Standartinis modelis

Elementariosios dalelės, sudarančios standartinį modelį.

Standartinis modelis – teorija, aprašanti stipriąją, silpnąją ir elektromagnetinę sąveikas bei fundamentaliąsias daleles, iš kurių sudaryta materija. Tai – kvantinė lauko teorija, kuri remiasi kvantine mechanika ir specialiąja reliatyvumo teorija. Modelis buvo vystomas 20-ojo amžiaus antrojoje pusėje.^[1]

Standartinis modelis numatė W ir Z bozonų (abu bozonai atrasti 1983 m.), gliuono (1978 m.)^[2], viršūninio (1995 m.) ir žaviojo (1974 m.) kvarkų egzistavimą bei tiksliai nustatė jų pagrindines savybes prieš eksperimentiškai atrandant šias daleles.^[3] Paskutinė eksperimentiškai patvirtinta Standartinio modelio dalelė yra Higso bozonas, kuris buvo atrastas 2012 metais Didžiajame hadronų greitintuve.^[4]

Šis modelis yra naudojamas kaip pagrindas kuriant naujus, egzotiškus modelius, kurie tobulina simetrijas, įtraukia naujas, hipotetines daleles bei papildomas dimensijas, bandydami paaiškinti eksperimentiškai gaunamus nuokrypius nuo Standartinio modelio.

Elementariosios dalelės

Standartiniame modelyje elementariosios dalelės yra skirstomos į klases: fermionus ir bozonus.

Fermionai

Pagrindinis straipsnis – Fermionas.

Standartinis modelis turi 12 elementariųjų dalelių, kurios turi pusinį (½) sukinį. Šios dalelės yra vadinamos fermionais, pavadintos mokslininko Enriko Fermi garbei. Kiekvienas fermionas turi savo antidalelę. Fermionai laikosi Pauli draudimo principo – du fermionai negali vienu metu būti tame pačiame erdvės taške ir užimti tos pačios būsenos.

Fermionai turi aromatą (angl. flavour), kuris yra tvarus dydis. Fermionai yra skirstomi į dvi grupes pagal sąveikos tipą (arba pagal nešamą krūvį) į leptonus ir kvarkus.

Kvarkai

Pagrindinis straipsnis – Kvarkas.

Kvarkai pasižymi tuo, jog yra veikiami visų keturių fundamentaliųjų jėgų. Nuo leptonų kvarkai skiriasi tuo, jog turi spalvinį krūvį ir dėl to yra veikiami stipriosios sąveikos. Kvarkų krūvis yra pusinis: ½ arba -½. Laisvi kvarkai formuoja hadronus: mezonus (sudarytus iš kvarko ir antikvarko) arba barionus (sudarytus iš trijų kvarkų). Šis procesas yra vadinamas hadronizacija.

Šiuo metu šeši (su antikvarkais – 12) žinomi kvarkai yra:

kylantysis,
krentantysis,
keistasis,
žavusis,
gelminis,
viršūninis.

Leptonai

Pagrindinis straipsnis – Leptonas.

Leptonai, skirtingai nei kvarkai, nėra veikiami stipriosios sąveikos (todėl neturi spalvinio krūvio). Kol kas nėra jokių įrodymų apie leptonų vidinę struktūrą.

Šeši žinomi leptonai (su antidalelėmis – 12) yra:

elektronas e^-,
miuonas μ^-,
taonas τ^-,
elektroninis neutrinas ν_e,
miuonininis neutrinas ν_μ,
taoninis neutrinas ν_τ

Elektronai, miuonai bei taonai turi neigiamą elektrinį krūvį ir sąveikauja elektromagnetiškai. Neutrinai neturi elektrinio krūvio ir yra veikiami tik silpnosios sąveikos bei gravitacijos, todėl juos labai sunku aptikti.

Barionai, protonai ir neutronai taip pat yra laikomi fermionais, tačiau jie susideda iš trijų kvarkų. Dėl to jie yra vadinami kompoziciniais (sudėtiniais) fermionais.

Kalibraciniai bozonai

Sąveikos Standartiniame modelyje, pavaizduotos Feinmano diagramomis. Stiprioji sąveikia, Silpnoji sąveika, Elektromagnetinė sąveika, Higso mechanizmas (sąveikos išdėstytos nuo viršaus iki apačios). Žymėjimas: q yra bet kuris kvarkas, g yra gliuonas, X yra bet kuri dalelė turinti krūvį, γ yra fotonas, f yra bet kuris fermionas, m yra bet kokia dalelė, turinti masę.^[5]

Kalibraciniai bozonai yra sąveikos nešėjai, kurie gali pernešti stipriąją, silpnąją ir elektromagnetinę sąveikas. Visi Standartinio modelio kalibraciniai bozonai turi sukinį, lygų 1. Priešingai nei fermionai, bozonai nepaklūsta Pauli draudimo principui.

