New Horizons 'Epic Second Flyby ist weniger als ein Jahr entfernt

Paul Sutter ist Astrophysiker an der Ohio State University und Chefwissenschaftler am COSI Science Center. Sutter ist auch Gastgeber von "Ask a Spaceman" und "Space Radio" und führt AstroTours rund um die Welt. Sutter hat diesen Artikel zu ProfoundSpace.org's Expert Voices: Op-Ed & Insights beigetragen.

Um ein wahrhaft fremdes Land voller Wunder und Geheimnisse zu besuchen, musst du dich nicht durch ein magisches Kabinett schleichen, eine fliegende Kreatur reiten, die nicht in der Lage wäre, rücksichtslos durch ein Portal in eine andere Dimension zu fliegen oder zu springen. Nein, du musst nur deinen Teilchenbeschleuniger aufbrechen und nach unten, unten, unten schauen.

Auf subatomarer Ebene zeigt sich die wahre Vielfalt und Pracht der Natur mit einer schwindelerregenden Anordnung von Teilchen, Kräften und Feldern, die von nahezu unergründlichen Gesetzen der Physik beherrscht werden. Doch anstatt eine chaotische Unordnung zu erzeugen, erzeugen all ihre komplizierten Interaktionen irgendwie die reguläre, geordnete, gemusterte makroskopische Welt, mit der wir vertraut sind. [Seltsame Quarks und Muons, oh mein! Die kleinsten Teilchen der Natur (Infographik)

Man kann diese winzige Welt als in eine strenge Hierarchie gegliedert verstehen, mit klaren Linien zwischen den Herrschenden und den Beherrschten, zwischen denen, die bequem in ihren Stallburgen sitzen und den niedrigen Bauern, die tatsächlich die Arbeit erledigen. Die Wechselbeziehungen zwischen den verschiedenen Bewohnern sind durch unveränderliche Regeln in Stein gemeißelt: Es gibt einen Platz für alle, und jeder hat seinen Platz.

Komm, lass uns besuchen.

Es ist gut, der König zu sein

Im Zentrum stehen die massivsten stabilen Teilchen: die Up- und Down-Quarks. Ihre Langlebigkeit erlaubt ihnen, sich zu fast uneinnehmbaren Festungen zusammenzuschließen: den Nukleonschlössern, die als Protonen und Neutronen bekannt sind. Aber es sind nicht die Quarks selbst, die die Arbeit tun, diese nuklearen Zitadellen zu erhalten. Tatsächlich ist die kombinierte Masse aller Quarks in einem Nukleon viel kleiner als die Masse eines Protons oder Neutrons.

Stattdessen sind die Up- und Down-Quarks von einer speziellen Fähigkeit durchdrungen, die den anderen Teilchen im Reich nicht bekannt ist. Sie können die starke nukleare Kraft spüren. Das ist bei weitem die stärkste Kraft, die Quarks so stark zusammen zu kleben, dass ein einzelner nie isoliert gesehen werden kann. Diese Interaktion bildet das unsichtbare Rückgrat unserer makroskopischen Welt. Wir nehmen Protonen und Neutronen als selbstverständlich hin - so bauen sie fest ihre Burgmauern. Und ihre Massen beruhen hauptsächlich auf der Stärke ihrer inneren Kernbindungen und nicht auf den einzelnen Quarks.

Die starke Kernkraft hört nicht auf Protonen- und Neutronenebene auf. Der Klebstoff, der die Quarks miteinander verbindet und ihnen die Herrschaft über alle anderen Teilchen verleiht, ist so dominant, dass sie einige dieser Schlösser zu einer stabilen Festung, einem Atomkern, zusammenfassen kann. Während diese Struktur nicht wie die Protonen und Neutronen selbst uneinnehmbar ist, erfordert das Umkippen eines Kerns immer noch immensen Aufwand.

Trotz all ihrer dominierenden Kraft beschränkt sich der schraubstockartige Griff der Quarks auf ihre besondere Burg und die nähere Umgebung. Das liegt daran, dass die starke Kraft bei all ihrer Stärke stark eingeschränkt ist. Das ist es, was die Größe der Festungen, Burgen und Schlösser festlegt, die wir als Nukleonen unserer Welt bezeichnen. [7 Seltsame Fakten über Quarks]

Die Felder schmieren

Jenseits dieser begrenzten Reichweite halten die Quarks ihre Domänen in Schach und kommunizieren miteinander über die königlichen Boten - die Photonen. Jene schnellfüßigen Gesandten springen von Ort zu Ort im Universum, ermüden nie und tragen die elektromagnetische Kraft - Elektrizität, Magnetismus und sogar Licht selbst - zu jedem Teilchen, das elektrische Ladung hat. Dieser Einfluss erstreckt sich über den gesamten Kosmos, aber je weiter du von der Quelle entfernt bist, desto geringer ist der Effekt.

Diese elektromagnetische Bindung hält die Untergebenen der subatomaren Welt in einer Linie, und während die Quarks ihre Tage im relativen Komfort ihrer sicheren und abgelegenen Burgschlösser verbringen, machen unterdrückte "Bauern" - Elektronen - die ganze Arbeit, die reichen Variationen zu machen von chemischen Reaktionen möglich. Das ist richtig - es sind die armen, unwürdigen Elektronen, die sich ihren Quark-Meistern entledigen. Durch Elektromagnetismus an den Atomkern gebunden - aber in der Regel daran gehindert, tatsächlich in die Regeln der Quantenmechanik einzudringen - werden Elektronen zwischen Atomen ausgetauscht, was uns die Chemie verleiht, die fast alles in unserem täglichen Leben möglich macht.

