Wszystko w przyrodzie pochodzi z garści składników – fundamentalnych cząstek – które oddziałują ze sobą na kilka różnych sposobów. W latach 70. fizycy opracowali zestaw równań opisujących te cząstki i oddziaływania. Równania te razem złożyły się na zwięzłą teorię znaną obecnie jako Model Standardowy fizyki cząstek elementarnych.
Modelowi Standardowemu brakuje kilku elementów układanki (w oczy rzuca się brak domniemanych cząstek tworzących ciemną materię, cząstek przenoszących siłę grawitacji oraz wyjaśnienia masy neutrin), ale zapewnia on niezwykle dokładny obraz niemal wszystkich innych obserwowanych zjawisk.
Jak na ramy, które zawierają nasze najlepsze zrozumienie fundamentalnego porządku natury, Modelowi Standardowemu wciąż brakuje spójnej wizualizacji. Większość prób jest zbyt prosta, albo ignoruje ważne powiązania, albo jest chaotyczna i przytłaczająca.
Patrząc na najbardziej powszechną wizualizację, która przedstawia układ okresowy cząstek:
To podejście nie oferuje wglądu w relacje pomiędzy cząstkami. Cząstki przenoszące siły (czyli foton, który przenosi siłę elektromagnetyczną, bozony W i Z, które przenoszą siłę słabą, oraz gluony, które przenoszą siłę silną) są stawiane na równi z cząstkami materii, między którymi te siły działają – kwarkami, elektronami i ich krewnymi. Co więcej, kluczowe właściwości, takie jak „kolor”, zostały pominięte.
Inna reprezentacja została stworzona na potrzeby filmu „Gorączka cząstek” z 2013 roku:
Podczas gdy ta wizualizacja właściwie podkreśla centralność bozonu Higgsa – podwaliny Modelu Standardowego, z powodów wyjaśnionych poniżej – Higgs jest umieszczony obok fotonu i gluonu, mimo że w rzeczywistości Higgs nie wpływa na te cząstki. A kwadraty koła są mylące – sugerują na przykład, że foton sprzęga się tylko z cząstkami, których dotyka, co nie jest prawdą.
Nowe podejście
Chris Quigg, fizyk cząstek elementarnych z Fermi National Accelerator Laboratory w Illinois, od dziesięcioleci zastanawiał się nad tym, jak przedstawić Model Standardowy, mając nadzieję, że mocniejsza wizualna reprezentacja pomoże ludziom zapoznać się ze znanymi cząstkami przyrody i skłoni ich do zastanowienia się, jak te cząstki mogą pasować do większej, bardziej kompletnej struktury teoretycznej. Wizualna reprezentacja Quigga pokazuje więcej porządku i struktury Modelu Standardowego. Nazywa on swój schemat reprezentacją „podwójnego simpleksu”, ponieważ lewoskrętne i prawoskrętne cząstki w przyrodzie tworzą simpleks – uogólnienie trójkąta. Przyjęliśmy schemat Quigga i wprowadziliśmy dalsze modyfikacje.
Zbudujmy podwójny simpleks od podstaw.
Kwarki na dole
Cząstki materii występują w dwóch głównych odmianach, leptonach i kwarkach. (Zauważ, że dla każdego rodzaju cząstki materii w przyrodzie istnieje również cząstka antymaterii, która ma taką samą masę, ale jest przeciwna pod każdym innym względem. Podobnie jak w innych wizualizacjach Modelu Standardowego, pomijamy antymaterię, która tworzyłaby osobny, odwrócony podwójny simpleks.)
Zacznijmy od kwarków, a w szczególności dwóch rodzajów kwarków, które tworzą protony i neutrony w jądrach atomowych. Są to kwark górny, posiadający dwie trzecie jednostki ładunku elektrycznego, oraz kwark dolny, o ładunku elektrycznym równym -1/3.
Kwarki górny i dolny mogą być „lewoskrętne” lub „prawoskrętne”, w zależności od tego, czy obracają się zgodnie czy przeciwnie do kierunku ruchu.
Zmiana słaba
Lewoskrętne kwarki górny i dolny mogą przekształcać się w siebie nawzajem, poprzez oddziaływanie zwane siłą słabą. Dzieje się to wtedy, gdy kwarki wymieniają się cząstką zwaną bozonem W – jednym z nośników siły słabej, o ładunku elektrycznym +1 lub -1. Te oddziaływania słabe są przedstawione za pomocą pomarańczowej linii:
Co dziwne, w przyrodzie nie ma prawoskrętnych bozonów W. Oznacza to, że kwarki są prawoskrętne w górę i w dół. Oznacza to, że prawoskrętne kwarki w górę i w dół nie mogą emitować ani absorbować bozonów W, więc nie przekształcają się w siebie nawzajem.
Silne kolory
Kwarki posiadają również pewien rodzaj ładunku zwanego kolorem. Kwark może mieć czerwony, zielony lub niebieski ładunek kolorowy. Kolor kwarka sprawia, że jest on wrażliwy na działanie siły silnej.
Siła silna wiąże kwarki o różnych kolorach razem w cząstki zespolone, takie jak protony i neutrony, które są „bezbarwne”, bez ładunku netto.
Kwarki przechodzą z jednego koloru w drugi, absorbując lub emitując cząstki zwane gluonami, nośniki siły silnej. Oddziaływania te tworzą boki trójkąta. Ponieważ gluony same posiadają ładunek kolorowy, nieustannie oddziałują zarówno ze sobą, jak i z kwarkami. Oddziaływania pomiędzy gluonami wypełniają trójkąt.