Osakestefüüsika standardmudel

Standardmudel ehk elementaarosakeste füüsika standardmudel on kvantfüüsika teooria, mis kirjeldab tugevat, nõrka ja elektromagnetilist jõudu ning neid vahendavaid või nendega interakteeruvaid elementaarosakesi. See on relativistlik kvantväljateooria, mis püüab ühendada kvantmehaanikat ja erirelatiivsusteooriat.
Teooria loodi ning seda arendati 20. sajandi teisel poolel paljude füüsikute ühistööna. Teooria arengut on toetanud nii eksperimentaalsed kui teoreetilised avastused. Praeguse kuju omandas teooria 1970. aastate keskpaigas, kui eksperimentaalselt kinnitati kvarkide olemasolu.
Hiljem on teooriat kinnitanud ka b-kvargi (1977), t-kvargi (1995) ja tauneutriino (2000) eksperimentaalne avastamine.
Hiljaaegu (2011–2012) avastatud uus boson on kandidaat Higgsi bosonile, mis on viimane teooria poolt ennustatud, kuid eksperimentaalselt avastamata osake.
Tänu võimele seletada suurt hulka eksperimentaalseid tulemusi kutsutakse standardmudelit ka "peaaegu kõige teooriaks".
Mudel ei ole siiski täiuslik kõikide fundamentaalsete interaktsioonide teooria, sest see ei kirjelda gravitatsioonijõudu ega ennusta universumi kiirenevat paisumist. Teoorias puuduvad võimalikud tumeaine ja tumeenergia osakesed, millel oleksid kõik nõutud omadused, mida kosmoloogilised vaatlused ennustavad. Ka ei ennusta standardmudel neutriinode ostsillatsioone ega nende nullist erinevaid masse.
Viimasel ajal on standardmudel leidnud rakendust ka väljaspool osakestefüüsikat, näiteks astrofüüsikas, kosmoloogias ja tuumafüüsikas.
Ajalugu.
Esimesed sammud standardmudeli poole tegi Sheldon Lee Glashow, kui ta 1960. aastal avastas võimaluse ühendada elektromagnetism ja nõrk vastasmõju.
1967. aastal sidusid Steven Weinberg ja Abdus Salam Higgsi mehhanismi Glashow' elektronõrga interaktsiooni teooriasse, andes talle tänapäevase kuju.
Usutakse, et Higgsi mehhanism annab massi kõikidele standardmudeli elementaarosakestele. See sisaldab W- ja Z-bosonite ja fermionide (st kvarkide ja leptonite) masse.
Pärast Z-bosoni tekitatud neutraalsete voolude avastamist CERN-is 1973. aastal sai elektronõrk teooria laialt tunnustatuks ning Glashow, Salam ja Weinberg said selle avastamise eest 1979. aastal Nobeli füüsikaauhinna.
W- ja Z-bosonid avastati eksperimentaalselt 1981. aastal ja nende massid vastasid standardmudelis prognoositule.
Tugeva interaktsiooni teooria sai tänapäevase kuju 1973. ja 1974. aastal, kui eksperimendid kinnitasid, et hadronid koosnevad murdarvuliste laengutega kvarkidest.
Elementaarosakesed.
Standardmudelis on 61 elementaarosakest . Need jagunevad fermionideks, kalibratsioonibosoniteks ja Higgsi bosoniks. Fermionid (spinniga ) moodustavad mateeria, kalibratsioonibosonid (spinniga 1) vahendavad fundamentaalseid vastastikmõjusid ning Higgsi boson (spinniga 0) annab Higgsi mehhanismi kaudu teistele osakestele (peale footoni ja gluuoni) massi.
Fermionid.
48 osakest standardmudelis on fermionid. Nende spinn on ning nende käitumist iseloomustavad Fermi-Diraci statistika ja allumine Pauli keeluprintsiibile.
Fermionid omakorda jaotatakse kvarkideks (u, c, t, d, s, b) ning leptoniteks (elektron, müüon, tauon ja nendele vastavad neutriinod). Lisaks on igal fermionil antiosake, mis erineb ainult elektrilaengu märgi poolest.
Kvargid erinevad teistest fermionidest murdarvulise elektrilaengu poolest. Kvargid on kas up-tüüpi (u, c, t, laenguga +) või down-tüüpi (d, s, b, laenguga -).
Teine eristav omadus on see, et need kannavad värvilaengut ning saavad seetõttu astuda tugevasse vastastikmõjusse. Kvarkvangistuse tõttu ei saa kvargid üksikult esineda, vaid nad moodustavad liitosakesi (hadronid), kus on kas kvark ja antikvark (mesonid) või kolm kvarki (barüonid).
Ülejäänud fermionid (leptonid) ei kanna värvilaengut ning jagunevad kaheks: elektrilaenguga ja elektrilaenguta osakesteks. Elektrilaenguga leptonitel (elektron, müüon, tauon) on kõigil laeng −1e ning nad saavad interakteeruda nii elektromagnetilise kui ka nõrga vastastikmõjuga. Väikese massiga ja laenguta neutriinod (elektronneutriino, müüneutriino ja tauneutriino) saavad interakteeruda ainult nõrga vastastikmõju kaudu.
Teistpidi jaotatakse fermionid kolme põlvkonda, kus igaühes on up- ja down-tüüpi kvark, neutriino ning vastav elektrilaenguta lepton. Igas põlvkonnas on osakeste füüsikalised omadused sarnased, kuid põlvkonna numbri suurenedes suureneva massiga.
