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 (ν e ), muonneutrino (ν µ ) och tau-neutrino (ν τ ). 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 -, ν e, 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 (Z 0, 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 Z 0, 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 = mc 2 ). 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