mini|Partiklar og vekselverknader i standardmodellen Standardmodellen i partikkelfysikken er ein teori som skildrar dei tre naturkreftene fargekraft, svak kjernekraft og elektromagnetisme, og elementærpartiklane. Han inneheld dei lovene som styrer korleis partiklane og kreftene oppfører og utviklar seg. Dette er grunnlaget for korleis atom er bygde opp og knyter seg saman til molekyl, og dermed all vanleg materie rundt oss.
Standardmodellen er ein kvantefeltteori (QFT) som er konsistent med den spesielle relativitetsteorien. Ein kvantefeltteori skil seg frå eldre kvantemekanikk, slik som Schrödingerteori, ved at òg bølgjefunksjonen er kvantisert, i tillegg til storleikar som energi, posisjon, og rørslemengd. Kvantisering av bølgjefunksjonen er det som gjev opphav til partiklar. I standardmodellen er alle felt kvantisert, og til og med vekselverknad mellom partiklar skjer ved utveksling av virtuelle partiklar. Eit døme på ein vekselverknad er elektrisk fråstøyting mellom elektron, som skjer ved utveksling av virtuelle foton. Standardmodellen skildrar òg korleis partiklar kan skapast og tilinkjesgjerast, eller korleis dei går over til andre typar partiklar ved kollisjonar. Ved slike overgangar er bevaringslover viktige sidan dei gjev rigide skjema for kva for overgangar som er lov og kva for som ikkje er. Døme på bevarte storleikar er ladning, energi, og rørslemengd.
Standardmodellen skildrar ikkje gravitasjon og er dermed ikkje kopla til den generelle relativitetsteorien. Gravitasjon blir trudd å ha lita tyding på avstandar på storleik med eit atom og mindre, men er viktig for ei total skildring som ikkje berre kan nyttast på atomært og subatomært nivå. Standardmodellen vart utvikla mellom 1970 og 1973 basert på arbeid tilbake til tidleg på 1900-talet. Det er ein viktig test for naturvitskaplege teoriar at dei tillèt oss å formulere hypotesar og føresei verdien av storleikar som kan utprøvast og målast. Standardmodellen har føresagt ei rekkje nye partiklar og verdiar som til no har vist seg å stemme særs godt med testresultat frå forsøk, til dømes i partikkelakseleratorar.
Massen til partiklane, koplingskonstantane for kreftene og dessutan fleire bevaringslover er ikkje avleidd av grunnprinsipp, men avgjort eksperimentelt. Dette gjev ei rekkje uløyste spurnader (sjå under). Ein veit òg at dei partiklane som i dag blir skildra av standardmodellen berre utgjer omtrent 2–4 % av all masse og energi i det observerbare universet.
Oppbygging av standardmodellen Historikk Standardmodellen er eit resultat av mange uavhengige oppdagingar og teoriar. Fleire viktige prinsipp som Maxwell-likningane og lorentztransformasjonen var skildra allereie på 1800-talet saman med elektronet (1894) og tidlege atommodellar. I 1900 forklarte Max Planck svart-lekam-stråling ved å postulere at energien frå ein svart lekam vart formidla i lyskvant (foton), og reknast som grunnleggjaren av kvanteteorien. I 1905 kom Einstein med den spesielle relativitetsteorien som etablerer prinsipp om relativitet mellom observatørar i ulike referansesystem, relasjonen mellom masse og energi (E = mc²), noko som òg førte fram til den moderne skildringa av fotonet.
I 1917 skildra Bohrmodellen atomet som ein positiv kjerne samansett av proton og nøytron med elektron med kvantiserte energinivå i banar rundt atomkjernen. Omkring 10 år seinare fekk partikkelfysikken mange gjennombrot, med Erwin Schödingers bølgjelikning (1926) som forklarar bølgjenaturen til elektronet, Wolfgang Paulis utelukkingsprinsipp (1926) som forklarar det periodiske systemet, Werner Heisenbergs uskarpleiksrelasjon (1927) og Diraclikninga (1928) som er den relativistiske bølgjelikninga for elektron. Diraclikningen er det første som kan reknast som ein eigenleg del av standardmodellen.
