Standardimalli Hiukkasfysiikan on teoria, että huolenaiheita sähkömagnetiikan , heikot ja vahvat ydin- vuorovaikutukset , ja luokittelu kaikkien tiedossa atomia pienemmät hiukkaset . Se kehitettiin vuoden jälkipuoliskolla XX : nnen vuosisadan , globaaliksi yhteistyönä aloite perustan kvanttimekaniikka . Nykyinen formulaatio saatiin valmiiksi 1970-luvun puolivälissä kvarkkien kokeellisen vahvistuksen jälkeen . Siitä lähtien huippukvarkin (1995), tau- neutriinon (2000) ja Higgsin bosonin (2012) löydöt ovat antaneet standardimallille vielä enemmän uskottavuutta. Kaikki standardimallin hiukkaset on nyt havaittu kokeellisesti. Menestyksellä selittää monenlaisia kokeellisia tuloksia standardimallia pidetään joskus "lähes kaiken teoriana".
Se on esitys, joka koskee kvanttiobjekteja ja yrittää selittää niiden vuorovaikutusta. Se on rakennettu triptyykkiä hiukkasen , voima , sovittelija , toisin sanoen se erottaa perheitä hiukkasten voimien kanssa, johon ne ovat herkkiä, kukin voima, joka kohdistetaan avulla välittäjäaineiden vaihtamia hiukkaset siinä. Esitetään. Näitä välittäjiä kutsutaan bosoneiksi , kun taas aineen muodostavia hiukkasia kutsutaan fermioneiksi (kvarkeiksi ja leptoneiksi).
Vakiomallissa on vuonna 2016 yhdeksäntoista vapaata parametria kuvaamaan kolmen leptonin , kuuden kvarkin, Higgsin bosonin ja kahdeksan vakion massaa hiukkasten erilaisten kytkentöjen kuvaamiseksi . Ensimmäisten periaatteiden mukaan näiden parametrien arvoa ei ole vahvistettu , se on määritettävä kokeellisesti.
Ja teoreetikot Standard Malli on paradigma on Kvanttikenttäteoria , joka toteuttaa laaja fysikaalisia ilmiöitä. Sitä käytetään rakentamaan uusia malleja, jotka sisältävät hypoteettisia hiukkasia , ylimääräisiä ulottuvuuksia tai supersymmetriaa .
Ajatus siitä, että kaikki asia muodostuu alkeishiukkasten juontaa juurensa ainakin VI : nnen vuosisadan eaa. JKr . Vuonna XIX : nnen vuosisadan John Dalton , kautta hänen työstään stoikiometrian , todettiin, että jokainen elementti luonnon koostui yhdestä tyypistä hiukkasen. Sana atomi , kun kreikkalainen sana ἄτομος , ATOMOS ( "jakamaton"), on sillä tarkoitettu pienimmän hiukkasen alkuainetta , mutta fyysikot pian, että atomit ovat ei itse asiassa hiukkasia. Perustavanlaatuinen luonnon, mutta ryhmittymän ytimen ympärillä pienempiä hiukkasia, kuten elektroneja , jotka itse muodostuvat protoneista ja neutronista . Selvittämään alussa XX : nnen vuosisadan ydinfysiikan ja kvanttifysiikan huipentui löytö fissio vuonna 1939 Lise Meitner (perustuu kokemuksiin Otto Hahn ) ja ydinfuusion vuonna 1932 Mark Oliphant ; nämä kaksi löytöä johtivat myös ydinaseiden kehittämiseen . Kehittäminen hiukkaskiihdyttimissä jälkeen toisen maailmansodan mahdollisti koko 1950 ja 1960, löytää erilaisia hiukkasia aikana syvästi joustamatonta sironta kokeiluja . Sitten kyse oli "hiukkasten eläintarhasta". Tämä termi lakkautettiin sen jälkeen, kun 1970-luvulla laadittiin standardimalli, jossa suuri määrä hiukkasia selitettiin yhdistelminä suhteellisen pienestä joukosta muita alkeellisempia hiukkasia.
Higgsin bosonin löytäminen mahdollisti yksimielisyyden ja päivitti vuonna 2014 asian komponentteja koskevan taulukon, joka oli perustettu vuonna 2005 maailman fysiikan vuoden yhteydessä.
