Standardmodellen

Standardmodellen i partikkelfysikken er ein teori som skildrar dei tre naturkreftene fargekraft, svak kjernekraft og elektromagnetisme, og elementærpartiklane. Han inneheld dei lovene som styrer korleis partiklane og kreftene oppfører og utviklar seg. Dette er grunnlaget for korleis atom er bygde opp og knyter seg saman til molekyl, og dermed all vanleg materie rundt oss.

Partiklar og vekselverknader i standardmodellen

Standardmodellen er ein kvantefeltteori (QFT) som er konsistent med den spesielle relativitetsteorien. Ein kvantefeltteori skil seg frå eldre kvantemekanikk, slik som Schrödingerteori, ved at òg bølgjefunksjonen er kvantisert, i tillegg til storleikar som energi, posisjon, og rørslemengd. Kvantisering av bølgjefunksjonen er det som gjev opphav til partiklar. I standardmodellen er alle felt kvantisert, og til og med vekselverknad mellom partiklar skjer ved utveksling av virtuelle partiklar. Eit døme på ein vekselverknad er elektrisk fråstøyting mellom elektron, som skjer ved utveksling av virtuelle foton. Standardmodellen skildrar òg korleis partiklar kan skapast og tilinkjesgjerast, eller korleis dei går over til andre typar partiklar ved kollisjonar. Ved slike overgangar er bevaringslover viktige sidan dei gjev rigide skjema for kva for overgangar som er lov og kva for som ikkje er. Døme på bevarte storleikar er ladning, energi, og rørslemengd.

Standardmodellen skildrar ikkje gravitasjon og er dermed ikkje kopla til den generelle relativitetsteorien. Gravitasjon blir trudd å ha lita tyding på avstandar på storleik med eit atom og mindre, men er viktig for ei total skildring som ikkje berre kan nyttast på atomært og subatomært nivå. Standardmodellen vart utvikla mellom 1970 og 1973 basert på arbeid tilbake til tidleg på 1900-talet. Det er ein viktig test for naturvitskaplege teoriar at dei tillèt oss å formulere hypotesar og føresei verdien av storleikar som kan utprøvast og målast. Standardmodellen har føresagt ei rekkje nye partiklar og verdiar som til no har vist seg å stemme særs godt med testresultat frå forsøk, til dømes i partikkelakseleratorar.

Massen til partiklane, koplingskonstantane for kreftene og dessutan fleire bevaringslover er ikkje avleidd av grunnprinsipp, men avgjort eksperimentelt. Dette gjev ei rekkje uløyste spurnader (sjå under). Ein veit òg at dei partiklane som i dag blir skildra av standardmodellen berre utgjer omtrent 2–4 % av all masse og energi i det observerbare universet.^[1]

Oppbygging av standardmodellen

Historikk

Standardmodellen er eit resultat av mange uavhengige oppdagingar og teoriar. Fleire viktige prinsipp som Maxwell-likningane og lorentztransformasjonen var skildra allereie på 1800-talet saman med elektronet (1894) og tidlege atommodellar. I 1900 forklarte Max Planck svart-lekam-stråling ved å postulere at energien frå ein svart lekam vart formidla i lyskvant (foton), og reknast som grunnleggjaren av kvanteteorien. I 1905 kom Einstein med den spesielle relativitetsteorien som etablerer prinsipp om relativitet mellom observatørar i ulike referansesystem, relasjonen mellom masse og energi (E = mc²), noko som òg førte fram til den moderne skildringa av fotonet.

I 1917 skildra Bohrmodellen atomet som ein positiv kjerne samansett av proton og nøytron med elektron med kvantiserte energinivå i banar rundt atomkjernen. Omkring 10 år seinare fekk partikkelfysikken mange gjennombrot, med Erwin Schödingers bølgjelikning (1926) som forklarar bølgjenaturen til elektronet, Wolfgang Paulis utelukkingsprinsipp (1926) som forklarar det periodiske systemet, Werner Heisenbergs uskarpleiksrelasjon (1927) og Diraclikninga (1928) som er den relativistiske bølgjelikninga for elektron. Diraclikningen er det første som kan reknast som ein eigenleg del av standardmodellen.

