Standart model parçacık fiziğinin bir teoridir ilgilidir elektromanyetizma , zayıf ve güçlü çekirdek etkileşimler , ve sınıflandırılması bilinen atom altı parçacıkların . Bu ikinci yarısında geliştirilen XX inci yüzyıl temelleri üzerine küresel bir işbirlikçi girişimi içine, kuantum mekaniği . Mevcut formülasyon, kuarkların deneysel olarak doğrulanmasının ardından 1970'lerin ortalarında tamamlandı . O zamandan beri, üst kuark (1995), nötrino keşifleritauique (2000) ve Higgs bozonu (2012) Standart Modele daha da fazla güvenilirlik kazandırdı. Standart Modelin tüm parçacıkları artık deneysel olarak gözlemlenmiştir. Çok çeşitli deneysel sonuçları açıklamadaki başarısıyla, Standart Model bazen "hemen hemen her şeyin teorisi" olarak görülür.
Kuantum nesneler için geçerli olan ve etkileşimlerini açıklamaya çalışan bir temsildir. Üç parçalı parçacık , kuvvet , aracı üzerine kuruludur , yani parçacık ailelerini duyarlı oldukları kuvvetlere göre ayırt eder, her bir kuvvet, içinde sunulan parçacıklar tarafından değiştirilen aracılar vasıtasıyla uygulanır. Bu aracılara bozonlar , maddeyi oluşturan parçacıklara ise fermiyonlar (kuarklar ve leptonlar) denir .
Standart model, 2016'da, üç lepton , altı kuark, Higgs bozonunun kütlelerini tanımlamak için on dokuz serbest parametreye ve parçacıklar arasındaki farklı eşleşmeleri tanımlamak için sekiz sabite sahiptir . Bu parametrelerin her birinin değeri ilk prensiplerle sabit değildir , deneysel olarak belirlenmelidir.
Teoristine standart model bir olan paradigma bir kuantum alan teorisi fiziksel bir olay çok spektrum uygular. Varsayımsal parçacıklar , ekstra boyutlar veya süpersimetriler içeren yeni modeller oluşturmak için kullanılır .
Tüm bu fikri madde oluşur temel parçacık tarihleri en az geri VI inci yüzyıl M.Ö.. AD . Gelen XIX inci yüzyılda, John Dalton , onun çalışma ile stokiyometri , doğada her bir elemanı parçacık, tek bir tip oluşan olduğu sonucuna vardı. Kelime atomu , Yunan sonraki kelime ἄτομος , atomos ( "bölünmez"), bir küçük parçacık yana sevk etti kimyasal element , ancak fizikçiler atomuna, aslında, tanecikler değildir keşfettik. Doğanın temel ama konglomerat Kendileri proton ve nötronlardan oluşan çekirdeğinin etrafındaki elektronlar gibi daha küçük parçacıklardan oluşur . Erken araştırmaları XX inci yüzyıl nükleer fizik ve kuantum fiziği keşfinden sonuçlandı nükleer fisyon tarafından 1939 yılında Lise Meitner (deneyimlerine dayanarak Otto Hahn ve) nükleer füzyon tarafından 1932 yılında Mark Oliphant ; iki keşif de nükleer silahların geliştirilmesine yol açtı . II. Dünya Savaşı'ndan sonra parçacık hızlandırıcıların gelişimi , 1950'ler ve 1960'lar boyunca, derin elastik olmayan saçılma deneyleri sırasında çok çeşitli parçacıkları keşfetmeyi mümkün kıldı . O zaman bu bir "parçacık hayvanat bahçesi" meselesiydi. Bu terim, 1970'lerde, çok sayıda parçacığın nispeten az sayıda diğer hatta daha temel parçacıkların kombinasyonları olarak açıklandığı Standart Model'in formülasyonundan sonra kullanım dışı kaldı.
Higgs bozonunun keşfi, 2005 yılında dünya fizik yılı münasebetiyle oluşturulan maddenin bileşenleri tablosunun 2014 yılında güncellenmesine ve fikir birliğine varılmasına olanak sağlamıştır.
