Allt består av atomer. Det här är vad du förhoppningsvis fick lära dig i skolan och det var den historiska utgångspunkten för partikelfysik. Atomen sönderdelades och dess struktur studerades i början av 1900-talet. Att börja förstå atomen var en betydande prestation men inom modern fysikens rike är atomen för stor (cirka 1x10-10 meter bred) för att beskrivas som partikelfysik.

Standardmodellen är vår nuvarande teori som bäst beskriver partikelfysik, som har utvecklats under senare hälften av 1900-talet. Det är en väletablerad teori som har stått emot betydande tester. Det har faktiskt förutsett många partiklar, med god precision, före deras experimentella upptäckt. Den senaste bekräftelsen var upptäckten av Higgs boson hos den stora hadroncollideren (LHC). Standardmodellen beskriver de typer av partiklar som utgör material och de möjliga interaktionerna mellan dessa partiklar.

Typer av partiklar

Alla partiklar tillhör en av två kategorier: fermioner eller bosoner. Klassificeringen för vilken kategori en partikel tillhör baseras på partikelns snurr. Spin är en viktig kvantmekanisk egenskap som är inneboende för partikeln och ingenting att göra med partikeln faktiskt fysiskt snurrande.

En fermion är alla partiklar som har en halv heltal snurra (1/2, 3/2, 5/2, etc.). Konsekvensen av detta, kallad Pauli-uteslutningsprincipen, är att fermioner inte kan uppta samma kvanttillstånd; ett kvanttillstånd är helt enkelt alla värden för partikelns kvantegenskaper (energi, snurra etc.). En boson är alla partiklar som har ett heltal snurr (0, 1, 2, etc.). Det finns ingen begränsning för bosoner, något antal av dem kan uppta samma kvanttillstånd. Kategoriseringen av boson eller fermion avgör partikelns beteende. Elementära fermioner är partiklarna som utgör materia och elementära bosoner bär krafter mellan dessa materiapartiklar.

Quarks och Leptons

Elementära fermioner, materiens byggstenar, grupperas i två typer: kvarkar och leptoner. Det finns sex olika typer, känd som smaker, av kvarkar. Kvarksmakerna kallas upp, ner, konstigt, charm, topp och botten. Kvarkar observeras aldrig individuellt, istället binder de samman och bildar sammansatta partiklar som kallas hadroner. Det finns två möjliga kompositioner av hadron, kända som baryoner och mesoner. Baryoner bildas av tre kvarkar som binder samman. Mesoner bildas av en kvark som binder till en antikvark, mer om antimateria senare. Förutom massan, elektrisk laddning och snurr har partiklar ytterligare kvantantal (även förvirrande benämnda laddningar) associerade med dem. Avgifterna förknippade med kvarkar är baryonantal, isospin, charm, konstighet, topp och botten.

Det finns också sex olika typer av leptoner. De delas upp i tre olika smaker av lepton: elektron, muon och tau. Varje smak har en elektriskt laddad partikel (som elektron) och en tillhörande neutrino. Neutrino är elektriskt neutrala partiklar med en nästan försumbar massa. För att vara tydlig är de sex leptonerna elektron, elektronneutrino, muon, muonneutrino, tau och tauneutrino. Laddningarna förknippade med leptoner är leptonnummer, elektron leptonnummer, muon leptonnummer och tau leptonnummer.

Elementära fermioner passar ett bekvämt mönster, kallade generationer. Fermionerna grupperas i tre generationer, varvid varje generation innehåller två kvarkar och de två leptonerna associerade med en specifik leptonsmak. Högre generationer innehåller betydligt högre masspartiklar än föregående generation. En fermion kan bara ruttna ner till lägre generation fermioner. Därför består den vanliga saken vi observerar i vardagen (som måste vara stabil) helt och hållet av första generationens fermioner.

Mönstret för de tolv elementära fermionerna, hur de är ordnade i generationer och sedan binds samman för att bilda materia, till exempel atomer.

En tabell som visar egenskaperna hos de olika smakerna med kvark. Massa ges i energistilenheter och elektrisk laddning ges i enheter med storleken på elektronens laddning.

