Left Rocks
Kategorier dette opslag er registreret under:
Arbejde  .  Videnskab  .  Naturvidenskab  .  Fysik
DatoOpdatering
Indhold
Diskussionsforum
Send
Sidst ajourført: 1/5 2003
Læst af: 19.455
Arbejde  .  Videnskab  .  Naturvidenskab  .  Fysik
: :
Standardmodellen

Standardmodellen indenfor partikelfysik er en samlet teori, der beskriver de stærke, svage og elektromagnetiske kræfter. Det er en kvantefelt teori som derfor både er konsistent ifht. kvantemekanikken og den specielle relativitetsteori. Frem til i dag er standardmodel teorien blevet bekræftet af næsten alle eksperimentelle forsøg. Alligevel er teorien ikke en komplet teori om de grundlæggende kræfter. Først og fremmest fordi den ikke forklarer tyngdekraften.

Standardmodellen rummer både fermion- og bosonfamilierne af elementarpartikler. Fermionerne er partikler der har et halvtalligt spin + ½ og adlyder Paulis eksklusions princip, der siger at ingen fermioner kan være i den samme kvantetilstand. Bosoner har et heltals spin og følger ikke Paulis udelukkelsesprincip. Standardmodellen kombinerer både teorien om den elektro-svage vekselvirkning (der beskriver den svage og den elektromagnetiske vekselvirkning) og teorien om kvante-kromodynamik. Begge teorier er gaugeteorier, hvilket betyder at de beskriver kræfterne mellem fermioner ved at koble dem til bosoner, der er formidlere af disse kræfter. Dynamikken i kvantefeltteorier beskrives ofte ved den såkaldte Lagrange funktion. For hvert sæt af bosoner er denne Lagrange funktion invariant under en transformation kaldet gauge-transformationen, og disse bosoner kaldes derfor også gaugebosoner. De bliver så at sige genereret af den indre symmetri af Lagrangefunktionen. Standardmodellens bosoner er:

Det viser sig, at gaugetransformationen af gaugebosonerne kan forklares præcist ved at anvende en enhedsgruppe, kaldet en «gaugegruppe». En gaugegruppe indenfor de stærke kræfter er SU(3), mens gaugegruppen for de elektro-svage kræfter er SU(2) × U(1). standardmodellen omtales derfor også som SU(3)×SU(2)×U(1). Higgs bosonen er den eneste boson i teorien, der ikke er en gaugeboson. Den har en speciel status i teorien, og har været genstand for en del kontrovers. Standardmodellen forklarer ikke gravitonerne - de bosoner der menes at formidle tyngdekraften.

Der findes 12 forskellige typer eller «slags» fermioner i standardmodellen. De fermioner der udgør størstedelen af alt stof er protoner, neutroner og elektroner. Blandt disse regner standardmodellen kun elektronen for en elementarpartikel. Protonen og neutronen er aggregater af mindre partikler kaldet quarks, der holdes sammen af stærke kernekræfter. De grundlæggende fermioner i standardmodellen er følgende partikler.

Symbol Elektro-magnetisk
ladning
Svag
ladning*
Stærk
ladning
(farve)
Masse
Elektronen e- -1 - ½ 0 0.511 MeV
Myonen μ- -1 - ½ 0 105.6 MeV
Tau τ- -1 - ½ 0 1.784 GeV
Up quark u +2/3 + ½ R/G/B ~5 MeV
Charm quark c +2/3 + ½ R/G/B ~1.5 GeV
Top quark t +2/3 + ½ R/G/B 178 GeV
Down quark d -1/3 - ½ R/G/B ~10 MeV
Strange quark s -1/3 - ½ R/G/B ~100 MeV
Bottom quark b -1/3 - ½ R/G/B ~4.7 GeV
Elektron neutrino Ve 0 + ½ 0 < 50 eV
Myon neutrino Vμ 0 + ½ 0 < 0.5 MeV
Tau neutrino Vτ 0 + ½ 0 < 70 MeV
* De viste partikler har kun en svag ladning, når de har venstrehånds spin (højrehånds spin for deres antipartikler.

Massen af elementarpartikler angives ofte i energienheder, i dette tilfælde GeV. Til dette benytter man Einsteins energi-masse relation og det betyder at man let får et overblik over hvorvidt en given accelerator kan producere en given partikel.