Bugüne kadar, madde ve enerji , temel parçacıkların kinematiği ve etkileşimi açısından daha iyi anlaşılmaktadır . Şimdiye kadar fizik, bilinen tüm madde ve enerji biçimlerinin davranışını ve etkileşimini yöneten yasaları az sayıda temel yasa ve teoriye indirgemişti. Fiziğin ana hedeflerinden biri, tüm teorilerini, bilinen tüm diğer yasaların özel durumlar olacağı bir her şeyin teorisinde birleştiren ortak bir temel bulmaktır .
Standart Model, özerk ve tutarlı bir teori olarak kabul edilmesine ve deneysel tahminler sağlamada ( CP simetrisi veya hiyerarşi problemi ) çok başarılı olmasına rağmen, birçok fenomeni açıklanmadan bırakır ve tek bir teori olduğu iddia edilemez . Bu nedenle, genel görelilikte tanımlandığı gibi yerçekimi için teorik bir gerekçe sağlamaz ve Evrenin genişlemesinin hızlanmasını ( karanlık enerji ile açıklanabilir ) açıklamaz. Bu model ayrıca kozmolojik gözlemlerin gerektirdiği tüm özelliklere sahip, karanlık maddeyi oluşturabilecek herhangi bir parçacık içermemektedir . Ayrıca nötrinoların salınımını ve kütlelerini doğru bir şekilde tanımlamaz .
Standart Model, çeşitli temel parçacık sınıflarının ( leptonlar , kuarklar , ayar bozonları ve Higgs bozonu ) üyelerini içerir ve bunlar da renk yükleri gibi diğer özelliklerle ayırt edilebilir .
Standart Model , bu nedenle fermiyon olan on iki temel spin ½ (yarım tamsayılı spin) parçacığı içerir . Göre Spin-istatistiksel teoremi , fermiyonlar saygı Pauli Dışlama prensibi . Her fermiyona bir antiparçacık karşılık gelir .
Fermiyonlar, Fermi-Dirac istatistiğine uyarlar ve birbirleriyle aynı kuantum durumunda ( örneğin aynı atomik yörüngede ) birlikte var olamazlar .
Temel fermiyonlar, birbirinden yalnızca kütle bakımından farklı olan ve her nesilde daha yüksek olan üç nesli takip ederek leptonlara ve kuarklara ayrılır . Sadece birinci nesil parçacıklar sıradan maddeyi oluşturur. Bunun nedeni, ikinci ve üçüncü nesil parçacıkların kararsız olmaları ve hızla birinci nesil, daha hafif parçacıklara parçalanmasıdır.
Temel olmasına rağmen, kuarklar tek başlarına var olamazlar. Bunlar kuark-antikuark çiftleri ( mezonlar ) veya kuark üçlüleri ( baryonlar ) şeklinde gelen hadronlarda gruplandırılmıştır . Örneğin, protonlar iki yukarı ve bir aşağı kuarktan oluşurken, nötronlar bir yukarı ve iki aşağı kuarktan oluşur .
Aşağıdaki tablolar, farklı fermiyonları nesillere göre gruplandırmaktadır . Bu tabloyu aşırı yüklememek için antiparçacıklar orada temsil edilmemektedir. Elektrik yükü orada temel yükler olarak gösterilir .
