Standardmodellen: Definition af elementarpartikler og naturkræfter

Fysikkens standardmodel (SM) er en teori om elementarpartiklerne, som enten er fermioner eller bosoner. Den forklarer også tre af de fire grundlæggende naturkræfter. De fire grundlæggende kræfter er: tyngdekraften, elektromagnetismen, den svage kraft og den stærke kraft. Tyngdekraften er den, som modellen ikke forklarer.

Modellen anvender de dele af fysikken, der kaldes kvantemekanik og speciel relativitetsteori, og ideerne om fysiske felter og symmetribrud. Noget af matematikken i SM er gruppeteori, og også som ligninger, der har største og mindste punkter, kaldet lagrangianere og hamiltonians.

Hvad er med i standardmodellen?

Standardmodellen organiserer partiklerne i to hovedgrupper:

Fermioner: De byggesten, der udgør stof. De findes i to typer:
- Kvarker (seks smag: up, down, charm, strange, top, bottom), som binder sig sammen til protoner og neutroner via den stærke kraft.
- Leptoner (elektron, myon, tau og deres tilhørende neutrinoer), hvor især neutrinoernes egenskaber viser, at modellen må udvides for fuldt ud at beskrive dem.
Bosoner: Formidlerne af kræfterne og felterne:
- Gluoner – formidler den stærke kraft.
- Photonen – formidler elektromagnetismen.
- W± og Z0 – formidler den svage kraft.
- Higgs-bosonen – giver partikler masse gennem Higgs-mekanismen (opdaget ved LHC i 2012).

Nøgleideer og matematik

SM er en kvantefeltteori med gauge-symmetrier. De centrale principper omfatter:

Gauge-grupper: Den matematiske struktur beskrives af grupperne SU(3) × SU(2) × U(1), der bestemmer, hvordan felterne interagerer.
Symmetribrud: Den svage og elektromagnetiske kraft er forbundet ved symmetri, som spontant brydes af Higgs-feltet — det skaber masse til W- og Z-bosonerne og til fermionerne.
Lagrangianen: Hele teorien kan skrives som en Lagrangian, hvis termer angiver felter, vekselvirkninger og masse. Fra denne udledes bevægelsesligninger og beregninger via perturbationsteori og Feynman-diagrammer.
Renormalisering: SM er bygget så beregninger for observabler kan gøres endelige gennem renormalisering, hvilket gør modellen matematisk konsistent på høje energier inden for sit anvendelsesområde.

Eksperimentel støtte

Mange præcise målinger (f.eks. ved LEP, Tevatron og LHC) understøtter SMs forudsigelser om partikelindhold og vekselvirkninger.
Opdagelsen af Higgs-bosonen i 2012 var et afgørende bevis for den mekanisme, som giver partikler masse.
Fænomen som kvarkfarver, asymptotisk frihed i QCD og elektrosvage præcisionsmål stemmer overens med SM.

Begrænsninger og åbne spørgsmål

Selvom standardmodellen er yderst succesfuld, er der vigtige fænomener, den ikke forklarer:

Tyngdekraften: SM indeholder ikke en kvanteteorien for tyngdekraften (generel relativitet står udenfor).
Mørkt stof og mørk energi: Astrofysiske observationer peger på masser og energikomponenter i universet, som SM ikke beskriver.
Neutrino-masser og oscillationer: Neutrinooscillationer viser, at neutrinoer har masse — dette kræver udvidelser af den oprindelige SM.
Materie-antimaterie-asymmetri: SM indeholder nogle kilder til CP-brud, men det er ikke nok til at forklare, hvorfor universet domineres af stof fremfor antimaterie.
Hierarkiproblemet: Hvorfor Higgs-massen er så meget lavere end fx Planck-skalaen er et teoretisk problem, som mange udvidelser søger at løse.
Stærke CP-problem og andre fin-tuningsproblemer: Flere spørgsmål om hvorfor visse parametre har de værdier, de gør, er endnu ubesvarede.

