Standardmodellen
Den modell som sammanfattar all teoretisk kunskap om partikelfysik i dag kallas standardmodellen. Standardmodellen förutspådde redan på 1960-talet allt det som man i dag har
lyckats bevisa med hjälp av bl.a. experiment i CERN. Experiment i nästa nya accelerator LHC
(Large Hadron Collider) kommer att testa Standardmodellen vid ännu högre energier än vad
man hittills uppnått med LEP och förhoppningsvis lösa de gåtor som fortfarande finns.
Modellen består av 12 materiepartiklar och 4 kraftpartiklar. Dessa bygger upp all den materia
som vi i dag har på jorden och den som en gång fanns men som idag endast kan rekonstrueras
i experiment. Modellen är väl testad men fysikerna vet att den kan innehålla luckor. Därför
pågår i dag försök att hitta vad som ännu borde kompletteras för att få den ”fullständiga
Standardmodellen”.
Materiepartiklar
Materiepartiklarna består av 6 kvarkar och 6 leptoner, som tillsammans indelas i 3 familjer.
Varje materiepartikel har en motsvarande antipartikel (spegelbild) som har motsatt laddning
men egenskaperna i övrigt de samma som hos den vanliga partikeln.
Endas materiepartiklar i den första familjen finns kvar i dag. De andra fanns vid universums
”födelse” men har sönderfallit till partiklar i den första familjen.
Figur: HANDS-ON-CERN
Kvarkarna grupperar sig vanligtvis i grupper på tre. De har fått sina namn på grund av sin
massa och laddning: up/down, charm/strange och top/bottom. Kvarkarna har laddningarna
+2/3 eller -1/3. Partiklar uppbyggda av kvarkar kallas hadroner.
1
Figur: HANDS-ON-CERN
Leptonerna indelas i två grupper. Tre har laddning och massa - electron (e-), muon (µ) och
tau (τ) och de övriga tre är neutrala och har mycket liten massa - electron-neutrino (νe), muonneutrino (νµ) och tau-neutrino (ντ). De är uppdelade i par med en laddad och en oladdad
partikel.
Figur: HANDS-ON-CERN
Den engelske fysikern J. J. Thomson upptäckte elektronen i slutet av 1890-talet.
Courtesy of The Particle Adventure; The Particle Data Group
2
Bilden visar en enkel modell av en atom och hur det skulle se ut om vi tränger allt djupare in i den. Bilden är inte
skalenligt ritad. Figur: Courtesy of the Particle Adventure; The Particle Data group
Det finns två sorters hadroner. Baryoner som byggs upp av tre kvarkar (överst) och mesoner som byggs upp av
en kvark och en antikvark (nederst). Alla baryoner har en motsvarande antipartikel, en antibaryon, som byggs
upp av tre antikvarkar (ej i bild). Figur:HANDS-ON-CERN
3
Familjerna
Den materia som vi omges av idag byggs upp av e- , νe, up- och down kvarkar , dessa bildar
den s.k. Familjen nummer 1.
De övriga familjerna, se figur, fanns vid universums tillkomst och går endas att framställa i
laboratorier.
Figur: © A. P Olivier
Kraftförmedlande partiklar och fält
De fyra olika typerna av växelverkan Figur © CERN
.
4
•
•
•
Fotonen - elektromagnetism
8 gluonener – stark växelverkan
3 vektorbosoner – svag växelverkan
De fyra typerna av växelverkan. Den översta raden visar de kraftförmedlande partiklarna för respektive
växelverkan. Den nedersta visar vilka materiepartiklar som respektive växelverkan påverkar.
Courtesy of The Particle Adventure; The Particle Data Group.
Gravitationen är den vanligaste kraften. Den håller oss kvar på marken och håller planeterna i
banor kring solen. Någon kraftförmedlare, graviton har man inte funnit.
Teoretiskt är den extremt liten. Egentligen räknas inte gravitationen till standardmodellen.
Vektorbosonerna (Z0, W+ och W-) förmedlar den svaga växelverkan som får partiklar att
omvandlas till andra partiklar. Alla tre har massa och två av dem (W+ och W-) är elektriskt
laddade.
.
De tre vektorbosonerna Z0, W+ och W-.
Figur: HANDS-ON-CERN
5
Fotonen har ingen laddning och den ansågs länge vara masslös. I dag vet man att den har en
”liten” massa. Den förmedlar elektromagnetismen som är den växelverkan som verkar mellan
laddade partiklar. Den verkar således mellan elektronerna och kärnan i en atom.
Skiss av en atom. Proportionerna är felaktiga. Elektronerna befinner sig på ett avstånd från kärnan som är
åtminstone 10 000 gånger större är kärnans radie. Figur: HANDS-ON-CERN
Gluonen ( 8 olika ) förmedlar den starka växelverkan som verkar mellan kvarkar och håller
ihop hadroner.
Sex stycken av de åtta gluonerna som finns i Standardmodellen. Det enda som skiljer de åtta gluonerna åt är
deras laddning av den starka växelverkan. Denna laddning brukar kallas för "färg", märk dock att det inte har
någonting som helst att göra med färg i vanlig bemärkelse! Figur: HANDS-ON-CERN
Mörk materia kallas den materia i universum som är okänd d.v.s. inte utstrålar elektromagnetisk
strålning och den utgör mer än 90 % av universum.
6
Higgs partikeln
Standardmodellen har också en okänd del. Kvantmekaniska beräkningar är exakta endast om
man i teorin kan räkna med en okänd partikel. Denna partikel den så kallade”Higgs partikeln”
eller masspartikeln har man ännu inte kunnat registrera i något experiment. Den ger åt andra
partiklar massa . Enligt standardmodellen fyller Higgs fältet hela universum.
Den kan vara så tung, att inte energin i våra acceleratorer i dag räcker till ( E = mc2). Sökandet
efter Higgs partikeln är den största utmaningen i dag inom partikelfysik forskningen och
pågår som bäst i USA och i CERN. Med den nya LHC-acceleratorn , som beräknas vara
färdig 2007, skall i första hand Higgs partikelns existens testas.
Professor Peter Higgs, en av flera forskare som utvecklade teorin om Higgsmekanismen.
Bild: HANDS-ON-CERN
Källor:
CERN: www.cern.ch
Hands-on-CERN: hands-on-cern.physto.se/
The particle adventure: http//:particleadventure.com
7