Viktige bidrag på 1930-talet var betastråling og postuleringa av nøytrinoet (Enrico Fermi) og dessutan kvanteelektrodynamikken, som byggjer på Diraclikninga og vart ferdigutvikla på 1940-talet av Richard Feynman, Freeman Dyson, Julian Schwinger, og Sin-Itiro Tomonaga. Den store innsatsen i våpenprogramma under og etter andre verdskrigen gav tilgjenge til partikkelakseleratorar med stadig høgare energi og førte til oppdaginga av stadig fleire kortliva, energirike partiklar. I 1960-åra var det eit klårt behov for ein modell som kunne systematisere alle desse observasjonane. Murray Gell-Mann og George Zweig foreslo kvar for seg midt på 60-talet at desse partiklane var bundne tilstandar av tre meir fundamentale partiklar som Gell-Mann kalla kvarkar (etter ei linje i James Joyce-romanen Finnegans Wake: "Three quarks for muster Mark").^[2]

I utgangspunktet vart kvarkar rekna som ein høveleg matematisk modell meir ein verkelege partiklar. Men utover 1960-åra gav ei rekkje eksperiment med observasjon av til dømes partikkelspreiing bevis på at kvarkane var verkelege partiklar. Vidare arbeid gjorde at ein mellom 1970 og 1973 kunne utvikle standardmodellen. Dei partiklane og vekselverknadane som denne skildrar er seinare vorte stadfesta eksperimentelt. Higgsbosonet sleit ein lenge med å finne, før han endeleg vart stadfesta i 2012. Som nemnt er standardmodellen ikkje ei fullstendig skildring, og ei rekkje eigenskapar ligg framleis utanfor det området standardmodellen skildrar.

Grunnlag

Partiklar og krefter på kvantenivået har ofte ein oppførsel som ikkje er intuitiv, og som ein berre kan finne frå sine matematiske skildringar og verifiserast eksperimentelt. Ei rekkje av desse eigenskapane er det vanskeleg å skildre i daglegtale, eller illustrere visuelt.

På same måte som partikkel brukast ei rekkje namn frå vanleg daglegtale i skildringa av standardmodellen. Døme er farge, spinn, opp, topp osv. som opphavleg vart valde fordi dei skulle vere lett å huske, og har ikkje noko samanheng med omgrepa slik dei blir brukt i vanleg tale. Ein kan dermed leiast til å tru at ein intuitivt kan forstå korleis desse systema oppfører seg, noko som ofte er langt frå realiteten.

Det er eit viktig mål innan fysikken at eigenskapane skal kunne utleiast frå ein grunnleggjande teori om alt der dei einskilde lovene, massar, energinivå osv, berre er spesialtilfelle og instansieringar av generelle prinsipp og der «Detaljane kan bereknast dersom situasjonen er enkel nok til å gjere ei tilnærming, noko som sjeldan er tilfelle, men der vi ofte likevel stort sett kan forstå kva som skjer» (R. Feynman).^[3] Standardmodellen er ikkje ein fullstendig slik teori (sjå figur).

Oversikt over teoriar innan partikkelfysikk og relativitet

Eigenskapane

Alle partiklar og vekselverknader kan skildrast ved ein kombinasjon av ulike kvantetilstandar. Kvantemekanikken skildrar at desse tilstandane er kvantifiserte, det vil seie at dei berre opptrer i multiplar av Planckkonstanten. Nokre av dei grunnleggjande eigenskapane innan standardmodellen er:

• Energi: Alle partiklar har ein viss kvantifisert energi (E), som i dei fleste partiklane gjev opphav til masse (m). Dette trur ein skjer ved higgsmekanismen som blir skildra seinare. Ofte blir difor kvilemassen oppgjeve som energien til partikkelen i elektronvolt delt på ljosfarten i kvadrat:

m₀ = E / c² (med eininga eV/c²). Total energi er gjeve ved Einsteins klassiske formel, med relativistisk masse eller med rørslemengd og kvilemasse:

${\displaystyle E=mc^{2}={\sqrt {p^{2}c^{2}+m_{0}^{2}c^{4}}}}$,

der m er masse, m₀ er kvilemasse, c er ljosfarten og p er rørslemengd.

• Rørslemengd er relativistisk masse gongar snøggleik, p = mv (eller for foton, som er masselause, gjeve ved p = hf / c, Planckkonstanten gongar frekvens delt på ljosfarten). Relativistisk rørslemengd for kvilemassen m₀ ved snøggleik v er gjeve av:

${\displaystyle p={\frac {m_{0}v}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}}$