Kalibracinių bozonų tipai:

Fotonai. Fotonai perneša elektromagnetinę sąveiką. Šios dalelės neturi masės ir yra gerai aprašytos kvantinės elektrodinamikos teorijos.
W^-, W⁺ ir Z⁰ bozonai. Šie bozonai perneša silpnąją sąveiką tarp dalelių su skirtingais aromatais (tarp visų kvarkų ir leptonų). W^-, W⁺ ir Z⁰ bozonai turi labai didelę masę, lyginant su kvarkais; Z⁰ bozonas yra sunkesnis už W^± bozonus. W^± bozonai turi +1 arba -1 krūvį, Z⁰ bozonas yra neultralus. Išspinduliuotas W^± bozonas keičia dalelės krūvį ir sukinį, bei gali pakeisti dalelės šeimą, o Z⁰ bozonas krūvio nekeičia, tačiau yra atsakingas už judesio kiekio ir sukinio pokyčius. W^-, W⁺ ir Z⁰ bozonai su fotonais kartu perneša elektrosilpnąją sąveiką.
Gliuonai. Yra aštuoni gliuonai, kurie perneša stipriąją sąveiką tarp spalvinį krūvį turinčių dalelių (kvarkų). Gliuonai yra vadinami pagal savo spalvos ir antispalvos krūvį (pavyzdžiui raudonas-antimėlynas). Gliuonai neturi masės. Kadangi gliuonai patys turi spalvinį krūvį, jie gali sąveikauti tarpusavyje. Gliuonus aiškina kvantinė chromodinamika.

Higso bozonas

Pagrindinis straipsnis – Higso bozonas.

Higso bozonas (H⁰) yra labai masyvi skaliarinė dalelė, 1964 metais teoriškai aprašyta Peterio Higso.^[6] Higso bosonas turi sukinį ir krūvį lygų 0. Higso bozonas aiškina visų elementariųjų dalelių (kvarkų, elektros krūvį turinčių leptonų bei W^± ir Z⁰ bozonų), išskyrus fotonų ir gliuonų masės prigimtį. Elektrosilpnojoje sąveikoje Higso bozonas generuoja leptonų (elektrono, muono ir taono) bei kvarkų mases. Kadangi Higso bozonas yra labai masyvus, jis turi sąveikauti pats su savimi.

Dėl didelio masyvumo, Higso bozonas skyla beveik iš karto po susikūrimo, dėl to yra labai sunkiai aptinkamas.

Fundamentaliosios sąveikos

Standartinis modelis paaiškina tris iš keturių fundamentaliųjų sąveikų – kol kas tik gravitacinė sąveika nėra paaiškinama. Standartiniame modelyje sąveikos yra grindžiamos tuo, jog medžiagos dalelės viena su kita tiesiogiai nesąveikauja, tačiau keičiasi tarpininkais – sąveikų nešėjais (bozonais).^[7]

Fundamentaliosios sąveikos^[8]
Sąveika	Gravitacinė	Elektrosilpnoji		Stiprioji
Sąveika	Gravitacinė	Silpnoji	Elektromagnetinė	Stiprioji
Tarpininkai	gravitonas (hipotetinė dalelė)	W^-, W⁺ ir Z⁰	γ (photon)	gliuonai
Veikiamos dalelės	visos dalelės	fermionai	dalelės, turinčios krūvį	kvarkai
Veikia	masę, energiją	aromatą	krūvį	spalvinį krūvį (anlg. color charge)
Veikimo atstumas (m)	begalinis	10^-17	begalinis	10^-15
Stiprumas^[9]	10^-42	10^-13	10^-2	10

Stiprumas yra dviprasmiška sąvoka – jis priklauso nuo atstumo bei sąveikos prigimties, dėl to skirtinguose šaltiniuose šių jėgų stiprumas gali būti pateiktas skirtingai.

Gravitacinė sąveika

Pagrindinis straipsnis – Gravitacija.

Nors gravitacija yra labiausiai pažįstama sąveika, Standartinis modelis jos nepaaiškina dėl atsirandančių prieštaravimų bandant sujungti bendrąją reliatyvumo teoriją, moderniąją gravitacijos teoriją bei kvantinę mechaniką. Gravitacija yra itin silpna mikroskopiniu lygmeniu. Manoma, jog gravitaciją perneša gravitonas – hipotetinė gravitacinės sąveikos dalelė.

