thumb|Standardmodellens partikler og vekselvirkninger, referanseplakat Standardmodellen er en teori innen partikkelfysikken som beskriver elementærpartiklene og de tre naturkreftene fargekraft, svak kjernekraft og elektromagnetisme. Den inneholder de lovene som styrer hvordan partiklene og kreftene oppfører og utvikler seg. Dette er grunnlaget for hvordan atomer bygges opp og forbinder seg med hverandre til molekyler, og dermed all vanlig materie rundt oss.
Standardmodellen er en kvantefeltteori (QFT) som er konsistent med den spesielle relativitetsteorien. En kvantefeltteori skiller seg fra eldre kvantemekanikk, slik som Schrödinger-teori, ved at også bølgefunksjonen er kvantisert, i tillegg til størrelser som energi, posisjon, og bevegelsesmengde. Kvantisering av bølgefunksjonen er det som gir opphav til partikler. I standardmodellen er alle felter kvantisert, og til og med vekselvirkning mellom partikler skjer ved utveksling av virtuelle partikler. Et eksempel på en vekselvirkning er elektrisk frastøting mellom elektroner, som skjer ved utveksling av virtuelle fotoner. Standardmodellen beskriver også hvordan partikler kan skapes og tilintetgjøres, eller hvordan de går over til andre typer partikler ved kollisjoner. Ved slike overganger er bevaringslover viktige siden de gir rigide skjema for hvilke overganger som er lov og hvilke som er ikke. Eksempler på bevarte størrelser er ladning, energi, og bevegelsesmengde.
Standardmodellen beskriver ikke gravitasjon, og er dermed ikke koplet til den generelle relativitetsteorien. Gravitasjon antas å ha liten betydning på avstander på størrelse med et atom og mindre, men er viktig for en total beskrivelse som ikke bare kan anvendes på atomært og subatomært nivå.
Standardmodellen ble utviklet mellom 1970 og 1973 basert på arbeid tilbake til tidlig på 1900-tallet. Det er en viktig test for naturvitenskapelige teorier at de tillater oss å formulere hypoteser og forutsi verdien av størrelser som kan utprøves og måles. Standardmodellen har forutsagt en rekke nye partikler og verdier som hittil har vist seg å stemme svært godt med testresultater fra forsøk, for eksempel i partikkelakseleratorer.
Massen til partiklene, koplingskonstantene for kreftene samt flere bevaringslover er ikke avledet av grunnprinsipper, men bestemt eksperimentelt. Dette gir en rekke uløste spørsmål (se under). Man vet også at de partiklene som i dag beskrives av standardmodellen bare utgjør omtrent 2–4 % av all masse og energi i det observerbare universet.
Oppbygging av standardmodellen Historikk Standardmodellen er et resultat av mange uavhengige oppdagelser og teorier. Flere viktige prinsipper som Maxwells likninger og lorentztransformasjonen var beskrevet allerede i det 19. århundre sammen med elektronet (1894) og tidlige atommodeller. I 1900 forklarte Max Planck svart-legeme-stråling ved å postulere at energien fra et svart legeme ble formidlet i lyskvanter (fotoner), og regnes som grunnleggeren av kvanteteorien. I 1905 kom Einstein med den spesielle relativitetsteorien som etablerer prinsipper om relativitet mellom observatører i forskjellige referansesystemer, relasjonen mellom masse og energi (E = mc²), noe som også ledet fram til den moderne beskrivelsen av fotonet.
I 1917 beskrev Bohrs atommodell atomet som en positiv kjerne sammensatt av protoner og nøytroner med elektroner med kvantiserte energinivåer i baner rundt atomkjernen. Omkring 10 år senere fikk partikkelfysikken mange gjennombrudd, med Erwin Schödingers bølgeligning (1926) som forklarer elektronets bølgenatur, Wolfgang Paulis utelukkelsesprinsipp (1926) som forklarer det periodiske system, Werner Heisenbergs uskarphetsrelasjon (1927) og Diracligningen (1928) som er den relativistiske bølgeligningen for elektroner. Diraclikningen er det første som kan regnes som en egentlig del av standardmodellen.