• Elektrisk ladning: Ladning (Q) opptrer i frie partiklar i positive og negative heiltals multiplar av elementærladninga (e = 1,607 • 10⁻¹⁹ C), og i bundne kvarkar òg 1/3 e. Elektrisk ladning og vekselverknad er skildra ved elektromagnetisme og kvanteelektrodynamikk.
• Indre paritet skildrar korleis symmetrien er ved ein paritetstransformasjon (alle aksar i koordinatsystemet endrar forteikn). Pariteten er skildra som lik eller odd paritet. Ladning og paritet inngår i skildringa av kvanteelektrosvak teori, som er ei felles skildring av vekselverknad ved elektromagnetisme og svak kjernekraft.
• Spinn: Alle partiklar har eit indre angulært moment som er kvantifisert som ${\displaystyle S=\hbar {\sqrt {s(s+1)}}}$, der s = (0, 1/2, 1, 3/2, 2, osv). Spinn er ein særs viktig eigenskap sidan dei statistiske eigenskapane til partiklane vert avgjort av om dei har heiltalig eller halvtalig spinn. Partiklar med heiltalig spinn vert kalla boson, f.eks. foton som har s=1, og partiklar med halvtalig spinn som vert kalla fermion. Døme her er elektron og proton, som har s=1/2.
• Isospinn skildrast ved eit kvantetal (I_z) som er relatert til fargekrafta. Hyperladning (Y) er avleidd av isospinn og ladning: Y = 2 (Q - I_z).
• Svakt isospinn: er eit kvantetal (T_z) som er relatert til elektrosvak kraftverknad. Svak hyperladning (Y_w) er avleidd av svakt isospinn og ladning: Y_w = 2 (Q - T_z).
• Fargeladning: Fargeladninga er ein trilling av felt som påverkar hadron som kvarkar, meson og gluon. Fargeladninga skildrast i kvantekromodynamikk og gjev opphav til vekselverknad med fargekraft og vidare sterk kjernekraft.

Partiklar

Oversikt over partiklar og familiar i standardmodellen

For meir om dette emnet, sjå elementærpartikkel.

Basiseigenskapane og bevaringslovene gjev opphav til metastabile tilstandar som kjem til uttrykk som partiklar. Standardmodellen gjev ikkje ei fullstendig skildring av korleis desse tilstandane oppstår. Mengda og energinivå kan difor ikkje utleiast av grunnprinsipp, men må finnast i eksperiment. Dette skjer t.d. ved spreiingsforsøk når ein kolliderer partiklar med høg energi, og observerer korleis dei partiklane som blir danna spreiast, og kva for eigenskapar desse har. Dette gjev informasjon t.d. om massefordeling, ladningsfordeling og spinn, og leiar til modellar for oppbyggninga. Sidan det eksisterer ei rekkje symmetriar (sjå nedanfor), kan ein ofte rekne med at ein kjend observasjon vil vere gyldig for liknande partiklar og interaksjonar og leie til ytterlegare postulerte eigenskapar som seinare kan verifiserast i nye forsøk.

Standardmodellen skildrar med bakgrunn i dette dei einskilde kategoriane og generasjonar av partiklar og antipartiklane deira:

• Kvarkar ber tre komponentar av fargeladning (raud, grøn, blå). Dei kan ikkje eksistere fritt, men finst alltid i grupper på tre til baryon eller to (ein kvark og ein antikvark) til meson som utover er fargenøytrale. Kvarkane finst i to hovudtypar, i tre generasjonar. Skilnaden mellom same type partikkel i kvar generasjon er massen deira og ein eigenskap som vert kalla smak (flavor):
  • Opp-type-kvarkar (opp, sjarm, topp) har ladning +⅔..
  • Ned-type-kvarkar (ned, sær, botn) har ladning -⅓.
• Lepton, som ikkje har fargeladning, finst òg i to hovudtypar i tre generasjonar (med smak som for kvarkane):
  • Elektron-type-lepton (elektron, myon, og tau) har ladning -1.
  • Nøytrino-type-lepton (nøytrino, myon-nøytrino og tau-nøytrino) har nøytral ladning (null).
• Vekselverknadspartiklar er berarar av kraftverknad mellom partiklar:
  • Foton ber elektromagnetisk kraftverknad.
  • Gluon formidlar fargekrafta og er sjølv berarar av fargeladning.
  • W og Z formidlar svak kjernekraft.

Organisering av fermion

	Generasjon 1		Generasjon 2		Generasjon 3		Ladning
Kvarkar	opp	${\displaystyle u\,}$	sjarm	${\displaystyle c\,}$	topp	${\displaystyle t\,}$	+?
	ned	${\displaystyle d\,}$	sær	${\displaystyle s\,}$	botn	${\displaystyle b\,}$	-?
Lepton	elektron- nøytrino	${\displaystyle \nu _{e}\,}$	myon- nøytrino	${\displaystyle \nu _{\mu }\,}$	tau- nøytrino	${\displaystyle \nu _{\tau }\,}$	0
	elektron	${\displaystyle e\,}$	myon	${\displaystyle \mu \,}$	tau	${\displaystyle \tau \,}$	-1

I tillegg har alle partiklar ein antipartikkel. Det er i tillegg fleire andre hypotetiske partiklar som hittil ikkje er observert og som dels blir skildra seinare. Kvarkane byggjer opp ei rekkje ulike hadron (baryon og meson). Av desse partiklane er det berre elektronet, nøytrinoane og fotonet, og dessutan opp- og ned-kvarkane i protonet og nøytronet, som har ei levetid som gjer at dei kan observerast. Alle andre partiklar har i utgangspunktet ei levetid som er kortare enn 10⁻¹⁰ sekund (og tildels mykje kortare). Desse kan berre observerast indirekte via nedbrytningsprodukta sine eller andre effektar.

