Mudell Standard

Il-Mudell Standard (MS) hu teorija kwantistika tal-kampi (rinormalizzabbli) li tiddeskrivi l-partiċelli elementari kollha magħrufa sal-lum u tlieta mill-erba' forzi fundamentali magħrufa, jiġifieri l-interazzjoni qawwija, elettromanjetika u dgħajfa (l-aħħar tnejn huma magħqudin flimkien fl-interazzjoni elettrodgħajfa). Il-forza gravitazzjonali hi l-unika interazzjoni magħrufa li mhijiex deskritta mill-Mudell Standard. Din it-teorija kwantistika tal-kampi taqbel mal-mekkanika kwantistika kif ukoll mar-relattività ristretta.

Illum, il-previżjonijiet tal-Mudell Standard ġew fil-parti l-kbira verifikati sperimentalment bi preċiżjoni għolja ħafna. Madankollu ma jistax jitqis bħala teorija kompluta tal-interazzjonijiet fundamentali. Infatti din it-teorija ma tinkludix il-gravità li għaliha sal-lum ma teżistix teorija kwantistika koerenti. Barra minn hekk ma tipprevedix, l-eżistenza tal-materija skura li tagħmel parti kbira mill-materija li teżisti fl-univers.

Storja 
Il-formulazzjoni tal-unifikazzjoni tal-interazzjoni elettromanjetika u l-interazzjoni dgħajfa fil-Mudell Standard nafuha lil Steven Weinberg, Abdus Salam u, qabilhom lil Sheldon Glashow . L-ewwel formulazzjoni bbażata fuq il-grupp tal-guage SU(2)xU(1) nafuha lil S. Glashow imma din il-proposta iltaqgħet ma' diffikultajiet li għandhom x'jaqsmu mal-introduzzjoni diretta tal-mases tal-bożoni intermedji vetturi. Wara indipendentement minn xulxin Weinberg fl-1967 u Salam fl-1968 estendewh u komplewh billi integrawh mal-proposta ta' Peter Higgs u oħrajn tal-ksur spontanju tas-simetrijali biha il-partiċelli kollha deskritti fil-mudell setgħu jingħataw massa.

Wara l-iskoperta fis-CERN tal-eżistenza ta' kurrenti newtrali dgħajfa  medjati mill-bożon , kif bassar il-Mudell Standard, Weinberg, Glashow u Salam ġew mogħtija l-Premju Nobel għall-Fiżika fl-1979. 

Il-mudell kif kien propost oriġinarjament kien limitat għall-leptoni. Il-quarks ġew introdotti aktar tard permezz tax-xogħol pivotali tal-1970 ta' Glashow istess, John Iliopoulos u Luciano Maiani li introduċew ir-raba' quark, imsejjaħ charm, li kellu l-għan li jegħleb bil-qawwa l-kurrenti u l-bidla fl-istramberija (mekkaniżmu GIM).

Il-partiċelli elementari fil-Mudell Standard 

Fil-Mudell Standard il-partiċelli fundamentali huma miġbura f'żewġ kategoriji: 
 il-partiċelli li jiffurmaw il-materja, li huma kollha fermijoni, jiġifieri l-quarks u l-leptoni. Dawn tal-aħħar huma magħmulin mill-leptoni ċċarġjati u n-newtrini. 
 il-partiċelli medjatriċi tal-forzi, li huma kollha bożoni, magħrufin wkoll bħala bożoni vettorjali jew bożoni tal-gauge (il-fotoni, il-bożoni ,    u ż- u l-gluoni) billi l-eżistenza tagħhom ġiet introdotta skond prinċipju ta' simetrija, magħruf bħala s-simetrija tal-gauge)

Il-materja ordinarja kollha li nosservaw fid-dinja makroskopika hi magħmula minn quarks u leptoni: infatti hi magħmula minn atomi, li huma stess huma komposti minn nukleu u minn għadd ta' elettroni, li huma l-eħfef fost il-leptoni ċċarġjati. In-nukleu stess hu magħmul minn protoni u newtroni, li kull wieħed minnhom hu kompost minn tliet quarks. 

Fil-Mudell Standard il-fermijoni huma miġbura ġo familji, tlieta għal-leptoni u tlieta għall-quarks. 
Kull waħda mit-tliet familji ta' leptoni fiha partiċella ċċarġjata (rispettivament elettron, muon u taw) u newtrino li jikkorrispondi magħhom. 
Kull waħda mit-tliet familji ta' quarks fiha quark ta' ċarġ +2/3 u ieħor ta' ċarġ –1/3. L-eħfef quarks huma up (u) u down (d), li magħquda flimkien skont l-iskema uud jiffurmaw il-proton (ta' ċarġ +2/3+2/3–1/3 = +1), u magħqudin skont l-iskema udd jiffurmaw in-newtron (ta' ċarġ +2/3 –1/3 –1/3 = 0).

