Standartinis modelis

Fermionai

Fermionai - tai dalelės, kurios susijungusios sudaro visą mūsų matomą materiją. Fermionų grupių pavyzdžiai yra protonas ir neutronas. Fermionai pasižymi tokiomis savybėmis kaip krūvis ir masė, kurias galima pastebėti kasdieniame gyvenime. Jie taip pat turi kitų savybių, pavyzdžiui, sukinį, silpnąjį krūvį, hiperįkrovą ir spalvotąjį krūvį, kurių poveikis kasdieniniame gyvenime paprastai nepasireiškia. Šioms savybėms suteikiami skaičiai, vadinami kvantiniais skaičiais.

Fermionai - tai dalelės, kurių sukinio skaičius lygus nelyginiam teigiamam skaičiui, padaugintam iš pusės: 1/2, 3/2, 5/2 ir t. t. Sakome, kad fermionai turi "pusės sveikojo skaičiaus sukinį".

Svarbus fermionų faktas yra tas, kad jie vadovaujasi taisykle, vadinama Paulio pašalinimo principu. Ši taisyklė sako, kad jokie du fermionai negali būti toje pačioje "vietoje" tuo pačiu metu, nes jokie du fermionai atome negali turėti tų pačių kvantinių skaičių tuo pačiu metu. Fermionai taip pat paklūsta teorijai, vadinamai Fermio ir Dirako statistika. Žodžiu "fermionas" pagerbtas fizikas Enrikas Fermis.

Yra 12 skirtingų fermionų tipų. Kiekvienas tipas vadinamas "skoniu". Jų pavadinimai:

• Kvarkai - aukštyn, žemyn, keistieji, žavieji, viršutiniai, apatiniai
• Leptonai - elektronas, miuonas, tau, elektroninis neutrinas, miuono neutrinas, tau neutrinas. Elektronas yra geriausiai žinomas leptonas.

Kvarkai grupuojami į tris poras. Kiekviena pora vadinama "karta". Kiekvienos poros pirmasis kvarkas turi 2/3 krūvį, o antrasis - -1/3 krūvį. Trijų rūšių neutrinų krūvis lygus 0. Elektronas, miuonas ir tauonas turi -1 krūvį.

Medžiaga sudaryta iš atomų, o atomai - iš elektronų, protonų ir neutronų. Protonai ir neutronai sudaryti iš aukštyn ir žemyn nukreiptų kvarkų. Vieną leptoną galite rasti atskirai, bet niekada nerasite vien kvarkų. Taip yra todėl, kad kvarkus kartu laiko spalvų jėga.

Trijų protono kvarkų atvaizdas

Bosonai

Bosonai yra antrojo tipo elementariosios dalelės standartiniame modelyje. Visi bozonai turi sveikąjį sukinį (1, 2, 3 ir t. t.), todėl vienu metu daug jų gali būti toje pačioje vietoje. Yra dviejų tipų bozonai: matuojamieji bozonai ir Higso bozonas. Dėl gabaritinių bozonų įmanomos fundamentaliosios gamtos jėgos. (Dar nesame tikri, ar gravitacija veikia per gabaritinį bozoną.) Kiekviena fermionus veikianti jėga atsiranda dėl to, kad gabaritiniai bozonai juda tarp fermionų, pernešdami jėgą. Bozonai vadovaujasi teorija, vadinama Bozės-Einšteino statistika. Žodžiu "bozonas" pagerbtas indų fizikas Satjendra Natas Bosė.

Standartinis modelis teigia, kad yra:

• 12 fermionų, kurių kiekvienas turi savo antidalelę;
• 12 gabaritų bozonų: 8 rūšių gliuonai, fotonas, W⁺ , W^- ir Z;

Visos šios dalelės buvo pastebėtos gamtoje arba laboratorijoje. Modelis taip pat numato, kad egzistuoja Higso bozonas. Modelyje teigiama, kad fermionai turi masę (jie nėra tik gryna energija), nes Higgso bozonai keliauja tarp jų pirmyn ir atgal. Manoma, kad Higso bozonas buvo atrastas 2012 m. liepos 4 d. Tai dalelė, suteikianti masę kitoms dalelėms.

Pagrindinės jėgos

Žinomos keturios pagrindinės gamtos jėgos. Šios jėgos veikia fermionus ir yra pernešamos bozonų, keliaujančių tarp fermionų. Standartinis modelis paaiškina tris iš šių keturių jėgų.

• Stipri jėga: Ši jėga sulaiko kvarkus, iš kurių susidaro hadronai, pvz., protonai ir neutronai. Stipriąją jėgą perneša gliuonai. Kvarkų, stipriosios jėgos ir gliuonų teorija vadinama kvantine chromodinamika (QCD).
• Likusi stiprioji jėga sulaiko protonus ir neutronus, kurie sudaro kiekvieno atomo branduolį. Šią jėgą perneša mezonai, kuriuos sudaro du kvarkai.
• Silpna jėga: Ši jėga gali pakeisti fermiono skonį ir sukelti beta skilimą. Silpnąją jėgą veikia trys gabaritiniai bozonai: W⁺ , W^- ir Z bozonas.
• Elektromagnetinė jėga: Ši jėga paaiškina elektrą, magnetizmą ir kitas elektromagnetines bangas, įskaitant šviesą. Šią jėgą perneša fotonas. Jungtinė elektrono, fotono ir elektromagnetizmo teorija vadinama kvantine elektrodinamika.
• Gravitacija: Tai vienintelė fundamentali jėga, kurios nepaaiškina SM. Ją gali pernešti dalelė, vadinama gravitonu. Fizikai ieško gravitono, bet kol kas jo nerado.

Stipriosios ir silpnosios jėgos pasireiškia tik atomo branduolio viduje. Jos veikia tik labai mažais atstumais: maždaug tokio pločio, kokio pločio yra protonas. Elektromagnetinė jėga ir gravitacija veikia bet kokiu atstumu, tačiau šių jėgų stiprumas mažėja, kai paveikti objektai tolsta vienas nuo kito. Jėga mažėja proporcingai atstumo tarp veikiančių objektų kvadratui: pavyzdžiui, jei du objektai vienas nuo kito nutolsta dvigubai didesniu atstumu, juos jungianti gravitacijos jėga tampa keturis kartus mažesnė (2² =4).

Apribojimai

Standartinis modelis nėra visko teorija. Jis neapima visos gravitacijos teorijos, kurią apibūdina bendrasis reliatyvumas, ir nepaaiškina spartėjančio visatos plėtimosi (kurį galbūt apibūdina tamsioji energija). Modelyje nėra jokios tamsiosios medžiagos dalelės, kuri pasižymėtų visomis stebėjimų kosmologijoje stebimomis savybėmis. Manoma, kad SM yra teoriškai nuoseklus. Jis pademonstravo didžiulę ir nuolatinę eksperimentinių prognozių sėkmę, tačiau kai kurie dalykai lieka nepaaiškinti.