Alle partiklane har eigenskapen spinn som skildra over. Lepton og baryon har spinn ½ og er difor fermion. Desse utgjer til saman all vanleg materie i universet. Dei er underlagt Paulis utelukkingsprinsipp, som postulerer at ulike partiklar ikkje kan eksistere i same posisjon og kvantetilstand. (Dei må ha antisymmetriske bølgjefunksjonar.) Ein verknad av dette er at det forhindrar vanleg materie frå å kollapse til ein særs kompakt tilstand. Det er til saman seks kvarkar, seks lepton og antipartiklane deira, altså til saman 24 fermion.

Krefter

Oversyn over vekselverknad mellom partiklar i standardmodellen

Standardmodellen forklarar kraftverknaden mellom partiklar i vanleg materie (fermion) ved utveksling av vekselverknadskvant (som er boson). Denne modellen om korleis kreftene mellom partiklane blir formidla, kan bereknast særs presist og stadfestast i laboratorieforsøk. Vekselverknadskvanta kan opptre som verkelege partiklar, men som kraftformidlarar er dei virtuelle i den tydinga at dei blir sende ut og blir oppteke avgrensa av uskarpleiksrelasjonen. Det er berre utgangsposisjonen og sluttresultatet som må bevare t.d. total energi, medan vekselverknadspartikkelen kan ha mykje høgare energi (og masse) enn tilfellet ville vore for ein verkeleg partikkel. Dette avgrensar likevel levetid og rekkjevidd for vekselverknadskvanta som skildra over og di meir massiv partikkelen er, dess kortare er levetida og rekkjevidda. Kraftverknaden kan vere tiltrekkande eller fråstøytande.

Vekselverknadskvanta har heiltalig spinn 0, 1, 2, ... og er boson. Dei følgjer difor ikkje Paulis utelukkingsprinsipp og kan difor òg vere i same posisjon og kvantetilstand (symmetriske bølgjefunksjonar). Det finst tre hovudtypar:

• Foton formidlar elektromagnetisme. Fotonet er masselaust, og krafta virkar difor over uavgrensa rekkjevidd. Han har enkel symmetri, U(1), og blir skildra av kvanteelektrodynamikk.
• Dei tunge vekselverknadskvanta (gauge-bosona) W⁺, W ^– og Z⁰ formidlar svak kjernekraft mellom partiklar (lepton og kvarkar) av forskjellig smak. Dei er særs massive og har derfor ei rekkjevidd på berre ca. 10⁻¹⁸ m og ein styrke på 1/30 av fargekrafta på denne avstanden. Svak kjernekraft bryt paritetssymmetri (P-symmetri der f(x, y, z) = f(-x, -y, -z)) fordi han berre verkar på venstre-asymmetriske partiklar. Det er den einaste av dei fundamentale kreftene som kan endre smak for lepton og kvarkar. Partikkelen blir endra til ein annan partikkel av same type, t.d. frå ned- til opp-kvark eller myon til myon-nøytrino. Denne krafta er årsaka til at vanleg stabil materie berre inneheld opp- og ned-kvarkar og elektron. Krafta skildrast ved ei såkalla SU(2)-gruppe, ein duo av felt som gjev opphav til tre interaksjonar: W^± er ladd +1 eller -1 og kan interagere med elektromagnetisme og virker på venstre-asymmetriske partiklar og høgre asymmetriske antipartiklar. Z⁰ har nøytral ladning og verkar på venstre-asymmetriske partiklar og antipartiklar. Saman med fotonet formidlar gauge-bosona elektrosvak vekselverknad.

Vekselverknadsboson

Elektro- magnetisme		Svak kjernekraft		Fargekraft
foton	G	Tunge vekselverknadskvant	W+, W-, Z	gluon	g