Esimese põlvkonna osakesed on stabiilsed (st ei lagune spontaanselt) ning sellest tulenevalt koosneb kogu tavaline (barüoniline) mateeria nendest osakestest (u- ja d-kvark ning elektron). Konkreetsemalt, kõik aatomid koosnevad aatomituumast, mis koosneb u- ja d-kvarkidest, ning seda ümbritsevatest elektronidest. Kõrgemate põlvkondade osakesed on aga ebastabiilsed ja väga lühikese elueaga ning neid saab vaadelda ainult väga kõrge energiaga olukordades (nt osakeste kiirendid või kosmilised kiired).
Kõik neutriinod on stabiilsed ja liiguvad vabalt läbi universumi, kuid interakteeruvad väga harva barüonilise ainega.
Kalibratsioonibosonid.
Standardmudelis on kalibratsioonibosonid (footonid, gluuonid ning W+, W- ja Z-bosonid) osakesed, mis kannavad üle tugevat, nõrka ja elektromagnetilist vastasmõju. Neid kutsutakse ka vaheosakesteks ja jõu kandjateks.
Kõikide kalibratsioonibosonite spinn on 1. Need alluvad Bose-Einsteini statistikale ja seetõttu ei ole nad Pauli keeluprintsiibiga piiratud. Sellest tulenevalt ei ole teoreetilist piiri selle kohta, kui mitu bosonit saab paikneda samas ruumiosas.
Footonid vahendavad elektromagnetilist vastasmõju elektrilaengutega osakeste vahel. Footon on massita osake ja selle käitumist kirjeldab hästi kvantelektrodünaamika.
W+, W- ja Z-bosonid kannavad üle nõrka vastasmõju kvarkide ja leptonite vahel. Need osakesed on kõik massiivsed. W-bosonitel on elektrilaeng ja seetõttu mõjutavad neid elektrilaenguga osakesed. W-bosonid interakteeruvad ainult "paremakäeliste" osakeste või "vasakukäeliste" antiosakestega. Z-boson, mis on laenguta, kuid W-bosonitest massiivsem, interakteerub kõikide "parema-" ja "vasakukäeliste" osakeste ja antiosakestega. Neid kolme kalibratsioonibosonit ja footonit käsitletakse ka ühiselt elektronõrga vastasmõju kandjatena.
Kaheksa gluuonit vahendavad tugevat interaktsiooni värvilaengutega osakeste vahel. Gluuonid kannavad ise samuti värvilaengut ja seetõttu interakteeruvad nad nii iseenda kui kvarkidega. Need osakesed on sarnaselt footoniga massitud. Gluuoneid ja nende interaktsiooni kirjeldab kvantkromodünaamika.
Higgsi boson.
Higgsi boson on massiivne elementaarosake, mille eksistentsi ennustasid
Robert Brout, François Englert, Peter Higgs, Gerald Guralnik, Carl Richard Hagen ja Tom Kibble 1964. aastal ning mis on oluline osa standardmudelist. Selle spinn on 0, mistõttu klassifitseeritakse see bosoniks (sarnaselt kalibratsioonibosonitega, millel on täisarvuline spinn).
Higgsi bosonil on standardmudelis unikaalne roll, kuna see seletab, miks teistel elementaarosakestel (peale footoni ja gluuoni) on mass. Konkreetselt seletab Higgsi boson, miks footon on massitu, aga W- ja Z-bosonid väga massiivsed. Elementaarosakeste massid ja erinevused nõrga (mida kannavad üle W- ja Z-bosonid) ning elektromagnetilise (mida kannab üle footon) vastasmõju vahel on väga olulised mateeria mikrostruktuuri ja sellest tulenevalt makrostruktuuri uurimisel. Elektronõrga vastasmõju teoorias kirjeldab Higgsi boson leptonite ja kvarkide masse. Kuna Higgsi bosonil endal on mass, siis järelikult peab ta ka iseendaga interakteeruma.
Kuna Higgsi boson on väga massiivne ja laguneb peaaegu kohe pärast tekkimist, siis saab seda vaadelda ainult väga suure energiaga osakeste kiirendis. Eksperimente, mis proovivad Higgsi bosonit vaadelda, tehti kuni 2011. aastani Fermilabi kiirendis Tevatron ja 2010 algas töö CERN-is kiirendil LHC. Et standardmudel oleks matemaatiliselt kooskõlaline, on vaja, et iga massi tekitav mehhanism muutuks tuvastatavaks energiatel, mis on suuremad kui .
LHC on ehitatud selleks, et põrgatada kokku prootonite kiiri 7–8 TeV juures; selle üks eesmärk on uurida just seda, kas Higgsi boson eksisteerib ja missugused on selle omadused.
4. juulil 2012 teatati, et LHC kahe peamise eksperimendi – ATLASe ja CMS-i – käigus on leitud uus boson, mille mass on umbes , mis on "kooskõlas Higgsi bosoniga". Kuigi leitud osakesel on omadusi, mis meenutavad Higgsi bosonit, tunnistasid mõlemad uurimisrühmad, et lõpliku kinnituse saamiseks, et tegu on tõesti Higgsi bosoniga, tuleb uurimist jätkata. Samuti vajab väljaselgitamist, millist standardmudeli versiooni see sel juhul kõige paremini toetab.