Viktige bidrag på 1930-talet var betastråling og postuleringa av nøytrinoet (Enrico Fermi) og dessutan kvanteelektrodynamikken, som byggjer på Diraclikninga og vart ferdigutvikla på 1940-talet av Richard Feynman, Freeman Dyson, Julian Schwinger, og Sin-Itiro Tomonaga. Den store innsatsen i våpenprogramma under og etter andre verdskrigen gav tilgjenge til partikkelakseleratorar med stadig høgare energi og førte til oppdaginga av stadig fleire kortliva, energirike partiklar. I 1960-åra var det eit klårt behov for ein modell som kunne systematisere alle desse observasjonane. Murray Gell-Mann og George Zweig foreslo kvar for seg midt på 60-talet at desse partiklane var bundne tilstandar av tre meir fundamentale partiklar som Gell-Mann kalla kvarkar (etter ei linje i James Joyce-romanen Finnegans Wake: "Three quarks for muster Mark").
I utgangspunktet vart kvarkar rekna som ein høveleg matematisk modell meir ein verkelege partiklar. Men utover 1960-åra gav ei rekkje eksperiment med observasjon av til dømes partikkelspreiing bevis på at kvarkane var verkelege partiklar. Vidare arbeid gjorde at ein mellom 1970 og 1973 kunne utvikle standardmodellen. Dei partiklane og vekselverknadane som denne skildrar er seinare vorte stadfesta eksperimentelt. Higgsbosonet sleit ein lenge med å finne, før han endeleg vart stadfesta i 2012. Som nemnt er standardmodellen ikkje ei fullstendig skildring, og ei rekkje eigenskapar ligg framleis utanfor det området standardmodellen skildrar.
Grunnlag Partiklar og krefter på kvantenivået har ofte ein oppførsel som ikkje er intuitiv, og som ein berre kan finne frå sine matematiske skildringar og verifiserast eksperimentelt. Ei rekkje av desse eigenskapane er det vanskeleg å skildre i daglegtale, eller illustrere visuelt.
På same måte som partikkel brukast ei rekkje namn frå vanleg daglegtale i skildringa av standardmodellen. Døme er farge, spinn, opp, topp osv. som opphavleg vart valde fordi dei skulle vere lett å huske, og har ikkje noko samanheng med omgrepa slik dei blir brukt i vanleg tale. Ein kan dermed leiast til å tru at ein intuitivt kan forstå korleis desse systema oppfører seg, noko som ofte er langt frå realiteten.
Det er eit viktig mål innan fysikken at eigenskapane skal kunne utleiast frå ein grunnleggjande teori om alt der dei einskilde lovene, massar, energinivå osv, berre er spesialtilfelle og instansieringar av generelle prinsipp og der «Detaljane kan bereknast dersom situasjonen er enkel nok til å gjere ei tilnærming, noko som sjeldan er tilfelle, men der vi ofte likevel stort sett kan forstå kva som skjer» (R. Feynman). Standardmodellen er ikkje ein fullstendig slik teori (sjå figur). venstre|500px|mini|Oversikt over teoriar innan partikkelfysikk og relativitet
Eigenskapane Alle partiklar og vekselverknader kan skildrast ved ein kombinasjon av ulike kvantetilstandar. Kvantemekanikken skildrar at desse tilstandane er kvantifiserte, det vil seie at dei berre opptrer i multiplar av Planckkonstanten. Nokre av dei grunnleggjande eigenskapane innan standardmodellen er:
Energi: Alle partiklar har ein viss kvantifisert energi (E), som i dei fleste partiklane gjev opphav til masse (m). Dette trur ein skjer ved higgsmekanismen som blir skildra seinare. Ofte blir difor kvilemassen oppgjeve som energien til partikkelen i elektronvolt delt på ljosfarten i kvadrat:
m0 = E / c² (med eininga eV/c²). Total energi er gjeve ved Einsteins klassiske formel, med relativistisk masse eller med rørslemengd og kvilemasse: , der m er masse, m0 er kvilemasse, c er ljosfarten og p er rørslemengd.