• Gluon formidlar fargekrafta. Kvarkane har tre typar fargeladning. Dette kan sjåast som ein triplett av felt og gjev opphav til ei SU(3)-gruppe som gjev 8 interaksjonar og 8 typar gluon med fargeladning beståande av ein farge og ein antifarge (t.d. raud-antigrøn) som blir skildra av kvantekromodynamikk (QCD). Fordi gluon òg ber fargeladning, kan ein òg få gluon – gluon-vekselverknad. Kvar interaksjon mellom kvark – gluon og gluon – gluon er i seg sjølv fargenøytral. Gluona er masselause. Totalt er dette særs vanskeleg å berekne, men løysingsmetodar som nettverks-QCD gjev godt samsvar med eksperiment. Totaleffekten er likevel at kvarkane vert innelukka fargenøytralt i baryon (tre kvarkar) og meson (kvark-antikvark), og ikkje kan eksistere fritt. Sjølv om fargeladninga totalt i eit baryon er nøytral, er han ikkje heilt symmetrisk fordelt, og ein får ei restkraft mellom baryon (t.d. nøytron og proton i atomkjernen) som blir kalla sterk kjernekraft. Han blir likevel formidla av meson og har ei rekkjevidd som svarar til eit nøytron eller proton.

Symmetri

Venstrehendte (L) og høgrehendte partiklar (R)

Ein viktig eigenskap ved standardmodellen er chiralitet, dvs. «venstre- og høgrehendtheit». Ein partikkel er etter definisjonen venstrehendt viss indre spinn er med klokka når urskiva peikar i rørsleretninga. Hugseregel: Når fingrane på venstrehanda følgjer spinnet og den utstrakte tommelen peikar i rørsleretninga er partikkelen venstrehendt, og tilsvarande høgrehendt for høgre hand.

Helisitet h følgjer eit tilsvarande prinsipp, men er projeksjonen til spinnet ${\displaystyle {\vec {S}}}$ langs retninga til rørslemengda ${\displaystyle {\hat {p}}}$:

${\displaystyle h={\vec {S}}\cdot {\hat {p}},\qquad {\hat {p}}={\vec {p}}/|{\vec {p}}|}$

Skilnaden er relativistisk: chiralitet heldt seg i høvet til snøggleiksvektoren, medan helisitet tar med snøggleiken til observatøren. Om observatøren (t.d. ein annan partikkel) flyttar seg fortare enn partikkelen endrar helisiteten forteikn sett frå observatøren, for 1/2-spinn-partiklar, er han t.d. ${\displaystyle +\hbar /2}$ eller ${\displaystyle -\hbar /2}$ etter definisjonen over. For partiklar med null masse, t.d. foton og gluon som alltid flyttar med lysfarten, kan observatøren ikkje flytte seg fortare, og for slike partiklar er alltid helisiteten lik chiraliteten gonger ${\displaystyle \hbar /2}$

Standardmodellen er ein chiral teori, som vil seie at partiklane i einskilde vekselverknader oppfører seg ulikt avhengig av om dei er venstrehendte eller høgrehendte. Til dømes virkar svak vekselverknad berre på venstrehendte partiklar (og høgrehendte antipartiklar). Fermion er òg chirale, og venstrehendte fermion koplar sterkare til andre venstrehendte fermion enn venstre – høgre- og høgre – høgre-par. Dette symmetribrotet har etablert ein «preferanse» i naturen for venstrehendte partiklar. Denne typen symmetri blir kalla for P-symmetri (av paritet), og ein seier at svak kjernekraft har stort P-symmetribrot. Dette har vore brukt til å studere nøytrinomasse, for sidan det finst indikasjonar på symmetribrot ved svak kjernekraft, må nøytrinoet òg ha masse.

Symmetri for motsette ladningar kallast C-symmetri (for charge). Det vil til dømes seie at eit elektron – proton-par har same elektromagnetiske vekselverknad som eit positron – antiproton-par (positron er anti-elektron). I ein del tilfelle der det finst P-symmetribrot, kan det likevel finnast CP-symmetri. Det var tidlegare trudd at svak kjernekraft hadde CP-symmetri, men no veit ein at det òg finst mindre CP-symmetribrot.

Den siste symmetrien er T-symmetri, det vil seie at ein speglar bakover i tid. Det er ikkje kjent nokre vekselverknader som ikkje tilfredsstiller kombinert CPT-symmetri.

Bevaringslover

Allereie i klassisk mekanikk hadde ein teoriar om bevaring. Den første termodynamikklova seier t.d. at energi korkje kan oppstå eller forsvinne. Tilsvarande er summen av dei elektriske ladningane i eit system bevarte.

For vekselverknader er ein eigenskap bevart dersom summen for partiklane er lik før og etter vekselverknaden. Det vart tidleg observert at visse vekselverknader er vanlege medan andre finst særs sjeldan («forbodne vekselverknader»). Desse eksperimenta har ført til skildringa av kvantetal for elementærpartiklane og bevaringslover som skildrar kva for tilstandar og overgangar som finst.^[4]

Baryon og meson

For meir om dette emnet, sjå baryon og meson.

