Model standardowy fizyki cząstek: cząstki, oddziaływania i mechanizm Higgsa

Fermiony to cząstki, które łącząc się ze sobą tworzą całą "materię", jaką widzimy. Przykładami grup fermionów są proton i neutron. Fermiony mają właściwości, takie jak ładunek i masa, które można zaobserwować w życiu codziennym. Posiadają również inne właściwości, takie jak spin, ładunek słaby, hiperładunek i ładunek kolorowy, których efekty nie są zwykle widoczne w życiu codziennym. Właściwościom tym przypisane są liczby zwane liczbami kwantowymi.

Fermiony to cząstki, których liczby spinowe są równe nieparzystej, dodatniej liczbie razy pół: 1/2, 3/2, 5/2, itd. Mówimy, że fermiony mają "spin połówkowy".

Ważnym faktem dotyczącym fermionów jest to, że działają one zgodnie z zasadą zwaną zasadą wykluczenia Pauliego. Zasada ta mówi, że żadne dwa fermiony nie mogą znajdować się w tym samym "miejscu" w tym samym czasie, ponieważ żadne dwa fermiony w atomie nie mogą mieć tych samych liczb kwantowych w tym samym czasie. Fermiony są również posłuszne teorii zwanej statystyką Fermiego-Diraca. Słowo "fermion" zostało stworzone na cześć fizyka Enrico Fermiego.

Istnieje 12 różnych rodzajów fermionów. Każdy typ nazywany jest "smakiem". Ich nazwy to:

• Kwarki - górny, dolny, dziwny, uroczy, górny, dolny
• Leptony - elektron, mion, taon, neutrino elektronowe, neutrino mionowe, neutrino taonowe. Najbardziej znanym leptonem jest elektron.

Kwarki są pogrupowane w trzy pary. Każda para nazywana jest "generacją". Pierwszy kwark w każdej parze ma ładunek 2/3, a drugi kwark ma ładunek -1/3. Trzy rodzaje neutrin mają ładunek 0. Elektron, mion i taon mają ładunek -1.

Materia składa się z atomów, a atomy składają się z elektronów, protonów i neutronów. Protony i neutrony zbudowane są z kwarków górnych i dolnych. Można znaleźć jeden lepton sam w sobie, ale nigdy nie można znaleźć samych kwarków. Dzieje się tak dlatego, że kwarki są trzymane razem przez siłę koloru.

Bozony są drugim rodzajem cząstek elementarnych w modelu standardowym. Wszystkie bozony mają spin całkowity (1, 2, 3, itd.), więc wiele z nich może znajdować się w tym samym miejscu w tym samym czasie. Istnieją dwa rodzaje bozonów: bozony cechowania i bozon Higgsa. Bozony cechowania są tym, co umożliwia istnienie podstawowych sił natury. (Nie jesteśmy jeszcze pewni, czy grawitacja działa poprzez bozon cechujący). Każda siła działająca na fermiony powstaje, ponieważ bozony cechujące poruszają się pomiędzy fermionami, przenosząc siłę. Bozony działają zgodnie z teorią zwaną statystyką Bosego-Einsteina. Słowo "bozon" pochodzi od nazwiska indyjskiego fizyka Satyendry Natha Bose.

Model standardowy mówi, że istnieją:

• 12 fermionów, z których każdy ma swoją antycząstkę;
• 12 bozonów cechowania: 8 rodzajów gluonów, foton, W+, W- i Z;

Wszystkie te cząstki zostały zaobserwowane w przyrodzie lub w laboratorium. Model przewiduje również istnienie bozonu Higgsa. Model mówi, że fermiony mają masę (nie są tylko czystą energią), ponieważ bozony Higgsa podróżują tam i z powrotem pomiędzy nimi. Uważa się, że bozon Higgsa został odkryty 4 lipca 2012 roku. Jest to cząstka, która nadaje masę innym cząstkom.

Istnieją cztery podstawowe znane siły natury. Siły te oddziałują na fermiony, a przenoszone są przez bozony podróżujące pomiędzy tymi fermionami. Model standardowy wyjaśnia trzy z tych czterech sił.

• Siła silna: Siła ta utrzymuje kwarki razem, tworząc hadrony takie jak protony i neutrony. Siła silna jest przenoszona przez gluony. Teoria kwarków, siły silnej i gluonów nazywana jest chromodynamiką kwantową (QCD).
• Pozostała siła silna utrzymuje protony i neutrony razem, tworząc jądro każdego atomu. Siła ta jest przenoszona przez mezony, które składają się z dwóch kwarków.
• Siła słaba: Siła ta może zmieniać smak fermionu i powoduje rozpad beta. Siła słaba jest przenoszona przez trzy bozony cechowania: W+, W-, i bozon Z.
• Siła elektromagnetyczna: Siła ta wyjaśnia elektryczność, magnetyzm i inne fale elektromagnetyczne, w tym światło. Siła ta jest przenoszona przez foton. Połączona teoria elektronu, fotonu i elektromagnetyzmu nazywana jest elektrodynamiką kwantową.
• Grawitacja: Jest to jedyna fundamentalna siła, która nie jest wyjaśniona przez SM. Może być przenoszona przez cząstkę zwaną grawitonem. Fizycy szukają grawitonu, ale jeszcze go nie znaleźli.

Siły silne i słabe są widoczne tylko wewnątrz jądra atomu. Działają one tylko na bardzo małe odległości: odległości, które są mniej więcej tak duże, jak szeroki jest proton. Siła elektromagnetyczna i grawitacja działają na dowolną odległość, ale siła tych sił maleje, gdy obiekty oddalają się od siebie. Siła maleje wraz z kwadratem odległości między obiektami: na przykład, jeśli dwa obiekty są od siebie dwukrotnie bardziej oddalone, siła grawitacji między nimi staje się czterokrotnie mniejsza (²²⁼⁴).

Model standardowy nie jest w stanie być teorią wszystkiego. Nie zawiera on pełnej teorii grawitacji opisanej przez ogólną teorię względności, ani nie uwzględnia przyspieszającego rozszerzania sięwszechświata (co może być opisane przez ciemną energię). Model ten nie zawiera żadnej cząstki ciemnej materii, która miałaby wszystkie własności obserwowane w kosmologii obserwacyjnej. Uważa się, że SM jest teoretycznie samozgodny. Wykazał on ogromne i ciągłe sukcesy w przewidywaniach eksperymentalnych, ale pozostawia pewne rzeczy niewyjaśnione.