Mulige udvidelser

For at løse disse mangler foreslår forskere flere videreførte teorier, blandt andet:

Supersymmetri (SUSY), som kan adressere hierarkiproblemet og give kandidater til mørkt stof.
Grand Unified Theories (GUT), der søger at samle de tre SM-krafter i én kraft ved meget høje energier.
Teorier med ekstra dimensioner eller strengteori, som prøver at inkludere tyngdekraften kvantemekanisk.
Modeller for neutrino-masse (seesaw-mekanismer) og postulater om axioner som løsning på stærke CP-problemet og mørkt stof.

Standardmodellen er således grundlaget for vores forståelse af de mindste byggesten og deres vekselvirkninger — den er både et utrolig præcist værktøj og samtidig et åbent forskningsfelt, fordi der findes klare observationer og spørgsmål, som peger ud over modellen.

Standardmodellen for elementarpartikler. 1 GeV/c2 = 1,783x10-27 kg. 1 MeV/c2 = 1,783x10-30 kg.

Fermioner

Fermioner er partikler, der er forenet og udgør alt det "stof", vi ser. Protoner og neutroner er eksempler på grupper af fermioner. Fermioner har egenskaber som f.eks. ladning og masse, som kan ses i hverdagen. De har også andre egenskaber, f.eks. spin, svag ladning, hyperladning og farveladning, hvis virkninger normalt ikke ses i hverdagen. Disse egenskaber er givet tal, der kaldes kvantetal.

Fermioner er partikler, hvis spinnummer er lig med et ulige, positivt tal gange halvdelen: 1/2, 3/2, 5/2, osv. Vi siger, at fermioner har "halvt heltals-spin".

En vigtig kendsgerning om fermioner er, at de følger en regel, der kaldes Pauli-eksklusionsprincippet. Denne regel siger, at to fermioner ikke kan være på samme "sted" på samme tid, fordi to fermioner i et atom ikke kan have samme kvantetal på samme tid. Fermioner adlyder også en teori, der kaldes Fermi-Dirac-statistik. Ordet "fermion" er en hyldest til fysikeren Enrico Fermi.

Der findes 12 forskellige typer fermioner. Hver type kaldes en "flavor". Deres navne er:

Kvarker - op, ned, mærkelige, charme, top, bund
Leptoner - elektron, myon, tau, elektronneutrino, myonneutrino, taunneutrino. Elektronen er den mest kendte lepton.

Kvarker er opdelt i tre par. Hvert par kaldes en "generation". Den første kvark i hvert par har en ladning på 2/3, og den anden kvark har en ladning på -1/3. De tre slags neutrinoer har en ladning på 0. Elektronen, myonen og tau har en ladning på -1.

Materie består af atomer, og atomer består af elektroner, protoner og neutroner. Protoner og neutroner består af op- og nedadgående kvarker. Du kan finde en lepton alene, men du kan aldrig finde kvarker alene. Det skyldes, at kvarker holdes sammen af farvekraften.

Et billede af de tre kvarker i en proton

Bosoner

Bosoner er den anden type elementarpartikler i standardmodellen. Alle bosoner har et helt spin (1, 2, 3 osv.), så der kan være mange af dem på samme sted på samme tid. Der findes to typer bosoner, gaugebosoner og Higgsbosonen. Gauge bosoner er det, der gør naturens fundamentale kræfter mulige. (Vi er endnu ikke sikre på, om tyngdekraften virker gennem en gauge boson.) Enhver kraft, der virker på fermioner, sker, fordi gauge bosoner bevæger sig mellem fermionerne og bærer kraften. Bosoner følger en teori kaldet Bose-Einstein-statistik. Ordet "boson" er en hyldest til den indiske fysiker Satyendra Nath Bose.

Standardmodellen siger, at der er:

12 fermioner, hver med sin egen antipartikel;
12 gauge bosoner: 8 slags gluoner, fotonen, W⁺ , W^- , og Z;

Disse partikler er alle blevet set enten i naturen eller i laboratoriet. Modellen forudsiger også, at der findes en Higgsboson. Modellen siger, at fermioner har masse (de er ikke bare ren energi), fordi Higgsbosoner rejser frem og tilbage mellem dem. Higgsbosonen menes at være blevet opdaget den 4. juli 2012. Det er den partikel, der giver masse til andre partikler.