På grunn av fargekrafta eksisterer alltid kvarkar bundne i grupper som er fargenøytrale:

• Meson består av to kvarkar: ein kvark og ein antikvark. Fargenøytraliteten oppnår ein ved farge og antifarge. Meson har alle særs kort levetid, under 10⁻⁸ sekund, og dei fleste mykje kortare. Spinnet til kvarken kan vere motretta eller likeretta, og meson får derfor spinn 0 eller 1. Men det er òg ytterlegare finstruktur: eit meson som består av same type kvark og antikvark, kan ha særs forskjellige eigenskapar avhengig av om spinna er likeretta eller motretta, og om det er venstre eller høgre. Sjå til dømes π⁺-pionet og ρ⁺-rho i tabellen. Nøytrale meson er sin egen antipartikkel.
• Baryon består av tre kvarkar. Igjen kan dei ha motretta eller likeretta spinn, som gjev spinn 1/2 eller 3/2. Òg her gjev spinnretninga opphav til forskjellige baryon for same kombinasjon av kvarkar, sjå t.d. protonet og Δ⁺-delta som begge består av kvarkane opp/opp/ned.

Nøytron og proton kallast òg nukleon. Fleire nukleon blir bunde saman til ein atomkjerne fordi dei har ein ubalanse i fargeladninga som gjev opphav til sterk kjernekraft som stabiliserer kjernen ved å virke mot fråstøyting mellom like ladningar. Denne blir formidla av virtuelle meson. Utanfor atomkjernen er det berre elektromagnetisk kraft som styrer vidare oppbygning av orbitalar og kjemiske samband. Av baryona er det berre protonet som er stabilt i fri tilstand. Nøytronet er stabilt i mange atomkjernar saman med protonet.

• Pentakvark er ein hypotetisk kombinasjon av fem kvarkar som teoretisk kan dannast som ein kombinasjon av fire vanlege og ein anti-kvark. Fleire eksperiment sidan 2003 har indikasjonar på ein pentakvark med masse 1540 MeV i kombinasjonen opp/opp/ned/ned/anti-sær.

Ein legg merke til at massen for baryon og meson er særs ulike og mykje høgare enn summen av dei renormaliserte verdiane for dei kvarkane som byggjer opp partiklane. Dette kjem av vesentleg bindingsenergi som følgje av fargenøytral innelukking.

Masse og higgspartikkelen

Nedbrytingssprodukt frå higgsbosonet

Higgspartikkelen er eit elektrisk nøytralt vekselverknadsboson med spinn 0. Det har ein viktig funksjon både i elektrosvak teori og som opphav til masse i partiklane. Det var lenge den einaste partikkelen i standardmodellen som ikkje var eksperimentelt oppdaga, og var gjenstand for stor merksemd, blant anna med oppstarten av ATLAS-eksperimentet ved Large Hadron Collider (LHC) i CERN.^[5] Higgsbosonet vart oppdaga her i 2012.

Higgsbosonet er naudsynt får å tilfredsstille gaugesymmetri for vekselverknadsboson med heiltalig spinn, spesifikt W⁺, W^- og Z⁰. Om dei kjende vekselverknadsbosonane var dei einaste i standardmodellen, ville dette av symmetriårsaker føre til null masse, som det er tilfelle for gluon (kvantekromodynamikk) og foton (kvanteelektrodynamikk). Sidan W- og Z-bosona har særs høg masse (typisk 80–90 GeV/c²) krevjast det ein mekanisme som kan forklare dette store symmetribrotet. Òg andre effektar krev kanselleringar som i prinsippet ville føre til at alle elementærpartiklar (lepton, baryon og boson) måtte ha null masse om det ikkje fanst fleire boson.

For å løyse dette problemet, har ein postulert eit skalarfelt kalla higgsfeltet (etter Peter Higgs). Eit skalarfelt har same konstante verdiar i heile universet, og inga retning (i motsetnad til ein vektor). Det har ein vakuumforventingsverdi (forventa verdiar for variabelen til feltet i vakuum) som er berekna til 246 GeV. Higgspartikkelen er ein kvanteverdi som koplar dette feltet til partiklar som har masse (massive partiklar), og styrken til koplinga (koplingsfaktoren) avgjer dermed kor stor massen til partikkelen blir. Tidlegare eksperiment set ei nedre grense for massen til higgsbosonet masse på ca. 115 GeV/c². Det ligg i vekselverknaden at higgspartikkelen koplar svakt til partiklar med låg masse (som opp-, ned-, sær-, sjarm-kvarkar og lepton), og kan truleg berre framstillast via særs massive partiklar som topp- og botn-kvarkar og W- og Z-boson, og kan sidan detekterast via nedbrytingsprodukta sine som vist i figuren.

