Standardni model

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.