Standardmodellen

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.