Jeder von uns möchte wissen, wer wir sind, woher wir kommen und wohin wir gehen. Die Antworten auf diese Fragen werden von einer Vielzahl von Menschen angeboten, von Philosophen über Priester bis hin zu theoretischen Physikern, aber letztere haben das größte Wissen über das Universum. Bis Anfang des 20. Jahrhunderts konnte sich jedoch niemand vorstellen, dass es so viele Elementarteilchen geben würde, dass sie einen ganzen „Zoo“ bilden könnten. Erst 1925 wurde die alte Quantentheorie durch die Quantenmechanik abgelöst, die auf Wellengleichungen und dem Unbestimmtheitsprinzip beruht und sich in ihren Bestimmungen deutlich von den Bestimmungen der klassischen Mechanik unterscheidet. In nur wenigen Jahrzehnten wurden viele Elementarteilchen entdeckt und ihre Wechselwirkung untereinander bildete die Grundlage des Standardmodells. Der Start des Large Hadron Collider (LHC) und die anschließende Entdeckung des & # 171; God-Partikels & # 187; – Wissenschaftlich gesehen war das Higgs-Boson nur der Anfang, um unsere komplexe Welt zu verstehen. Jedes Jahr entdecken Wissenschaftler neue Teilchen und versuchen gleichzeitig, die Frage zu beantworten, warum wir existieren.
Q-Bälle – seltsame Quantenobjekte, die Gravitationswellen erzeugen können
Teilchen für Teilchen
Eines der letzten von Physikern entdeckten Teilchen ist ein Tetraquark (über ihre Entdeckung habe ich hier ausführlicher gesprochen). Kurz gesagt sind Tetraquarks ein Teilchen exotischer Materie, das zwei schwere Quarks und zwei leichte Antiquarks enthält. Quarks sind, wie sich der Leser wahrscheinlich erinnern wird, die grundlegenden Bausteine des Universums, aus denen alle Materie besteht.
Quarks sind auch Teilchen, die Hadronen bilden können & # 8212; die erste Gruppe von Elementarteilchen. Bis vor kurzem dachte man, Neutronen würden aus drei Quarks bestehen, aber das neue Hadronenteilchen besteht aus vier. Die Forscher stellen fest, dass Tetraquark das langlebigste bekannte Teilchen ist.
Tetraquarks wurden 2020 entdeckt
Nicht verpassen: Wissenschaftler kommen dem Verständnis der Existenz des Universums immer näher
Eine weitere Neuheit in unserem zoo stellte sich als jedermann heraus. Dies sind nicht nur neue Teilchen, sie sind so ungewöhnlich, dass Physiker sie dem dritten Reich der Elementarteilchen zugeschrieben haben.
Das Kriterium für die Aufteilung der Elementarteilchen in zwei Reiche ist der Wert des Spins, die Quantenzahl, die den Eigendrehimpuls des Teilchens charakterisiert. Mit anderen Worten, wenn der Spin eines einzelnen Teilchens durch eine ganze Zahl bestimmt wird, hast du ein Boson vor dir, und wenn eine halbe ganze Zahl, ein Fermion vor dir.
Nun scheint die Behauptung, dass jedes letzte Teilchen im Universum – von der kosmischen Strahlung bis zu den Quarks – entweder ein Fermion oder ein Boson ist, revidiert werden muss. Das sagt Frank Wilczek, Nobelpreisträger für Physik am MIT: „Früher hatten wir Bosonen und Fermionen, aber jetzt haben wir dieses dritte Reich der Elementarteilchen“.
Im Laufe der wissenschaftlichen Forschung haben Wissenschaftler bewiesen, dass Anyons zu einer eigenen Klasse von Elementarteilchen gehören.
In einer aktuellen Studie ist es Physikern endlich gelungen, zu beweisen, dass Anyons sich wie etwas dazwischen verhalten zwischen dem Verhalten von Bosonen und Fermionen. Außerdem entspricht ihr Verhalten genau den theoretischen Vorhersagen.
Mehr zum Thema: Wissenschaftler vom CERN stehen kurz vor der Entdeckung einer “neuen Physik”
Was haben Gravitationswellen damit zu tun?
< p>Nachdem wir das Standardmodell aktualisiert haben, das erklärt, wie für das Auge unsichtbare Teilchen interagieren, um die Realität zu erschaffen, gehen wir weiter: Wenn die Interaktion von Elementarteilchen unsere Welt erschafft, kann dann die Physik unsere Existenz erklären?
Sehr ähnlich. Zumindest glauben Astrophysiker, dass am Anfang des Universums ein Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie bestand. Und um zu verstehen, woher es kam, wandten sich die Wissenschaftler den Gravitationswellen zu.
Gravitationswellen – das sind Änderungen im Gravitationsfeld, die sich wie Wellen ausbreiten. Ganz einfach, sie verzerren die Raumzeit. Lesen Sie im faszinierenden Material meines Kollegen Artem Sutyagin mehr darüber, was Gravitationswellen sind und wann und wie sie entdeckt wurden.
