Forschend Verstand

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Was ist die Welt gemacht?

Die Bausteine

Physiker haben 12 Bausteine identifiziert, die die grundlegenden Bestandteile der Materie sind., Unsere Alltagswelt besteht aus nur drei Bausteinen: dem up Quark, dem down Quark und dem Electron. Dieser Teilchensatz ist alles, was benötigt wird, um Protonen und Neutronen herzustellen und Atome und Moleküle zu bilden. Das Elektronenneutrino, das beim Zerfall anderer Teilchen beobachtet wird, vervollständigt den ersten Satz von vier Bausteinen.

Die Bausteine der Materie: sechs quarks und sechs Leptonen.,

Aus irgendeinem Grund hat die Natur beschlossen, diese erste Generation von Quarks und Leptonen zu replizieren, um insgesamt sechs Quarks und sechs Leptonen mit zunehmender Masse zu produzieren. Wie alle Quarks ist das sechste Quark mit dem Namen top viel kleiner als ein Proton (tatsächlich weiß niemand, wie klein Quarks sind), aber die Oberseite ist so schwer wie ein Goldatom!

Obwohl es Gründe zu der Annahme gibt, dass es keine Quarks und Leptons mehr gibt, spekulieren Theoretiker, dass es andere Arten von Bausteinen geben könnte, die teilweise die dunkle Materie erklären können, die durch astrophysikalische Beobachtungen impliziert wird., Diese schlecht verstandene Materie übt Gravitationskräfte aus und manipuliert Galaxien. Es wird erdgestützte Beschleunigerexperimente benötigen, um sein Gewebe zu identifizieren.

Die Bausteine der Natur (video, 6 min.)

Die Kräfte

Wissenschaftler unterscheiden vier elementare Arten von Kräften, die zwischen Teilchen wirken: starke, schwache, elektromagnetische und Gravitationskraft.

• Die starke Kraft ist dafür verantwortlich, dass Quarks zu Protonen, Neutronen und verwandten Teilchen“ zusammenkleben“.,
• Die elektromagnetische Kraft bindet Elektronen an Atomkerne (Cluster von Protonen und Neutronen), um Atome zu bilden.
• Die schwache Kraft erleichtert den Zerfall schwerer Partikel in kleinere Geschwister.
• Die Gravitationskraft wirkt zwischen massiven Objekten. Obwohl es auf mikroskopischer Ebene keine Rolle spielt, ist es die dominierende Kraft in unserem Alltag und im gesamten Universum.

Teilchen übertragen Kräfte untereinander, indem sie krafttragende Teilchen, sogenannte Bosonen, austauschen., Diese Kraftmediatoren tragen diskrete Energiemengen, sogenannte Quanten, von einem Teilchen zum anderen. Sie könnten sich die Energieübertragung aufgrund des Bosonaustauschs als etwas wie die Weitergabe eines Basketballs zwischen zwei Spielern vorstellen.

Jede Kraft hat ihre eigenen charakteristischen Bosonen:

• Das Gluon vermittelt die starke Kraft; es“ klebt “ Quarks zusammen.
• Das Photon trägt die elektromagnetische Kraft; es überträgt auch Licht.
• Die W-und Z-Bosonen repräsentieren die schwache Kraft; Sie führen verschiedene Arten von Zerfällen ein.,

Physiker gehen davon aus, dass die Gravitationskraft auch mit einem Boson-Teilchen assoziiert sein kann. Dieses hypothetische Boson namens Graviton ist äußerst schwer zu beobachten, da auf subatomarer Ebene die Gravitationskraft um viele Größenordnungen schwächer ist als die anderen drei Elementarkräfte.

Tabelle der Teilchenentdeckungen: Wer, wann, wo?

Antimaterie

Obwohl es ein Grundnahrungsmittel der Science-Fiction ist, ist Antimaterie so real wie Materie. Für jedes Teilchen haben Physiker ein entsprechendes Antiteilchen entdeckt, das fast gleich aussieht und sich verhält., Antipartikel haben jedoch die entgegengesetzten Eigenschaften ihrer entsprechenden Partikel. Ein Antiproton hat beispielsweise eine negative elektrische Ladung, während ein Proton positiv geladen ist.

Vor weniger als 10 Jahren schufen Physiker am CERN (1995) und Fermilab (1996) die ersten Antiatome. Um mehr über die Eigenschaften der „Spiegelwelt“ zu erfahren, fügten sie einem Antiproton vorsichtig ein Positron (das Antiteilchen eines Elektrons) hinzu. Das Ergebnis: Antiwasserstoff.

Die Lagerung von Antimaterie ist eine schwierige Aufgabe., Sobald sich ein Antiteilchen und ein Teilchen treffen, vernichten sie und verschwinden in einem Energieflug. Mithilfe elektromagnetischer Kraftfelder können Physiker Antimaterie für eine begrenzte Zeit in Vakuumgefäßen speichern.

Das Standardmodell

Das Standardmodell erklärt das komplexe Zusammenspiel von Kraftträgern und Bausteinen.,

Physiker nennen den theoretischen Rahmen, der die Wechselwirkungen zwischen elementaren Bausteinen (Quarks und Leptonen) und den Kraftträgern (Bosonen) beschreibt, das Standardmodell. Die Schwerkraft ist noch nicht Teil dieses Rahmens, und eine zentrale Frage der Teilchenphysik des 21st Jahrhunderts ist die Suche nach einer Quantenformulierung der Schwerkraft, die in das Standardmodell aufgenommen werden könnte.

Obwohl das Standardmodell immer noch als Modell bezeichnet wird, ist es eine grundlegende und bewährte Physiktheorie., Physiker verwenden es, um eine Vielzahl von Teilcheninteraktionen und Quantenphänomenen zu erklären und zu berechnen. Hochpräzise Experimente haben wiederholt subtile Effekte überprüft, die vom Standardmodell vorhergesagt werden.

Der bisher größte Erfolg des Standardmodells ist die Vereinheitlichung derelektromagnetischen und der schwachen Kräfte in die sogenannte elektroschwache Kraft. Theconsolidation ist ein Meilenstein vergleichbar mit der Vereinigung der elektrischen und magnetischen Kräfte in einer einzigen elektromagnetischen Theorie von J. C. Maxwell im 19., Physiker denken, dass es möglich ist, alle Kräfte mit einer großen einheitlichen Theorie zu beschreiben.

Ein wesentlicher Bestandteil des Standardmodells entzieht sich jedoch noch der experimentellen Verifikation: dem Higgs-Feld. Es interagiert mit anderen Partikeln, um ihnen Masse zu geben. Das Higgs-Feld führt zu einem neuen Kraftträger, dem Higgs-Boson, der nicht beobachtet wurde. Das Versäumnis, es zu finden, würde das Standardmodell in Frage stellen. Experimentatoren von Fermilab hoffen, Beweise für das Higgs-Boson zu finden und in den nächsten Jahren weitere Entdeckungen zu machen.,

Diashow zu den Bausteinen der Natur

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