Model Standardowy - Polski Serwis Naukowy

Cząstki elementarne z których zbudowana jest znana materia: sześć leptonów i sześć kwarków, oraz bozony cechowania przenoszące oddziaływania. Diagram przedstawia również dotychczas niezaobserwowany bozon Higgsa, mający nadawać masę cząstkom z którymi oddziałuje.

Model Standardowy – teoria fizyki cząstek podstawowych, zwanych też cząstkami elementarnymi, które są podstawowymi składnikami każdej materii. Opisuje trzy z czterech (z wyjątkiem grawitacji) oddziaływań podstawowych: oddziaływanie elektromagnetyczne, oddziaływanie słabe i oddziaływanie silne. Sformułowana jest w języku matematyki, opisując relacjami matematycznymi zależności między elementami tej teorii. Opiera się na koncepcji pola Yanga-Millsa.

Mechanika kwantowa (teoria kwantów) – teoria praw ruchu obiektów świata mikroskopowego. Poszerza zakres mechaniki na odległości czasoprzestrzenne i energie, dla których przewidywania mechaniki klasycznej nie sprawdzały się. Opisuje przede wszystkim obiekty o bardzo małych masach i rozmiarach - np. atom, cząstki elementarne itp. Jej granicą dla średnich rozmiarów lub średnich energii czy pędów jest mechanika klasyczna.

Foton (gr. φως – światło, w dopełniaczu – φοτος) jest cząstką elementarną nie posiadającą ładunku elektrycznego ani momentu magnetycznego, o masie spoczynkowej równej zero (m0 = 0), liczbie spinowej s = 1 (fotony są zatem bozonami). Fotony są nośnikami oddziaływań elektromagnetycznych, a ponieważ wykazują dualizm korpuskularno-falowy są równocześnie falą elektromagnetyczną.

Model Standardowy jest jedną z najważniejszych teorii współczesnej fizyki, jego podstawy teoretyczne zaczęto formułować w latach 70. XX wieku. W latach 80. potwierdzono większość jego przewidywań doświadczalnie, jednak do dziś nie zaobserwowano jeszcze jednej z cząstek przewidywanych przez model, zwanej bozonem Higgsa.

Teorie wielkiej unifikacji (GUT z ang. Grand Unification Theory) – teorie łączące chromodynamikę kwantową i teorię oddziaływań elektrosłabych. Przedstawiają one oddziaływanie silne, słabe i elektromagnetyczne jako przejaw jednego, zunifikowanego oddziaływania. Żadna z dotychczasowych teorii wielkiej unifikacji nie została potwierdzona doświadczalnie.

Rozpad beta – jeden z typów reakcji rozpadu jądra. Jest to przemiana jądrowa, której skutkiem jest przemiana nukleonu w inny nukleon, zachodząca pod wpływem oddziaływania słabego. Wyróżnia się dwa rodzaje tego rozpadu: rozpad β − (beta minus) oraz rozpad β + (beta plus). W wyniku tego rozpadu zawsze wydzielana jest energia, którą unoszą produkty rozpadu. Część energii rozpadu może pozostać zmagazynowana w jądrze w postaci energii jego wzbudzenia, dlatego rozpadowi beta towarzyszy często emisja promieniowania gamma.

Model Standardowy zawarł w sobie, rozbudował, bądź wyjaśnił wcześniejsze teorie, takie jak teoria cząstek elementarnych (kształtująca się od początku XX wieku), mechanika kwantowa, chromodynamika kwantowa czy teoria elektrosłaba (łącząca oddziaływania elektromagnetyczne i słabe jako różne przejawy tego samego oddziaływania).

Wielki Wybuch (ang. Big Bang) – model ewolucji Wszechświata uznawany za najbardziej prawdopodobny. Według tego modelu ok. 13,75 (±0,11) mld lat temu[1] dokonał się Wielki Wybuch – z bardzo gęstej i gorącej osobliwości początkowej wyłonił się Wszechświat (przestrzeń, czas, materia, energia i oddziaływania).

Kwark – cząstka elementarna, fermion, posiadający ładunek koloru (czyli podlegający oddziaływaniom silnym). Według obecnej wiedzy cząstki elementarne będące składnikami materii można podzielić na dwie grupy. Pierwszą grupę stanowią kwarki, drugą grupą są leptony. Każda z tych grup zawiera po sześć cząstek oraz ich antycząstki. Istnieje więc sześć rodzajów kwarków oraz odpowiednio sześć rodzajów ich antycząstek – antykwarków.

