Standardmodellen

Fermioner

Fermioner är partiklar som tillsammans bildar all "materia" som vi ser. Exempel på grupper av fermioner är protoner och neutroner. Fermioner har egenskaper som laddning och massa, som kan ses i vardagen. De har också andra egenskaper, som spinn, svag laddning, hyperladdning och färgladdning, vars effekter vanligtvis inte syns i vardagen. Dessa egenskaper ges siffror som kallas kvanttal.

Fermioner är partiklar vars spinntal är lika med ett udda, positivt tal gånger hälften: 1/2, 3/2, 5/2 osv. Vi säger att fermioner har "ett halvt heltalsspinn".

Ett viktigt faktum om fermioner är att de följer en regel som kallas Pauli-exkluderingsprincipen. Denna regel säger att inga två fermioner kan befinna sig på samma "plats" samtidigt, eftersom inga två fermioner i en atom kan ha samma kvantnummer samtidigt. Fermioner följer också en teori som kallas Fermi-Dirac-statistik. Ordet fermion hedrar fysikern Enrico Fermi.

Det finns 12 olika typer av fermioner. Varje typ kallas för en "smak". Deras namn är:

• Kvarkar - uppåt, nedåt, konstigt, charm, topp, botten
• Leptoner - elektron, muon, tau, elektronneutrino, muonneutrino, tau-neutrino. Elektronen är den mest kända leptonen.

Kvarkar är grupperade i tre par. Varje par kallas för en "generation". Den första kvarken i varje par har laddning 2/3, och den andra kvarken har laddning -1/3. De tre typerna av neutrino har laddningen 0. Elektronen, muon och tau har laddningen -1.

Materia består av atomer, och atomer består av elektroner, protoner och neutroner. Protoner och neutroner består av uppåt- och nedåtriktade kvarkar. Man kan hitta en lepton för sig själv, men man kan aldrig hitta kvarkar för sig själv. Detta beror på att kvarkar hålls samman av färgkraften.

En bild av de tre kvarkarna i en proton

Bosoner

Bosoner är den andra typen av elementarpartiklar i standardmodellen. Alla bosoner har ett helt spinn (1, 2, 3 osv.) så många av dem kan vara på samma plats samtidigt. Det finns två typer av bosoner, gaugebosoner och Higgsbosonen. Det är mätbosoner som gör naturens grundläggande krafter möjliga. (Vi är ännu inte säkra på om gravitationen fungerar genom en gaugeboson.) Varje kraft som verkar på fermioner sker på grund av att gaugebosoner rör sig mellan fermionerna och bär på kraften. Bosoner följer en teori som kallas Bose-Einstein-statistik. Ordet "boson" hedrar den indiske fysikern Satyendra Nath Bose.

Standardmodellen säger att det finns:

• 12 fermioner, var och en med sin egen antipartikel;
• 12 gauge-bosoner: 8 sorters gluoner, fotonen, W⁺ , W^- och Z;

Alla dessa partiklar har observerats antingen i naturen eller i laboratoriet. Modellen förutsäger också att det finns en Higgsboson. Modellen säger att fermioner har massa (de är inte bara ren energi) eftersom Higgsbosoner reser fram och tillbaka mellan dem. Higgsbosonen tros ha upptäckts den 4 juli 2012. Det är den partikel som ger massa till andra partiklar.

Grundläggande krafter

Det finns fyra grundläggande kända naturkrafter. Dessa krafter påverkar fermioner och bärs upp av bosoner som färdas mellan dessa fermioner. Standardmodellen förklarar tre av dessa fyra krafter.

• Stark kraft: Denna kraft håller ihop kvarkar till hadroner som protoner och neutroner. Den starka kraften bärs upp av gluoner. Teorin om kvarkar, den starka kraften och gluoner kallas kvantkromodynamik (QCD).
• Den kvarvarande starka kraften håller ihop protoner och neutroner till atomkärnan i varje atom. Denna kraft bärs upp av mesoner, som består av två kvarkar.
• Svaga krafter: Denna kraft kan ändra en fermions smak och orsakar betasönderfall. Den svaga kraften bärs upp av tre mätbosoner: W⁺ , W^- och Z-bosonen.
• Elektromagnetisk kraft: Denna kraft förklarar elektricitet, magnetism och andra elektromagnetiska vågor, inklusive ljus. Denna kraft bärs upp av fotonen. Den kombinerade teorin om elektronen, fotonen och elektromagnetismen kallas kvantelektrodynamik.
• Gravitation: Detta är den enda grundläggande kraft som inte förklaras av SM. Den kan överföras av en partikel som kallas graviton. Fysikerna letar efter gravitonen, men har ännu inte hittat den.

De starka och svaga krafterna syns bara i atomkärnan. De fungerar bara på mycket små avstånd: avstånd som är ungefär lika långa som en proton är bred. Den elektromagnetiska kraften och gravitationen fungerar över alla avstånd, men styrkan hos dessa krafter minskar när de berörda objekten kommer längre ifrån varandra. Kraften minskar med kvadraten på avståndet mellan de berörda objekten: om t.ex. två objekt befinner sig dubbelt så långt från varandra blir gravitationskraften mellan dem fyra gånger mindre stark (2² =4).

Begränsningar

Standardmodellen är inte alls en teori om allting. Den innehåller inte hela gravitationsteorin som beskrivs i den allmänna relativitetsteorin eller förklarar universums accelererande expansion (som möjligen beskrivs av mörk energi). Modellen innehåller ingen mörk materiepartikel som har alla de egenskaper som observeras inom observationskosmologin. SM anses vara teoretiskt självkonsistent. Den har uppvisat enorma och fortsatta framgångar i experimentella förutsägelser, men den lämnar vissa saker oförklarade.