Viktige bidrag på 1930 tallet var betastråling og postuleringen av nøytrinoet (Enrico Fermi) samt kvanteelektrodynamikken, som bygger på Diraclikningen og ble ferdigutviklet på 1940-tallet av Richard Feynman, Freeman Dyson, Julian Schwinger, og Sin-Itiro Tomonaga. Den store innsatsen i våpenprogrammene under og etter annen verdenskrig ga tilgang til partikkelakseleratorer med stadig høyere energi og førte til oppdagelsen av en stadig økende mengde kortlivede, energirike partikler. I 1960-årene var behovet for en modell som kunne systematisere alle disse observasjonene åpenbart. Murray Gell-Mann og uavhengig George Zweig foreslo midt på 60-tallet at disse partiklene var bundne tilstander av tre mer fundamentale partikler som Gell-Mann kalte kvarker (etter en linje i James Joyces roman Finnegans Wake: "Three quarks for muster Mark").
I utgangspunktet ble kvarker betraktet som en hensiktsmessig matematisk modell mer en virkelige partikler. Men utover 1960-årene ga en rekke eksperimenter med observasjon av f.eks. partikkelspredning bevis på at kvarkene var virkelige partikler. Videre arbeid gjorde at man mellom 1970 og 1973 kunne utvikle standardmodellen. De partikler og vekselvirkninger som denne beskriver er senere blitt bekreftet eksperimentelt. Som nevnt er standardmodellen ikke en fullstendig beskrivelse, og en rekke egenskaper ligger fremdeles utenfor det området standardmodellen beskriver.
Basis
Partikler og krefter på kvantenivået har ofte en oppførsel som ikke er intuitiv, og som bare kan bestemmes i fra sine matematiske beskrivelser og verifiseres eksperimentelt. En rekke av disse egenskapene er det vanskelig å beskrive i dagligtale, eller illustrere visuelt.
På samme måte som partikkel brukes en rekke navn fra vanlig dagligtale i beskrivelsen av standardmodellen. Eksempler er farge, spinn, opp, topp osv. som opprinnelig ble valgt fordi de skulle være lett å huske, men uten noen annen betydning eller bare en tilfeldig sammenheng med begrepene slik de brukes i vanlig tale. Man kan dermed forledes til å tro at man intuitivt kan forstå hvordan disse systemene oppfører seg, noe som ofte er langt fra realiteten.
Det er et viktig mål innen fysikken at egenskapene skal kunne utledes fra en grunnleggende teori om alt der de enkelte lover, masser, energinivåer osv. bare er spesialtilfeller og instansieringer av generelle prinsipper og der «Detaljene kan beregnes dersom situasjonen er enkel nok til å gjøre en tilnærmelse, noe som sjelden er tilfelle, men der vi ofte allikevel stort sett kan forstå hva som skjer» (R. Feynman). Standardmodellen er ikke en fullstendig slik teori (se figur). left|500px|thumb|Oversikt over teorier innen partikkelfysikk og relativitet
Egenskapene Alle partikler og vekselvirkninger kan beskrives ved en kombinasjon av forskjellige kvantetilstander. Kvantemekanikken beskriver at disse tilstandene er kvantiserte, det vil si at de bare opptrer i multipler av Plancks konstant. Noen av de grunnleggende egenskapene innen standardmodellen er:
Energi: Alle partikler har en viss kvantisert energi (E), som i de fleste partikler gir opphav til masse (m). Dette antas å skje ved higgsmekanismen som beskrives senere. Ofte oppgis derfor hvilemassen som partikkelens energi i elektronvolt delt på lyshastighet i kvadrat: m0 = E / c² (med enheten eV/c²). Total energi er gitt ved Einsteins klassiske formel, med relativistisk masse eller med bevegelsesmengde og hvilemasse: , der m er masse, m0 er hvilemasse, c er lyshastigheten og p er bevegelsesmengde.
