Füüsika standardmudel (SM) on teooria elementaarosakestest, mis on kas fermionid või bosonid. See seletab ka kolme looduse neljast põhijõust. Need neli põhijõudu on: gravitatsioon, elektromagnetism, nõrk jõud ja tugev jõud. Gravitatsioon on see, mida mudel ei seleta.
Mudel kasutab füüsika osi, mida nimetatakse kvantmehaanikaks ja erirelatiivsusteooriaks, ning füüsikavälja ja sümmeetria purunemise ideid. Osa SM-i matemaatikast on grupiteooria, samuti võrrandid, millel on suurimad ja väikseimad punktid, mida nimetatakse Lagrangi ja Hamiltoni võrranditeks.
Osakeste jaotumine
Standardmudel liigendab elementaarosakesed põhimõtteliselt kahte rühma:
- Fermionid — osakesed, mis moodustavad aine. Nendeks on leptonid (näiteks elektron, muon, tau ja neile vastavad neutriinod) ning kvargid (up, down, charm, strange, top, bottom). Fermionide käitumist kirjeldab Pauli tõkkeprintsiip.
- Bosonid — osakesed, mis vahendavad jõude. Siia kuuluvad elektromagnetismi vahendav foton, nõrga jõu vahendavad W± ja Z bosonid, tugeva jõu vahendavad gluudid ning massi tekkimisega seotud Higgsi boson.
Jõudude kirjeldus ja sümmeetria
Standardmudel kirjeldab kolme jõudu rühma- ja vioolal põhinevate lääne-sümmeetriate kaudu (tavapäraselt väljendatakse neid rühmadena SU(3) × SU(2) × U(1)).
- Tugev jõud (Quantum Chromodynamics, QCD) — gluudid kannavad värilaengut ja hoiavad koos kvarkke prootonite ja neutronite sees.
- Elektromagnetism — foton vahendab elektri- ja magnetvälju ning mõjutab laetud fermione.
- Nõrk jõud — vastutab mõnede radioaktiivsete protsesside ning elementaarosakeste muundumiste eest; nõrkade protsesside vahendajateks on W ja Z bosonid.
Massi tekkimist selgitab Higgsi mehhanism — Higgsi välja pöördumine purustab teatava sümmeetria ja annab elementaarosakestele efektiivse massi; selle otsene kinnitamine tuli 2012. aastal LHC eksperimentidest Higgsi bosoni avastamisel.
Matemaatika ja arvutusmeetodid
SM põhineb kvantväljateoorial, kus osakesi käsitletakse väljafunktsioonide kvantiseeritud eksitatsioonidena. Tähtsad matemaatilised tööriistad ja meetodid on:
- Grupiteooria — kirjeldab sümmeetriaid ja nende esindusi, mis määravad osakeste omadused ja vastasmõjud.
- Lagrangi ja Hamiltoni formalism — annavad välja Lagrange'i ja Hamiltoni võrrandite kaudu dünaamilise aluse ja võimaldavad tuletada liikumisseadusi ja konservatsiooniseadusi.
- Renormalisatsioon ja perturbatiivsed meetodid — võimaldavad arvutada eksperimentaalselt mõõdetavaid suurusi (nt ristlõiked, eluajad) ning töödelda lõpmatuid summaid Feynmani diagrammides.
Kinnitused ja eksperimentaalne töö
Standardmudel on äärmiselt edukas: selle prognoose on kontrollitud kümnete aastate vältel läbi kolmandate osakestefüüsika eksperimentide. Näiteks W ja Z bosonide avastamine 1980ndatel ning Higgsi bosoni avastamine 2012 on olnud olulised kinnitused. Eksperimendid CERNis (nt LHC) jätkavad piirväärtuste täpsustamist ja otsinguid uute nähtuste järgi.
Puutepunktid ja piirangud
Kuigi SM kirjeldab enamikku tuvastatud osakeste- ja jõuprotsesse väga täpselt, jääb mitu olulist küsimust vastuseta:
- Gravitatsioon ei sobitu SM sisse — selle kirjeldamiseks on vaja üldrelatiivsuse ja kvantmehaanika ühendamist (kvantgravitatsiooni teooriad).
- Pimeaine ja pimedas energias peituvad nähtused ei kuulu SM-i ettekujutusse.
- Neutriinode massid ja neutriinode osakeste segunemine (osakeste osakese-SM-i algses versioonis olid neutriinod massita) ning universumi antimaterjali ülekülluse selgitamine jäävad avatud probleemideks.
Standardmudel on seega tänapäevase osakestefüüsika vundament: see annab täpseks arvutusteks ja eksperimentaalseteks prognoosideks vajaliku raamistikku, kuid teadlased otsivad aktiivselt lähenemisi, mis ületaksid mudeli piirid ja ühendaksid selle teiste fundamentaalsete teooriatega.