Opis wniosków wynikających z Modelu Standardowego

W modelu standardowym funkcjonuje podział na dwie grupy cząstek: fermiony i bozony.

Fermiony jako budulec materii

Fermiony są podstawowymi elementami budującymi materię. Materię trwałą, która nas otacza, tworzą następujące cząstki: elektron, kwark górny (u) oraz kwark dolny (d). Dwa kwarki górne i jeden dolny (uud) tworzą proton, a jeden kwark górny i dwa dolne (udd) tworzą neutron. Wiązanie to znane jest jako oddziaływanie silne. Protony i neutrony, łącząc się, tworzą jądra atomowe. Do tej grupy cząstek należy też neutrino elektronowe.

Proton, p <(gr.) πρῶτον – "pierwsze" (l.poj., rodz. nijaki)> - trwała cząstka elementarna z grupy barionów o ładunku +1 i masie spoczynkowej równej ok. 1 u. Protony są głównym składnikiem pierwotnego promieniowania kosmicznego. Protony wraz z neutronami (→ nukleony) tworzą jądra atomowe pierwiastków chemicznych. Liczba protonów w jądrze danego atomu jest równa jego liczbie atomowej, która z kolei jest podstawą uporządkowania atomów w układzie okresowym pierwiastków.

Miony to nietrwałe cząstki elementarne należące do kategorii leptonów. Występują w dwóch stanach ładunkowych (będących wzajemnie antycząstkami) μ+ i μ–. Masa mionu wynosi 105,66 MeV/c², gdzie c - prędkość światła w próżni, okres połowicznego zaniku jest równy 1,5 mikrosekundy (średni czas życia τ=2,2×10–6 s). Rozpadają się najczęściej na elektron, antyneutrino elektronowe oraz neutrino mionowe (µ+ odpowiednio na pozyton, neutrino elektronowe i antyneutrino mionowe). Należą do drugiej generacji cząstek elementarnych i wykazują pokrewieństwo z elektronem, tzn. posiadają takie same własności co elektron, z wyjątkiem około 207 razy większej masy.

Opisane wyżej cząstki (elektron, neutrino elektronowe, kwark dolny i górny) tworzą pierwszą z trzech grup cząstek zwanych generacjami. W każdej generacji występują cztery cząstki odpowiadające cząstkom z pierwszej generacji (lecz o różnej masie). Drugą generację tworzą cząstki: mion, neutrino mionowe, kwark dziwny (s) i kwark powabny (c), zaś trzecią: taon, neutrino taonowe, kwark denny (b) i kwark szczytowy (t).

Teoria oddziaływań elektrosłabych (Teoria Małej Unifikacji) - kwantowa teoria pola opisująca oddziaływania słabe oraz elektromagnetyczne. Zawiera ona w sobie wcześniejszą teorię oddziaływań słabych i elektrodynamikę kwantową.

Materia – w potocznym rozumieniu ogół obiektywnie istniejących przedmiotów fizycznych poznawalnych zmysłami. W fizyce termin "materia" stosowany jest w kilku różnych, opisanych w artykule znaczeniach.

W sumie model określa dwanaście podstawowych fermionów. Dwa pierwsze w każdej grupie nazywamy leptonami, a dwa pozostałe kwarkami.

Istnienie czwartej i następnych generacji nie jest zabronione przez Model. Jednak obserwacje średniego czasu życia cząstek wskazują, że istnieją tylko trzy komplety fermionów. Rozumowanie to opiera się na następującym fakcie: im więcej jest możliwych sposobów, na które może się rozpaść cząstka, tym krócej ta cząstka żyje. Większa ilość cząstek związana z istnieniem wyższych generacji dostarczyłaby nowych kanałów rozpadu. Obserwowane cząstki żyją na tyle długo, że istnienie czwartej generacji wydaje się wykluczone, chyba że odpowiadające jej nowe neutrino miałoby masę większą od ok. 45 GeV/c² (połowa masy bozonu Z). Wtedy cząstka Z nie mogłaby się rozpadać na parę neutrino – antyneutrino czwartej generacji. Wszystkie znane neutrina mają masy mniejsze od kilku eV/c² i dlatego istnienie czwartej rodziny nie wydaje się naturalne.

Teoria superstrun – teoria fizyczna próbująca wyjaśnić wszystkie znane rodzaje cząstek elementarnych oraz sił natury jako wibracje supersymetrycznych strun.