Il-bożoni tal-gauge li jimmedjaw l-interazzjonijiet huma: il-foton permezz tal- interazzjoni elettromanjetika, 
iż-żewġ bożoni ċċarġjati W u il-bożon Z permezz tal-interazzjoni dgħajfa u l-gluoni permezz tal-interazzjoni qawwija.

Il-Mudell Standard mistenni li jkun fih mill-inqas bożon ta' Higgs wieħed 
li l-massa tiegħu mhux prevista mill-Mudell, u bħalissa qed jiġi riċerkat minn xi esperimenti kbar, fosthom l-Esperiment Atlas u l-Compact Muon Solenoid u fuq kollox il-LHC, ta’ CERN li dan l-aħħar kellhom riżultati kważi konklużivi .

Il-gravitoni, jiġifieri, il-bożoni li xi xjenjati jaħsbu li jistgħu jimmedjaw 
l-interazzjoni gravitazzjonali f'waħda mill-formulazzjonijiet kwantistiċi possibbli tagħha, mhumiex inklużi fil-Mudell Standard.

L-unifikazzjoni tal-forzi fundamentali 

Il-Mudell Standard huwa eżempju ta' unifikazzjoni ta' interazzjonijiet fundamentali għaliex  l-interazzjonijiet elettromanjetiċi u dgħajfa huma flimkien manifestazzjonijiet ta' interazzjoni waħda li tissejjaħ elettrodgħajfa. Storikament kien hemm eżempji oħra ta' unifikazzjoni: 
 Isaac Newton attribwixxa għal forza waħda tal-gravità, il-waqgħa tal-korpi  u l-mixi tal-pjaneti. Din l-unifikazzjoni saret tissejjaħ il-gravità universali. 
 James Clerk Maxwell bl-ekwazzjonijiet li jġibu ismu, unifika l-forzi elettriċi u manjetiċi fl-interazzjoni elettromanjetika. Din l-unifikazzjoni tiddeskrivi l-mewġ elettromanjetiku li nużaw kuljum fit-telekomunikazzjoni.

Ħafna fiżiċi tal-partiċelli jemmnu li tista' ssir unifikazzjoni tal-forzi iżjed profonda. L-interazzjoni elettrodgħajfa u l-qawwija, fil-fatt, huma karatterizzati minn żewġ kostanti ta' rabta li fil-Mudell Standard huma ffissati, iżda l-estrapolazzjoni tagħhom għal enerġiji ogħla tista' tkun mod ta' unifikazzjoni. 

Il-Mudell Standard ma jistax jinkludi l-gravità, li t-trattament tagħha fir- Relattività Ġenerali bħalissa mhux kompatibbli mal-mekkanika kwantistika.

Il-prinċipju ta' simetrija fil-Mudell Standard 

Il-formulazzjoni tal-Mudell Standard hi bbażata fuq prinċipju ta' simetrija. Dan jikkonsisti fl-invarjanza taħt trasformazzjonijiet imsejħa trasformazzjonijiet tal-gauge. L-invarjanza tal-gauge tiggarantixxi l-konsistenza matematika u l-prevedibbiltà tat-teorija, jiġifieri dik li teknikament 
tissejjaħ ir-rinormalizzabbiltà tat-teorija. 

It-trasformazzjonijiet tal-gauge jikkorrispondu ma' xi ġeneraturi: il-bożoni vetturi, li jiddeskrivu l-forzi osservati fin-natura li huma dawk deskritti mill-grupp unitarju SU (3)×SU(2)×U(1). Dan il-grupp hu magħmul mill-prodott tal-grupp SU(2 )×U (1) li jiddeskrivi l-interazzjonijiet elettromanjetiċi u dgħajfa, u l-grupp SU(3) li jiddeskrivi l-interazzjonijiet qawwija. 

Id-deskrizzjoni tal-interazzjonijiet elettromanjetiċi permezz tal-grupp U(1) tissejjaħ elettrodinamika kwantistika, jew QED, filwaqt li d-deskrizzjoni tal-interazzjonijiet qawwija permezz tal-grupp SU(3) tissejjaħ kromodinamika kwantistika, jew QCD.

