مدل استاندارد (ذرات بنیادی)

مدل استاندارد (ذرات بنیادی)
مدل استاندارد فیزیک ذرات بنیادی، نام نظریه‌ای مربوط به نیروهای الکترومغناطیس، هسته‌ای قوی، هسته‌ای ضعیف و همچنین طبقه‌بندی ذرات زیراتمی شناخته‌شده‌است. این مدل در نیمه دوم قرن بیستم در نتیجه تلاش‌های مشارکت‌آمیز دانشمندان در عرصه جهانی شکل گرفت.
فرمول‌بندی کنونی آن در اواسط دهه ۱۹۷۰ پس از تایید تجربی وجود کوارک، نهایی شد. از آن زمان تا کنون کشف کوارک سر(۱۹۹۵)، تاو نوترینو (۲۰۰۰) و به تازگی، بوزون هیگز(۲۰۱۳) بر اعتبار این مدل افزوده‌اند. به دلیل توانایی آن در توضیح نتایج تجربی، از مدل استاندارد گاهی با نام نظریه تقریبا همه‌چیز یاد می‌شود.
اگرچه این باور وجود دارد که مدل استاندارد از لحاظ نظری خود-سازگار است
و موفقیت زیاد و پیوسته‌ای در ارائه پیش‌فرض‌های تجربی داشته‌است، هنوز از توضیح برخی از پدیده‌های فیزیکی بازمانده‌است و همچنین نظریه جامعی برای توصیف برهمکنش‌های بنیادی نیست زیرا نظریه کاملی برای گرانش آن طور که توسط نسبیت عام بیان شده، نیست
و همچنین از توضیح انبساط شتابدار جهان ناتوان است. مدل شامل هیچ ذره قابل قبولی برای ماده تاریک که با ویژگیهای منتج از مشاهدات کیهان‌شناسی تجربی سازگار باشد، نیست. این مدل همچنین نوسان نوترینو (و جرم‌های غیر صفرشان) را شامل نمی‌شود.
بر اساس مدل استاندارد (ذرات بنیادی) ماده از ۶۱ ذره تشکیل شده که این ذرات در سه دسته قرار می‌گیرند:
لپتون‌ها
کوارک‌ها
واسطه‌ها
مدل استاندارد برهمکنشهای قوی، الکترومغناطیسی و ضعیف بنیادی را با بکارگیری نظریه میدانهای کوانتومی بیان می‌کند. نظریه پیمانه‌ای آن بر پایه تقارن موضعی گروه‌هایSU(3) C * SU(2) L *U(1) Y می‌باشد. C نشان دهنده رنگ، L کایرالیتی چپگرد و Y فوق بار ضعیف است.
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 عبدالسلام
سازوکار 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 به طور 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 تایید 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
خلاصه برهم‌کنش‌های میان ذرات بر اساس مدل استاندارد.
مدل استاندارد شامل ۱۲ ذره بنیادی با اسپین 1⁄2 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 تاثیر 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.
بوزون‌های پیمانه‌ای
نمودارهای فاینمن در مدل استاندارد از این راس‌ها ساخته می‌شوند. تغییرات مربوط به درنظرگرفتن بوزون هیگز و نوسان نوترینو از آن حذف شده‌اند. بار بوزون‌های دبلیو توسط فرمیونی که با آن برهمکنش دارند تعیین می‌شود؛ شکل مزدوج هر یک از راس‌های لیست شده (یعنی وارونگی جهت پیکان‌ها) نیز مجاز است.
در مدل استاندارد، بوزون‌های پیمانه‌ای به عنوان حامل نیروهای بنیادی الکترومغناطیس، هسته‌ای قوی و هسته‌ای ضعیف تعریف می‌شوند.
در فیزیک، برهمکنش‌ها راه‌هایی هستند که ذرات روی یکدیگر تاثیر می‌گذارند. در مقیاس ماکروسکوپی، الکترومغناطیس از طریق میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی امکان برهم‌کنش را فراهم می‌کند و گرانش سبب می‌شود که ذرات جرم‌دار بر اساس نظریه نسبیت عام با یکدیگر برهم‌کنش انجام دهند. مدل استاندارد این برهم‌کنش‌ها (نیروها) را به شکل تبادل نوعی از ذرات با نام ذرات واسطه، بین ذرات مادی توصیف می‌کند. وقتی یک ذره واسطه نیرو میان دو ذره دیگر تبادل می‌شود در مقایس ماکروسکوپی به نظر می‌رسد که نیرویی روی هردو ذره تاثیر می‌گذارد و از این رو گفته می‌شود که ذره حامل، واسطه تاثیر نیرو شده‌است. محاسبات مربوط به نمودار فاینمن که تقریبی گرافیکی از نظریه اغتشاش هستند، از مفهوم ذرات واسط نیرو بهره می‌برند و نتایج کاربرد آنها در تحلیل آزمایش‌های پخش پرانرژی، همخوانی قابل قبولی با داده‌ها دارد. هرچند که نظریه اغتشاش (و به همراه آن مفهوم ذره واسط نیرو) در شرایط دیگری با شکست روبه‌رو می‌شوند. از جمله این شرایط می‌توان به کرومودینامیک کوانتومی کم‌انرژی، حالت ثابت و سالیتون اشاره نمود.
بوزون‌های پیمانه‌ای مدل استاندارد همه دارای اسپین هستند. از آنجا که بوزون هستند، مقدار اسپین آنها ۱ است. به همین دلیل آنها، برخلاف فرمیون‌ها از اصل طرد پاولی پیروی نمی‌کنند: به همین دلیل هیچ حد نظری برای چگالی فضایی بوزون‌ها (تعداد در حجم) وجود ندارد. انواع مختلف بوزون‌های پیمانه‌ای در زیر توضیح داده شده‌اند.
فوتونها که واسطه تاثیر نیروی الکترومغناطیس بین ذرات دارای بار الکتریکی هستند. فوتون‌ها جرم ندارند و توسط نظریه الکترودینامیک کوانتومی به خوبی توصیف می‌شوند.
بوزون‌های پیمانه‌ای