LHC ved CERN har tilstrekkeleg energi til å produsere partiklar med dette energinivået og ein kan å finne Higgsboson eller partiklar med andre eigenskapar som forklarar symmetribrotet og opphavet til massen til partiklane.^[6]

Utvikling og uløyste område

Uløyste problem i fysikken:

• Kva avgjer masse og koplingskonstantar for vekselverknadene?
• Er det berre tre generasjonar partiklar?
• Kva er sambandet til gravitasjon og teorien om alt, og kva er mørk masse og mørk energi?
• Kvifor består ikkje universet av like deler partiklar og antipartiklar?

Sjølv om standardmodellen gjev særs godt samsvar med eksperimenta, har han manglar på ei rekkje område som er gjenstand for omfattande forsking:^[7]

• Modellen har ingen utrekning av massane til partiklane og av koplingskonstantane for kreftene som blir basert på grunnprinsipp. Han er heller ikkje nokon full forklaring på kva for partikkeltypar som opptrer og den mengda generasjonar ein observerer (t.d. lepton og kvarkar i tre generasjonar). Han opererer med 29 konstantar som må finnast i eksperiment. Fleire foreslegne teoriar gjev massar for partiklane som er særs mykje høgare enn det som blir observert, og krev difor korreksjonar eller elimineringer basert på ulike vekselverknader. Dette er ikkje skildra i dagens teori, sjølv om det blir forventa at observasjonar av higgspartikkelen kan føre til nye skildringar.
• Standardmodellen inneheld ikkje skildringar av strukturar (partiklar og krefter) over 10¹² eV og opp til planckskalaen ved 2,4•10²⁷ eV der kvantegravitasjonseffektar gjer seg gjeldande. Det er truleg at det både finst ytterlegare struktur, og at gravitasjon må finne plass i ein framtidig teori om alt.^[8] Gravitonet som formidlar kvantegravitasjon, er ikkje påvist. Gravitasjon er ulik dei andre vekselverknadane ved at han påverkar krumminga til tidromet (og truleg òg storleiken til dette: ekspansjonen til universet), og den effekten vi observerer som tiltrekking ved gravitasjon er ei følgje av denne krumminga. Ein forventar at elektrosvak vekselverknad og fargekrafta vil arte seg som ein felles kraftverknad ved høge energinivå (Grand Unification Theory, GUT) og at òg gravitasjon inngår i ein Unified Field Theory eller teori om alt på endå høgre nivå.
• Ein veit no at universet inneheld 96–98 % masse og energi som ikkje er skildra av standardmodellen. Dette blir kalla mørk materie og blir delt i mørk masse (30 %) og mørk energi (70 %; der «mørk» har tydinga «ukjent», ikkje «svart»). Mørk masse vekselverkar ikkje med elektromagnetisme^[9], men koplar med gravitasjon. Mørk energi er ukjent, men koplar truleg både til mørk masse og mørk energi og reknast som årsaka til ekspansjonen til universet.^[10] Ei av forklaringane er særs massive supersymmetriske partiklar.
• Fordi standardmodellen er fullt symmetrisk, med unntak av svak vekselverknad, ville ein forvente at det observerbare universet bestod av like delar materie og antimaterie. Antimaterie og materie ville då ha annihilert sidan dei kom i kontakt med kvarandre om dei vart blanda. Om materien var fordelt i ulike regionar ville ein forvente intens gammastråling der desse regionane var i kontakt. At ein ikkje har observert dette tyder på at universet stort sett består av vanlege partiklar. Men særs kort etter Big Bang bestod universet truleg av like deler materie og antimaterie (men med mange fleire eksotiske og massive baryon og meson enn i dag). Dei aller fleste annihilerte med kvarandre, medan ein svak ubalanse skapte dei fermiona (t.d. elektron, proton og nøytron) ein ser i universet i dag. Men standardmodellen sin berekningar gjev langt færre partiklar (faktor 10¹⁰) enn vi bereknar i det observerbare universet.

Strengteori og supersymmetri

Det er naturleg å tenkja seg at det finst eit meir fundamentalt skildringssystem (anten virtuelt eller reelt) enn dei partiklane og vekselverknadane som blir skildra i standardmodellen. Ein slik modell er strengteorien, som skildrar dei dimensjonslause punktforma partiklane i standardmodellen ved hjelp av eindimensjonale strengar. Strengteori er eit samleomgrep som òg omfattar M-teori (inneheld fem strengteoriar) og superstrengteori.

Strengane kan vere opne eller lukka (endepunkta rører kvarandre som t.d. i ein sirkel), og typisk storleiksorden er plancklengda på

${\displaystyle \ell _{P}={\sqrt {\frac {\hbar G}{c^{3}}}}\cong 1,61624(12)\cdot 10^{-35}}$ m

Strukturen til strengane og vibrasjonsmodi gjev opphav til dei ulike elementærpartiklane som blir skildra i standardmodellen. Sjølv om strengteori kan forklare mange eigenskapar, krev vitskapleg metode at ein kan etablere eksperiment som kan stadfeste teorien eller føresei andre verknader som må skuldast strengar. Dette er førebels ikkje tilfelle.

