Hiukkasfysiikan standardimalli

Standardimalli

Standardimalli sisältää alkeishiukkasista sekä fermionit että bosonit. Fermionit ovat hiukkasia joiden spin on puoliluku (1/2, 3/2 jne...) ja siksi tottelevat Paulin kieltosääntöä, jonka mukaan kaksi fermionia ei voi olla samassa kvanttitilassa. Bosonien spin on kokonaisluku eivätkä ne noudata Paulin kieltosääntöä. Yksinkertaistetusti sanottuna fermionit ovat ainehiukkasia ja bosonit välittäjähiukkasia.

Standardimallissa yhdistetään sähkömagneettisen ja heikon vuorovaikutuksen kuvaava teoria sähköheikosta vuorovaikutuksesta ja vahvan vuorovaikutuksen kuvaava kvanttikenttäteoria, kvanttikromodynamiikka. Nämä teoriat ovat mittateorioita, eli ne kuvaavat fermionien välillä vaikuttavia voimia voiman välittävän bosonin (mittabosonin) avulla. Standardimallin bosonit ovat:

fotoni, sähkömagneettisen vuorovaikutuksen välittäjä,
W-bosonit ja Z-bosoni, heikon vuorovaikutuksen välittäjät,
kahdeksan erityyppistä gluonia eli vahvan vuorovaikutuksen välittäjää sekä
Higgsin bosonit, jotka aiheuttavat muiden hiukkasten massan.

Osoittautuu, että mittabosonien mittamuunnokset voidaan kuvata täsmällisesti mittaryhmäksi kutsutun unitaarisen ryhmän avulla. Vahvan vuorovaikutuksen mittaryhmä on SU(3) ja sähköheikon vuorovaikutuksen SU(2)×SU(1). Siten standardimalli pohjautuu yhdistettyyn sisäiseen symmetriaan SU(3)×SU(2)×U(1), joista ensimmäinen kuvaa värivoimaa ja kaksi viimeistä yhdessä heikkoja ja sähkömagneettisia vuorovaikutuksia. Sähköheikko symmetria on rikkoutunut siten, että sähkömagneettiseen vuorovaikutukseen liittyvä symmetria jää tarkaksi jäännössymmetriaksi ja täten sähkömagneettista vuorovaikutusta välittävä fotoni on massaton. Heikkoa vuorovaikutusta välittävät hiukkaset puolestaan saavat massan symmetriarikossa, josta on vastuussa Higgsin bosoni, teorian ainoa bosoni joka ei ole mittabosoni. Higgsin hiukkasta ei ole toistaiseksi havaittu kokeellisesti, ja sen löytäminen on kokeellisen fysiikan suurimpia tavoitteita. Standardimalli ei kuvaa lainkaan gravitonina, jonka uskotaan olevan painovoima välittäjähiukkanen.

Standardimalliin kuuluu kaksitoista erityyppistä fermionia sekä niiden antihiukkaset. Protoni ja neutroni koostuvat molemmat kahdentyyppisistä fermioneista, ylös-kvarkeista ja alas-kvarkeista, joita vahva vuorovaikutus sitoo yhteen. Elektronin sitoo atomiestan ytimen ympärille sähkömagneettinen vuorovaikutus. Nämä kolme fermionia muodostavat yhdessä valtaosan havaitsemastamme aine. Alla olevassa taulukossa on lueteltu standardimallin alkeishiukkas-fermionit ja niiden ominaisuudet.

Taulukko

Standardimallin vasenkätiset fermionit
1. perhe

Fermioni (vasenkätinen) Symboli Sähkövaraus Heikko varaus Heikko isospin Hypervaraus Värivaraus Massa

Elektroni $e$ −1 $\bold{2}$ −1/2 −1/2 $\bold{1}$ 0.511 MeV

Elektronin neutriino $\nu_e$ 0 $\bold{2}$ +1/2 −1/2 $\bold{1}$ < 50 eV

Positroni $e^c$ +1 $\bold{1}$ 0 +1 $\bold{1}$ 0.511 MeV

Elektronin antineutriino $\nu_e^c$ 0 $\bold{1}$ 0 0 $\bold{1}$ < 50 eV

Ylös-kvarkki $u$ +2/3 $\bold{2}$ +1/2 +1/6 $\bold{3}$ 1.5...4.5 MeV¹

Alas-kvarkki $d$ −1/3 $\bold{2}$ −1/2 +1/6 $\bold{3}$ 5...8.5 MeV¹

Ylös-antikvarkki $u^c$ −2/3 $\bold{1}$ 0 −2/3 $\bold{\bar{3}}$ 1.5...4.5 MeV¹

Alas-antikvarkki $d^c$ +1/3 $\bold{1}$ 0 +1/3 $\bold{\bar{3}}$ 5...8.5 MeV¹

2. perhe

Fermioni (vasenkätinen) Symboli Sähkövaraus Heikko varaus Heikko isospin Hypervaraus Värivaraus Massa