Birinci nesilparçacık | Değerlendirme | elektrik yükü | Güçlü şarj (renk yükü) | kitle | Çevirmek |
---|---|---|---|---|---|
Elektron | e | -1 | 511 keV / C 2 | 1/2 | |
elektronik nötrino | ν e | 0 | <225 eV / c 2 | 1/2 | |
Yukarı Kuark | sen | 2/3 | kırmızı yeşil mavi | ~ 3 MeV / c 2 | 1/2 |
kuark aşağı | d | -1/3 | kırmızı yeşil mavi | ~ 6 MeV / c 2 | 1/2 |
parçacık | Değerlendirme | elektrik yükü | Ağır yük | kitle | Çevirmek |
---|---|---|---|---|---|
müon | μ | -1 | 106 MeV / c 2 | 1/2 | |
müonik nötrino | ν μ | 0 | <190 keV / C 2 | 1/2 | |
kuark büyüsü | vs | 2/3 | kırmızı yeşil mavi | ~ 1.3 GeV / c 2 | 1/2 |
Kuark Garip | s | -1/3 | kırmızı yeşil mavi | ~ 100 MeV / c 2 | 1/2 |
parçacık | Değerlendirme | elektrik yükü | Ağır yük | kitle | Çevirmek |
---|---|---|---|---|---|
Tau veya Tauon | τ | -1 | 1.78 GeV / c 2 | 1/2 | |
Tauik Nötrino | ν τ | 0 | <18,2 MeV / c 2 | 1/2 | |
Kuark Üstü | t | 2/3 | kırmızı yeşil mavi | 171 GeV / c 2 | 1/2 |
Kuark Alt | b | -1/3 | kırmızı yeşil mavi | ~ 4.2 GeV / c 2 | 1/2 |
Standart modelde, ayar bozonları kuvvet vektörleri veya destekleridir ve temel kuvvetler : zayıf, güçlü ve elektromanyetik arasında aracı rolü oynarlar .
Ayar bozonları Bose-Einstein istatistiğine uyar ; tam dönüşe sahiptirler ve aynı kuantum durumunda (bir lazer ışını içinde birlikte yaşayan milyarlarca özdeş foton) birbirleriyle bir arada var olabilirler.
Higgs bozonu bozonlarının sınıfına ait olmayan bu nedenle bir kuvvet aracı değildir ve.
Bu alan parçacıkları gerçek veya sanal olabilir . İkinci durumda, son derece kısa bir varoluş süresine sahiptirler ve esasen temel kuvvetlerin iletilmesinden oluşan eylemleriyle dolaylı olarak gözlemlenirler. Bu sanal parçacıklara "haberci parçacıklar" veya "arabulucular" da denmesinin nedeni de budur.
FotonΓ fotonlar (Spin 1 ve sıfır kütle ve yük arasında) aracılarıdır elektromanyetik kuvvet elektrik yüklü parçacıklar arasında.
zayıf bozonlarW + , W - ve Z 0 ayar bozonları (spin 1 ve yüksek kütle) , farklı tatlara sahip parçacıklar (kuarklar ve leptonlar) arasındaki zayıf etkileşime aracılık eder .
GluonlarSekiz gluon (spin 1 ve sıfır kütle), bir renk yüküne (kuark) sahip parçacıklar arasındaki güçlü etkileşimin aracılarıdır .
Higgs bozonu (a, bir dönüş 0, bir skaler alan ), kendi vermek için beklenen kütle bir diğer parçacıklar üzerindeki kendiliğinden simetri kırma mekanizması bu bağlamda adı Higgs mekanizması . CERN açıkladı4 Temmuz 2012LHC sayesinde 125,3 GeV⋅c −2 ± 0,6 kütleye sahip bir parçacığı 5 sigma (%99,99997) keşfetti . Bu parçacık Higgs bozonu olabilir, ancak kesin olarak söyleyebilmek için daha fazla çalışmaya ihtiyaç var.
Türler | nesiller | antiparçacık | Renkler | Toplam | |
---|---|---|---|---|---|
kuarklar | 2 | 3 | Çift | 3 | 36 |
leptonlar | Çift | Hiç | 12 | ||
Gluonlar | 1 | 1 | Kendini | 8 | 8 |
Foton | Kendini | Hiç | 1 | ||
bozon Z | Kendini | 1 | |||
bozon | Çift | 2 | |||
Higgs Bozonu | Kendini | 1 | |||
Toplam temel parçacıklar (bilinen): | 61 |
Parçacıkları farklı renklerini ve karşıparçacıklarını ayırt ederek sayarsak, 61 temel parçacığın tamamında sayılırız.
