Standardni model fizike: razlaga osnovnih delcev in temeljnih sil
Standardni model fizike: razumljivo razloženi osnovni delci, fermioni in bozoni, temeljne sile (elektromagnetizem, šibka, močna) ter vloga kvantne mehanike in polj.
Standardni model (SM) fizike je teorija osnovnih delcev, ki so fermioni ali bozoni. Razlaga tudi tri od štirih osnovnih sil narave. Štiri temeljne sile so: gravitacija, elektromagnetizem, šibka sila in močna sila. Gravitacija je tista, ki je model ne pojasnjuje.
Model uporablja dela fizike, imenovana kvantna mehanika in posebna teorija relativnosti, ter ideje fizikalnega polja in razbijanja simetrije. Del matematike modela SM je teorija grup, pa tudi kot enačbe, ki imajo največjo in najmanjšo točko, imenovane Lagrangeve in Hamiltonove.
Kaj opisuje Standardni model
Standardni model združuje našo razlago za osnovne gradnike snovi in za tri kvantne sile (elektromagnetizem, močna in šibka sila). Delce v modelu delimo na dve glavni skupini:
- Fermioni – nosilci snovi, ki imajo pol-cevi spina. Delijo se na kvarke in leptone ter so organizirani v tri generacije (npr. elektron in njegov nevtrino, kvarki up in down itd.).
- Bozoni – nosilci interakcij (silni prenašalci) in tudi posebni kvantni delci, kot je Higgsov bozon, ki ni prenašalec sile, vendar igra ključno vlogo pri ustvarjanju mas.
Nosilci sil in njihove vloge
- Elektromagnetizem: prenaša ga fotoni.
- Šibka jedrska sila: prenašata jo bozona W± in Z, odgovorna za nekatere vrste razpadov in za jedrske reakcije v soncu.
- Močna jedrska sila: prenašajo jo gluoni, ki vežejo kvarke v protonih in nevtronih.
- Gravitacija: gravitacija ni vključen v SM; za njen kvantni prenašalec (hipotetični graviton) ni eksperimentalnih dokazov znotraj modela.
Matematična struktura in polja
Standardni model je kvantna teorija polj z osnovnim simetrijskim okvirjem, ki ga pogosto zapišemo kot gauge grupo SU(3) × SU(2) × U(1). Te simetrije določajo interakcije med polji in vodijo do pojmov, kot so renormalizacija in ojačitve pri visokih energijah. V praktičnem izračunu se uporablja Lagrangeva funkcija (Lagrangian), ki povzema dinamiko vseh polj in njihovih interakcij; iz nje se izpeljejo enačbe gibanja. Hamiltonova formalizem se uporablja v nekaterih pristopih za kvantizacijo in študij energijskih stanj.
Higgsov mehanizem in izvor mase
Da bi delci imeli maso, Standardni model uporablja Higgsov mehanizem. Preko polja Higgsovega bozona, ki spontano pretrga elektroslabosimetrijo, W in Z bozona dobijo masa, prav tako pa fermioni pridobijo maso prek takšnih imenovanih Jukavih (Yukawa) vezav. Odkritje Higgsovega bozona leta 2012 na pospeševalniku LHC je bilo pomembna potrditvena točka modela.
Eksperimentalne potrditve
Standardni model je izjemno uspešen pri napovedovanju rezultatov številnih eksperimentov: meritev lastnosti elektronov in kvarkov, procesov v delilnikih visoke energije (LEP, Tevatron, LHC), natančnih testov kvantne elektrodinamike in opazovanj močne interakcije. Stabilno ujemanje teorije in meritev je razlog, da SM velja kot osnovna dosedanja teorija delcev.
Omejitve in odprta vprašanja
Kljub uspehom ima Standardni model znane pomanjkljivosti in nepojasnjene pojave:
- Gravitacija ni vključena v kvantni okvir SM.
- Obstoj temne snovi in temne energije, ki ju SM ne pojasni.
- Originalni SM predvideva brezmasne nevtrine; opažene nevtrinske oscilacije kažejo, da imajo nevtrini masa, kar zahteva razširitev modela.
- Pomanjkanje razlage za asimetrijo snovi in antimaterije v vesolju.