Dei fleste variantane av strengteorien resulterer òg i ytterlegare symmetriar. Ein teori som skildrar dette er supersymmetri som føreseier at det for kvar vanlege partikkel i standardmodellen vil finnast ein superpartnar. Superpartnaren har same kvantetal som partnaren sin utanom spinnet som har ein skilnad på 1/2. Supersymmetriske partiklar vil ha særs høg masse, typisk 0,1 til 1 TeV. Dette kan løyse to fundamentale problem:

• Hierarkiproblemet oppstår fordi mange partiklar har særs mykje lågare masse enn føresagt. Supersymmetri gjev kanselleringar (og skilnader) i korleis boson og fermion koplar mot higgsmekanismen.
• Manglande kjelder til mørk materie i universet. Dei fleste supersymmetriske partiklar har særs høg masse og kort nedbrytingstid. Superpartnaren til svak-vekselverknad-bosonet Z⁰ (zino), fotonet (fotino) og den nøytrale higgspartikkelen H⁰ (higgsino) har same kvantetal og kombinerer lineært til nøytralinoet.^[11] På grunn av eit forbode brot i R-symmetri (baryon- og leptonnummer) forventar ein at alle supersymmetriske partiklar vil desintegrere til nøytralino. Det lettaste nøytralinoet er derfor den mest sannsynlege kandidaten til WIMP (Weakly Interacting Massive Particle, «svakt vekselverknader massiv partikkel») som kjelde til mørk masse.

Men heller ikkje for strengteori har ein føreseielege eksperimentelle resultat som eintydig stadfestar at teorien gjeld. Supersymmetri kan vere ein gyldig teori sjølv om superstrengteorien ikkje er korrekt.

Sjå òg

• Partikkelfysikk
• Kjernefysikk
• Teori om alt
• Kvantemekanikk
• Bølgjefunksjon
• Diraclikninga

Kjelder

• Denne artikkelen bygger på «Standardmodellen» frå Wikipedia på bokmål, den 14. april 2013.
  • Wikipedia på bokmål oppgav desse kjeldene:

1. Robert Roy Britt (2004). «Dark Matter and Dark Energy: One and the Same?». www.space.com.
2. Brian Martin (2006). Nuclear and Particle Physics: An Introduction. Chichester, England: John Wiley & Sons. s. 4. ISBN 0-470-01999-9. ISBN 978-0470025321 (pbk.), ISBN 0-470-02532-8 (pbk).
3. Richard Feynman (1964). «The Feynman Lectures on Physics». Feynman's lectures on Physics, Vol 1. 2-7.
4. Carl R. Nave. «Particle Interactions and Conservation Laws» (html). Georgia State University. Henta 10. november 2007.
5. Brian Martin (2006). Nuclear and Particle Physics: An Introduction. Chichester, England: John Wiley & Sons. s. 297. ISBN 0-470-01999-9. ISBN 978-0470025321 (pbk.), ISBN 0-470-02532-8 (pbk).
6. «Higgs ved CERN's exploratorium». CERN. 2000. Henta 25. november 2007.
7. G.F. Giudice (2002). «Physics Beyond the Standard Model». Lecture Notes in Physics. Volume 591/2002. Berlin / Heidelberg: Springer Verlag. s. 294. ISSN 1616-6361.
8. Stephen P. Martin (Juni 2006). «A Supersymmetry Primer» (PDF) (på engelsk). Department of Physics, Northern Illinois University and Fermi National Accelerator Laboratory. s. 126. Henta 15. april 2013.
9. Øystein Elgarøy (2006). «Tampen brenn for mørk materie?». UIO/Institutt for teoretisk astrofysikk.
10. Charles H. Lineweaver and Tamara M. Davis (2005). «Misconceptions about the Big Bang». Scientific American (Mars - 2005).
11. M. de Jésus (2003). «WIMP / Neutralino Direct Detection» (pdf) (på engelsk). IPN Lyon-UCBL, IN2P3-CNRS. s. 10. Henta 18. november 2007.

Bakgrunnsstoff

• Partikkeleventyret ved Fysisk institutt, Universitetet i Oslo
• Standardmodellen ved CERNs eksploratorium
• Hyperphysics ved Carl R. (Rod) Nave Department of Physics and Astronomy, Georgia State University
• Particle Data Group er eit samarbeidsorgan som utgir samanstillinger og vurderinger av partikkeldata frå mange kilder