Tähän mennessä aine ja energia ymmärretään paremmin alkupartikkelien kinematiikan ja vuorovaikutuksen perusteella. Toistaiseksi fysiikka oli supistanut kaikkien tunnettujen aineen ja energian muotojen käyttäytymistä ja vuorovaikutusta koskevat lait vain pieneksi määräksi peruslakeja ja teorioita. Yksi fysiikan päätavoitteista on löytää yhteinen perusta, joka yhdistää kaikki teoriat kaiken teoriassa , jossa kaikki muut tunnetut lait olisivat erityistapauksia.
Vaikka standardimallia pidetään itsenäisenä ja johdonmukaisena teoriana, ja se on ollut erittäin onnistunut kokeellisten ennusteiden ( CP-symmetria tai hierarkiaongelma ) tarjoamisessa , se jättää useita ilmiöitä selittämättömäksi eikä sitä voida väittää olevan yksi teoria . Siten se ei tarjoa teoreettista perustetta painovoimalle , kuten on kuvattu yleisessä suhteellisuusteoriassa , eikä se selitä maailmankaikkeuden laajenemisen kiihtyvyyttä (mikä voitaisiin selittää pimeällä energialla ). Tämä malli ei myöskään sisällä hiukkasia, jotka voisivat muodostaa pimeän aineen , jolla olisi kaikki kosmologisten havaintojen edellyttämät ominaisuudet . Se ei myöskään kuvaa oikein neutriinojen ja niiden massan värähtelyä .
Vakiomalli sisältää jäseniä useista alkuhiukkasten luokista ( leptonit , kvarkit , mittaribosonit ja Higgsin bosonit ), jotka puolestaan voidaan erottaa muilla ominaisuuksilla, kuten niiden värivaraus .
Standard Malli sisältää kaksitoista alkeishiukkasten on spin ½ (puoli-kokonaisluku spin), jotka ovat näin ollen fermioneille . Mukaan spin-tilastollisen lauseen , fermioneja kunnioittaa Paulin kieltosääntö . Kutakin fermionia vastaa vasta- aine .
Fermionit noudattavat Fermi-Dirac-tilastoja eivätkä voi olla rinnakkain keskenään samassa kvanttitilassa (esimerkiksi samalla atomirataalilla ).
Alkeisfermionit jaetaan leptoneihin ja kvarkkeihin seuraavien kolmen sukupolven jälkeen, jotka eroavat toisistaan vain massaltaan, mikä on korkeampi jokaisen sukupolven kanssa. Vain ensimmäisen sukupolven hiukkaset muodostavat tavallisen aineen. Tämä johtuu siitä, että toisen ja kolmannen sukupolven hiukkaset ovat epävakaita ja hajoavat nopeasti ensimmäisen sukupolven kevyemmiksi hiukkasiksi.
Vaikka kvarkit ovat alkeellisia, niitä ei voi olla erillään. Ne on ryhmitelty hadroneiksi, jotka tulevat kvarkki-antiquark-parien ( mesonit ) tai kvarktitriojen ( baryonit ) muodossa. Esimerkiksi, protonit ovat koostuu kahdesta ylöspäin kvarkkien ja yksi alas kvarkki , kun taas neutronit ovat koostuu yhdestä ylös kvarkki ja kaksi alas kvarkkien .
Alla olevat taulukot ryhmittelevät eri fermionit sukupolvien mukaan. Jotta tätä taulukkoa ei ylikuormiteta, vasta-aineet eivät ole siellä edustettuina. Sähkövaraus ilmoitetaan siellä perusvarauksina .