- Teoretska vprašanja, kot sta hierarhični problem (zakaj je Higgsova masa tako majhna glede na potencialno visoke energije) in strong CP problem.
Zaradi teh odprtih vprašanj se razvijajo teorije zunaj Standardnega modela (npr. supersimetrija, velike unijevalne teorije, dodatna sterilna nevtrina, osiami in druge razširitve), ki poskušajo razložiti neodgovorjena vprašanja in uskladiti kvantno mehaniko z gravitacijo.
Kratek povzetek
Standardni model je trenutno najučinkovitejša in najnatančnejša teorija za opis osnovnih delcev in treh temeljnih sil. Zagotavlja jedro sodobne fizike delcev, hkrati pa pušča prostor za nove odkritja in teoretske razširitve, saj polno razumevanje narave vključuje še nepojasnjene pojave, kot so gravitacija, temna snov in nastanek asimetrije snovi v vesolju.
Standardni model osnovnih delcev. 1 GeV/c2 = 1,783x10-27 kg. 1 MeV/c2 = 1,783x10-30 kg.
Fermioni
Fermioni so delci, ki skupaj tvorijo vso "materijo", ki jo vidimo. Primera skupin fermionov sta proton in nevtron. Fermioni imajo lastnosti, kot sta naboj in masa, ki jih lahko opazimo v vsakdanjem življenju. Imajo tudi druge lastnosti, kot so spin, šibki naboj, hipernaboj in barvni naboj, katerih učinki se v vsakdanjem življenju običajno ne kažejo. Tem lastnostim so dodeljena števila, ki se imenujejo kvantna števila.
Fermioni so delci, katerih spinsko število je enako lihemu pozitivnemu številu, pomnoženemu z eno polovico: 1/2, 3/2, 5/2 itd. Pravimo, da imajo fermioni "polovični celoštevilski spin".
Pomembno dejstvo o fermionih je, da upoštevajo pravilo, ki se imenuje Paulijevo izključitveno načelo. To pravilo pravi, da dva fermiona ne moreta biti istočasno na istem "mestu", ker dva fermiona v atomu ne moreta imeti istočasno enakih kvantnih števil. Fermioni se ravnajo tudi po teoriji, ki se imenuje Fermijeva-Diracova statistika. Beseda "fermion" je nastala v čast fiziku Enricu Fermiju.
Obstaja 12 različnih vrst fermionov. Vsako vrsto imenujemo "okus". Njihova imena so:
- Kvarki - navzgor, navzdol, čudni, očarljivi, zgornji, spodnji
- Leptoni - elektron, mion, tau, elektronski nevtrino, mionski nevtrino, tau nevtrino. Elektron je najbolj znan lepton.
Kvarki so razvrščeni v tri pare. Vsak par se imenuje "generacija". Prvi kvark v vsakem paru ima naboj 2/3, drugi kvark pa -1/3. Tri vrste nevtrinov imajo naboj 0. Elektron, mion in tauon imajo naboj -1.
Materija je sestavljena iz atomov, ti pa iz elektronov, protonov in nevtronov. Protoni in nevtroni so sestavljeni iz kvarkov navzgor in navzdol. Samostojen lepton lahko najdemo, nikoli pa ne moremo najti samostojnih kvarkov. To je zato, ker kvarke skupaj drži sila barve.
Slika treh kvarkov v protonu
Bosoni
Bosoni so druga vrsta elementarnih delcev v standardnem modelu. Vsi bozoni imajo celoštevilski spin (1, 2, 3 itd.), zato jih je lahko na istem mestu hkrati veliko. Obstajata dve vrsti bozonov, merilni bozoni in Higgsov bozon. Globinski bozoni omogočajo delovanje temeljnih sil v naravi. (Za zdaj še nismo prepričani, ali gravitacija deluje prek merskega bozona.) Vsaka sila, ki deluje na fermione, se zgodi, ker se merski bozoni gibljejo med fermioni in prenašajo silo. Bosoni sledijo teoriji, ki se imenuje Bose-Einsteinova statistika. Beseda "bozon" je nastala v čast indijskemu fiziku Satjendri Nathu Boseju.