Silpnoji sąveika

Pagrindinis straipsnis – Silpnoji sąveika.

Silpnoji sąveika yra atsakinga už dalelių skilimus, pavyzdžiui, beta skilimą. Ši jėga yra silpna bei turi mažą veikimo atstumą, nes yra pernešama W^± ir Z⁰ bozonų, kurie turi masę. Dėl to, kad W^± bozonai turi krūvį, jie perneša sąveikas, kurios keičia dalelės aromatą, krūvį bei sukinį. Z⁰ yra šiek tiek panašius į fotonus, nes neturi krūvio, taičiau skiriasi nuo fotonų tuo, jog sąveikauja su neutrinais bei turi masę. Z⁰ bozonai nekeičia nei krūvio, nei aromato. Silpnoji sąveika yra vienintelė sąveika, galinti pakeisti dalelės aromatą bei vienintelė sąveika, kuri pažeidžia lyginumo P simetriją ir CP simetriją. P ir CP simetrijos yra pažeidžiamos, nes W^± bozonai veikia tik kairines daleles (ir dešinines antidaleles). Z⁰ bozonai veikia visas daleles, nepriklausomai nuo to, ar jos yra kairinės, ar dešininės.

Elektromagnetinė sąveika

Pagrindinis straipsnis – Elektromagnetinė sąveika.

Elektromagnetinė sąveika yra vienintelė didelio veikimo atstumo jėga, paaiškinama Standartinio modelio. Ji yra pernešama fotonų ir veikia tarp elementariųjų dalelių, kurios turi elektrinį krūvį (kvarkų, leptonų ir W^± bozonų). Elektromagnetinė sąveika paaiškina, kaip šviesa ir materija veikia viena kitą. Richard Feynman kvantinę elektrodinamiką pavadino "fizikos brangakmeniu", dėl ypatingo teorijos tikslumo.^[10]

Stiprioji sąveika

Pagrindiniai straipsniai – Stiprioji sąveika ir Kvantinė chromodinamika.

Stiprioji sąveika yra atsakinga už hadronų ir nukleonų surišimą. Ši sąveika yra pernešama gliuonais, kurie patys turi spalvinį krūvį. Egzistuoja trys spalvinių krūvių rūšys – raudonas, žalias ir mėlynas. Stiprioji sąveika yra panaši į elektromagnetinę sąveiką, tačiau yra sudėtingesnė ir, skirtingai nei elektromagnetinė sąveika, netiesinė. Netiesiškumas atsiranda dėl spalvinio krūvio – gliuonai gali vieni su kitais sąveikauti, o fotonai negali. Egzistuoti gali tik spalviškai neutralios dalelės, dėl to kvarkai niekada neegzistuoja pavieniui – jie sudaro hadronus arba mezonus. Taip pat stipriajai sąveikai galioja asimptotinė laisvė – stiprioji jėga silpnėja kylant energijos kiekiui. Dėl to ypač aukštose temperatūrose kvarkai gali būti laisvi, dėl itin silpnų tarpusavio sąveikų. Mažuose atstumuose stiprioji jėga yra stipresnė už elektromagnetinę jėgą.

Standartinio modelio taikymo ribos

Šiuo metu Standartinis modelis nepaaiškina tokių dalykų:

Modelis turi 19 laisvų parametrų, tokių kaip dalelių masės, kurios turi būti nustatytos eksperimentiškai (tai pat dar 10 neutrinų masių).^[11] Tuo tarpu neprieštaringa teorija leistų jas apskaičiuoti.
Standartinio modelio rėmuose neutrinai neturi masės, nors eksperimentiniai duomenys rodo, jog jos nėra lygios nuliui.^[12] Modelis taip pat nepaaiškina neutrinų osciliacijų.
Modelis neaprašo gravitacinės sąveikos. Nors Standartinis modelis gerai aprašo elektromagnetinę, stipriąją ir siplnąją sąveikas, tačiau nesugeba apjungti kvantinės mechanikos principų, klasikinio lauko ir reliatyvumo principo kvantine lauko teorija.
Modelis nepaaiškina barionų asimetrijos.
Higso mechanizmas kelia hierarchijos problemą, jei atsirastų nauja didelių energijų fizika.
Modelis nesiderina su Lambda-CDM kosmologijos modeliu. Standartinis modelis nepateikia jokio paaiškinimo tamsiajai materijai bei tamsiajai energijai. Taip pat sunku yra paaiškinti, materijos ir antimaterijos asimetriją. Regimosios visatos izotropija ir homogeniškumas reikalauja tam tikro mechanizmo, pavyzdžiui, infliacijos.