Ensimmäinen sukupolviHiukkanen | Luokitus | Sähkövaraus | Vahva lataus (värivaraus) | Massa | Pyöritä |
---|---|---|---|---|---|
Elektroni | e | -1 | 511 keV / c 2 | 1/2 | |
Elektroninen neutrino | v. e | 0 | <225 eV / c 2 | 1/2 | |
Quark ylös | u | 2/3 | punainen, vihreä, sininen | ~ 3 MeV / c 2 | 1/2 |
Quark alas | d | -1/3 | punainen, vihreä, sininen | ~ 6 MeV / c 2 | 1/2 |
Hiukkanen | Luokitus | Sähkövaraus | Raskas kuorma | Massa | Pyöritä |
---|---|---|---|---|---|
Muon | μ | -1 | 106 MeV / c 2 | 1/2 | |
Muoninen neutrino | ν μ | 0 | <190 keV / c 2 | 1/2 | |
Quark Charm | vs. | 2/3 | punainen, vihreä, sininen | ~ 1,3 GeV / c 2 | 1/2 |
Quark Outo | s | -1/3 | punainen, vihreä, sininen | ~ 100 MeV / c 2 | 1/2 |
Hiukkanen | Luokitus | Sähkövaraus | Raskas kuorma | Massa | Pyöritä |
---|---|---|---|---|---|
Tau tai Tauon | τ | -1 | 1,78 GeV / c 2 | 1/2 | |
Tauic Neutrino | ν τ | 0 | <18,2 MeV / c 2 | 1/2 | |
Quark- yläosa | t | 2/3 | punainen, vihreä, sininen | 171 GeV / c 2 | 1/2 |
Quark Bottom | b | -1/3 | punainen, vihreä, sininen | ~ 4,2 GeV / c 2 | 1/2 |
Vakiomallissa mittaribosonit ovat voiman vektoreita tai kantajia, ja niillä on välittäjä rooli perusvoimien välillä : heikko, vahva ja sähkömagneettinen.
Mittaribosonit noudattavat Bose-Einstein-tilastoja ; heillä on täysi spin ja ne voivat olla rinnakkain keskenään samassa kvanttitilassa (miljardit identtisiä fotoneja, jotka asuvat yhdessä lasersäteessä).
Higgsin bosoni ei ole voimaa välittäjänä, ja siksi ei kuulu luokkaan mittabosoni.
Nämä kenttähiukkaset voivat olla todellisia tai virtuaalisia . Jälkimmäisessä tapauksessa heidän olemassaolonsa on erittäin lyhyt, ja ne havaitaan epäsuorasti toiminnallaan, joka koostuu lähinnä perusvoimien välittämisestä. Siksi näitä virtuaalisia hiukkasia kutsutaan myös "lähettimen hiukkasiksi" tai "välittäjiksi".
FotoniΓ fotonit (spin 1 ja nolla massan ja varauksen) ovat välittäjiä sähkömagneettisen voiman välillä sähköisesti varautuneita hiukkasia.
Heikot pojatW + , W - ja Z 0 -mittausbosonit (spin 1 ja suuri massa) välittävät heikko vuorovaikutus eri makujen hiukkasten (kvarkit ja leptonit) välillä.
GlluonitKahdeksan gluonit (spin 1 ja nolla massa) ovat välittäjiä vahvan vuorovaikutuksen välillä hiukkasia, joiden väri vastaa (kvarkkien).
Higgs bosoni (spin 0, joka on skalaarikenttä ), on tarkoitus antaa niiden massa toisaalta hiukkasten, jonka spontaani symmetria rikkomatta mekanismia kutsutaan tässä yhteydessä Higgs mekanismi . CERN ilmoitti4. heinäkuuta 20125 sigman (99,99997%) varmuudella on löydetty LHC: n ansiosta hiukkanen, jonka massa on 125,3 GeV⋅c −2 ± 0,6. Tämä hiukkanen voisi olla Higgsin bosoni, mutta lisätutkimuksia tarvitaan, jotta voidaan sanoa varmasti.
Tyypit | Sukupolvet | Antihiukkanen | Värit | Kaikki yhteensä | |
---|---|---|---|---|---|
Kvarkit | 2 | 3 | Pari | 3 | 36 |
Leptonit | Pari | Minkä tahansa | 12 | ||
Glluonit | 1 | 1 | Oma itsensä | 8 | 8 |
Fotoni | Oma itsensä | Minkä tahansa | 1 | ||
Boson Z | Oma itsensä | 1 | |||
Boson W | Pari | 2 | |||
Higgsin bosoni | Oma itsensä | 1 | |||
Perushiukkaset yhteensä (tiedossa): | 61 |
Jos laskemme hiukkaset erottamalla niiden eri värit ja niiden hiukkaset, laskemme kaikki 61 alkeishiukkaa.
