Standaard model

FONT SIZE:
fontsize_dec
fontsize_inc
Mei 29, 2016 Karen Kuperus S 0 9
)

Het Standaard Model is een natuurkundige theorie, die drie van de vier bekende fundamentele krachten beschrijft: de sterke wisselwerking, elektromagnetische en zwakke en alle elementaire deeltjes met hen verbonden.

Op basis quantumveldentheorie is een wiskundige theorie van niet-Abelse gauge, renormalizable en consistent met speciale relativiteit.

Voorspellingen van het standaardmodel zijn grotendeels experimenteel geverifieerd met grote precisie, maar het niet begrijpen van de zwaartekracht, die er vandaag de dag een consistente kwantumtheorie, kan niet worden beschouwd als een volledige theorie van de fundamentele interacties.

De standaard voorziet ook in het niet-bestaan ​​van donkere materie, die het grootste deel van de zaak maakt in het universum.

Historische aantekeningen

De eenwording van de elektromagnetische en zwakke interacties in het Standaard Model is te wijten aan Steven Weinberg en Abdus Salam, die zelfstandig uitgebreid en voltooide een eerste formulering van Sheldon Glashow op basis van een theorie van de Yang-Mills ijkgroep SUxU het moeilijkheden ondervonden als gevolg van 'directe invoering van de massa's van de intermediaire vector bosonen. Weinberg en Salam geïntegreerde het werk van Glashow met het voorstel door Peter Higgs en anderen van spontane symmetriebreking, die tot de massa van alle deeltjes in het model beschreven kan geven. Na de ontdekking bij CERN van het bestaan ​​van neutrale stromen gemedieerd door de zwakke boson, zoals vereist door hun theorie, Weinberg, Salam en Glashow werden bekroond met de Nobelprijs voor natuurkunde in 1979.

Het standaard model zoals oorspronkelijk voorgesteld werd beperkt tot leptonen. Quarks de theorie waarvan er begon in de jaren '60 te ontwikkelen, werden later in het model door een scharnierwerk van 1970 van dezelfde Glashow, John Iliopoulos en Luciano Maiani, die 4 quark bijgedragen genaamd uitstraling die was ingebracht Om sterke stromingen aan vreemdheid veranderen onderdrukken. Met de daaropvolgende ontdekking van asymptotische vrijheid, ongeveer de helft van de jaren zeventig de afbakening van het standaard model kon worden gesloten.

De elementaire deeltjes in het Standaard Model

In het standaardmodel elementaire deeltjes zijn gegroepeerd in twee types, op basis van de statistieken die besturen en als gevolg van de rotatie:

  • De fermionen, namelijk quarks en leptonen, die half-integer draai te hebben.

Alle gewone materie die we waarnemen in de macroscopische wereld bestaat kwark en leptonen: atomen bestaan ​​uit een kern en één of meer elektronen die de lichtste tussen de geladen leptonen zijn. De kern bestaat beurt protonen en neutronen die elk bestaan ​​uit drie quarks.

Fermionen zijn gegroepeerd in families, drie leptonen en drie quarks.

De drie families van leptonen elk een geladen deeltje en een bijbehorende neutrino. In tegenstelling tot de quarks, ze hebben niet geen kleur kosten en vervolgens op hen de sterke kracht heeft geen effect.

De drie families van quarks elk een quark lading en een lading. De lichtere quarks zijn op en neer, volgens het schema dat in combinatie uud vormen het proton, en gecombineerd volgens het schema UDD vorm het neutron.

  • De Bosoni, ook bekend als vector bosonen of ijkbosonen dat hun bestaan ​​wordt ingebracht volgens een principe van symmetrie genaamd "gauge" heeft integer spin.

Bosonen blijken de bemiddelende deeltjes van fundamentele interacties: het foton voor de elektromagnetische interactie, de twee geladen bosonen W en Z-boson voor de zwakke interactie, en gluonen voor de sterke interactie.

In het standaard model is het ook zal naar verwachting ten minste één Higgs boson, waarvan de massa wordt gekwantificeerd door het model dat momenteel wordt onderzocht bij te wonen.