En tabell som visar egenskaperna för de olika typerna av lepton. Återigen ges massa i energistilenheter och elektrisk laddning ges i enheter med storleken på elektronens laddning.

anti~~POS=TRUNC

Varje materiapartikel har en partner, kallad dess antipartikel. Antipartiklar har nästan alla egenskaper samma som sin partner, till exempel massa och livstid. Men deras avgifter är det motsatta tecknet för deras partners avgifter. Till exempel har antikvallen upp samma massa och vridning som en upp-kvark men dess elektriska laddning är -2/3 e, dess baryonantal är -1/3 och dess svaga isospin är -1/2. En antipartikel betecknas symboliskt med en stapel ovanför symbolen för sin vanliga partner.

När en partikel kolliderar med motsvarande antipartikel de förstör varandra förstörs de två partiklarna och omvandlas till ren energi. Denna energi fortsätter sedan att skapa nya par-partiklar-antipartikelpar. Bortsett från detta konstiga beteende uppträder antipartiklar ganska normalt, i den meningen att de verkar interagera med tyngdkraften på samma sätt som standardpartiklar och antipartiklar kan binda samman för att bilda antimateria såsom antikroppar, antiatomer och så vidare.

Ett exempel på spår som lämnas av partiklar i en bubbelkammare. Den första upptäckta antipartikeln, positron, upptäcktes genom att observera liknande spår. Positionsspåret var identiskt med en elektron men spiraliserade i motsatt riktning. |

Byt ut styrkor

De grundläggande interaktionerna (även utbytbart kallade "krafter") av naturen orsakas av elementära fermioner som utbyter kraftbärarpartiklar. Precis utbytet av virtuella bosoner. Men vad är en virtuell partikel? Det underliggande matematiska ramverket som beskriver interaktioner mellan partiklar är kvantfältteori (QFT). I QFT är partiklar väl definierade exciteringar av kvantfält. Virtuella partiklar är fluktuationer i ett fält, som bara existerar under en begränsad tid. Dessa fluktuationer tillåts genom kvantmekanik att bryta energibesparing men detta begränsar den tid som partikeln får tillgå, såsom beskrivs av osäkerhetsprincipen.

Heisenbergs osäkerhetsprincip, en hörnsten i kvantmekaniken, som kopplar osäkerheten i energi med osäkerheten i tid.

Att kombinera osäkerhetsprincipen med Einsteins princip om mass-energiekvivalens kan då ge uppskattningar för livslängden för en virtuell partikel och dess maximalt möjliga rörelseområde under den tiden. Om denna virtuella partikel är en kraftbärare ger dessa grova uppskattningar av interaktionsintervallet och den karakteristiska tiden för den att träda i kraft. Exempelvis kommer en växelverkan orsakad av en tung utbytespartikel att ha ett kortare intervall än en lättbytespartikel.

Det maximala intervallet uppskattas genom att antaga att kraftbäraren rör sig med ljusets hastighet.

Det finns bara fyra grundläggande interaktioner som har observerats i vårt universum: gravitation, elektromagnetism, den starka interaktionen och den svaga interaktionen.

Allvar

Gravitet är den enda grundläggande interaktion som inte är förklarad inom standardmodellen. Vår nuvarande tyngdmodell är Einsteins teori om allmän relativitet. Men generell relativitet har inte förenats med QFT. Detta är inte ett stort praktiskt problem eftersom tyngdkraften är den svagaste kraften med en betydande marginal och gravitationskrafter kan antas vara försumbara för interaktioner mellan partiklar.

elektro~~POS=TRUNC

Den elektromagnetiska växelverkan påverkar alla partiklar som har en elektrisk laddning. Det får liknande laddade partiklar att avvisa varandra och motsatt laddade partiklar för att locka varandra. Kraftbäraren för elektromagnetism är fotonen ( y ). Fotonen är elektriskt neutral och masslös, därför har den elektromagnetiska växelverkan ett oändligt intervall (även om det blir betydligt svagare med avståndet). Den karakteristiska tiden för elektromagnetiska interaktioner är någonstans mellan 10-20 och 10-15 sekunder.

Exempel på elektromagnetisk interaktion inkluderar atomer som hålls samman, kraften som förhindrar att saker faller genom golvet, friktion mellan föremål och interaktioner med elektroner som utgör grunden för all elektroteknik. Alla vardagliga fenomen produceras antingen genom elektromagnetiska eller gravitationella interaktioner.