Myoni $\mu$ −1 $\bold{2}$ −1/2 −1/2 $\bold{1}$ 105.6 MeV

Myonin neutriino $\nu_\mu$ 0 $\bold{2}$ +1/2 −1/2 $\bold{1}$ < 0.5 MeV

Antimyoni $\mu^c$ +1 $\bold{1}$ 0 +1 $\bold{1}$ 105.6 MeV

Myonin antineutriino $\nu_\mu^c$ 0 $\bold{1}$ 0 0 $\bold{1}$ < 0.5 MeV

Lumo-kvarkki $c$ +2/3 $\bold{2}$ +1/2 +1/6 $\bold{3}$ 1 000...1 400 MeV

Outo-kvarkki $s$ −1/3 $\bold{2}$ −1/2 +1/6 $\bold{3}$ 80...155 MeV

Lumo-antikvarkki $c^c$ −2/3 $\bold{1}$ 0 −2/3 $\bold{\bar{3}}$ 1 000...1 400 MeV

Outo-antikvarkki $s^c$ +1/3 $\bold{1}$ 0 +1/3 $\bold{\bar{3}}$ 80...155 MeV

3. perhe

Fermioni (vasenkätinen) Symboli Sähkövaraus Heikko varaus Heikko isospin Hypervaraus Värivaraus Massa

Tau $\tau$ −1 $\bold{2}$ −1/2 −1/2 $\bold{1}$ 1.784 GeV

Taun neutriino $\nu_\tau$ 0 $\bold{2}$ +1/2 −1/2 $\bold{1}$ < 70 MeV

Antitau $\tau^c$ +1 $\bold{1}$ 0 +1 $\bold{1}$ 1.784 GeV

Taun antineutriino $\nu_\tau^c$ 0 $\bold{1}$ 0 0 $\bold{1}$ < 70 MeV

Huippu-kvarkki $t$ +2/3 $\bold{2}$ +1/2 +1/6 $\bold{3}$ 178 000 ± 4 300 MeV

Pohja-kvarkki $b$ −1/3 $\bold{2}$ −1/2 +1/6 $\bold{3}$ 4 000...4 500 MeV

Huippu-antikvarkki $t^c$ −2/3 $\bold{1}$ 0 −2/3 $\bold{\bar{3}}$ 178 000 ± 4 300 MeV

Pohja-antikvarkki $b^c$ +1/3 $\bold{1}$ 0 +1/3 $\bold{\bar{3}}$ 4 000...4 500 MeV

1. Massojen arviot ovat kiistanalaisia. On ehdotettu että u-kvarkki olisi lähes massaton.

Fermionit voidaan järjestää kolmeen perheeseen, joista ensimmäiseen kuuluvat elektroni, ylös- ja alas-kvarkit sekä elektronin neutriino. Tavallinen aine koostuu ensimmäisen perheen hiukkasista, sillä muiden perheiden hiukkaset hajoavat nopeasti ensimmäisen perheen hiukkasiksi; niitä voidaan havaita vain lyhyen aikaa hiukkaskiihdyttimissä. Hiukkasperheiden fermionit muistuttavat toisiaan muuten paitsi massaltaan. Esimerkiksi elektronilla ja myonilla on sama sähkövaraus ja spin, mutta myonin massa on elektroniin verrattuna 200-kertainen.

Elektronia ja elektronin neutriinoa sekä niiden vastinpareja muissa perheissä kutsutaan leptoneiksi. Leptoneilta puuttuu kokonaan kvarkkien väriominaisuus, ja niihin vaikuttaa ainoastaan heikko ja sähkömagneettinen vuorovaikutus, joka heikkenee etäisyyden kasvaessa. Sen sijaan kvarkkien välinen värivoima eli vahva vuorovaikutus voimistuu etäisyyden kasvaessa, ja siksi kvarkkeja tavataan ainoastaan värittömissä yhdistelmissä eikä koskaan yksinään. Tätä kutsutaan kvarkkien vankeudeksi (). Nämä värittömät yhdistelmät ovat joko fermionisia baryoneja (kuten protonit ja neutronit) tai bosonisia mesoneja (esimerkiksi pionit). Sidosenergian johdosta tällaisten yhdistelmien massa ylittää yksittäisten osasten yhteenlasketun massan.

Standardimallin ongelmia

Teoriaan on tuotava käsin kaikki fermionit, eli kuusi kvarkkiaa, kolme varattua leptoni ja kolme neutriinoa. Teoria ei myöskään ennusta näiden massoja. Tämän takia hiukkasfyysikot toivovat kehittävänsä kaiken teorian, joka paitsi antaisi suuren osan standardimallin vapaista numeerisista parametreista (massat, varaukset, hiukkasten tyypit), myös sisältäisi gravitaation. Jo nykyisellään standardimalli kuitenkin ennustaa (kun massat, varaukset, hiukkaslajit on annettu) kaikkien tunnettujen hiukkasreaktioiden todennäköisyydet.

Standardimallia voidaan laajentaa monella tavalla. Näistä mielenkiintoisimmat ovat Higgsin bosoniin liittyvä sektori, supersymmetriat ja säieteoria. Vuodesta 2007 alkaen CERNin uuden LHC-hiukkaskiihdyttimen odotetaan tuovan kokeellista informaatiota koskien standardimallin laajennuksia.

Hiukkasfysiikan standardimalli

Standardimalli

Taulukko

Standardimallin ongelmia

Katso myös