De gravitonen, dwz bosonen die worden verondersteld om de gravitationele interactie bemiddelen bij een mogelijke quantum formulering, worden niet beschouwd als in het Standaard Model.

De eenwording van de fundamentele krachten

Het Standaard Model is een voorbeeld van de eenmaking van de fundamentele interacties, omdat de elektromagnetische en de zwakke wisselwerking zijn beide uitingen van een enkele interactie genaamd elektrozwakke kracht. Andere voorbeelden van de eenwording plaatsvond historisch:

  • Isaac Newton toegeschreven aan een zwaartekracht is de vallende lichamen die de beweging van de planeten. Deze vereniging werd universele zwaartekracht genoemd.
  • James Clerk Maxwell, met zijn vergelijkingen, verenigde de elektrische en magnetische krachten in een enkele elektromagnetische interactie. Deze vereniging beschrijft elektromagnetische golven, die we dagelijks gebruiken voor onze telecommunicatie.

Veel deeltjesfysici geloven dat het mogelijk is de eenwording van de krachten nog dieper. De Elektrozwakke wisselwerking en de sterke, in feite wordt gekenmerkt door twee afzonderlijke koppelingsconstanten in het standaardmodel, maar de extrapolatie tot hoge energieën blijkt een eventuele hereniging geven.

Het Standaard Model kan niet begrijpen van de ernst, de behandeling van die in de algemene relativiteitstheorie is niet om nu compatibel met de kwantummechanica.

Het principe van symmetrie in het Standaard Model

Grondslag liggen aan de formulering van het Standaard Model is zet een principe van de symmetrie op basis van de theorie van de Yang-Mills. Dit is nell'invarianza theorie onder geschikte transformaties, zoals ijktransformaties. De ijkinvariantie consistentie en voorspelbaarheid van de wiskundige theorie, namelijk die technisch gedefinieerd renormalizability.

De fundamentele interacties worden vertegenwoordigd in de unitaire groep U OP × SU, dat bestaat uit het product van SU × U beschrijven de elektromagnetische en de zwakke wisselwerking, met aan dat de sterke interacties beschrijft. De beschrijving van de elektromagnetische interacties door middel van de groep U neemt de naam van kwantumelektrodynamica of QED, terwijl de beschrijving van sterke interacties door middel van de groep SU neemt de naam van kwantumchromodynamica of QCD.

Voor elke groep geacht overeen bosonen dragers, die, zoals gezegd, zijn de mediatoren van de in de natuur waargenomen krachten en het aantal afhangt van die van de generator, dat is een wiskundige eigenschap van de groep zelf. Subgroep SU × U bent het foton, bemiddelaar van de elektromagnetische interactie, en de W en Z-bosonen, mediators van de zwakke interactie, terwijl de subgroep SU zijn acht gluonen, met kleur lading.

Gluonen tegenstelling tot de fotonen, die niet geladen zijn, hebben de eigenschap van het hebben van een kleur lading en daarom hun beurt onder de sterke kracht (deze eigenschap kan worden gerelateerd aan het feit dat SU is geen groep abelian). Evenzo vindt plaats voor de W- en Z-bosonen die kunnen communiceren onderling. Deze woning is experimenteel geverifieerd, met name LEP versneller bij CERN.

De massa's van de deeltjes en het Higgs-mechanisme

De ijktheorieën op zichzelf niet in staat vector bosonen beschrijven massa, die zou de theorie niet renormalizable dus incoherent vanuit het oogpunt van fysieke Wiskundig. Dit zou tegenspreken experimenteel waargenomen over de zwakke bosonen W en Z. Het mechanisme van spontane symmetriebreking van de subgroep U x U kan echter ook de massieve bosons in het standaardmodel theorie door het introduceren van een extra deeltje, beurtelings Massive, het Higgs boson. Het Higgs mechanisme kan ook verklaren, maar niet kwantitatief te voorspellen, de massa van fermionen.

4 juli, 2.012 was de aankondiging dat de twee experimenten ATLAS en CMS bij CERN met een hoge nauwkeurigheid een nieuwe boson met een massa tussen 125 en 126 GeV en eigenschappen om aan de Higgs hebben waargenomen. De ontdekking werd later officieel bevestigd 6 maart 2013, tijdens een conferentie gehouden door fysici van CERN in La Thuile.

