Standard modell a részecskefizikában: definíció és áttekintés
Standard modell a részecskefizikában: áttekintő definíció, fermionok és bozonok, az erők és a szimmetriaszerkezet rövid, érthető magyarázata az alapoktól a nyitott kérdésekig.
A fizika Standard Modellje (SM) az elemi részecskék elmélete, amelyek vagy fermionok, vagy bozonok. A természet négy alaperősségéből hármat is megmagyaráz. A négy alapvető erő: a gravitáció, az elektromágnesesség, a gyenge erő és az erős erő. A gravitáció az, amelyet a modell nem magyaráz meg.
A modell a fizika kvantummechanikának és speciális relativitáselméletnek nevezett részeit, valamint a fizikai mező és a szimmetriatörés gondolatait használja. Az SM matematikájának egy része csoportelmélet, valamint olyan egyenletek, amelyeknek legnagyobb és legkisebb pontjai vannak, amelyeket Lagrange- és Hamilton-egyenleteknek neveznek.
Alapvető felépítés és szimmetriák
A Standard Modell formális alapja egy belső szimmetriacsoport: SU(3)×SU(2)×U(1), amely megadja az egyes kölcsönhatások szerkezetét. Ezekhez a szimmetriákhoz kapcsolódnak a mérhető erők hordozó részecskéi (azaz a bozonok) és az azokkal való kölcsönhatások: a kvantált mezők dinamikáját a Lagrange-függvény határozza meg. A modell renormalizálható, ezért kiszámítható és összehasonlítható kísérleti eredményekkel.
Részecsketípusok
- Fermionok: anyagi részecskék, amelyek fél‑egész spinűek és a Pauli-elvet követik. Három családra (generációra) rendeződnek, mindegyikben két típusú kvark és két típusú lepton található (például az első generáció: up, down kvark; elektron és elektron‑neutrínó).
- Bozonok: a kölcsönhatások közvetítői. Ide tartoznak a foton (elektromágneses kölcsönhatás), a W± és Z bozonok (gyenge kölcsönhatás), a nyolc gluon (erős kölcsönhatás) és a Higgs-bozon, amely a tömegek keletkezéséhez kapcsolódik.
Higgs‑mechanizmus és tömeg kialakulása
A Standard Modell egyik kulcsfontosságú eleme a Higgs‑mező és a vele járó spontán szimmetriasérülés. Ez a mechanizmus ad tömeget a W± és Z bozonoknak, valamint a fermionok tömegét a Yukawa‑kölcsönhatásokon keresztül. A Higgs‑bozont a CERN LHC kísérleteiben 2012-ben megfigyelték, ami erőteljes bizonyítéka a mechanizmusnak.
Kísérleti siker és korlátok
- A Standard Modell rendkívül sikeres: számos pontos predikciója igazolódott, például a gyenge kölcsönhatás szerkezete, a kvarkok színes töltése (QCD), a W és Z bozonok mérései, valamint a Higgs felfedezése.
- Ugyanakkor vannak fontos hiányosságai:
- Gravitáció: a modell nem tartalmazza a gravitációt, amelyet a közönségesen használt általános relativitáselmélet ír le.
- Sötét anyag és sötét energia: a kozmológiai megfigyelések alapján az Univerzum tömeg‑energia tartalmának nagy része nem magyarázható a Standard Modell részecskéivel.
- Neutrínómasszák és oszcillációk: a Standard Modell eredeti formájában a neutrínók tömege nulla volt; a mért neutrínóoszcillációk viszont azt mutatják, hogy ezeknek van tömegük, ami kiterjesztést igényel.
- Hierarchiaprobléma: miért olyan sokkal kisebb a Higgs tömege (elektrosztatikus skálán) a Planck‑skálához képest? Ez finomhangolási kérdéseket vet fel.
- Bárionaszimmetria: az Univerzum anyag–antianyag arányát nem magyarázza teljes mértékben a modell CP‑violációja.
- Erős CP‑probléma: a QCD elméletében elméletileg megengedett CP‑törés igen kicsi, ennek oka is ismeretlen.
Paraméterek és kiterjesztések
A Standard Modellben több tucat szabad paraméter szerepel (például részecsketömegek, keverési szögek és kölcsönhatási konstansok). Ezeket kísérletekből kell meghatározni. Az ismert hiányosságok miatt sok elméleti kiterjesztés létezik: superszimmetria, nagy unifikációs elméletek (GUT), extra dimenziók, neutrínó‑tömeget magyarázó mechanizmusok (seesaw), illetve modellek, amelyek sötét anyagot szolgáltatnak.
Összefoglalás
A Standard Modell jelenleg a részecskefizika legismertebb és legjobban megalapozott elmélete: leírja a legtöbb megfigyelt részecskeinterakciót és pontos, kísérletileg tesztelhető predikciókat ad. Ugyanakkor nem teljes: nem tartalmazza a gravitációt, és több kozmológiai és elméleti problémára nem ad kielégítő választ. A jelenlegi kutatás célja ezen hiányosságok feltárása kísérleti eredmények és elméleti újítások segítségével.
Az elemi részecskék standard modellje. 1 GeV/c2 = 1,783x10-27 kg. 1 MeV/c2 = 1,783x10-30 kg.
Fermionok
A fermionok olyan részecskék, amelyek egyesülve alkotják az általunk látott "anyagot". A fermionok csoportjaira példa a proton és a neutron. A fermionoknak olyan tulajdonságaik vannak, mint a töltés és a tömeg, amelyek a mindennapi életben is megfigyelhetők. Más tulajdonságokkal is rendelkeznek, mint például a spin, a gyenge töltés, a hipertöltés és a színtöltés, amelyek hatása általában nem jelenik meg a mindennapi életben. Ezeket a tulajdonságokat számokkal, úgynevezett kvantumszámokkal látják el.