Grundlæggende kræfter

Der er fire grundlæggende kendte naturkræfter. Disse kræfter påvirker fermioner og bæres af bosoner, der bevæger sig mellem disse fermioner. Standardmodellen forklarer tre af disse fire kræfter.

Stærk kraft: Denne kraft holder kvarker sammen og danner hadroner som f.eks. protoner og neutroner. Den stærke kraft bæres af gluoner. Teorien om kvarker, den stærke kraft og gluoner kaldes kvantekromodynamik (QCD).

Den resterende stærke kraft holder protoner og neutroner sammen og danner kernen i alle atomer. Denne kraft bæres af mesoner, som består af to kvarker.

Svag kraft: Denne kraft kan ændre en fermions smag og forårsager beta-henfald. Den svage kraft bæres af tre målebosoner: W⁺ , W^- og Z-bosonen.
Elektromagnetisk kraft: Denne kraft forklarer elektricitet, magnetisme og andre elektromagnetiske bølger, herunder lys. Denne kraft bæres af fotonen. Den kombinerede teori om elektronen, fotonen og elektromagnetismen kaldes kvanteelektrodynamik.
Tyngdekraft: Dette er den eneste fundamentale kraft, som ikke forklares af SM. Den kan bæres af en partikel kaldet graviton. Fysikere leder efter gravitonen, men de har endnu ikke fundet den.

De stærke og svage kræfter kan kun ses inde i atomkernen. De virker kun over meget små afstande: afstande, der er omtrent lige så store som en protons bredde. Den elektromagnetiske kraft og tyngdekraften virker over enhver afstand, men styrken af disse kræfter falder, jo længere de berørte objekter er fra hinanden. Kraften falder med kvadratet på afstanden mellem de berørte objekter: Hvis to objekter f.eks. kommer dobbelt så langt væk fra hinanden, bliver tyngdekraften mellem dem fire gange mindre stærk (2² =4).

Begrænsninger

Standardmodellen er ikke en teori om alting. Den omfatter ikke hele gravitationsteorien som beskrevet i den generelle relativitetsteori eller forklarer den accelererende udvidelse af universet (som muligvis beskrevet af mørk energi). Modellen indeholder ikke nogen mørk stofpartikel, som har alle de egenskaber, der er observeret i observationskosmologien. SM menes at være teoretisk selvkonsistent. Den har vist store og vedvarende succeser i eksperimentelle forudsigelser, men den efterlader nogle ting uforklarlige.

Spørgsmål og svar

Q: Hvad er fysikkens standardmodel?

A: Fysikkens standardmodel er en teori om elementarpartiklerne, som enten er fermioner eller bosoner.

Q: Hvad forklarer standardmodellen?

A: Standardmodellen forklarer tre af de fire grundlæggende naturkræfter, som er elektromagnetisme, den svage kraft og den stærke kraft.

Q: Hvad er den fjerde fundamentale naturkraft?

A: Den fjerde fundamentale naturkraft er tyngdekraften.

Spørgsmål: Forklarer standardmodellen tyngdekraften?

A: Nej, standardmodellen forklarer ikke tyngdekraften.

Q: Hvad omfatter de dele af fysikken, som standardmodellen anvender?

A: De dele af fysikken, der anvendes i standardmodellen, omfatter kvantemekanik og speciel relativitetsteori samt idéerne om fysiske felter og symmetribrud.

Q: Hvilken matematik bruges i standardmodellen?

A: Noget af den matematik, der bruges i standardmodellen, er gruppeteori samt ligninger, der har største og mindste punkt, kaldet Lagrangianer og Hamiltonianer.

Q: Hvad er de to typer af partikler, som standardmodellen forklarer?

A: De to typer partikler, der forklares af standardmodellen, er enten fermioner eller bosoner.