Fermionerne kan opstilles i 3 «generationer», hvor den første består af elektronen, up- og down-quarks samt elektron neutrinoen. Alt normalt stof består af partikler fra denne første generation. Partikler i 2. og 3. generation henfalder hurtigt til partikler af 1. generation, og kan kun dannes i højenergi eksperimenter. Årsagen til opstillingen i «generationer» er, at de 4 fermioner i hver generation opfører sig næsten præcist som deres modstykker i de andre generationer. Den eneste forskel er massen. F.eks. har både elektronen og myonen et spin på -½ og en ladning på -1, men myonen er 200 gange tungere.

Elektronen, elektron-neutrinoen og de beslægtede partikler i de andre generationer kaldes også for «leptoner». I modsætning til andre fermioner har de ikke den egenskab der kaldes «farve», og derfor aftager deres vekselvirkning (svag og elektromagnetisk) hastigt med afstanden. Til gengæld vokser de stærke kræfter mellem quarks med afstanden, hvilket medfører at quarks altid findes i farveløse kombinationer kaldet hadroner. Disse er enten fermioniske baryoner som består af 3 quarks (hvor protonen og neutronen er de hyppigste eksempler), eller boson mesoner der består af et quark-antiquark par (som pioner). Massen af disse aggregerede partikler overstiger summen af deres komponenters masse, fordi de også rummer bindingsenergi.

Selv om standardmodellen med stor succes har været anvendt til beskrivelsen af eksperimentelle resultater, så er den aldrig blevet accepteret som den komplette teori om partikelfysik. Dette skyldes to væsentlige mangler i modellen:

  1. Modellen rummer 19 frie parametre såsom partikelmasserne der må bestemmes eksperimentelt (samt yderligere 10 neutrino masser). Disse parametre kan ikke beregnes uafhængigt.
  2. Modellen kan ikke beskrive tyngdekraften

Siden færdiggørelsen af standardmodellen er der lagt en stor indsats i at løse begge problemer. Ét forsøg på at løse det første problem er kendt som den samlede enhedsmodel (eng. grand unification, GUT). Denne skole mener, at SU(3), SU(2) og U(1) grupperne blot er undergrupper af en enkelt stor samlet symmetri gruppe. Ved høje energier (langt højere end det i dag er muligt at opnå i eksperimenterne) er symmetrien i den samlede gruppe bevaret, mens den ved lavere energier reduceres til SU(3)×SU(2)×U(1) gennem en proces der kaldes spontant symmetri brud. Den første teori indenfor denne skole blev fremlagt i 1974 af Georgi og Glashow og anvendte SU(5) som den samlende gruppe. En bemærkelsesværdig egenskab ved GUT teorierne er at de i modsætning til standardmodellen forudsiger eksistensen af proton henfald. I 1999 rapporterede Super-Kamiokande neutrinoobservatoriet at det ikke havde kunnet konstatere eksistensen af proton henfald, og at halveringstiden for protoner i givet fald må være højere end 6,7× 1032 år. Dette og andre tilsvarende eksperimenter har underkendt en række GUT teorier - deriblandt SU(5).

Der findes også kosmiske grunde til at betragte standardmodellen som ufuldstændig. Indenfor modellen er stof og antistof symmetriske størrelser. Selv om vi kan konstatere, at universet stort set ikke rummer antistof, og man kan forklare dette med, at «universet blot startede på denne måde», så er det en forklaring der støder mange fysikere som uelegent. Samtidig er modellen ude af stand til at forklare den kosmiske ekspansion, der menes at have fundet sted ved universets begyndelse - en konsekvens af modellens manglende behandling af tyngdekraft.

Higgs bosonen der er forudsagt i standardmodellen er endnu ikke eksperimentelt blevet detekteret.

Den første eksperimentelle afvigelse fra standardmodellen blev konstateret i 1998 da Super-Kamiokande publicerede resultater, der pegede i retning af neutrino-oscillation. Dette kræver eksistensen af neutrinoer med en masse større end 0, eftersom masseløse partikler bevæger sig med lysets hastighed og derfor ikke oplever tid. Standardmodellen rummede ikke plads til neutrinoer med masse, fordi den kun forudså eksistensen af «venstrehåndede» neutrinoer - med et spin mod uret ifht. deres bevægelsesretning. Hvis neutrinoer kan have en masse må de nødvendigvis bevæge sig langsommere end lysets hastighed. Derfor ville det være muligt at «overhale» en neutrino, når man vælger en referenceramme hvor dens bevægelsesretning vendes om uden at påvirke dens spin retning - hvilket giver den et højrehånds spin. Siden 1998 har fysikere derfor videreudviklet standardmodellen, således at neutrinoer kan have masse, hvilket udvider modellen med yderligere et par frie parametre udover de eksisterende 19. Den udvidede model kaldes ligeledes standardmodellen.

A.J. / K.Han.