Bevegelsesmengde er relativistisk masse ganger hastighet, p = mv (eller for fotoner, som er masseløse, gitt ved p = hf / c, Plancks konstant ganger frekvens delt på lyshastigheten). Relativistisk bevegelsesmengde for hvilemassen m0 ved hastighet v er gitt av:
Elektrisk ladning: Ladning (Q) opptrer i frie partikler i positive og negative heltalls multipler av elementærladningen (e = 1,607 ∙ 10−19 C), og i bundne kvarker også 1/3 e. Elektrisk ladning og vekselvirkning er beskrevet ved elektromagnetisme og kvanteelektrodynamikk. Indre paritet beskriver hvordan symmetrien er ved en paritetstransformasjon (alle akser i koordinatsystemet endrer fortegn). Pariteten er beskrevet som lik eller odd paritet. Ladning og paritet inngår i beskrivelsen av kvanteelektrosvak teori, som er en felles beskrivelse av vekselvirkning ved elektromagnetisme og svak kjernekraft. Spinn: Alle partikler har et indre angulært moment som er kvantisert som , der s = (0, 1/2, 1, 3/2, 2, osv). Spinn er en meget viktig egenskap siden partiklenes statistiske egenskaper bestemmes av om de har heltallig eller halvtallig spinn. Partikler med heltallig spinn kalles bosoner, f.eks. fotoner som har s=1, og partikler med halvtallig spinn som kalles fermioner. Eksempler her er her elektroner og protoner, som har s=1/2. Isospinn beskrives ved et kvantetall (Iz) som er relatert til fargekraften. Hyperladning (Y) er avledet av isospinn og ladning: Y = 2 (Q − Iz). Svakt isospinn: er et kvantetall (Tz) som er relatert til elektrosvak kraftvirkning. Svak hyperladning (Yw) er avledet av svakt isospinn og ladning: Yw = 2 (Q − Tz). Fargeladning: Fargeladningen er en trilling av felter som påvirker hadroner som kvarker, mesoner og gluoner. Fargeladningen beskrives i kvantekromodynamikk og gir opphav til vekselvirkning med fargekraft og videre sterk kjernekraft.
Partikler right|500px|thumb|Oversikt over partikler og familier i standardmodellen For detaljerte partikkeldata, se elementærpartikkel
Basisegenskapene og bevaringslovene gir opphav til metastabile tilstander som kommer til uttrykk som partikler. Standardmodellen gir ikke en fullstendig beskrivelse av hvordan disse tilstandene oppstår. Antallet og energinivåer kan derfor ikke utledes av grunnprinsipper, men er bestemt ved observasjon. Dette skjer f.eks ved spredningsforsøk når man kolliderer partikler med høy energi, og observerer hvordan de partiklene som dannes spres, og hvilke egenskaper disse har. Dette gir informasjon f.eks om massefordeling, ladningsfordeling og spinn, og leder til modeller for oppbygningen. Siden det eksisterer en rekke symmetrier (se nedenfor), kan man ofte regne med at en kjent observasjon vil være gyldig for lignenede partikler og interaksjoner og lede til ytterligere postulerte egenskaper som senere kan verifiseres i nye forsøk.
Standardmodellen beskriver med bakgrunn i dette de enkelte kategorier og generasjoner av partikler og deres antipartikler:
Kvarker bærer tre komponenter av fargeladning (rød, grønn, blå). De kan ikke eksistere fritt, men innelukkes alltid i grupper på tre til baryoner eller to (en kvark og en antikvark) til mesoner som utad er fargenøytrale. Kvarkene forekommer i to hovedtyper, i tre generasjoner. Forskjellen mellom samme type partikkel i hver generasjon er deres masse og en egenskap som betegnes smak (flavor): Opp-type-kvarker (opp, sjarm, topp) har ladning +⅔. Ned-type-kvarker (ned, sær, bunn) har ladning −⅓. Leptoner, som ikke har fargeladning, forekommer også i to hovedtyper i tre generasjoner (med smak som for kvarkene): Elektron-type-leptoner (elektron, myon, og tau) har ladning −1. Nøytrino-type-leptoner (nøytrino, myon-nøytrino og tau-nøytrino) har nøytral ladning (null). Vekselvirkningspartikler er bærere av kraftvirkning mellom partikler: Fotoner bærer elektromagnetisk kraftvirkning. Gluoner formidler fargekraften og er selv bærere av fargeladning. W og Z formidler svak kjernekraft.
+Organisering av fermioner Generasjon 1Generasjon 2Generasjon 3 LadningKvarkeroppsjarmtopp+⅔nedsærbunn−⅓Leptonerelektron-nøytrinomyon-nøytrinotau-nøytrino0elektronmyontau−1