Model Standardowy

Model Standardowy jest teorią fizyki cząstek podstawowych, zwanych też cząstkami elementarnymi, które są podstawowymi składnikami każdej materii. Opisuje trzy z czterech (z wyjątkiem grawitacji) oddziaływania podstawowe: oddziaływanie elektromagnetyczne, oddziaływanie słabe, oddziaływanie silne. Model Standardowy opiera się na koncepcji pola Yanga-Millsa.

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 (2005 rok) nie zaobserwowano jeszcze jednej z cząstek przewidywanych przez model, zwanej bozonem Higgsa. Model Standardowy sformułowany jest w języku matematyki opisując relacjami matematycznymi zależności między elementami tej teorii.

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, teoria elektrosłaba (łącząca oddziaływania elektromagnetyczne i słabe jako różne przejawy tego samego oddziaływania).

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 z jako oddziaływanie silne. Protony i neutrony łącząc się tworzą jądra atomowe. Do tej grupy cząstek należy też neutrino elektronowe.

Opisane wyżej cząstki (elektron, neutrino elektronowe, kwark dolny i górny) tworzą jedną (i 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 i kwark powabny, zaś trzecią: taon, neutrino taonowe, kwark denny i kwark szczytowy.

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.

**Fermiony w Modelu Standardowym**
Fermion	Symbol	Ładunek elektryczny	Ładunek słaby*	Ładunek silny (kolor)	Masa
Generacja 1
Elektron	e^-	-1	-1/2	0	0.511 MeV
Neutrino elektronowe	ν_e	0	+1/2	0	< 50 eV
Kwark górny	u	+2/3	+1/2	R/G/B	~ 5 MeV
Kwark dolny	d	-1/3	-1/2	R/G/B	~10 MeV
Generacja 2
Mion	μ^-	-1	-1/2	0	105.6 MeV
Neutrino mionowe	ν_μ	0	+1/2	0	< 0.5 MeV
Kwark powabny	c	+2/3	+1/2	R/G/B	~1.5 GeV
Kwark dziwny	s	-1/3	-1/2	R/G/B	~100 MeV
Generacja 3
Taon	τ^-	-1	-1/2	0	1.784 GeV
Neutrino taonowe	ν_τ	0	+1/2	0	< 70 MeV
Kwark szczytowy (prawdziwy)	t	+2/3	+1/2	R/G/B	178 GeV
Kwark denny (piękny)	b	-1/3	-1/2	R/G/B	~4.7 GeV

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 Z⁰.
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 dotąd nie udało się potwierdzić doświadczalnie.

Co dalej?

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

Ma on bowiem 19 swobodnych parametrów, które należy wyznaczyć doświadczalnie i nie ma teorii wyjaśniającej wartości tych parametrów.
Nie wiemy także, czy poprawny jest mechanizm Higgsa naruszenia symetrii.
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 określa mas cząstek.
Problem neutrin słonecznych

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

Zobacz też

Linki zewnętrzne

cząstki elementarne