Matemaattisesta näkökulmasta katsottuna kvanttikenttäteorian virallistettiin puitteissa mittarin teorioiden avulla ryhmät ja paikallisten symmetrian muodossa Lien ryhmä monimutkaisia taustalla kunkin mittarin symmetries mallinnettu. Joten:
Yhdeksäntoista vapaa parametrit standardin Malli ovat massat yhdeksän fermionit, neljä parametrit CKM matriisin, Kytkimen vakioita kolme voimat, theta kulma kvantti chromodynamics ja kaksi Higgs parametrit.
Hiukkasfysiikan vakiomallin parametrit | ||
---|---|---|
Symboli | Kuvaus | Arvo |
m e | Elektronimassa | 511 keV |
m μ | Muonin massa | 105,7 MeV |
m τ | Tau-massa | 1,78 GeV |
m u | Quarkin massa ylöspäin | 1,9 MeV |
m d | Massa kvarkki alas | 4,4 MeV |
m s | Oudon kvarkin massa | 87 MeV |
m c | Charm quark massa | 1.32 GeV |
m b | Pohjan kvarkin massa | 4.24 GeV |
m t | Yläosan kvarkkimassa | 172,7 GeV |
θ 12 | Sekoittamalla kulma ie 12 on CKM matriisi | 13,1 ° |
θ 23 | Sekoittamalla kulma ie 23 on CKM matriisi | 2,4 ° |
θ 13 | Sekoittamalla kulma ie 13 on CKM matriisi | 0,2 ° |
5 | CP-symmetriarikkomuksen parametri CKM-matriisissa | 0,995 |
g 1 tai g ' | Kytkentävakio mittariryhmälle U (1) (sähkömagneetti) | 0,357 |
g 2 tai g | Kytkentävakio SU (2) -mittausryhmälle ( heikko vuorovaikutus ) | 0,652 |
g 3 tai g s | Kytkentävakio SU (3) -mittausryhmälle ( vahva vuorovaikutus ) | 1.221 |
θ QCD | Theta kulma on Kvanttikromodynamiikka | ~ 0 |
v | Higgs-kentän "odotettu arvo tyhjiössä" | 246 GeV |
m H | Higgsin bosonimassa | ~ 125 GeV |
Vakiomalli ei ole täydellinen teoria perusvuorovaikutuksista, ja useat sen ominaisuudet viittaavat siihen, että standardimallin ulkopuolella on oltava "fysiikka". Ainakin siihen saakka, kunnesMaaliskuu 2021, mikään mitta tai kokemus ei ole voittanut sen ennusteita.
Vakiomalli ei sisällä painovoimaa . Monien teorioiden joukossa, jotka yrittävät yhtenäistää kvanttimekaniikkaa ja suhteellisuusteoriaa , useat käsittelevät hypoteettisen bosonin, gravitonin olemassaoloa .
Mukaan Alain Connes , ”kukaan ei ajattele, että standardimalli on tarinan loppu, etenkin siksi, että hyvin suuri määrä ilmaisia parametreja se sisältää. " .
Vakiomalli ei ennusta, miksi fermioneja on kolme sukupolvea, joilla on samat varaukset, mutta hyvin erilaisilla massialueilla. U- kvarkin massa on luokkaa MeV.c −2, kun taas t on suuruusluokkaa 170 GeV .c −2 . Toisaalta mikään ei sano, ettei muita perheitä ole. Vuodesta 2008 lähtien mikään standardimallia pidempi teoria ei selitä tarkalleen näiden kolmen perheen olemassaoloa. Unitaarisuus on CKM matriisi on herkkä testi olemassaolon toisen sukupolven fermioneja.
Lagrangen on mittari standardin mallissa on kolme sisäistä symmetrioita partikkeleissa , ja . Samoin kuin fermioniperheillä, mikään ei estä symmetrian alaryhmien olemassaoloa. Tämä on lisäksi aihe, joka on rakas suuren yhdistymisen teorioille , jotka periaatteessa mahdollistavat näiden symmetrioiden selittämisen sisällyttämällä ne alaryhmiin ryhmässä, joka on suurempi kuin kolme ensimmäistä. Matemaattinen ryhmä olisi voinut olla sopiva, ja juuri niihin perustui suuren yhdistymisen ( GUT ) teoria . Mutta tämä mittasymmetria vaikeutti standardimallia pakottamalla postuloimaan 24 bosonia, ja ennen kaikkea se ennusti protonien hajoamista, jota ei ole koskaan havaittu kokeellisesti.