Kwark powabny (ang. charm, oznaczenie c) – jeden z kwarków. Nie występuje w zwykłej materii, występuje natomiast w cząstkach wytwarzanych sztucznie, np. mezonach D.

Bozony jako nośniki oddziaływań

W Modelu Standardowym oddziaływania przenoszone są przez specjalne cząstki/pola (w mechanice klasycznej rolę medium stanowiło wyłącznie pole). Oddziaływanie polega na wytworzeniu lub pochłonięciu cząstki przenoszącej oddziaływanie.

Oddziaływanie elektromagnetyczne przenoszone jest przez foton. Oddziaływanie to odbywa się poprzez wytworzenie lub pochłonięcie fotonu.

Oddziaływanie słabe, powodujące między innymi rozpady beta, przenoszone jest przez bozony W i W oraz Z.

Oddziaływanie silne, łączące kwarki w hadrony, przenoszone jest przez osiem rodzajów gluonów, sposób oddziaływania (rodzaj gluonu) oznaczany jest właściwością nazywaną kolorem gluonu.

Cząstka Higgsa

Model Standardowy przewiduje też istnienie cząstki, która oddziałując z innymi cząstkami nadaje im masę – jest to bozon Higgsa. Jest to jedyna cząstka, której istnienia jak dotąd nie udało się potwierdzić doświadczalnie.

Lepton (z gr. leptós - lekki, drobny) to grupa 12 cząstek elementarnych (6 cząstek i 6 antycząstek). Zaliczają się do niej: elektron, mion, taon, neutrino elektronowe, neutrino mionowe, neutrino taonowe oraz odpowiadające im antycząstki: pozyton (antyelektron), antymion, antytaon i antyneutrina. Ostatnim odkrytym (2000) leptonem było neutrino taonowe. Wszystkie leptony, z wyjątkiem neutrin i antyneutrin, posiadają ładunek ujemny (dla cząstek, np. elektronów) lub dodatni (dla antycząstek, np. pozytonów). Natomiast neutrina i antyneutrina posiadają ładunek zerowy.

Bozon Z (zeton) – cząstka elementarna pośrednicząca w oddziaływaniach słabych, wymieniana przez np. elektrony czy neutrina i inne cząstki oddziałujące oddziaływaniem słabym podczas zderzeń. Jest obojętny elektrycznie. Jej istnienie przewidziała teoria oddziaływań słabych. Bozon Z jest równocześnie swoją antycząstką. Okres półtrwania wynosi 3,20·10-25 sekundy.

Niewiadome

Model Standardowy jest potwierdzony doświadczalnie, lecz nie jest w pełni satysfakcjonujący z teoretycznego punktu widzenia.

Ma 17 swobodnych parametrów (np. masy cząstek), które należy wyznaczyć doświadczalnie i nie ma teorii wyjaśniającej wartości tych parametrów.

Nie wyjaśnia pierwszych chwil istnienia Wszechświata po Wielkim Wybuchu, w czasie których nastąpiła wielka ekspansja zwana inflacją.

Nie wyjaśnia, dlaczego Wszechświat zbudowany jest z materii, a nie ma w nim antymaterii.

Obliczenia masy Wszechświata nie zgadzają się z obserwowaną ilością materii we Wszechświecie, brakującą materię nazywa się ciemną materią.

Nie uwzględnia grawitacji.

W podstawowej wersji nie uwzględnia mas neutrin.

Nie wiemy także, czy poprawny jest mechanizm Higgsa naruszenia symetrii.

Spontaniczne złamanie symetrii - zjawisko fizyczne zachodzące wówczas, gdy stan podstawowy układu fizycznego ma niższą symetrię (opisaną podgrupą G0 grupy G ) niż symetria układu fizycznego (opisana grupą G).

Kwark b (ang. bottom, beauty, kwark niski, kwark piękny w literaturze popularnonaukowej, inaczej zwany dennym lub spodnim) – kwark należący do trzeciej generacji cząstek elementarnych. Charakteryzuje się dużą masą, posiada ładunek -1/3.

Fizycy budują nowe teorie próbujące rozszerzyć Model Standardowy np. Teorie wielkiej unifikacji, supersymetria, teorie strun. Następcą będzie być może Minimalny Standardowy Model Supersymetryczny.

Przypisy

Donald H. Perkins: Wstęp do fizyki wysokich energii. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2005, s. 12-13. ISBN 83-01-14246-4.

Linki zewnętrzne

Przygoda z cząstkami

Wykłady o cząstkach elementarnych