Standard modell

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.