Il-partiċelli li jimmedjaw fil-forzi tas-simetriji tal-gauge 

Fit-teorija tal-gauge, ma' kull grupp ikkunsidrat jikkorispondi
għadd ta' xi bożoni vetturi u l-għadd tagħhom jiddependi min-numru ta ' 
ġeneraturi, li huwa proprjetà 
matematika tal-grupp stess. Mas-sottogrupp SU(2)×U (1) 
jikkorrispondu il-foton, il-medjatur tal-interazzjoni 
elettromanjetika, u il-bożoni W (iċċarġjat) u Z (newtrali)]] 
medjaturi tal-interazzjoni dgħajfa, filwaqt li mas-sottogrupp 
SU(3) jikkorispondu tmien gluoni, mogħnija b'ċarġ tal-kulur. 

Il-gluoni, kontra l-fotoni, li għandhom ċarġ elettriku żero, għandhom il-propjetà taċ-ċarġ tal-kulur, u għalhekk huma soġġetti għall-forza qawwija (din il-proprjetà għandha x’taqsam mal-fatt li SU(3) huwa grupp mhux abeljan). 
L-istess jiġri fil-każ tal-bożoni W u Z li jistgħu jinteraġixxu bejniethom. 
Din il-proprjetà ġiet ivverifikata sperimentalment, b'mod partikolari 
fuq l-aċċeleratur LEP ta' CERN.

Il-mases tal-partiċelli u l-mekkaniżmu ta' Higgs 

It-teoriji tal-gauge, fihom infishom, ma jistgħux jiddeskrivu il-bożoni vetturi mogħnija bil-massa, u dan jikkontradixxi dak li ġie osservat sperimentalment. Min-naħa l-oħra, il-bożoni vetturi massivi jagħmlu t-teorija mhux rinormalizzabbli, allura inkoerenti mill-punto di vista matematiku. 
Biex niddeskrivu korrettament il-partiċelli massivi fil-Mudell Standard inżidu l-mekkaniżmu tal-ksur spontanju tas-simetrija. Is-sottogrupp U(2)×U(1) jinkiser spontanjament, u għalhekk bożon massiv ieħor imsejjaħ il-bożon ta’ Higgs, ġie introdott fit-teorija. 
Il-mekkaniżmu ta' Higgs jista' wkoll jispjega, mingħajr tbassir kwantitattiv, il-preżenza tal-mases tal-fermijoni. 

Fl-4 ta’ Lulju 2012 tħabbar f'CERN li fl-esperimenti ATLAS u CMS tal-LHC ġiet osservata b’sigurtà ta’ 99.9996%, partiċella kompatibbli mal-bożon ta' Higgs b’massa bejn 125 GeV u 126 GeV .

It-tliet ġenerazzjonijiet ta' fermijoni 
Il-fermijoni jistgħu jiġu raggruppati skond il-proprjetajiet tagħhom ta' interazzjoni fi tliet ġenerazzjonijiet: l-ewwel magħmula minn elettroni newtrino u Quarks, Quark up u Quark down. Kull materja ordinarja tikkonsisti, kif rajna, minn elettroni u quarks up u down. Il-partiċelli taż-żewġ ġenerazzjonijiet li jmiss għandhom massa ikbar minn ta' qabel ta' hawn fuq (safejn nafu, għall newtrini il-kejl ma jippermettux qis dirett tal-massa, iżda biss il-valuri assoluti tad-differenzi fil-massa). Minħabba li għandhom massa akbar, il-leptons u l-Quarks tat-tieni u t-tielet familja (jew il-partiċelli ffurmati minnhom) jistgħu jinqasmu f'partiċelli eħfef magħmula minn elementi tal-ewwel familjal. Għalhekk, dawn il-partiċelli huma instabbli u jkollhom nofs-ħajja qasira. 

L-elettron il-muon u t-taw u n-newtrini li jikkorrispondu magħhom neutrino huma klassifikati bħala leptoni.  
Kontra l-Quarks, dawn ma għandhomx ċarġ tal-kulur u allura l-forza nukleari qawwija m'għandha l-ebda effett. 
Il-Quarks, għandhom ċarġ tal-kulur li jagħmilhom suġġetti għall-forza qawwija, li hi medjata mill-bożoni vetturi msejħin gluoni. Il-gluoni għandhom ċarġ bil-kulur u jistgħu jinteraġixxu bejniethom. Għal din ir-raġuni u minħabba l-valur għoli ta' kostanti tar-rabta, il-forza qawwija tiżdied mad-distanza, u hekk il-Quarks qatt ma jistgħu jiġu osservati ħielsa fil-materja ordinarja, imma biss magħqudin fi stati li għandhom ċarġ tal-kulur. 

