Nauki przyrodnicze
MENU
STRONA GŁÓWNA
Przyroda polska
Zdjęcia natury
Fizyka teoretyczna
Biologia teoretyczna
Biochemia
Biologia molekularna
Ornitologia
Rośliny Polski
Botanika
Zoologia
Internetowe ZOO
Związki czynne roślin
Pierwiastki
chemiczne
Chemia nieorg.
Chemia organiczna
Ciekawostki
biologiczne
Ciekawostki
fizyczne
Ciekawostki
chemiczne
Ciekawe książki
Ciekawe strony www
Słownik

INFO
INFO O AUTORZE
KONTAKT

Do działu: FIZYKA TEORETYCZNA →

Model standardowy

Model standardowy - to powszechnie obowiązująca w fizyce cząstek elementarnych teoria, która opisuje oddziaływania silne, słabe i elektromagnetyczne - trzy z czterech podstawowych oddziaływań przyrody (nie ujmuje grawitacji).
Trzon modelu standardowego stanowią dwie luźno powiązane ze sobą teorie: chromodynamika kwantowa (dla oddziaływań silnych) i teoria elektrosłaba (unifikująca oddziaływania elektromagnetyczne i słabe). Są one sformułowane "w języku" kwantowej teorii pola.

Omawiana w tym artykule teoria opiera się na podstawowym podziale cząstek elementarnych na 2 rodzaje:
  • Fermiony
  • - cząstki o spinie 1/2, budujące ciała materialne
  • Bozony
  • - cząstki o spinie 1 - nośniki oddziaływań podstawowych
Fermiony tworzą trzy generacje:

1. elektron, neutrino elektronowe, kwark u i kwark d
2. mion, neutrino mionowe, kwark s i kwark c
3. taon, neutrino taonowe, kwark b i kwark t

Jest ich w sumie 12 (+12 ich antycząstek). Tylko fermiony pierwszej generacji są stabilne. Elektron, mion, taon i neutrina to tzw. leptony. Neutrina nie mają ładunku. Pozostałe 3 cząstki mają ładunek równy -1. Wszystkie leptony nie oddziałują silnie.
Kwarki mają ułamkowe ładunki (-1/3 lub +2/3) i mają one kolor, rozumiany jako ładunek oddziaływań silnych. Może on przyjmować trzy wartości: B, G, R.
Kwarki nigdy nie występują w naturze osobno (ma to związek z tzw. asymptotyczną swobodą, wynikającą z rosnącej zależności stałej sprzężenia oddziaływania silnego od odległości). Zawsze tworzą one układy bezbarwne typu B+G+R (w barionach, np. w protonie) lub typu kolor-antykolor (w mezonach).
Kwarki potrafią oddziaływać elektromagnetycznie, silnie, słabo i grawitacyjnie.

Istnieją najprawdopodobniej tylko 3 generacje fermionów. Świadczą o tym wyniki eksperymentu z cząstkami Z0, które rozpadają się m.in. na 3 typy neutrin, a mogłyby rozpaść się na więcej typów (gdyby takowe istniały).

Niezmienniczość pewnych wyrażeń matematycznych (tzw. gęstości lagranżjanu) względem lokalnej symetrii cechowania wymaga, aby w tych wyrażeniach pojawiały się pola bozonowe. W przypadku cechowania:
  • U(1) - bozonem jest foton (nośnik oddziaływań elektromagnetycznych)
  • SU(3) - jest 8 bozonów - gluony (nośniki oddziaływań silnych)
  • SU(2) x U(1) - są 4 bozony: W1, W2, W3 i B. Pierwsze 2 bozony współtworzą bozony W+ i W-. Dwa ostanie bozony tworzą kombinacje liniowe, które dają wynik w postaci fotonu i bozonu Z0. Parametrem ich mieszania jest tzw. kąt Weinberga. Ostateczny wynik to: foton i trzy nośniki oddziaływań słabych: W+, W- i Z0. Symetria SU(2) x U(1) jest charakterystyczna dla teorii elektrosłabej.
Bozony W i Z mogą oddziaływać elektromagnetycznie i słabo. Gluony potrafią oddziaływać silnie. Fotony ze sobą nie oddziałują.

W sumie, w modelu standardowym są 24 rodzaje cząstek elementarnych: 12 fermionów i 12 bozonów. I jest jeszcze jedna cząstka. Tak zwana boska cząstka. Bozon skalarny Higgsa, czyli kwant pola Higgsa. Postuluje się, że pole to nadaje fermionom i bozonom W i Z masę spoczynkową w zjawisku spontanicznego złamania symetrii.
Wszystko wskazuje na to, że naukowcy z CERN-u stwierdzili istnienie cząstki Higgsa w lipcu 2012 roku.

Wielkim osiągnięciem współczesnej fizyki było także stwierdzenie, że neutrina mają niewielką masę spoczynkową i że potrafią w siebie przechodzić, łamiąc zasadę zachowania liczby elektronowej, mionowej i taonowej. Jest to tzw. oscylacja neutrin, zaobserwowana na neutrinach pochodzących ze Słońca.
Wedle współczesnej wiedzy, nie sposób rozstrzygnąć czy neutrina są typu klasycznego (czyli mają odrębne antycząstki), czy też są tzw. neutrinami Majorany (czyli są tożsame ze swoimi antycząstkami).
Oddziaływania słabe, jako jedyne oddziaływania podstawowe, umożliwiają rozpad kwarków na inne kwarki. Macierz 3x3, która zawiera amplitudy prawdopodobieństwa rozpadu kwarków na inne kwarki, to tzw. macierz Kobayashiego-Maskawy.

Największą wadą modelu standardowego jest to, że nie ujmuje on grawitacji i zawiera 25 kluczowych parametrów, które muszą być wyznaczane eksperymentalnie. Są to:
  • 3 stałe sprzężenia dla trzech podstawowych rodzajów oddziaływań
  • 6 mas spoczynkowych kwarków
  • 3 masy spoczynkowe: elektronu, mionu i taonu
  • 3 masy spoczynkowe trzech rodzajów neutrin
  • masa spoczynkowa bozonu Higgsa i wartość oczekiwana pola Higgsa
  • 4 parametry niezależne macierzy Kobayashiego-Maskawy
  • 4 parametry niezależne macierzy przejść w oscylacji neutrin
Model standardowy daleki jest więc od ideału teorii wszystkiego, gdyż takowa będzie musiała ująć grawitację i teoretycznie przewidzieć wartości wszystkich powyższych parametrów. Poszukiwania takiej teorii trwają. Niewykluczone, że będzie ona wymagać zmiany podstawowych założeń, na jakich opierają się teorie kwantowe.

MACIEJ PANCZYKOWSKI

 Autor wortalu: Maciej Panczykowski, Copyright © 2003-2018 by Maciej Panczykowski