המודל הסטנדרטי

המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים הוא מסגרת תאורטית המתארת את הטבע בסדרי גודל קטנים. המודל כולל תיאור של האינטראקציות היסודיות בטבע: הכוח הגרעיני החזק, הכוח הגרעיני החלש והכוח האלקטרומגנטי, וכן את החלקיקים היסודיים המרכיבים את החומר.
המודל מבוסס על תורות כיול: האינטראקציות היסודיות מופיעות בו כתוצאה מהדרישה לקיומן של סימטריות כיול, והחלקיקים נושאי הכוח מופיעים כבוזוני כיול.
המודל מבוסס על עקרונות תורת השדות הקוונטית, והוא מתיישב הן עם מכניקת הקוונטים והן עם תורת היחסות הפרטית. ניסוחו של המודל הושלם בשנות ה-70 של המאה ה-20, והוא תואם בדייקנות את הניסויים הנערכים בתחום החלקיקים האלמנטריים. עם זאת, המודל אינו שלם, בעיקר מכיוון שהוא אינו כולל את הכבידה, ומוגבל לאנרגיות שנמצאות מתחת לסקלת ה-TeV (כמפורט בסוף הערך).

החלקיקים

אמנם המודל הסטנדרטי טעון הרחבה, אבל חלקיקיו מספיקים לתיאור העולם היום-יומי (מלבד הכבידה), ולהסברת מרבית הנתונים שאספו הפיזיקאים של החלקיקים.

פרמיונים

חלקיקי החומר במודל הם פרמיונים, חלקיקים בעלי ספין חצי שלם המצייתים לעקרון האיסור של פאולי, הקובע ששני פרמיונים אינם יכולים לחלוק את אותו מצב קוונטי.
הפרמיונים במודל מחולקים ללפטונים שאינם משתתפים באינטראקציה החזקה ולקווארקים, המשתתפים באינטראקציה זו. בשונה מן הקווארקים, אין ללפטונים תכונת "צבע", הם מגיבים אך ורק עם הכוח האלקטרומגנטי והכוח הגרעיני החלש, ותגובתם נחלשת ככל שהמרחק ביניהם גדל. מאידך, תגובת הקווארקים עם הכוח החזק ועם כוח ה"צבע" מתחזקת ככל שגדל המרחק, כך שקווארקים לעולם ימצאו בשילובים נטולי צבע בשם האדרונים. שילובים אלה הם באריונים פרמיוניים המורכבים משלושה קווארקים (כדוגמת הפרוטון והנייטרון), או מזונים בוזוניים המורכבים מזוג קווארק ואנטי־קווארק (כמו הפאיונים). בנוסף, מחולקים הפרמיונים לשלושה דורות של חלקיקים, כאשר חלקיקי דורות שונים נבדלים ממקביליהם במסה בלבד.
החומר ביקום מורכב בעיקר מחלקיקים השייכים לדור הראשון; חלקיקי שני הדורות הבאים, המיוצרים באופן מלאכותי במאיצי חלקיקים ובתהליכים פיזיקליים טבעיים (בין היתר פולטת השמש קרינת מיואונים), מתפרקים במהירות לחלקיקי דור ראשון. חלקיקי הדור הראשון מתנהגים באופן זהה למקביליהם בשני הדורות האחרים ונבדלים מהם במסה בלבד. לדוגמה, לאלקטרון ולמיואון ספין של חצי והם אינם מגיבים עם הכוח הגרעיני החזק, אך מסתו של המיואון גדולה מזו של האלקטרון פי 200.
במודל הסטנדרטי, חלקיקי הדור הראשון של הפרמיונים הם הלפטונים אלקטרון ונייטרינו אלקטרוני, קווארק "מעלה" (u) וקווארק "מטה" (d) שלשות של קווארקים מסוג מעלה ומטה מתלכדות יחדיו ליצירת פרוטונים (uud) ונייטרונים (udd); אלה מצטרפים ליצירת גרעין האטום.

כללי המשחק

המודל הסטנדרטי מתאר את חלקיקי היסוד וכיצד הם מגיבים ביניהם. על מנת שנבין היטב את הטבע, עלינו לדעת גם מה הם הכללים שעלינו להשתמש בהם כדי לחשב את תוצאותיהן של אינטראקציות. ראו כדוגמה, לשם הבהרת העניין, את החוק השני של ניוטון, F=ma. אנו יודעים ש-F הוא כוח כלשהו, m היא המסה של חלקיק כלשהו ו-a היא תאוצת החלקיק בהשפעת הכוח. גם אם ידועים לנו החלקיקים והכוחות הפועלים עליהם, איננו יכולים לחשב את התנהגות החלקיקים אם איננו מכירים את הכלל F=ma. הגרסה המודרנית של הכללים היא תורת השדות הקוונטית היחסותית, שהומצאה במחצית הראשונה של המאה העשרים. במחצית השנייה של המאה למדו החוקרים, עם פיתוחו של המודל הסטנדרטי, להכיר את טיבם של החלקיקים והכוחות הנוהגים לפי כלליה של תורת השדות הקוונטית. המודל הסטנדרטי גם הרחיב את מושג הכוח הקלאסי: כאשר חלקיקים מגיבים ביניהם, אין הם רק דוחפים או מושכים זה את זה, אלא הם עשויים גם לשנות את זהותם, להיווצר ולהתאיין.
דיאגרמות פיינמן (משמאל), שניסח הפיזיקאי ריצ'רד פיינמן, מסייעות לתת תיאור פשוט ונוח של אינטראקציות בתורת השדות הקוונטית. הקווים הישרים מייצגים את מסלוליהם של חלקיקי חומר; הקווים הגליים מייצגים את מסלוליהם של חלקיקי כוח. אלקטרומגנטיות נוצרת בפליטה ובבליעה של פוטונים על ידי חלקיק טעון כלשהו, כגון אלקטרון או קווארק. בתרשים א', אלקטרון נע פולט פוטון וממשיך לנוע בכיוון חדש. בכוח החזק מעורבים גלואונים שנפלטים (ב') או נבלעים על ידי קווארקים. בכוח החלש מעורבים חלקיקי W ו-Z (ג', ד'), שאותם פולטים ובולעים גם קווארקים וגם לפטונים. ראו כיצד גורם חלקיק W לשינוי זהותו של אלקטרון. ייתכנו אינטראקציות גם בין גלואונים (ה') לבין עצמן וגם בין חלקיקי W או Z לבין עצמם (ו'), אבל לא בין פוטונים לבין עצמם. דיאגרמות א' עד ו' ועד בכלל נקראות "צומתי אינטראקציות". כוחות נוצרים בחיבור של שני צמתים או יותר. לדוגמה, הכוח האלקטרומגנטי בין אלקטרון לקווארק נובע רובו ככולו מהעברת פוטון (ז'). כל מה שקורה בעולמנו, מלבד כבידה, הוא תוצאה של צירופים של צמתים כאלה.