Bakış matematiksel bir bakış açısından, kuantum alan teorileri çerçevesinde resmileştirildi ayar teorileri kullanılarak gruplar arasında lokal simetri şeklinde Lie gruplarının karmaşık her temel göstergesi simetrileri modellenmiştir. Yani :
Standart Modelin on dokuz serbest parametresi, dokuz fermiyonun kütleleri, CKM matrisinin dört parametresi, üç kuvvet için kuplaj sabitleri , kuantum renk dinamiğinin teta açısı ve iki Higgs parametresidir.
Parçacık Fiziğinin Standart Modelinin Parametreleri | ||
---|---|---|
Sembol | Açıklama | Değer |
m, e | elektron kütlesi | 511 keV |
m μ | müon kütlesi | 105.7 MeV |
m τ | tau kütlesi | 1.78 GeV |
m u | yukarı kuark kütlesi | 1.9 MeV |
m d | aşağı kuark kütlesi | 4.4 MeV |
m s | Garip kuark kütlesi | 87 MeV |
m c | çekicilik kuark kütlesi | 1.32 GeV |
m b | Alt kuark kütlesi | 4.24 GeV |
m t | Üst kuark kütlesi | 172.7 GeV |
θ 12 | Karıştırma açısı İçeride ISTV melerin RWMAIWi'nin 12 arasında CKM matrisi | 13,1 ° |
θ 23 | Karıştırma açısı İçeride ISTV melerin RWMAIWi'nin 23 arasında CKM matrisi | 2.4 ° |
θ 13 | Karıştırma açısı İçeride ISTV melerin RWMAIWi'nin 13 arasında CKM matrisi | 0,2 ° |
δ | CKM matrisinde CP simetri ihlali parametresi | 0.995 |
g 1 veya g' | Gösterge grubu U (1) için kuplaj sabiti (elektromanyetizma) | 0.357 |
g 2 veya g | SU (2) ayar grubu için kuplaj sabiti ( zayıf etkileşim ) | 0.652 |
g 3 veya g s | SU (3) ayar grubu için kuplaj sabiti ( güçlü etkileşim ) | 1.221 |
θ KKD | Teta açısı ve kuantum | ~ 0 |
v | Higgs alanının "bir boşlukta beklenen değeri" | 246 GeV |
m H | Higgs bozonu kütlesi | ~ 125 GeV |
Standart Model, temel etkileşimlerin eksiksiz bir teorisi değildir ve birçok özelliği, "Standart Modelin ötesinde bir fizik" olması gerektiğini öne sürer. Ancak, en azından kadarMart 2021, hiçbir önlem veya deneyim tahminlerini alt edemedi.
Standart model yerçekimini içermez . Kuantum mekaniğini ve görelilik teorisini birleştirmeye çalışan birçok teori arasında , bazıları varsayımsal bir bozon olan gravitonun varlığını düşünür .
Alain Connes'a göre , “özellikle içerdiği çok sayıda serbest parametre nedeniyle, hiç kimse standart modelin hikayenin sonu olduğunu düşünmüyor. " .
Standart Model, neden aynı yükleri taşıyan, ancak çok farklı kütle aralıklarında olan üç nesil fermiyon olduğunu tahmin etmez. Kütle u kuark MeV.c mertebesindedir -2 bu süre t mertebesindedir 170 GeV .c -2 . Öte yandan, hiçbir şey başka aile olmadığını söylemez. 2008 itibariyle, Standart Modelin ötesinde hiçbir teori bu üç ailenin varlığını tam olarak açıklayamaz. Unitarity arasında CKM matrisi fermiyonların bir nesil varlığına duyarlı bir testtir.