Stark interaktion

Analog till hur den elektromagnetiska interaktionen kopplar till elektrisk laddning, den starka interaktionen kopplar till en annan typ av laddning, färgladdningen. Alla kvarkar har en färg som är antingen röd, blå eller grön. Antiquarks kan bära anti-rött, anti-blue eller anti-green. Detta har ingenting att göra med kvarkens synliga färg, det är helt enkelt ett annat kvantnummer. Alla observerbara partiklar (dvs. hadroner) måste vara färgneutrala. Mesoner kan uppenbarligen uppfylla detta krav, t.ex. röd + antiröd är färgneutral. Baryons kan också vara färgneutrala om varje kvark har en annan färg (en RGB-kombination), detta är ett märkningskoncept som drar från vitt ljus som en summa av olika färgade ljus.

Kraftbäraren för starka interaktioner är gluon ( g ). Gluoner är masslösa och de har också färgladdningar, vilket betyder att gluoner kan starkt interagera med varandra, till skillnad från fotoner. En gluon bär både en färg och en antifärg, vilket leder till att det finns åtta olika gluontyper. Den starka interaktionen är attraktiv men den blir starkare med avståndet. Denna effekt leder till fenomenen med färghållning. När man försöker dra isär kvarkar ökar det ökande avståndet mellan dem färgfältets energi mellan dem. Så småningom blir det en tillräckligt hög energi att ett kvark-antikvarkpar skapas. Detta fenomen förhindrar att enskilda kvarker någonsin observeras.

Även om gluoner är masslösa, begränsar effekten av färginnehåll området för den starka växelverkan till cirka 10-15 meter, ungefär storleken på kärnan i en atom. Den karakteristiska tiden för starka interaktioner är mindre än 10-20 sekunder. I atomskalan är den starka interaktionen den dominerande växelverkan och följaktligen ansvarar det för att binda kvarkar i hasroner och hålla kärnan ihop.

Svag interaktion

Den svaga växelverkan gör att massiva partiklar förfaller till lättare partiklar. Till skillnad från de elektromagnetiska och starka interaktionerna tillåts den svaga interaktionen att bryta bevarandet av vissa kvantantal såsom konstighet. Genom att bryta dessa bevarandelagar kan den svaga interaktionen förändra smaken på kvarkar och så kan det leda till att kvarkar förfaller mellan generationer. Emellertid måste elektrisk laddning, baryonummer och leptonnummer fortfarande bevaras.

Den svaga växelverkan har tre kraftbärare: W +, W - och Z 0 . Alla tre partiklarna har tunga massor (cirka 80 GeV / c2) vilket begränsar interaktionsområdet till cirka 10-18 meter, betydligt mindre än storleken på en proton. Den karakteristiska tiden för svaga interaktioner är vanligtvis längre än 10-15 sekunder. Den svaga kärnkraftsinteraktionen är ansvarig för kärnkraftsförfall och följaktligen är den den grundläggande interaktion bakom radioaktivitet.

Inom standardmodellen har den svaga interaktionen framgångsrikt förenats med den elektromagnetiska interaktionen. I grund och botten är elektromagnetism och den svaga interaktionen faktiskt manifestationer av samma interaktion, den electroweak interaktion. Vid vårt universums nuvarande låga energi verkar de vara väldigt olika men vid en tillräckligt hög energi (cirka 246 GeV) smälter de samman för att bli samma interaktion.

Higgs Boson

På 1960-talet förutspådde Peter Higgs ett fält som genomsyrar universum för att förklara var massan av standardmodellpartiklar kom från. Interaktioner med Higgs-fältet ger massa till alla elementära partiklar i standardmodellen och som sådan är oerhört viktigt för att standardmodellen ska fungera. Higgs boson ( H ) är en excitation av det förutsagda Higgs-fältet. Att söka efter boson var det enklaste sättet att bekräfta Higgs-fältteorin och följaktligen var en sökning efter Higgs-boson en långsiktig ambition för partikelfysik. 2012 upptäcktes en partikel som matchar egenskaperna som förväntades av standardmodellen Higgs boson vid LHC. Detta var den sista upptäckten av en partikel i standardmodellen och en bekräftelse av modellen.

