Osakestefüüsika standardmudel

Fermionid

Fermionid on osakesed, mis ühinevad ja moodustavad kogu "aine", mida me näeme. Fermioonide rühmad on näiteks prooton ja neutron. Fermioonidel on omadused, näiteks laeng ja mass, mida saab näha igapäevaelus. Neil on ka muid omadusi, nagu spinn, nõrk laeng, hüperlaeng ja värvilaeng, mille mõju ei ilmne tavaliselt igapäevaelus. Nendele omadustele on antud numbrid, mida nimetatakse kvantarvudeks.

Fermionid on osakesed, mille spinniarvud on võrdsed paaritu positiivse arvu ja poolega: 1/2, 3/2, 5/2 jne. Me ütleme, et fermioonidel on "pool täisarvuline spinn".

Oluline fakt fermionide kohta on see, et nad järgivad reeglit, mida nimetatakse Pauli välistamispõhimõtteks. See reegel ütleb, et kaks fermiooni ei saa olla korraga samas "kohas", sest aatomi kahel fermionil ei saa olla korraga samu kvantnumbreid. Fermionid alluvad ka teooriale, mida nimetatakse Fermi-Diraci statistikaks. Sõna "fermion" on füüsik Enrico Fermi auks.

Fermioone on 12 erinevat tüüpi. Iga tüüpi nimetatakse "maitseks". Nende nimed on järgmised:

• Kvargid - üles, alla, kummaline, võlu, ülalt, alt
• Leptonid - elektron, müon, tau, elektron neutriino, müon neutriino, tau neutriino. Elektron on kõige tuntum lepton.

Kvarkid on rühmitatud kolmeks paariks. Iga paari nimetatakse "põlvkonnaks". Iga paari esimese kvarki laeng on 2/3 ja teise kvarki laeng on -1/3. Kolme liiki neutriinode laeng on 0. Elektroni, müoni ja tao laeng on -1.

Aine koosneb aatomitest ja aatomid koosnevad elektronidest, prootonitest ja neutronitest. Prootonid ja neutronid koosnevad üles- ja allapoole suunatud kvarkidest. Üks lepton võib leida üksinda, kuid kvanke üksi ei leia kunagi. See on tingitud sellest, et kvarkke hoiab koos värvijõud.

Pilt kolmest kvarkist prootonis

Bosonid

Bosoonid on standardmudeli teise tüüpi elementaarosakeste liik. Kõigil bosonitel on täisarvuline spinn (1, 2, 3 jne...), nii et paljud neist võivad olla korraga samas kohas. Bosone on kahte tüüpi, mõõtmisbosonid ja Higgsi boson. Mõõtmisbosonid on need, mis teevad võimalikuks looduse fundamentaalsed jõud. (Me ei ole veel kindlad, kas gravitatsioon toimib mõõtmisbosoni kaudu.) Iga jõud, mis mõjub fermioonidele, toimub seetõttu, et mõõtmisbosonid liiguvad fermioonide vahel, kandes jõudu. Bosonid järgivad teooriat, mida nimetatakse Bose-Einsteini statistikaks. Sõna "boson" on India füüsiku Satyendra Nath Bose auks.

Standardmudel ütleb, et on olemas:

• 12 fermioni, millest igaühel on oma antiriikene;
• 12 kaliibrilised bosonid: W⁺ , W^- ja Z;

Kõiki neid osakesi on nähtud kas looduses või laboris. Mudel ennustab ka Higgsi bosoni olemasolu. Mudel ütleb, et fermioonidel on mass (nad ei ole lihtsalt puhas energia), sest Higgsi bosonid liiguvad nende vahel edasi-tagasi. Arvatakse, et Higgsi boson avastati 4. juulil 2012. aastal. See on osake, mis annab teistele osakestele massi.

Põhijõud

On olemas neli põhilist teadaolevat loodusjõudu. Need jõud mõjutavad fermioone ja neid kannavad nende fermioonide vahel liikuvad bosonid. Standardmudel seletab neist neljast jõust kolme.

• Tugev jõud: See jõud hoiab kvarke koos, et moodustada hadroneid nagu prootonid ja neutronid. Tugevat jõudu kannavad gluoonid. Kvarkide, tugeva jõu ja gluoonide teooriat nimetatakse kvantkromodünaamikaks (QCD).
• Jääv tugev jõud hoiab prootonid ja neutronid koos, moodustades iga aatomi tuuma. Seda jõudu kannavad mesonid, mis koosnevad kahest kvarkist.
• Nõrk jõud: See jõud võib muuta fermioni maitset ja põhjustab beetahajumist. Nõrka jõudu kannavad kolm mõõtmisbosoni: W⁺ , W^- ja Z-boson.
• Elektromagnetiline jõud: See jõud selgitab elektrit, magnetismi ja teisi elektromagnetilisi laineid, sealhulgas valgust. Seda jõudu kannab foton. Elektroni, footoni ja elektromagnetismi kombineeritud teooriat nimetatakse kvantelektrodünaamikaks.
• Gravitatsioon: See on ainus fundamentaalne jõud, mida SM ei seleta. Seda võib kanda osake nimega gravitoon. Füüsikud otsivad gravitooni, kuid nad ei ole seda veel leidnud.

Tugevaid ja nõrku jõude on näha ainult aatomi tuuma sees. Nad toimivad ainult väga väikestel vahemaadel: vahemaad, mis on umbes sama suured kui prootoni laius. Elektromagnetjõud ja gravitatsioon toimivad igal kaugusel, kuid nende jõudude tugevus väheneb, kui mõjutatavad objektid kaugenevad üksteisest. Jõud väheneb koos mõjutatud objektide vahelise kauguse ruuduga: näiteks kui kaks objekti on teineteisest kaks korda kaugemal, muutub nende vaheline raskusjõud neli korda väiksemaks (2² =4).

Piirangud

Standardmudel ei ole kõike käsitlev teooria. See ei sisalda täielikku gravitatsiooniteooriat, nagu seda kirjeldab üldine relatiivsusteooria, ega võta arvesse universumi kiirenevat paisumist (mida võib kirjeldada tume energia). Mudel ei sisalda ühtegi tumeda aine osakest, millel oleksid kõik vaatluskosmoloogias täheldatud omadused. Arvatakse, et SM on teoreetiliselt isekonsistentne. See on näidanud suurt ja jätkuvat edu eksperimentaalsetes ennustustes, kuid jätab mõned asjad seletamatuks.