A fermionok olyan részecskék, amelyek spinszáma egy páratlan, pozitív szám felével egyenlő: 1/2, 3/2, 5/2, stb. Azt mondjuk, hogy a fermionoknak "fél egész számú spinjük" van.
A fermionokkal kapcsolatos fontos tény, hogy a Pauli-kizárási elvnek nevezett szabályt követik. Ez a szabály kimondja, hogy két fermion nem lehet egyszerre ugyanazon a "helyen", mert egy atomban két fermionnak nem lehet egyszerre ugyanaz a kvantumszáma. A fermionok a Fermi-Dirac-statisztikának nevezett elméletnek is engedelmeskednek. A "fermion" szó Enrico Fermi fizikus tiszteletére született.
A fermionoknak 12 különböző típusa létezik. Mindegyik típust "íznek" nevezzük. Nevük a következő:
- Kvarkok - fel, le, furcsa, báj, felső, alsó
- Leptonok - elektron, müon, tau, elektron neutrínó, müon neutrínó, tau neutrínó. Az elektron a legismertebb lepton.
A kvarkok három párba csoportosulnak. Minden párt "generációnak" nevezünk. Minden párban az első kvark töltése 2/3, a másodiké pedig -1/3. A háromféle neutrínó töltése 0. Az elektron, a müon és a tau töltése -1.
Az anyag atomokból áll, az atomok pedig elektronokból, protonokból és neutronokból. A protonok és neutronok felfelé és lefelé mutató kvarkokból állnak. Egy lepton önmagában is megtalálható, de kvarkok önmagukban soha nem találhatók. Ennek az az oka, hogy a kvarkokat a színerő tartja össze.
A protonban lévő három kvark képe
Bosonok
A bozonok a standard modell második elemi részecsketípusa. Minden bozonnak egész számú spinje van (1, 2, 3, stb...), így egyszerre sok belőlük lehet ugyanazon a helyen. Kétféle bozon létezik, a mérőbozonok és a Higgs-bozon. A mérőbozonok teszik lehetővé a természet alapvető erőit. (Még nem tudjuk biztosan, hogy a gravitáció egy mérőbozonon keresztül működik-e.) Minden erő, amely fermionokra hat, azért történik, mert a mérőbozonok a fermionok között mozognak, és hordozzák az erőt. A bozonok a Bose-Einstein-statisztikának nevezett elméletet követik. A "bozon" szó Satyendra Nath Bose indiai fizikus tiszteletére született.
A standard modell szerint vannak:
- 12 fermion, mindegyiknek saját antirészecskéje van;
- 12 gauge bozonok: W+ , W- , és Z;
Ezeket a részecskéket mind látták már a természetben vagy laboratóriumban. A modell azt is megjósolja, hogy létezik egy Higgs-bozon. A modell szerint a fermionoknak azért van tömegük (nem csak puszta energia), mert a Higgs-bozonok oda-vissza utaznak közöttük. A Higgs-bozont 2012. július 4-én vélhetően felfedezték. Ez az a részecske, amely tömeget ad más részecskéknek.
Alapvető erők
A természetnek négy alapvető ismert ereje van. Ezek az erők a fermionokra hatnak, és a fermionok között mozgó bozonok hordozzák őket. A standard modell e négy erőből hármat magyaráz meg.
- Erős erő: Ez az erő tartja össze a kvarkokat, hogy hadronokat, például protonokat és neutronokat alkossanak. Az erős erőt a gluonok hordozzák. A kvarkok, az erős erő és a gluonok elméletét kvantumkromodinamikának (QCD) nevezik.
- A maradék erős erő tartja össze a protonokat és a neutronokat, és így alkotja minden atom magját. Ezt az erőt a két kvarkból álló mezonok hordozzák.
- Gyenge erő: Ez az erő képes megváltoztatni egy fermion ízét, és béta-bomlást okoz. A gyenge erőt három mérőbozon hordozza: W+ , W- és a Z-bozon.
- Elektromágneses erő: Ez az erő magyarázza az elektromosságot, a mágnesességet és más elektromágneses hullámokat, beleértve a fényt is. Ezt az erőt a foton hordozza. Az elektron, a foton és az elektromágnesesség kombinált elméletét kvantumelektrodinamikának nevezik.
- Gravitáció: Ez az egyetlen olyan alapvető erő, amelyet az SM nem magyaráz meg. Ezt egy graviton nevű részecske hordozhatja. A fizikusok keresik a gravitont, de még nem találták meg.
Az erős és a gyenge erő csak az atommag belsejében érvényesül. Csak nagyon kis távolságokon működnek: olyan távolságokon, amelyek körülbelül akkorák, mint egy proton szélessége. Az elektromágneses erő és a gravitáció bármilyen távolságban működik, de ezen erők ereje csökken, ahogy az érintett objektumok távolodnak egymástól. Az erő az érintett tárgyak közötti távolság négyzetével csökken: ha például két tárgy kétszer olyan messze van egymástól, a köztük lévő gravitációs erő négyszer kisebb lesz (22 =4).
Korlátozások
A standard modell nem alkalmas arra, hogy a mindenség elmélete legyen. Nem tartalmazza az általános relativitáselmélet által leírt gravitáció teljes elméletét, és nem számol a világegyetem gyorsuló tágulásával sem (ahogyan azt a sötét energia leírhatja). A modell nem tartalmaz olyan sötét anyag részecskét, amely rendelkezik a megfigyelt kozmológiában megfigyelt összes tulajdonsággal. Az SM elméletileg önkonzisztensnek tekinthető. Hatalmas és folyamatos sikereket mutatott a kísérleti előrejelzésekben, de néhány dolgot megmagyarázatlanul hagy.
Keres