مدل استاندارد (ذرات بنیادی)

تاریخچه

نخستین گام به سوی مدل استاندارد، کشف شلدون گلاشو در سال ۱۹۶۱ بود که راهی برای ترکیب الکترومغناطیس و نیروی هسته‌ای ضعیف یافت.
در سال ۱۹۶۷ استیون واینبرگ
و عبدالسلامسازوکار هیگز را به نظریه الکتروضعیف گلاشو افرودند
و شکل امروزی آن را پدیدآوردند.
چنین پنداشته می‌شود که سازوکار هیگز به همه ذرات بنیادی مدل استاندارد جرم می‌بخشد. این موضوع جرم بوزون‌های دبلیو و زد و همچنین جرم فرمیونها یعنی کوارکها و لپتونها را نیز شامل می‌شود.
پس از کشف جریان خنثای ناشی از تبادل بوزون زد در سرن در سال ۱۹۷۳،
نظریه الکتروضعیف مورد پذیرش همگانی قرار گرفت و واینبرگ، عبدالسلام و گلاشو جایزه نوبل فیزیک سال ۱۹۷۹ را برای این کشف به‌طور مشترک به خود اختصاص دادند. بوزون‌های دبلیو و زد در سال ۱۹۸۱ به شکل تجربی کشف شدند و مشاهده شد که جرمشان با مقدار پیش‌بینی شده در مدل استاندارد مطابقت داشت.
نظریه برهمکنش هسته‌ای قوی که بسیاری در آن مشارکت داشتند، شکل امروزی خود را در حدود سال‌های ۷۴–۱۹۷۳ یافت، یعنی زمانی که آزمایش‌ها تأیید نمودند که هادرونها از کوارک‌های با بار کسری تشکیل‌شده‌اند.

پیش‌زمینه

در حال حاضر، بهترین راه فهمیدن ماده و انرژی، از طریق سینماتیک وبرهمکنشهای ذرات بنیادی است. تا به امروز فیزیک قوانین حاکم بر برهمکنش‌های میان تمام شکل‌های شناخته‌شده ماده و انرژی را به مجموعه کوچکی از نظریه‌ها و قوانین بنیادی کاهش داده‌است. یکی از اهداف اصلی دانش فیزیک این است که زمینه مشترکی بیابد تا بتوان تمام این نظریه‌ها را در قالب یک نظریه همه‌چیز یکپارچه سازد، به گونه‌ای که همه قوانین شناخته‌شده دیگر حالت خاصی از آن باشند.

ذرات موجود در مدل

مدل استاندارد اعضای از دسته‌های مختلف ذرات بنیادی (فرمیونها، بوزون‌های پیمانه‌ای و بوزون هیگز) را شامل می‌شود که به نوبه خود توسط ویژگیهای دیگری مانند بار رنگ از هم تمایز پیدا می‌کنند.

فرمیون‌ها

مدل استاندارد شامل ۱۲ ذره بنیادی با اسپین ½ می‌شود که فرمیون نام دارند. بر اساس قضیه اسپین-آمار، فرمیون‌ها از اصل طرد پاولی پیروی می‌کنند. هر فرمیون یک پادذره متناظر دارد.
فرمیون‌های مدل استاندارد بر اساس چگونگی برهمکنش آن‌ها (یا بارهایی که حمل می‌کنند) طبقه‌بندی می‌شوند. فرمیون‌ها شامل شش نوع کوارک (بالا، پایین، افسون، شگفت، سر، ته) و شش نوع لپتون (الکترون، الکترون نوترینو، میون، میون نوترینو، تاو، تاو نوترینو) می‌شوند. در هر رده ذرات به صورت دو به دو جفت می‌شوند و تشکیل یک نسل را می‌دهند که ذرات آن‌ها رفتار فیزیکی متشابهی از خود نشان می‌دهند.
ویژگی تعریف‌کننده کوارک این است که دارای بار رنگ می‌باشد و به همین دلیل در برهمکنش هسته‌ای قوی شرکت می‌کند. پدیده‌ای به نام حبس رنگ سبب می‌شود که کوارک‌ها تمایل زیادی به ایجاد پیوندهای قوی با یکدیگر و تشکیل ترکیب‌های از نظر رنگی، خنثی (هادرون) می‌شود که یا از یک کوارک و پادکوارک (مزون) یا از سه کوارک (باریون) تشکیل شده‌اند. ذرات شناخته‌شده پروتون و نوترون، دو باریون با کوچکترین جرم ممکن هستند. کوارک‌ها همچنین حامل بار الکتریکی و ایزواسپین ضعیف هستند. به همین دلیل با سایر فرمیون‌ها هم از طریق الکترومغناطیس و هم نیروی هسته‌ای ضعیف، برهم‌کنش دارند.
شش فرمیون باقی‌مانده دارای بار رنگ نیستند و لپتون نامیده می‌شوند. هر سه نوع نوترینو فاقد بار الکتریکی نیز هستند و از این رو حرکت آن‌ها تنها تحت تأثیر نیروی هسته‌ای ضعیف قرار می‌گیرد و آشکارسازی آن‌ها بسیار دشوار است؛ اما الکترون، میون و تاو به دلیل داشتن بار الکتریکی از طریق الکترومغناطیس نیز برهم‌کنش دارند.
هریک از اعضای یک نسل از ذره متناظر خود در نسل قبلی جرم بزرگتری دارد. نسل نخست ذرات باردار دچار واپاشی نمی‌شوند؛ به همین دلیل ماده معمولی (باریونی) از چنین ذراتی تشکیل شده‌است. تمام اتم‌هایی که از الکترون‌هایی تشکیل شده‌اند که به دور هسته اتم می‌گردند، در نهایت از کوارک‌های بالا و پایین تشکیل می‌شوند. نسل‌های دوم و سوم ذرات باردار نیمه‌عمرهای بسیار کوتاه دارند و به سرعت واپاشی می‌شوند و تنها در محیط‌های بسیار پرانرژی یافت می‌شوند. هیچ‌یک از نسل‌های نوترینوها واپاشی نمی‌شوند و جهان را دربرگرفته‌اند اما به ندرت با ماده باریونی برهمکنش دارند.