Šaltiniai

↑ R. Oerter (2006). The Theory of Almost Everything: The Standard Model, the Unsung Triumph of Modern Physics (Kindle ed.). Penguin Group. p. 2. ISBN 978-0-13-236678-6.
↑ B.R. Stella and H.-J. Meyer (2011). "Υ(9.46 GeV) and the gluon discovery (a critical recollection of PLUTO results)". European Physical Journal H. 36 (2): 203–243. arXiv:1008.1869v3. Bibcode:2011EPJH...36..203S. doi:10.1140/epjh/e2011-10029-3. S2CID 119246507.
↑ Woithe, Julia; Wiener, Gerfried; Van der Veken, Frederik (2017). "Let's have a coffee with the Standard Model of particle physics!". Phys. Educ. 52 (3): 034001. Bibcode:2017PhyEd..52c4001W. doi:10.1088/1361-6552/aa5b25.
↑ Altarelli, Guido (2014). „The Higgs and the Excessive Success of the Standard Model“. arXiv:1407.2122 [hep-ph].
↑ Lindon, Jack (2020). Particle Collider Probes of Dark Energy, Dark Matter and Generic Beyond Standard Model Signatures in Events With an Energetic Jet and Large Missing Transverse Momentum Using the ATLAS Detector at the LHC (PhD). CERN.
↑ „Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons“, Peter W. Higgs, Phys. Rev. Lett. 13, 508 – Published 19 October 1964
↑ "The Standard Model". CERN.
↑ "Standard Model of Particles and Interactions". jhu.edu. Johns Hopkins University. Archived from the original on 4 March 2016. Nuoroda tikrinta 2021 m. Gruodžio 3d.
↑ Griffiths, David. ''Introduction to Elementary Particles''. Second, Revised, Weinheim, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 200
↑ Feynman, Richard (1985). QED: The Strange Theory of Light and Matter. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-12575-6.
↑ A. Blumhofer; M. Hutter (1997). "Family Structure from Periodic Solutions of an Improved Gap Equation". Nuclear Physics. B484 (1): 80–96. arXiv:hep-ph/9605393. Bibcode:1997NuPhB.484...80B. doi:10.1016/S0550-3213(96)00644-X.
↑ "Particle chameleon caught in the act of changing". CERN. 31 May 2010. Nuoroda tikrinta 2021 m. Gruodžio 4d.

[1] R. Oerter (2006). The Theory of Almost Everything: The Standard Model, the Unsung Triumph of Modern Physics (Kindle ed.). Penguin Group. p. 2. ISBN 978-0-13-236678-6.

[2] B.R. Stella and H.-J. Meyer (2011). "Υ(9.46 GeV) and the gluon discovery (a critical recollection of PLUTO results)". European Physical Journal H. 36 (2): 203–243. arXiv:1008.1869v3. Bibcode:2011EPJH...36..203S. doi:10.1140/epjh/e2011-10029-3. S2CID 119246507.

[3] Woithe, Julia; Wiener, Gerfried; Van der Veken, Frederik (2017). "Let's have a coffee with the Standard Model of particle physics!". Phys. Educ. 52 (3): 034001. Bibcode:2017PhyEd..52c4001W. doi:10.1088/1361-6552/aa5b25.

[4] Altarelli, Guido (2014). „The Higgs and the Excessive Success of the Standard Model“. arXiv:1407.2122 [hep-ph].

[5] Lindon, Jack (2020). Particle Collider Probes of Dark Energy, Dark Matter and Generic Beyond Standard Model Signatures in Events With an Energetic Jet and Large Missing Transverse Momentum Using the ATLAS Detector at the LHC (PhD). CERN.

[6] „Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons“, Peter W. Higgs, Phys. Rev. Lett. 13, 508 – Published 19 October 1964

[7] "The Standard Model". CERN.

[8] "Standard Model of Particles and Interactions". jhu.edu. Johns Hopkins University. Archived from the original on 4 March 2016. Nuoroda tikrinta 2021 m. Gruodžio 3d.

[9] Griffiths, David. ''Introduction to Elementary Particles''. Second, Revised, Weinheim, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 200

[10] Feynman, Richard (1985). QED: The Strange Theory of Light and Matter. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-12575-6.

[11] A. Blumhofer; M. Hutter (1997). "Family Structure from Periodic Solutions of an Improved Gap Equation". Nuclear Physics. B484 (1): 80–96. arXiv:hep-ph/9605393. Bibcode:1997NuPhB.484...80B. doi:10.1016/S0550-3213(96)00644-X.

[12] "Particle chameleon caught in the act of changing". CERN. 31 May 2010. Nuoroda tikrinta 2021 m. Gruodžio 4d.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]