En tabell som visar alla elementära partiklar i standardmodellen. Kom ihåg att alla leptoner och kvarkar har motsvarande antipartikel. |

Feynman Diagram

Feynman-diagram är enkla, visuella framställningar av partikelinteraktioner. De används av teoretiska partikelfysiker för att beräkna sannolikheten för en specifik interaktion mellan en uppsättning initiala partiklar som leder till en uppsättning slutpartiklar. Ett feynman-diagram visar bara ett möjligt arrangemang av partiklar som kan producera interaktionen. För att beräkna den totala sannolikheten för att interaktionen inträffar måste en summa utföras över alla möjliga arrangemang som leder till interaktionen. Användningen av feynman-diagram gör dessa extremt komplicerade beräkningar mer påtagliga och lättare att smälta.

Inom diagrammet representeras partiklarnas bana av linjer (antingen raka, prickade eller vinklade beroende på typen av partikel). Vertikaler är där partiklarna möts och interagerar. Antipartiklar representeras som reser bakåt i tiden. Virtuella partiklar representeras av inre linjer, linjer som förbinder två vertikaler (startar och slutar inom diagrammet). Verkliga partiklar representeras av linjer som antingen pekar in i diagrammet eller ut ur diagrammet.

Nedan följer några exempel på Feynman-diagram för en mängd olika partikelinteraktioner.

Elektromagnetisk avstötning mellan två elektroner. Lägg märke till utbytet av en virtuell foton som ger upphov till avvisningen.
Ett mindre troligt arrangemang som ger samma avstötning som ovan. I detta fall skapar fotonen ett virtuellt elektron-positron-par medan de reser mellan elektronerna.
Utbytet av en gluon mellan två kvarkar, vilket skapar en stark kraft mellan dem. Lägg märke till bevarandet av den totala färgen. Färg visas inom parentes bredvid varje partikel.
Beta förfaller en neutron till en proton genom den svaga interaktionen.
Förfallet av en muon, också genom den svaga interaktionen. Lägg märke till bevarandet av det totala leptonantalet samt det individuella elektron- och muon-leptonantalet.

Produktionen av en Higgs-boson via gluonfusion följt av en efterföljande sönderfall till två fotoner. Dessa var några av de processer som observerades genom sökning på LHC. Tidsaxeln har bytts till en horisontell orientering för enkelhets skull.

Begränsningar av standardmodellen

Trots att vi är en framgångsrik, noggrant testad teori vet vi att det finns problem som teorin inte kan förklara. Dessa luckor i vår förståelse indikerar att standardmodellen endast är en approximation (vid låga energier) av en mer fullständig teori.

Dessa är för närvarande de största olösta problemen inom standardmodellen:

  • Neutrino-massa - Standardmodellen antog ursprungligen att neutrinoer var masslösa, tills det experimentellt fastställdes att de hade en liten massa. Deras exakta massor och mekanismen bakom är ännu inte förstått.
  • Samverkan mellan interaktioner - Två av de fyra grundläggande interaktionerna har redan förenats i den electroweak-interaktionen. Nästa steg är att försöka förena detta med den starka kraften, med en ännu högre enhetsenergi. Målet skulle då vara att förena detta med allvar och ha en grundläggande enhetlig interaktion.
  • Gravity - Gravity förklaras inte i standardmodellen. Egenskaperna hos en graviton, namnet myntat för en potentiell kraftbärare, diskuteras fortfarande, än mindre observerad genom experiment. Troligtvis behövs en ny modell för att förena kvantmekanik med tyngdkraften; en av många potentiella kandidater är strängteori.
  • Mörk materia och mörk energi - Endast cirka 5% av vårt universum består av "vanlig materia", vilket förklaras av standardmodellen. Resten består av helt oförklarliga typer av materia och energi, som vi för närvarande kallar mörk materia och mörk energi.
  • Matter-antimateriell asymmetri - Vi konstaterar att vårt universum nästan uteslutande är materia, var är allt antimateriet? Standardmodellen ger inga skäl till varför antimateria och materia inte ska produceras i lika stora mängder. Därför är det en fråga om kosmologi och partikelfysik varför vårt universum har utvecklats till ett så asymmetriskt tillstånd.