Standardni model pravi, da obstajajo:
- 12 fermionov, vsak s svojim antidelcem;
- 12 merilnih bozonov: W+ , W- in Z;
Vsi ti delci so bili opaženi v naravi ali v laboratoriju. Model predvideva tudi obstoj Higgsovega bozona. Model pravi, da imajo fermioni maso (niso le čista energija), ker Higgsovi bozoni potujejo sem in tja med njimi. Higgsov bozon naj bi bil odkrit 4. julija 2012. To je delec, ki daje maso drugim delcem.
Temeljne sile
V naravi poznamo štiri osnovne sile. Te sile vplivajo na fermione, prenašajo pa jih bozoni, ki potujejo med fermioni. Standardni model pojasnjuje tri od teh štirih sil.
- Močna sila: Ta sila drži kvarke skupaj, da nastanejo hadroni, kot sta proton in nevtron. Močno silo prenašajo gluoni. Teorija kvarkov, močne sile in gluonov se imenuje kvantna kromodinamika (QCD).
- Preostala močna sila drži skupaj protone in nevtrone, ki tvorijo jedro vsakega atoma. To silo prenašajo mezoni, ki so sestavljeni iz dveh kvarkov.
- Šibka sila: Ta sila lahko spremeni okus fermiona in povzroči razpad beta. Šibko silo prenašajo trije merilni bozoni: W+ , W- in bozon Z.
- Elektromagnetna sila: Ta sila pojasnjuje elektriko, magnetizem in druge elektromagnetne valove, vključno s svetlobo. Nosilec te sile je foton. Združena teorija elektrona, fotona in elektromagnetizma se imenuje kvantna elektrodinamika.
- Gravitacija: To je edina temeljna sila, ki je SM ne pojasnjuje. Morda jo prenaša delec, imenovan graviton. Fiziki graviton iščejo, vendar ga še niso našli.
Močne in šibke sile so vidne le v jedru atoma. Delujeta le na zelo majhnih razdaljah: na razdaljah, ki so približno tako velike, kot je širok proton. Elektromagnetna sila in gravitacija delujeta na vseh razdaljah, vendar se njuna moč zmanjšuje, ko sta prizadeta predmeta bolj oddaljena. Sila se zmanjšuje s kvadratom razdalje med prizadetima objektoma: če sta na primer dva objekta dvakrat bolj oddaljena drug od drugega, postane gravitacijska sila med njima štirikrat manjša (22 =4).
Omejitve
Standardni model ne more biti teorija vsega. Ne vključuje celotne teorije gravitacije, kot jo opisuje splošna teorija relativnosti, in ne pojasnjuje pospešenega širjenja vesolja (kot ga morda opisuje temna energija). Model ne vsebuje nobenega delca temne snovi, ki bi imel vse lastnosti, opažene v opazovalni kozmologiji. Model SM naj bi bil teoretično samoskladen. Izkazal je velike in stalne uspehe pri eksperimentalnih napovedih, vendar nekatere stvari pušča nepojasnjene.
Vprašanja in odgovori
V: Kaj je standardni model fizike?
O: Standardni model fizike je teorija osnovnih delcev, ki so bodisi fermioni bodisi bozoni.
V: Kaj pojasnjuje standardni model?
O: Standardni model pojasnjuje tri od štirih osnovnih sil narave, ki so elektromagnetizem, šibka sila in močna sila.
V: Kaj je četrta osnovna sila narave?
O: Četrta temeljna sila narave je gravitacija.
V: Ali standardni model pojasnjuje gravitacijo?
O: Ne, standardni model ne pojasnjuje gravitacije.
V: Katere dele fizike uporablja standardni model?
O: Deli fizike, ki jih uporablja standardni model, vključujejo kvantno mehaniko in posebno teorijo relativnosti ter ideje fizikalnega polja in razbijanja simetrije.
V: Katera matematika se uporablja v standardnem modelu?
O: Del matematike, ki se uporablja v standardnem modelu, je teorija grup ter enačbe, ki imajo največjo in najmanjšo točko, imenovane Lagrangeve in Hamiltonove enačbe.
V: Katere dve vrsti delcev pojasnjuje standardni model?
O: Standardni model razlaga dve vrsti delcev: fermione ali bozone.
Iskati