Gravitationswellen könnten die kosmologische Krise lösen
Ein Team theoretischer Physiker unter der Leitung von Graham White vom Kavli Institute of Physics and Mathematics of the Universe hat sich auf eine Phänomen namens Q-Ball . Wie bei vielen Konzepten in der theoretischen Physik ist Q-Ball relativ schwer zu erklären.
Unterdessen ist eines der größten kosmologischen Mysterien, warum das Universum aus viel mehr Materie als Antimaterie besteht. Vor kurzem hat ein Team theoretischer Physiker herausgefunden, wo man nach der Antwort suchen kann – es ist notwendig, Gravitationswellen zu erkennen, die von bizarren Quantenobjekten namens Q-Bällen erzeugt werden.
Vergessen wir nicht, dass jede Art von gewöhnlichen Teilchen der Materie hat einen Partner aus Antimaterie mit entgegengesetzten Eigenschaften. Wenn Materie mit Antimaterie interagiert, sind sie gegenseitig zerstören . Es ist diese Tatsache, die unsere Existenz zu einem Mysterium macht, da Kosmologen fast sicher sind, dass es zu Beginn des Universums eine gleiche Menge an Materie und Antimaterie gab.
Die vom LIGO-Detektor entdeckten Gravitationswellen waren auf die Kollision von Schwarzen Löchern zurückzuführen
Aber wenn sich alle diese Partner in Materie und Antimaterie gegenseitig zerstören würden, das Universum würde ohne Materie bleiben. Aber Materie existiert, wie wir wissen, und die Forscher beginnen allmählich zu verstehen, worum es bei der ganzen Aufregung geht.
Sie fragen sich vielleicht: Können Gravitationswellen die Krise der Kosmologie lösen?
Einer der möglichen Gründe könnte in Q-Bällen liegen – theoretische „Klumpen“, die sich unmittelbar nach dem Urknall bildeten, bevor das Universum begann, sich auszudehnen. Diese Objekte müssen ihre eigene Asymmetrie von Materie und Antimaterie enthalten. Dies bedeutet, dass sich in jedem Q-Ball ungleiche Anteile von Materie und Antimaterie befinden .
Und wenn Q-Bälle mehr Materie als Antimaterie freisetzen, würden sie Gravitationswellen in der Raumzeit verursachen. Laut einer neuen Studie, die in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht wurde, könnten die Q-Bälle dann mithilfe von Gravitationswellen nachgewiesen werden. Aber wie?
Der Zerfall von Q-Bällen ist der Schlüssel zur Erzeugung von Gravitationswellen
Im Wesentlichen sind es Q-Bälle Sind Ansammlungen geladener Felder, die zu Klumpen geworden sind und zusammenkleben. Einmal zusammengeklebt, halten sie in der Regel lange und überleben die Hintergrundstrahlung der Expansion des Universums. Aber was an ihnen potenziell interessant ist, ist, was passiert, wenn Q-Bälle zerfallen.
Q-Bälle zerfallen schnell und heftig. Und zwar so sehr, dass sie Gravitationswellen bilden! Darüber hinaus sind diese Zerfallsereignisse relativ häufig und Wissenschaftler müssen über die Mittel verfügen, um sie zu erkennen. Gravitationswellen-Observatorien wie LIGO haben bereits Gravitationswellen aus anderen Quellen entdeckt, die in Stärke und Frequenz mit Wellen vergleichbar sind, die durch zerfallende Q-Balls verursacht werden.
Wir werden wahrscheinlich bald viel über das Universum lernen
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Beachten Sie, dass bisher keine Gravitationswellen entdeckt wurden, die dem Zerfall von Q-Bällen zugeschrieben werden. Dennoch blicken Dr. White und seine Kollegen optimistisch in die nahe Zukunft:
Wir werden mit ziemlicher Sicherheit bald ein Signal vom Anfang der Zeit entdecken, das diese Theorie darüber bestätigt, warum wir und der Rest der Welt der Materie überhaupt existieren. Dies ist eine spannende Aussage und sollte jeden interessieren, der ein vitales Interesse daran hat, warum Materie überhaupt existiert, schreiben die Autoren der wissenschaftlichen Arbeit.
Es ist nicht leicht herauszufinden, wie unsere Welt funktioniert, aber sie scheint real zu sein
Und schließlich möchte ich Sie daran erinnern, dass eine riesige Zahl der Entdeckungen werden in den kommenden Jahren erwartet. Anfang des Jahres sprachen wir von einer “neuen Naturgewalt” – Wissenschaftler am CERN stehen wirklich kurz davor, eine “neue Physik” zu entdecken.
Wir freuen uns also auf weitere Forschungen und versuchen, die für den Menschen unglaublich schwierige Physik der Bausteine unserer selbst und unseres Universums zu verstehen.