Lagrange bir göstergesi standart modelin parçacıklar içinde üç iç simetri sahiptir , ve . Fermiyon ailelerinde olduğu gibi, simetri alt gruplarının varlığını hiçbir şey engelleyemez. Ayrıca bu, prensipte bu simetrilerin ilk üçten daha büyük bir grubun alt grupları olarak dahil edilerek açıklanmasına izin veren büyük birleşme teorileri için değerli bir konudur . Matematik grubu uygun olabilirdi ve Büyük Birleşme ( GUT ) teorisi onlara dayanıyordu. Ancak bu ayar simetrisi, 24 bozonu varsaymaya zorlayarak Standart Modeli karmaşıklaştırdı ve hepsinden öte, deneysel olarak hiç gözlemlenmemiş olan protonların bozunmasını öngördü.
Standart model, her parçacığın bir karşı parçacığa karşılık geldiği gerçeğini içerir. Fiziksel özellikleri hemen hemen aynıdır. Bir parçacık ve antiparçacığı aynı kütleye, ancak zıt yüklere (baryon ve lepton) sahiptir.
Model, evrenin çoğunu oluşturacak olan karanlık maddeyi tanımlamıyor.
Varsayımsal süpersimetrik parçacıkların en hafifi, karanlık madde adaylarından biri olacaktır.
Geriye, bu parçacıkların neden şimdiye kadar ( LHC veya başka bir dedektör tarafından) tespit edilmediğini açıklayacak olan Standart Modeli tamamlayıcı bir teori formüle etmek kalıyor .
Protonun elektrik yükünün hacmi üzerine yapılan deneyler iki farklı rakam verir ve bilim adamları, hatanın deney koşulları altında olup olmadığını veya teorinin kendisinin eksik olup olmadığını belirleyemezler.
Standart Model, yüklü leptonların, yani elektronların, müonların ve taunların etkileşimlerinin yalnızca kütle farkları nedeniyle değiştiğini varsayar. Elektronlar ve müonlarla yapılan deneyler bu hipotezi doğruladı, ancak yüksek enerjilerde tau leptonu içeren B-mezon bozunması üzerine yapılan son çalışmalar teoriden sapmalar gösteriyor. Bu sonuçlar doğrulanırsa, parçacıklar arasında yeni etkileşimlerin önünü açabilir.
Standart model, müon için , çevresindeki sanal parçacık çiftlerinin yaratılması ve yok edilmesi nedeniyle Landé faktörü g 2'ye yakın ancak biraz daha yüksek olan bir manyetik momenti tahmin eder ve bilinen parçacıkların özellikleri, fark g -2 (" anormal an "). 2001 yılında ölçümü g de Brookhaven Ulusal laboratuarı ( New York Eyaleti , ABD ) ama çelişkiyi garanti etmek ve hatanın bir yetersiz küçük bir farkla, bir bir sonuç hesaplanan değerden biraz daha yüksek vermiştir. Nisan 2021'de, farklı ekipmanlarla iki yıllık veri toplamanın ardından Batavia'daki (Illinois) Fermilab çok benzer bir sonuç açıkladı. İki ölçümün kombinasyonu, ölçülen değer ile teorik değer arasında standart sapmadan 4,2 kat daha büyük ve dolayısıyla önemli ölçüde sıfır olmayan bir fark verir . Olası bir açıklama, Standart Model tarafından tahmin edilmeyen parçacıkların ve dolayısıyla yeni sanal parçacıkların varlığıdır.
Bir "güzel" mezonu (a içeren B kuark ) (bu buluşa ait bir "yabancı" meson dönüşür s kuark , bir ya da emisyonu ile) elektron ve pozitron veya müon ve antimuon . Standart Model, farklı yüklü leptonların , elektronun, müonun ve tau'nun aynı elektrozayıf etkileşim kuvvetlerini uyguladığını ve hissettiğini tahmin eder . İçindeMart 2021Detektör ile analiz proton-proton çarpışmaları LhcB büyük LHC arasında CERN elektron ve muonlar arasında bir asimetri gösteren tükenen (fark 3.1 olan az verilen standart sapmalar ). Bu sonuçlar doğrulanırsa, Standart Model'in bir başka reddi ve belki de kuarklar ve leptonlar arasında yeni bir temel etkileşimin göstergesi olacaktır.