Fizikas standarta modelis — definīcija, elementārdaļiņas un pamatspēki

Fermioni ir daļiņas, kas savienojas kopā, veidojot visu mūsu redzamo "matēriju". Fermionu grupu piemēri ir protons un neitrons. Fermjoniem piemīt tādas īpašības kā lādiņš un masa, ko var novērot ikdienā. Tiem piemīt arī citas īpašības, piemēram, spins, vājš lādiņš, hiperlādiņš un krāsu lādiņš, kuru ietekme ikdienā parasti nav redzama. Šīm īpašībām ir piešķirti skaitļi, ko sauc par kvantu skaitļiem.

Fermioni ir daļiņas, kuru spina skaitlis ir nepāra, pozitīvs skaitlis, reizināts ar pusi: 1/2, 3/2, 5/2 utt. Mēs sakām, ka fermioniem ir "puse no veselā skaita spina".

Svarīgs fakts par fermijoniem ir tas, ka tie ievēro likumu, ko sauc par Pauli izslēgšanas principu. Šis noteikums nosaka, ka divi fermioni nevar atrasties vienā un tajā pašā "vietā", jo diviem fermioniem atomā nevar būt vienādi kvantu skaitļi. Fermioni ievēro arī teoriju, ko sauc par Fermī-Diraka statistiku. Ar vārdu "fermions" tiek godināts fiziķis Enriko Fermi.

Ir 12 dažādi fermionu veidi. Katru veidu sauc par "flavoru". To nosaukumi ir šādi:

• Kvarki - augšup, lejup, dīvaini, burvīgi, augšējie, apakšējie
• Leptoni - elektronu, mionu, tau, elektronu neitrīno, mionu neitrīno, tau neitrīno. Elektrons ir vislabāk zināmais leptons.

Kvarki ir sagrupēti trīs pāros. Katru pāri sauc par "paaudzi". Katra pāra pirmajam kvarkam ir 2/3 lādiņš, bet otrajam kvarkam -1/3 lādiņa. Trīs veidu neitrīno lādiņiem ir lādiņš 0. Elektronam, mionam un tauonam ir lādiņš -1.

Viela sastāv no atomiem, un atomi sastāv no elektroniem, protoniem un neitroniem. Protoni un neitroni sastāv no augšupējiem un lejupējiem kvarkiem. Var atrast vienu leptonu atsevišķi, bet nekad nevar atrast kvarkus vienus pašus. Tas ir tāpēc, ka kvarkus kopā satur krāsu spēks.

Bosoni ir otrais elementārdaļiņu tips standarta modelī. Visiem bozoniem ir vesels spins (1, 2, 3 utt.), tāpēc daudzi no tiem var atrasties vienā un tajā pašā vietā vienlaikus. Pastāv divu veidu bozoni - mērījumu bozoni un Higsa bozons. Gāzu bozoni ir tie, kas padara iespējamus dabas pamatspēkus. (Mēs vēl neesam pārliecināti, vai gravitācija darbojas ar gabarītbozona palīdzību.) Katrs spēks, kas iedarbojas uz fermijoniem, rodas tāpēc, ka starp fermijoniem pārvietojas gabarītbozoni, kas pārnes spēku. Bozoni darbojas saskaņā ar teoriju, ko sauc par Bosa-Einšteina statistiku. Ar vārdu "bozons" tiek godināts indiešu fiziķis Satjendra Nats Bosē.

Standartmodelis nosaka, ka ir:

• 12 fermioni, katram no tiem ir sava antidaļiņa;
• 12 gab. bozoni: W⁺ , W^- un Z;

Visas šīs daļiņas ir novērotas dabā vai laboratorijā. Modelis arī paredz, ka eksistē Higsa bozons. Modelis saka, ka fermjoniem ir masa (tie nav tikai tīra enerģija), jo Higsa bozoni ceļo starp tiem turp un atpakaļ. Tiek uzskatīts, ka Higsa bozons ir atklāts 2012. gada 4. jūlijā. Tā ir daļiņa, kas piešķir masu citām daļiņām.

Ir zināmi četri galvenie dabas spēki. Šie spēki ietekmē fermjonus, un tos pārnēsā bozoni, kas pārvietojas starp šiem fermjoniem. Standartmodelis izskaidro trīs no šiem četriem spēkiem.

• Spēcīgs spēks: Šis spēks satur kopā kvarkus, lai veidotu hadronus, piemēram, protonus un neitronus. Stiprā spēka virzītājspēks ir gluoni. Kvārku, spēcīgā spēka un gliūnu teoriju sauc par kvantu hromodinamiku (QCD).
• Atlikušais stiprais spēks satur kopā protonus un neitronus, veidojot katra atoma kodolu. Šo spēku pārnēsā mezoni, kas sastāv no diviem kvarkiem.
• Vājš spēks: Šis spēks var mainīt fermiona garšu un izraisa beta sabrukumu. Vājais spēks darbojas ar trim gabarītbozoniem: W⁺ , W^- un Z bozons.
• Elektromagnētiskais spēks: Šis spēks izskaidro elektrību, magnētismu un citus elektromagnētiskos viļņus, tostarp gaismu. Šī spēka nesējs ir fotons. Apvienoto elektronu, fotonu un elektromagnētisma teoriju sauc par kvantu elektrodinamiku.
• Smagums: Tas ir vienīgais fundamentālais spēks, kas nav izskaidrots SM. Iespējams, ka to pārnēsā daļiņa, ko sauc par gravitonu. Fiziķi meklē gravitonu, bet pagaidām to nav atraduši.

Stiprie un vājie spēki ir redzami tikai atoma kodola iekšienē. Tie darbojas tikai ļoti nelielos attālumos - tikpat lielos, cik plats ir protons. Elektromagnētiskais spēks un gravitācija darbojas jebkurā attālumā, bet šo spēku spēks samazinās, jo attālums starp ietekmējamiem objektiem kļūst lielāks. Spēks samazinās līdz ar attāluma starp ietekmējamiem objektiem kvadrātu: piemēram, ja divi objekti viens no otra atrodas divreiz tālāk, gravitācijas spēks starp tiem kļūst četras reizes mazāks (2² =4).

Standartmodelis nevar būt visa teorija. Tajā nav iekļauta pilna gravitācijas teorija, ko apraksta vispārējā relativitātes teorija, un tajā nav izskaidrota Visuma paātrinātā izplešanās (ko, iespējams, apraksta tumšā enerģija). Modelī nav iekļauta neviena tumšās matērijas daļiņa, kurai piemīt visas novērojumos kosmoloģijā novērotās īpašības. Tiek uzskatīts, ka SM ir teorētiski paškonsekventa. Tas ir uzrādījis milzīgus un nepārtrauktus panākumus eksperimentālo prognožu jomā, taču dažas lietas paliek neizskaidrotas.