Dawn l-istati b'kulur newtrali jissejħu adroni, u huma maqsuma f'barjoni tat-tip fermijoniku, magħmul minn tliet Quarks (protoni u newtroni), u meżoni, tat-tip bożoniku, kompost minn par quark-antiquark  (pijoni). Il-massa totali ta' dawn il-partiċelli hi iżjed minn dik tal-komponenti individwali minħabba l-enerġija tar-rabta.  
Minbarra dawn l-istati marbuta ġew ipotizzati wkoll dawn li jsejħulhom stati eżotiċi magħmulin minn kombinazzjonijiet varji, bħall-pentaquark. Madankollu, sal-lum, m'hemmx xhieda sperimentali għal dawn l-istati.

Verifiki u tbassir 

Il-Mudell Standard bassar l-eżistenza tal-bożoni W u Z, il-gluon, tal-quarks top u ċ-charm qabel ma dawn il-partiċelli ġew osservati. Ġie ivverifikat sperimentalment ukoll li l-karatteristiċi teoretiċi ta' dawn il-partiċelli jaqblu bi preċiżjoni kbira ma' dawk li fil-fatt jidhru li għandhom fin-natura. 

L-aċċeleratur ta' elettroni u pożitroni LEP ta' CERN ittestja u vverifika 
ħafna mit-tbassiriet tal-Mudell Standard, b'mod partikolari dwar id-diżintegrazzjoni tal-bożoni Z. Fost il-verifiki li saru ta' min isemmi dawk tal-eżistenza ta' tliet familji ta' newtrini ħfief.

Sfidi għall-Mudell Standard 

Għalkemm il-Mudell Standard kellu suċċess kbir fl-ispjegazzjoni tar-riżultati sperimentali, qatt ma ġie aċċettat bħala teorija sħiħa tal-fiżika fundamentali, minħabba n-nuqqasijiet tiegħu partikolarment il-punti li ġejjin: 

 Il-mudell fih xi 19-il parametru ħieles, bħall-mases tal-partiċelli, li jridu jiġu determinati b'mod sperimentali (ma' 19-il parametru ieħor għall-mases tan-newtrini), iżda dawn mases ma jistgħux jiġu kkalkulati indipendentement minn xulxin, u għalhekk għandu jkun hemm bejniethom xi relazzjoni mhux prevista tal-mudell. 
 Il-mudell ma jistax jinkludi l-interazzjoni gravitazzjonali. 
 Il-mudell jonqos milli jbassar l-eżistenza tal-materja skura, li tagħmel il-parti l-kbira tal-materjal eżistenti fl-Univers. 

Minn mindu kien lest il-Mudell Standard saru ħafna sforzi biex jintgħelbu dawn il-limiti u jibdluh f’teorija sħiħa. It-tentattiv biex jintgħeleb l-ewwel nuqqas hu magħruf bħala l-Unifikazzjoni l-Kbira. It-teorija msejħa GUT ("Grand Unification, Theory) tissuġġerixxi li l-gruppi SU(3 ), SU(2) u U(1) mhumiex ħlief sottogruppi ta' grupp ta' simetrija ikbar. F'enerġiji għolja (barra l-kapaċità tal-esperimenti tallum) is-simetrija tal-grupp unifikatur tibqa' konservata, f'enerġiji aktar baxxi min-naħa l-oħra il-grupp jinżel għall-SU(3)×SU(2)×U(1) permezz tal-proċess magħruf bħala l-ksur spontanju tas-simetrija. 

L-ewwel teorija ta' dan it-tip ġiet proposta fl-1974 minn Howard Georgi u Sheldon Glashow, bil-grupp SU(5) bħala l-grupp ta' unifikazzjoni. Il-GUT għandu l-proprjetà li m'għandux il-Mudell Standard. Din hi li jista' jbassar il-fenomenu tad-diżintegrazzjoni tal-protoni. Fl-1999 l-Osservatorju tan-Newtrini, Super-Kamiokande stabbilixxa li qatt ma osserva diżintegrazzjoni tal-protoni, u hekk stabilixxa l-limitu l-aktar baxx ta’ 6.7×1032 sena għan-nofs ħajja ipotetika tal-proton. Dan u esperimenti ipprovaw li ħafna teoriji GUT, fosthom dik ibbażata fuq il-grupp SU(5) kienu foloz, u dawn ġew skartati.

