Standardmodellen

Standardmodellen i partikkelfysikken er en teori som beskriver de tre naturkreftene fargekraft, svak kjernekraft og elektromagnetisme, og av elementærpartiklene. 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 Schrödingerteori, 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 frastøtning 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.

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.

Bevaringslover

Allerede i klassisk mekanikk hadde man teorier om bevaring. Termodynamikkens første lov sier f.eks. at energi hverken kan oppstå eller forsvinne. Tilsvarende er summen av de elektriske ladningene i et system bevart.
For vekselvirkninger er en egenskap bevart dersom summen for partiklene er lik før og etter vekselvirkningen. Det ble tidlig observert at visse vekselvirkninger er vanlige mens andre forekommer svært sjelden («forbudte vekselvirkninger»). Disse eksperimentene har ledet til beskrivelsen av kvantetall for elementærpartiklene og bevaringslover som beskriver hvilke tilstander og overganger som forekommer.

Masse og higgspartikkelen

Higgspartikkelen er et hypotetisk elektrisk nøytralt vekselvirkningsboson med spinn 0. Det har en viktig funksjon både i elektrosvak teori og som opphav til masse i partiklene. Det er den eneste partikkelen i standardmodellen som ikke er eksperimentelt oppdaget, og er gjenstand for stor oppmerksomhet, blant annet som et resultat av forestående oppstart av ATLAS-eksperimentet ved CERNs Large Hadron Collider (LHC).
Higgsbosonet er nødvendig får å tilfredsstille gaugesymmetri for vekselvirkningsbosoner med heltalls spinn, spesifikt W⁺, W⁻ og Z⁰. Om de kjente vekselvirkningsbosonene var de eneste i standardmodellen, ville dette av symmetrigrunner betinge null masse, som det er tilfelle for gluoner (kvantekromodynamikk) og fotoner (kvanteelektrodynamikk). Ettersom W- og Z-bosonene har svært høy masse (typisk 80–90 GeV/c²) kreves det en mekanisme som kan forklare dette store symmetribruddet. Også andre effekter krever kanselleringer som i prinsippet ville føre til at alle elementærpartikler (leptoner, baryoner og bosoner) måtte ha null masse om det ikke fantes flere bosoner.
For å løse dette problemet, har man postulert et skalarfelt kalt higgsfeltet (etter Peter Higgs). Et skalarfelt har samme konstante verdi i hele universet, og ingen retning (i motsetning til en vektor). Det har en vakuumforventingsverdi (forventet verdi for feltets variabel i vakuum) som er beregnet til 246 GeV. Higgspartikkelen er en kvanteverdi som kopler dette feltet til partikler som har masse (massive partikler), og koblingens styrke (koblingsfaktoren) avgjør dermed hvor stor massen til partikkelen blir. Tidligere eksperimenter setter en nedre grense for higgsbosonets masse på ca. 115 GeV/c². Det ligger i vekselvirkningen at higgspartikkelen kobler svakt til partikler med lav masse (som opp-, ned-, sær-, sjarm-kvarker og leptoner), og kan trolig bare fremstilles via svært massive partikler som topp- og bunn-kvarker og W- og Z-bosoner, og kan siden detekteres via sine henfallsprodukter som vist i figuren.
CERNs LHC har tilstrekkelig energi til å produsere partikler med dette energinivået og forventes enten å finne Higgs bosoner eller partikler med andre egenskaper som forklarer symmetribruddet og opphavet til partiklenes masse.