Rørslemengd er relativistisk masse gongar snøggleik, p = mv (eller for foton, som er masselause, gjeve ved p = hf / c, Planckkonstanten gongar frekvens delt på ljosfarten). Relativistisk rørslemengd for kvilemassen m0 ved snøggleik v er gjeve av:
Elektrisk ladning: Ladning (Q) opptrer i frie partiklar i positive og negative heiltals multiplar av elementærladninga (e = 1,607 • 10−19 C), og i bundne kvarkar òg 1/3 e. Elektrisk ladning og vekselverknad er skildra ved elektromagnetisme og kvanteelektrodynamikk. Indre paritet skildrar korleis symmetrien er ved ein paritetstransformasjon (alle aksar i koordinatsystemet endrar forteikn). Pariteten er skildra som lik eller odd paritet. Ladning og paritet inngår i skildringa av kvanteelektrosvak teori, som er ei felles skildring av vekselverknad ved elektromagnetisme og svak kjernekraft. Spinn: Alle partiklar har eit indre angulært moment som er kvantifisert som , der s = (0, 1/2, 1, 3/2, 2, osv). Spinn er ein særs viktig eigenskap sidan dei statistiske eigenskapane til partiklane vert avgjort av om dei har heiltalig eller halvtalig spinn. Partiklar med heiltalig spinn vert kalla boson, f.eks. foton som har s=1, og partiklar med halvtalig spinn som vert kalla fermion. Døme her er elektron og proton, som har s=1/2. Isospinn skildrast ved eit kvantetal (Iz) som er relatert til fargekrafta. Hyperladning (Y) er avleidd av isospinn og ladning: Y = 2 (Q - Iz). Svakt isospinn: er eit kvantetal (Tz) som er relatert til elektrosvak kraftverknad. Svak hyperladning (Yw) er avleidd av svakt isospinn og ladning: Yw = 2 (Q - Tz). Fargeladning: Fargeladninga er ein trilling av felt som påverkar hadron som kvarkar, meson og gluon. Fargeladninga skildrast i kvantekromodynamikk og gjev opphav til vekselverknad med fargekraft og vidare sterk kjernekraft.
Partiklar mini|500px|Oversikt over partiklar og familiar i standardmodellen
Basiseigenskapane og bevaringslovene gjev opphav til metastabile tilstandar som kjem til uttrykk som partiklar. Standardmodellen gjev ikkje ei fullstendig skildring av korleis desse tilstandane oppstår. Mengda og energinivå kan difor ikkje utleiast av grunnprinsipp, men må finnast i eksperiment. Dette skjer t.d. ved spreiingsforsøk når ein kolliderer partiklar med høg energi, og observerer korleis dei partiklane som blir danna spreiast, og kva for eigenskapar desse har. Dette gjev informasjon t.d. om massefordeling, ladningsfordeling og spinn, og leiar til modellar for oppbyggninga. Sidan det eksisterer ei rekkje symmetriar (sjå nedanfor), kan ein ofte rekne med at ein kjend observasjon vil vere gyldig for liknande partiklar og interaksjonar og leie til ytterlegare postulerte eigenskapar som seinare kan verifiserast i nye forsøk.
Standardmodellen skildrar med bakgrunn i dette dei einskilde kategoriane og generasjonar av partiklar og antipartiklane deira:
Kvarkar ber tre komponentar av fargeladning (raud, grøn, blå). Dei kan ikkje eksistere fritt, men finst alltid i grupper på tre til baryon eller to (ein kvark og ein antikvark) til meson som utover er fargenøytrale. Kvarkane finst i to hovudtypar, i tre generasjonar. Skilnaden mellom same type partikkel i kvar generasjon er massen deira og ein eigenskap som vert kalla smak (flavor): Opp-type-kvarkar (opp, sjarm, topp) har ladning +⅔.. Ned-type-kvarkar (ned, sær, botn) har ladning -⅓. Lepton, som ikkje har fargeladning, finst òg i to hovudtypar i tre generasjonar (med smak som for kvarkane): Elektron-type-lepton (elektron, myon, og tau) har ladning -1. Nøytrino-type-lepton (nøytrino, myon-nøytrino og tau-nøytrino) har nøytral ladning (null). Vekselverknadspartiklar er berarar av kraftverknad mellom partiklar: Foton ber elektromagnetisk kraftverknad. Gluon formidlar fargekrafta og er sjølv berarar av fargeladning. W og Z formidlar svak kjernekraft. +Organisering av fermion Generasjon 1Generasjon 2Generasjon 3LadningKvarkaroppsjarmtopp+?nedsærbotn-?Leptonelektron-nøytrinomyon-nøytrinotau-nøytrino0elektronmyontau-1
I tillegg har alle partiklar ein antipartikkel. Det er i tillegg fleire andre hypotetiske partiklar som hittil ikkje er observert og som dels blir skildra seinare. Kvarkane byggjer opp ei rekkje ulike hadron (baryon og meson). Av desse partiklane er det berre elektronet, nøytrinoane og fotonet, og dessutan opp- og ned-kvarkane i protonet og nøytronet, som har ei levetid som gjer at dei kan observerast. Alle andre partiklar har i utgangspunktet ei levetid som er kortare enn 10−10 sekund (og tildels mykje kortare). Desse kan berre observerast indirekte via nedbrytningsprodukta sine eller andre effektar.