L-evoluzzjoni tal-kostanti tar-rabta tat-tliet gruppi SU(3), SU(2) u U(1) li tat-support tat indikazzjoni sperimentali possibbli lil xi unifikazzjoni tal-interazzjonijiet. Meta tiżdied l-iskala l-enerġija (teknikament imsejħa running) din tevolvi b'mod li l-kostanti, estrapolati għal enerġiji kbar, għandhom it-tendenza li jkollhom valuri viċin ta' xulxin. Madankollu, il-konverġenza tal-valuri tal-kostanti mhix preċiża, u nistgħu nissuspetaw li jeżistu fenomeni oħra li għadna ma skoprejnihomx li jidhru bejn l-iskala ta' enerġija tal-massa taż-Z u l-iskala ta' enerġija li fiha titwettaq l-unifikazzjoni l-kbira. 

L-ewwel konferma sperimentali tad-devjazzjoni mill-formulazzjoni oriġinali tal-Mudell Standard saret fil-1998, meta l-esperiment Super-Kamiokande ippubblika riżultati li indikaw xi oxxillazzjoni tan-newtrini bejn tipi differenti. Dan implika li n-newtrini għandhom massa differenti minn żero, peress li kieku l-massa kienet żero ma kienx jista' jkun hemm l-oxxillazzjoni bejn togħmiet differenti ta' newtrini, minbarra l-fatt li jridu jivvjaġġaw bil-veloċità tad-dawl. Il-Mudell Standard ma jipprevedix li n-newtrini għandhom massa, u jissoponi biss l-eżistenza ta' newtrini xellugin, jiġifieri l-ispin tagħhom hu orjentat fid-direzzjoni opposta għad-direzzjoni tal-mixi tagħhom. Kieku n-newtrini kellhom massa, kienu bilfors jivvjaġġaw b'veloċità inqas minn tad-dawl u kienu jistgħu jeżistu newtrini leminin (infatti kien ikun possibbli li tgħaddi jew taqbeż newtrino bl-għażla ta' sistema ta' referenza li fiha d-direzzjoni tal-mixi tiegħu tinqaleb mingħajr effett fuq l-ispin tiegħu, u hekk isir lemini). Minn dakinhar il-fiżiċi rrevedew il-Mudell Standard u introduċew massa għan-newtrini, li żiedet 9 parametri ħielsa oħra (3 mases, 3 angoli ta' taħlit u 3 fażi) mad-19 li kienu diġà hemm; dan il-mudell ġdid għadu jisejjaħ il-Mudell Standard, minkejja l-bidliet li sarulu

It-teorija tas-Supersimetrija nistgħu inqisuha bħala estensjoni oħra tal-Mudell Standard. Din li tipproponi li kull partiċella tal-Mudell Standard konvenzjonali għandha sieħba supersimetrika bil-massa. Is-Supersimetrja tbassar l-eżistenza 
ta' partiċelli tqal stabbli li għandhom interazzjonijiet dgħajfa mal-materja ordinarja. Dawn il-partiċelli kienu kandidati fl-ispjegazzjoni tal-hekk imsejħa materja skura tal-univers.

Lista tal-partiċelli tal-Mudell Standard 

Dawn huma l-bożoni medjaturi (imsejħin bożoni tal-gauge) li hemm fil-Mudell Standard:
 Il-fotoni, li jimmedjaw l-interazzjoni elettromanjetika.
 Il-bożoni W u Z, li jimmedjaw l-interazzjoni nukleari dgħajfa.
 Il-gluoni, fi tmien tipi differenti, li jimmedjaw il-forza nukleari qawwija. Sitt tipi ta' gluoni huma mmarkati bħala pari ta' kulur u anti-kulur (pereżempju, gluon jista' jkun aħmar u anti-blu), filwaqt li l-tnejn l-oħra huma kombinazzjoni lineari ta' kulur u antikulur, li jiffurmaw it-tliet pari aħmar-antiaħmar, blu-antiblu, aħdar-antiaħdar. 
 Il-Bożon ta' Higgs, li jwassal għall-ksur spontanju tas-simetrija tal-gruppi tal-gauge u hu responsabbli għall-massa inerzjali. 

Dawn huma l-fermijoni tal-Mudell Standard imqassma skont il-ġenerazzjoni:

Referenzi

Bibljografija 
 
 
 
 
 

Interazzjonijiet fundamentali
Partiċelli elementari
Fiżika