Hiukkasfysiikan standardimalli

Fermionit

Fermionit ovat hiukkasia, jotka yhdistyvät ja muodostavat kaiken näkemämme "aineen". Esimerkkejä fermioniryhmistä ovat protoni ja neutroni. Fermioneilla on ominaisuuksia, kuten varaus ja massa, jotka näkyvät jokapäiväisessä elämässä. Niillä on myös muita ominaisuuksia, kuten spin, heikko varaus, hypervaraus ja värivaraus, joiden vaikutukset eivät yleensä näy arkielämässä. Näille ominaisuuksille annetaan numeroita, joita kutsutaan kvanttiluvuiksi.

Fermionit ovat hiukkasia, joiden spin-luku on pariton, positiivinen luku kertaa puolet: 1/2, 3/2, 5/2 jne. Sanomme, että fermioneilla on "puolet kokonaisluvun spinistä".

Tärkeä fermioneihin liittyvä tosiasia on, että ne noudattavat sääntöä, jota kutsutaan Paulin poissulkemisperiaatteeksi. Tämän säännön mukaan kaksi fermionia ei voi olla samaan aikaan samassa "paikassa", koska kahdella fermionilla ei voi atomissa olla samaan aikaan samoja kvanttilukuja. Fermionit noudattavat myös teoriaa nimeltä Fermi-Diracin tilastot. Sana "fermioni" on fyysikko Enrico Fermin kunniaksi.

Fermioneja on 12 erilaista. Jokaista tyyppiä kutsutaan "aromiksi". Niiden nimet ovat:

• Kvarkit - ylös, alas, outo, viehätysvoima, ylhäältä, alhaalta
• Leptonit - elektroni, myoni, tau, elektronineutriino, myonin neutriino, tau-neutriino. Elektroni on tunnetuin lepton.

Kvarkit on ryhmitelty kolmeen pariin. Kutakin paria kutsutaan "sukupolveksi". Kunkin parin ensimmäisen kvarkin varaus on 2/3 ja toisen kvarkin varaus on -1/3. Kolmenlaisten neutriinojen varaus on 0. Elektronin, myonin ja taun varaus on -1.

Aine koostuu atomeista, ja atomit koostuvat elektroneista, protoneista ja neutroneista. Protonit ja neutronit koostuvat ylös- ja alaspäin suuntautuvista kvardeista. Voit löytää yhden leptonin yksinään, mutta et koskaan löydä kvarkkeja yksinään. Tämä johtuu siitä, että värivoima pitää kvarkit yhdessä.

Kuva protonin kolmesta kvarkista.

Bosonit

Bosonit ovat standardimallin toinen alkeishiukkastyyppi. Kaikilla bosoneilla on kokonaislukuinen spin (1, 2, 3 jne...), joten niitä voi olla monta samassa paikassa samaan aikaan. Bosoneja on kahdenlaisia, mittabosoneja ja Higgsin bosoni. Mittaajabosonit tekevät luonnon perusvoimat mahdollisiksi. (Emme ole vielä varmoja siitä, toimiiko gravitaatio mittapainobosonin avulla.) Jokainen fermioneihin vaikuttava voima tapahtuu, koska mittapainobosonit liikkuvat fermionien välissä ja kantavat voimaa. Bosonit noudattavat teoriaa nimeltä Bose-Einsteinin tilastot. Sana "bosoni" on intialaisen fyysikon Satyendra Nath Bosen kunniaksi.

Standardimallin mukaan on olemassa:

• 12 fermionia, joista jokaisella on oma antihiukkanen;
• 12 gauge bosonia: W⁺ , W^- ja Z;

Kaikki nämä hiukkaset on nähty joko luonnossa tai laboratoriossa. Malli ennustaa myös Higgsin bosonin olemassaolon. Mallin mukaan fermioneilla on massaa (ne eivät ole pelkkää energiaa), koska Higgsin bosonit liikkuvat niiden välillä edestakaisin. Higgsin bosonin uskotaan löytyneen 4. heinäkuuta 2012. Se on hiukkanen, joka antaa massan muille hiukkasille.

Perusvoimat

Tunnettuja luonnonvoimia on neljä. Nämä voimat vaikuttavat fermioneihin, ja bosonit kuljettavat niitä fermionien välillä. Standardimalli selittää kolme näistä neljästä voimasta.

• Vahva voima: Tämä voima pitää kvarkit yhdessä muodostaen hadroneita, kuten protoneja ja neutroneja. Vahvaa voimaa kantavat gluonit. Kvarkkien, vahvan voiman ja gluonien teoriaa kutsutaan kvanttikromodynamiikaksi (QCD).
• Jäljellä oleva vahva voima pitää protonit ja neutronit yhdessä muodostaen jokaisen atomin ytimen. Tätä voimaa kantavat mesonit, jotka koostuvat kahdesta kvarkista.
• Heikko voima: Voima voi muuttaa fermionin makua ja aiheuttaa beetahajoamista. Heikkoa voimaa kantavat kolme mittabosonia: W⁺ , W^- ja Z-bosoni.
• Sähkömagneettinen voima: Tämä voima selittää sähkön, magnetismin ja muut sähkömagneettiset aallot, kuten valon. Tätä voimaa kuljettaa fotoni. Elektronin, fotonin ja sähkömagnetismin yhdistettyä teoriaa kutsutaan kvanttisähködynamiikaksi.
• Painovoima: Tämä on ainoa perusvoima, jota SM ei selitä. Sitä saattaa kuljettaa hiukkanen nimeltä graviton. Fyysikot etsivät gravitonia, mutta eivät ole vielä löytäneet sitä.

Vahva ja heikko voima näkyvät vain atomin ytimen sisällä. Ne toimivat vain hyvin pienillä etäisyyksillä: etäisyyksillä, jotka ovat suunnilleen yhtä pitkiä kuin protonin leveys. Sähkömagneettinen voima ja painovoima toimivat millä tahansa etäisyydellä, mutta näiden voimien voimakkuus vähenee, kun kohteet, joihin ne vaikuttavat, ovat kauempana toisistaan. Voima pienenee vaikutuksen kohteena olevien kohteiden välisen etäisyyden neliön myötä: jos esimerkiksi kaksi kohdetta on kaksi kertaa kauempana toisistaan, niiden välinen painovoima heikkenee neljä kertaa (2² =4).

Rajoitukset

Standardimalli ei riitä kaiken teoriaksi. Se ei sisällä yleisen suhteellisuusteorian kuvaamaa täydellistä gravitaatioteoriaa eikä ota huomioon maailmankaikkeuden kiihtyvää laajenemista (jota pimeä energia mahdollisesti kuvaa). Malli ei sisällä pimeän aineen hiukkasta, jolla olisi kaikki havaintokosmologiassa havaitut ominaisuudet. SM:n uskotaan olevan teoreettisesti itseään johdonmukainen. Se on osoittanut valtavaa ja jatkuvaa menestystä kokeellisissa ennusteissa, mutta se jättää joitakin asioita selittämättä.