alla partiklar i universum hålls under tummen av de despotiska kvarkerna. Vissa kan strömma fritt överallt i universum, inte känna av den starka kraften och ignorerar säkert sura glansar från alla passande foton: neutrinerna. Dessa spöklika partiklar kan gömma sig i vanlig syn, så brusande att i årtionden trodde vi att de var helt masslösa.

Neutrinos finns i tre typer, elektron-neutrino, muon-neutrino och tau-neutrino, men de är så välförtäckta att du aldrig är säker på vilken du tittar på. När de reser, kan de cykla genom maskerna som de bär, och byter identitet med en kryddat spion. Deras masker bestämmer hur de (ibland) interagerar med resten av partiklarna i universum: En elektronnutrino kommer bara att delta i reaktioner som involverar elektroner, till exempel.

Men på grund av neutrinos skadliga natur kan en process som genererar en viss smak av denna partikel inte alltid köras omvänd för att fånga den ursprungliga sorten igen - det är omkopplade identiteter.

Trots alla tricks och subterfuge är neutriner inte immuna mot inflytande från kvarkens domäner. Men för den typen av effekt som ska uppstå krävs specialstyrkorna. Expertpartiklar som kallas W och Z bosoner, bärare av den svaga kärnkraften, är de enda som kan kommunicera med de roguiska neutrinerna. I vissa fall lyckas bosoner omvandla neutrinos till mer kompatibla varelser, som elektroner.

Även då är det en tur chans: För det mesta slipper de snygga neutrinerna bort scot-free.

Men färdighetssättet för de W och Z bosonerna, partikelvärldens hemliga svarta uppfäktare sträcker sig längre än bara den sällsynta neutrino-mötet. De har också nästan exklusiv tillgång till nukleins fästningens inre helium och kan förändra en slags kvark till en annan. Om en neutron flyr från säkerheten hos en atomkärna, kan dessa speciella bosoner omvandla den partikeln till en stabilare proton.

Utanför riket

Naturligtvis ger detta inte den fullständiga bilden av den subatomiska världen. Hela standardmodellen, vårt porträtt av dessa små varelser och alla deras upptagna interaktioner är mycket större och mer komplext än vad som finns i några stycken. Och även om standardmodellen är en triumf av modern fysik, patched tillsammans smärtsamt under årtionden, med krävande förutsägelser och exakt experiment, är det också en ofullständig bild av vår värld.

För det omfattar det inte gravitation, vilket just nu bäst beskrivs av den också ofullständiga allmänna relativitetsteorin. Det finns också de fördjupande kosmologiska frågorna om naturen av mörk materia och mörk energi, som den traditionella standardmodellen är tyst på (eftersom de fenomenen först nyligen upptäcktes). Det finns mer: massan av neutrino, krafternas hierarki och så vidare.

Men när det är långt ifrån komplett, och kanske lite missnöjande i sitt tuggummi-och-kanalbandsmetod för att modellera den fysiska världen, är standardmodellen oerhört användbar. Det kan med stor noggrannhet förutse rörelserna och rörelserna hos de subatomiska deizensna och alla deras fientliga scheming.

Läs mer genom att lyssna på avsnittet "Vem bor i partikel zoo?" på podcast "Ask a Spaceman", tillgänglig på iTunes och på webben på //www.askaspaceman.com. Tack till Alessandro M., Roger, Martin N., Daniel C. och @PoZokhr för de frågor som ledde till det här stycket! Fråga din egen fråga på Twitter med #AskASpaceman eller genom att följa Paul @PaulMattSutter och facebook.com/PaulMattSutter.