Standart Model

Sözü geçen üç temel kuvvet; elektromanyetik kuvvet, zayıf nükleer kuvvet (elektro-zayıf kuvvet) ve güçlü nükleer kuvvettir. Standart Model'in en büyük başarısı şimdiye dek birçok kez sınanmış olmasına rağmen atom altı parçacıkların özellikleri ile aralarındaki etkileşmelerine ait gözlenebilir nicelikleri büyük hassaslıkta tahmin edebilmesidir. Bununla birlikte yapılan daha hassas deneyler ile Standart Model'in öngördüğü değerler arasında farklar bulunmaktadır. Bunlara ek olarak Standart Model'in temel birçok eksik tarafı vardır.

Standart Model'e göre evren birbirinin kopyası gibi duran 3 tane aileden oluşmaktadır. Birinci aile etrafımızda gördüğümüz maddeyi oluşturmaktadır. İkinci ve üçüncü aileler birinci aileden daha ağırdırlar. Her ailede 2 kuark (yükleri 2e/3, -1e/3), 2 lepton (yükleri -1e, 0e) ve bunlarin anti parçacıkları vardır. Mesela '' parçacıkları 1. aileyi oluşturmaktadırlar. '' parçacıkları 2. aileyi oluşturmaktadırlar ve '' 3. aile olarak sınıflandırılır. 2. aile üyeleri 1.den ve aynı şekilde 3. aile de 2.den daha ağır olmalarıyla beraber, temel özellikleri aynıdır. Bu yüzden Standart Model en basit haliyle bir aile için yazılır ve 3 aileli duruma genişletilir.

Bu sınıflandırmada karşılaşılan bir küçük zorluk, farklı ailelerde aynı yerde olan kuarkların birbirlerine karışmalarıdır. Mesela d, s ve b birbirine karışırlar. Bu karışım matematiksel olarak 3x3 bir üniter matrisle ifade edilir. 2 aileli durum için ilk defa Nicola Cabibbo tarafından yazılan bu matris, 3 aileli duruma Makoto Kobayashi ve Toshihide Maskawa tarafından genelleştirdiği için onların isimlerinin baş harfleri ile anılır: CKM matrisi.

Yukarıda bahsi geçen bütün kuarklar ve leptonlar elektromanyetizma ve zayıf nükleer gücün birleşimi olan elektro-zayıf kuvvet ile etkileşirler. Bu kuvveti bozonları taşırlar. İlaveten, kuarkların sadece kendi aralarında etkileşmelerini sağlayan bir kuvvet daha vardır. Buna güçlü etkileşim denir; taşıyıcıları (gluon) lardır. SM bu iki kuvvetin etkilerini Kendiliğinden Simetri Kırılması (KSK) ile birlikte anlatır.

Standart Model temel olarak SU(3)×SU(2)×U(1) ayar gruplarına ait simetrileri içeren bir kuantum alan teorisidir. Bu simetri modelin en temel simetrilerinden birisidir ve parçacıklar kendi aralarında bu ayar simetrilerinin sonucu olarak etkileşmelere ya da yukarıdaki kuvvetleri alıp vermektedirler. Standart Model'i ifade eden denklem içerisine Standart Model parçacıklarına ait kütle terimleri ayar simetrilerini kırmadan eklenememektedir. Fakat 1964 yılında üç farklı grup tarafından Robert Brout ve François Englert, Peter Higgs, ve Gerald Guralnik, C. Richard Hagen, ve Tom Kibble tarafından yayınlanan makaleler ile ayar alanlarının kuantumlarının yanında tüm madde alanlarına kütle kazandırabilecek ve 4 serbestlik derecesine sahip skaler ve daha sonra Higgs alanı adı verilen ekleme yapılmıştır. Bu ekleme ile skaler Higgs alanı uygun bir potansiyel ile vakum beklenen değerinin 0'dan farklı bir yerde olması sağlanmıştır. Bu sayede 4 serbestlik derecesinden 3 adedi CERN tarafından daha önceki deneylerde keşfedilmiş olan W+/- Z0 bozonlarına yapışarak kütle kazanmalarına yardımcı olmaktadır. Geriye kalan bir serbestlik derecesi Standart Model'in bir öngörüsü olarak kendisi ile etkileşmeye girmekte ve 0-spine sahip skaler bir parçacığın kütle kazanmasına sebep olmaktadır. Bu parçacığa da Higgs parçacığı adı verilmiştir.

SNO ve SuperKamiokande deneyleri daha önce sanılanın aksine, yüksüz leptonların () çok da küçük olmasına rağmen bir kütleye sahip olduklarını keşfettiler. Standart Model'de bu durum öngörülmemiş olsa da, basit bir ekleme ile bu problem çözülebilir.