Hiukkasfysiikan standardimalli

Wikipedia


Hiukkasfysiikan standardimalli on hiukkasfysiikan teoria, joka kuvaa heikon, vahvan ja sähkömagneettisen vuorovaikutuksen sekä alkeishiukkaset, joista aine koostuu. Vuosina 1970 - 1973 kehitetty standardimalli on kvanttikenttäteoria, ja sopusoinnussa kvanttimekaniikan sekä suppean suhteellisuusteorian kanssa. Toistaiseksi standardimallin kolmen voiman testaamiseksi laadittujen kokeiden tulokset ovat vastanneet teorian ennusteita. Standardimalli ei kuitenkaan ole kaiken teoria, sillä siihen ei toistaiseksi ole onnistuttu yhdistämään neljättä perusvuorovaikutusta, gravitaatiota.

Sisällysluettelo

[muokkaa] 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:

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 gravitonia, jonka uskotaan olevan painovoiman 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 atomin ytimen ympärille sähkömagneettinen vuorovaikutus. Nämä kolme fermionia muodostavat yhdessä valtaosan havaitsemastamme aineeesta. Alla olevassa taulukossa on lueteltu standardimallin alkeishiukkas-fermionit ja niiden ominaisuudet.

[muokkaa] 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 νe 0 \bold{2} +1/2 −1/2 \bold{1} < 50 eV
Positroni ec +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 uc −2/3 \bold{1} 0 −2/3 \bold{\bar{3}} 1.5...4.5 MeV1
Alas-antikvarkki dc +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 μ −1 \bold{2} −1/2 −1/2 \bold{1} 105.6 MeV
Myonin neutriino νμ 0 \bold{2} +1/2 −1/2 \bold{1} < 0.5 MeV
Antimyoni μc +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 cc −2/3 \bold{1} 0 −2/3 \bold{\bar{3}} 1 000...1 400 MeV
Outo-antikvarkki sc +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 τ −1 \bold{2} −1/2 −1/2 \bold{1} 1.784 GeV
Taun neutriino ντ 0 \bold{2} +1/2 −1/2 \bold{1} < 70 MeV
Antitau τc +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 tc −2/3 \bold{1} 0 −2/3 \bold{\bar{3}} 178 000 ± 4 300 MeV
Pohja-antikvarkki bc +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 (engl. quark confinement). 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.

[muokkaa] Standardimallin ongelmia

Teoriaan on tuotava käsin kaikki fermionit, eli kuusi kvarkkia, kolme varattua leptonia 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, supersymmetria ja säieteoriat. Vuodesta 2007 alkaen CERNin uuden LHC-hiukkaskiihdyttimen odotetaan tuovan kokeellista informaatiota koskien standardimallin laajennuksia.

[muokkaa] Katso myös