Die herrschenden Quarks werden glücklich handeln, stehlen und ein bescheidenes Elektron aus einem benachbarten Gebiet leihen und ihre Bewegungen mit heftigen Stößen von den Photonen formen - ohne sich um ihre individuellen Hoffnungen, Träume oder Ambitionen zu kümmern (die frei durch das Universum strömen und magnetisch umherwinden) Felder und so weiter).

Lauern im Schatten

Aber nicht alle Teilchen im Universum werden unter dem Daumen der despotischen Quarks gehalten. Einige können ungehindert durch das Universum strömen, die starke Kraft nicht wahrnehmen und mürrische Blicke von irgendwelchen vorbeifliegenden Photonen ignorieren: den Neutrinos. Diese geisterhaften Partikel können sich in Sichtweite verstecken, so schäumend, dass wir sie jahrzehntelang für völlig masselos hielten.

Neutrinos gibt es in drei Arten, Elektron-Neutrino, Myon-Neutrino und Tau-Neutrino, aber sie sind so gut verkleidet, dass Sie nie sicher sind, welchen Sie gerade sehen. Während sie reisen, können sie durch die Masken, die sie tragen, radeln und ihre Identität mit der Leichtigkeit eines erfahrenen Spions wechseln. Ihre Masken bestimmen, wie sie (gelegentlich) mit dem Rest der Teilchen im Universum interagieren: Ein Elektron-Neutrino wird nur an Reaktionen beteiligt sein, an denen beispielsweise Elektronen beteiligt sind.

Aber aufgrund der schelmischen Natur der Neutrinos kann ein Prozess, der einen bestimmten Geschmack dieses Teilchens erzeugt, nicht immer umgekehrt ausgeführt werden, um die ursprüngliche Sorte wieder zu fangen - es sind geschaltete Identitäten.

Trotzdem sind Neutrinos trotz all ihrer Tricks und Täuschungen nicht immun gegen Einflüsse aus den Domänen der Quarks. Damit diese Art von Effekt eintritt, sind jedoch spezielle Kräfte erforderlich. Expertenpartikel, die W- und Z-Bosonen, Träger der schwachen Kernkraft, sind die einzigen, die mit den schurkischen Neutrinos kommunizieren können. In einigen Fällen gelingt es Bosonen, Neutrinos in mehr konforme Lebewesen wie Elektronen umzuwandeln.

Aber auch dann ist es eine glückliche Chance: Meistens kommen die hinterhältigen Neutrinos ungeschoren davon.

Aber die Fähigkeiten dieser W- und Z-Bosonen, der geheimen Black-Ops-Kämpfer der Teilchenwelt, reichen weiter als nur die seltene Neutrino-Begegnung. Sie haben auch fast exklusiven Zugang zum inneren Heiligtum der Nukleon-Festung und können eine Art von Quark in einen anderen verwandeln. Sollte ein Neutron aus der Sicherheit eines Atomkerns entkommen, können diese speziellen Bosonen dieses Teilchen in ein stabileres Proton umwandeln.

Außerhalb des Reiches

Natürlich gibt dies nicht das vollständige Bild der subatomaren Welt. Das gesamte Standardmodell, unser Porträt dieser winzigen Kreaturen und all ihre Interaktionen mit den Beteiligten, ist viel größer und komplexer als in einigen Absätzen enthalten sein kann. Und obwohl das Standardmodell ein Triumph der modernen Physik ist, die im Laufe der Jahrzehnte schmerzhaft zusammengeflickt wurde, mit genauen Vorhersagen und genauem Experimentieren, ist es auch ein unvollständiges Bild unserer Welt.

Zum einen beinhaltet es nicht die Gravitation, die jetzt am besten durch die ebenfalls unvollständige allgemeine Relativitätstheorie beschrieben wird. Es gibt auch die anhaltenden kosmologischen Fragen der Natur dunkler Materie und dunkler Energie, über die das traditionelle Standardmodell schweigt (weil diese Phänomene erst kürzlich entdeckt wurden). Es gibt noch mehr: die Masse des Neutrinos, die Hierarchie der Kräfte und so weiter.

Das Standardmodell ist zwar nicht vollständig und vielleicht ein wenig unbefriedigend in seinem Kaugummi-und-Klebeband-Ansatz zur Modellierung der physischen Welt, aber es ist unglaublich nützlich. Es kann mit atemberaubender Genauigkeit die Bewegungen und Bewegungen dieser subatomaren Bewohner und all ihre ruchlosen Machenschaften vorhersagen.

Erfahren Sie mehr über die Episode "Wer lebt im Partikel-Zoo?" auf dem Podcast "Ask a Spaceman", erhältlich bei iTunes und im Internet unter //www.askaspaceman.com. Danke an Alessandro M., Roger, Martin N., Daniel C. und @PoZokhr für die Fragen, die zu diesem Stück geführt haben! Stellen Sie Ihre eigene Frage auf Twitter mit #AskASpaceman oder indem Sie Paul @PaulMattSutter und facebook.com/PaulMattSutter folgen.