بوزون هیگز

بوزون هیگز یک ذره جرم‌دار نرده‌ای بنیادی است که نظریه مربوط به وجود آن توسط رابرت بروت، فرانسوا انگلرت، پیتر هیگز، جرالد گورالنیک، سی آر هیگن، و تام کیبل در سال ۱۹۶۴ مطرح شد و از بنیان‌های کلیدی مدل استاندارد است.
اسپین ذاتی ندارد و به همین دلیل در رده بوزون‌ها طبقه‌بندی می‌شود.
بوزون هیگز نقش منحصر بفردی در مدل استاندارد بازی می‌کند، زیرا توضیح می‌دهد که چرا همه ذرات بنیادی به جز فوتون‌ها و گلوئون‌ها دارای جرم هستند. به‌طور خاص، بوزون هیگز توضیح می‌دهد که چرا فوتون جرم ندارد اما بوزون‌های دبلیو و زد بسیار پرجرم هستند. جرم ذرات بنیادی و تفاوت میان الکترومغناطیس (که توسط فوتون‌ها جاری می‌شود) و نیروی هسته‌ای ضعیف (که توسط بوزون‌های دبلیو و زد جاری می‌شود) در ساختار میکروسکوپی (و در نتیجه ماکروسکوپی) ماده از بسیاری جهات اهمیت دارند. در نظریه الکتروضعیف، بوزون هیگز به لپتون‌ها و کوارک‌ها جرم می‌بخشد. از آنجا که بوزون هیگز دارای جرم است باید با خودش نیز برهمکنش داشته باشد.
از آنجا که بوزون هیگز ذره بسیار پرجرمی است و تقریباً بلافاصله پس از پیدایش، واپاشی می‌شود، تنها یک شتاب‌دهنده ذره‌ای بسیار پرانرژی می‌تواند آن را مشاهده و ثبت کند. آزمایشهای مربوط به تأیید و تعیین ماهیت بوزون هیگز توسط برخورددهنده هادرونی بزرگ (LHC) در سرن از اوایل سال ۲۰۱۰ آغاز شد و تا زمان پایان آن در اواخر ۲۰۱۱ در تواترون آزمایشگاه فرمی انجام می‌شد.
در ۴ جولای ۲۰۱۲، هر دو آزمایش اصلی LHC (آزمایش اطلس و سیم‌لوله فشرده میونی)، به‌طور مستقل گزارش دادند که که ذره جدیدی با جرمی در حدود ۱۲۵ GeV/c۲ (تقریبا ۱۳۳ برابر جرم پروتون) یافته‌اند که با بوزون هیگز همخوانی دارد. اگرچه ویژگیهای متعددی از آن شبیه به ساده‌ترین ذره هیگز پیش‌بینی‌شده می‌باشد،
آنها پذیرفتند که کار بیشتری نیاز است تا بتوان نتیجه گرفت که این ذره واقعاً بوزون هیگز است و دقیقاً با کدام نسخه از بوزون هیگز مدل استاندارد همخوانی بیشتری دارد.
در ۱۴ مارس ۲۰۱۳، وجود بوزون هیگز با اندکی تردید، تأیید شد.

تعمیم مدل استاندارد

اگر بخواهیم نیروی گرانشی را نیز در مدل استاندارد وارد کنیم یک ذره به نام گراویتون لازم داریم. این ذره تاکنون در آزمایشگاه مشاهده نشده‌است.