Vakiomalli sisältää tosiasian, että jokainen hiukkanen vastaa antihiukkasia. Niiden fyysiset ominaisuudet ovat melkein identtiset. Hiukkasella ja sen antihiukkasella on sama massa, mutta vastakkaiset varaukset (baryoni ja leptoni).
Malli ei kuvaa pimeää ainetta, joka muodostaisi suuren osan maailmankaikkeudesta.
Vaalea hypoteettisista supersymmetrisistä hiukkasista olisi yksi pimeän aineen ehdokkaista.
Vielä on muodostettava vakiomallia täydentävä teoria, joka selittäisi, miksi mitään näistä hiukkasista ei ole toistaiseksi havaittu ( LHC: n tai muun detektorin avulla).
Protonin sähkövarauksen tilavuutta koskevat kokeet antavat kaksi erilaista lukua, eivätkä tutkijat pysty määrittämään, onko virhe kokeen olosuhteissa vai onko teoria itsessään puutteellinen.
Standardimallissa oletetaan, että varattujen leptonien, eli elektronien, müonien ja tauonien, vuorovaikutus vaihtelee vain niiden massaerojen vuoksi. Elektroneja ja muoneja koskevat kokeet ovat vahvistaneet tämän hypoteesin, mutta viimeisimmät tutkimukset B-mesonin hajoamisesta, jossa tau-leptonia on käytetty suurissa energioissa, osoittavat poikkeamia teoriasta. Jos nämä tulokset vahvistetaan, se voi tasoittaa tietä uusille vuorovaikutuksille hiukkasten välillä.
Standardi malli ennustaa varten muon magneettinen momentti , jonka lande tekijä g on lähellä 2 mutta on hieman suurempi, johtuen luominen ja tuhoaminen paria virtuaalihiukkasten sen läheisyydessä, ja ominaisuudet tunnetaan partikkelien avulla on mahdollista laskea ero g −2 (“ poikkeava momentti ”). Vuonna 2001 g : n mittaus Brookhavenin kansallisessa laboratoriossa ( New Yorkin osavaltio , Yhdysvallat ) antoi tuloksen, joka oli hieman laskettua arvoa korkeampi, mutta riittämätön pieni virhemarginaali ristiriitaisuuden takaamiseksi. Huhtikuussa 2021 kahden vuoden tiedonkeruu eri laitteita, Fermilab vuonna Batavia (Illinois) ilmoitti hyvin samanlainen tulos. Kahden mittauksen yhdistelmä antaa eron mitatun arvon ja teoreettisen arvon välillä, joka on 4,2 kertaa suurempi kuin keskihajonta , ja siten merkittävästi nollasta poikkeava. Yksi mahdollinen selitys on sellaisten hiukkasten olemassaolo, joita standardimalli ei ennusta, ja siten uudet virtuaalihiukkaset.
"Kaunis" meson (joka käsittää b kvarkki ) muunnetaan "outo" meson (joka käsittää t rahka ) emission kanssa joko elektroni ja positroni , tai muon ja antimuon . Standardimalli ennustaa, että erilaiset varautuneet leptonit , elektroni, muoni ja tau , käyttävät ja tuntevat samoja sähköheikan vuorovaikutuksen voimia . SisäänMaaliskuu 2021, Protoni-protoni törmäyksiä analysoitiin ilmaisimen LHCb suuri hadronitörmäytin on CERNin osoittavat välinen epäsymmetria elektronien ja myonit, jälkimmäinen on annettu vähemmän (ero on 3,1 standardipoikkeamat ). Jos nämä tulokset vahvistetaan, se olisi toinen standardimallin hylkääminen ja ehkä osoitus uudesta perustavanlaatuisesta vuorovaikutuksesta kvarkkien ja leptonien välillä.