Физика элементарных частиц вашего тела

(«Познавательная статья из мира науки»)

14 млрд лет назад, когда горячая и плотная точка, которой была наша Вселенная, быстро расширялась, вся материя и антиматерия, существовавшие в те времена, должны были уничтожиться и не оставить нам ничего, кроме энергии. Однако часть материи сохранилась.

Сейчас мы живем в мире, полном частиц. Не любых частиц, а тех, чьи массы и заряды необходимы для существования жизни человека. Сейчас мы приведем несколько фактов о физике элементарных частиц, которые заставят ваши электроны попрыгать.

Частицы, из которых мы состоим

Примерно 99% вашего тела состоит из атомов водорода, углерода, азота и кислорода. Также в вас содержатся и другие необходимые для жизни элементы, но в гораздо меньших пропорциях.

В то время как большинство клеток вашего тела обновляются каждые 7-15 лет, многие частицы, из которых состоят ваши клетки, существуют уже миллионы тысячелетий. Ваши атомы водорода образовались еще во время Большого Взрыва, а атомы углерода, азота и кислорода возникли во время рождения звезд. Самые тяжелые элементы, содержащиеся в вашем теле, появились во время вспышек сверхновой.

Размер атома зависит от того, как расположены его электроны. Ядро, находящееся внутри атома, приблизительно в 100 000 раз меньше самого элемента. Если бы ядро было размером с арахис, атом был бы по размеру с баскетбольную площадку. Если из атома убрать свободное пространство, мы бы могли уместиться в частице свинцовой пыли, а вся человеческая раса могла бы уместиться в одном сахарном кубике.

Как вы можете догадаться, эти внешние частицы составляют лишь малейшую часть вашей массы тела. Каждый протон и нейтрон внутри ядра атома состоит из трех кварков. Масса кварков, которая появляется из-за их взаимодействия с полем Хиггса, составляет лишь несколько процентов от массы протона или нейтрона. Переносчики сильного ядерного взаимодействия, удерживающего кварки вместе, глюоны и вовсе невесомы.

Но если масса вашего тела – это не масса этих частиц, то откуда она берется? Ответ: энергия. Почти вся масса человеческого тела состоит из кинетической энергии кварков и энергии связи глюонов.

Частицы, которые мы производим

Ваше тело — это маленькое месторождение радиоактивных элементов. Каждый год вы получаете дозу природной радиации величиной в 40 миллибэр, которая образуется внутри вас. Такое же количество радиации вы получаете во время четырех рентгенографий грудной клетки. Уровень радиации вашего тела может увеличиваться на 1-2 миллибэр каждые 8 часов, если вы спите рядом с вашим таким же радиоактивным любимым человеком.

Вы излучаете радиацию, потому что еда и напитки, которые вы потребляете, и даже воздух, которым вы дышите, содержат радионуклиды – такие как калий-40 и углерод-14. Они взаимодействуют с молекулами вашего тела, распадаются и продуцируют радиацию в вашем теле.

Когда Калий-40 распадается, он излучает позитрон – античастицу электрона. Таким образом, ваше тело содержит небольшое количество антиматерии. В среднем, каждый человек излучает более 4000 позитронов в день – примерно 180 позитронов в час. Но вскоре эти позитроны сталкиваются с вашими электронами и превращаются в радиацию в форме гамма-лучей.

Частицы, с которыми мы сталкиваемся

Радиоактивность вашего тела – лишь часть той радиации, с которой вы сталкиваетесь каждый день, не получая вреда. Среднестатистический американец получает дозу радиации, равную 620 миллибэр в год. Еда, которую вы потребляете, дом, в котором вы живете, камни и почва, по которым вы ходите, снабжают вас низким уровнем радиации. Если вы просто съедите бразильский орех или сходите к дантисту, то получите уровень радиации в несколько миллибэр. Курение может повысить уровень радиации на 16 000 миллибэр.

Космическое излучение – это излучение, имеющее внеземной источник, которое постоянно проникает в нашу атмосферу. В нашей атмосфере оно сталкивается с другими ядрами и производит мезоны, многие из которых распадаются на частицы – такие как мюоны и нейтрино. Эти частицы, в свою очередь, падают на поверхность Земли и проникают в ваши тела со скоростью примерно 10 атомов в секунду. Они добавляют примерно 27 миллибэр к вашей годовой дозе радиации. Эти космические частицы могут иногда нарушать вашу генетику и провоцировать возникновение небольших мутаций, тем самым делая свой вклад в эволюцию.

Кроме того, что постоянно бомбардирует вас фотонами, создавая внешний облик окружающего вас мира, Солнце атакует вас и частицами, называемыми нейтрино. Нейтрино – постоянные гости вашего тела, проникающие в вас в количестве 100 триллионов в секунду. Солнце – не единственный источник нейтрино; эти частицы приходят также и из других источников – например, из ядерных реакций на других звездах и даже из ядерных реакций на нашей собственной планете.

Многие нейтрино образовались еще в первые несколько секунд после Большого Взрыва. И они старше даже ваших собственных атомов. Нейтрино очень слабо взаимодействуют с другими частицами, и поэтому их визиты вашему телу не несут практически никаких последствий.

Скорее всего, ваше тело постоянно взаимодействует с частицами темной материи. Темная материя не излучает, не отражает и не поглощает свет – и поэтому ее очень сложно обнаружить. Однако ученые считают, что темная материя составляет примерно 80% всего вещества во Вселенной.

Учитывая такое большое количество темной материи, содержащейся во Вселенной, ученые посчитали, что сотни тысяч этих частиц взаимодействуют с вашим телом каждую секунду. Они сталкиваются с вашими атомами каждую минуту. Но темная материя не сильно взаимодействует с материей, из которой вы состоите, и поэтому эффекты этого взаимодействия, скорее всего, незаметны.

В следующий раз, когда вы заинтересуетесь, как физика элементарных частиц влияет на вашу жизнь, просто загляните внутрь собственного тела.

Оригинал: The particle physics of you // Symmetry magazine
Перевод: Екатерина Шутова

источник