De drie generaties van fermionen

Fermionen kunnen worden gegroepeerd op basis van hun eigenschappen van de interactie in drie generaties. De eerste bestaat uit elektronen, elektronenneutrino's en op en neer quarken. Alle gewone materie bestaat, zoals we hebben gezien, door elektronen en op en neer-quarks. De deeltjes van de twee generaties grotere massa van het bovenstaande. Door hun grotere massa, leptonen en quarks van de tweede en derde familie kunnen vervallen in lichtere deeltjes opgebouwd uit elementen van de eerste familie. Hiervoor deze deeltjes zijn instabiel en hebben een korte gemiddelde levensduur.

Quarks hebben een kleur lading, waardoor ze onderworpen aan de sterke kracht maakt en dat wordt gemedieerd door gluonen. Zoals reeds vermeld, zijn gluonen uitgerust beurt kleur lading en kan communiceren tussen hen. Daarom, en voor de hoge waarde van de sterke koppelingsconstante, de sterke kracht toeneemt met toenemende afstand, en zorgt ervoor dat quarks en gluonen niet ooit vrij in gewone materie waargenomen, maar alleen in toestanden die gecombineerde Ze hebben totaal kleur lading niets.

De staten van neutrale kleur van quarks worden hadronen genoemd, en zijn verdeeld in baryonen, fermionische soort, samengesteld uit drie quarks, en mesonen, bosonische soort, die bestaat uit een quark-antiquark paar. De totale massa van deze deeltjes groter is dan die van de afzonderlijke componenten wegens de bindingsenergie. Staten neutraal gluonen worden genoemd Engels glueballs.

Naast deze gebonden toestanden zij zijn hypothese ook "exotische" genoemd, bestaande uit verschillende combinaties, zoals pentaquarks, waarvan er geen experimenteel bewijs.

Controles en voorspellingen

Het Standaard Model voorspelt het bestaan ​​van W en Z-bosonen, werden de gluon, de top-quark en charme voordat dergelijke deeltjes waargenomen. Bovendien is experimenteel vastgesteld dat het theoretische eigenschappen van deze deeltjes met goede precisie, die eigenlijk tonen karakter.

Het gaspedaal van elektronen en positronen bij CERN LEP heeft getest en gecontroleerd vele voorspellingen van het Standaard Model, in het bijzonder op het verval van de Z-boson Een van de belangrijkste controles, de bevestiging van het bestaan ​​van de drie families van het licht neutrino's.

Uitdagingen voor het Standaard Model

Hoewel het standaardmodel succes heeft gehad bij het verklaren van de experimentele resultaten is het nooit geaccepteerd als volledige theorie van fundamentele fysica, vanwege de onvolledigheid met name in de volgende punten:

  • Het model bevat ook 19 vrije parameters, zoals de massa van de deeltjes en de koppelingsconstanten die experimenteel worden bepaald, maar al deze massa's kunnen niet onafhankelijk van elkaar zijn berekend, dan moet er een relatie tussen hen niet voorzien door het model.
  • Het model omvat niet de gravitationele interactie.
  • Het model voorziet niet in de aanwezigheid van donkere materie, welk deel van de materie in het heelal zou zijn.
  • De standaard voorziet niet in massa voor neutrino's.

Sinds de voltooiing van het Standaard Model hebben we veel inspanningen om deze beperkingen te overwinnen en zet hem in een volledige theorie geweest. Bijvoorbeeld de massa van de neutrino's kan worden toegevoegd overweegt ook de rechtshandige componenten van deze deeltjes. Een poging om de eerste defect is overwonnen plaats bekend als grand unificatie: de zogenaamde GUT speculeren dat groepen UP UP en U zijn niets anders subgroepen van een andere groep symmetrie nog groter. Bij hoge energieën de symmetrie van de verenigende groep wordt teruggewonnen: bij lagere energieën in plaats daarvan wordt gereduceerd tot SU SU × U om een ​​proces dat bekend staat als spontane symmetriebreking.

De eerste theorie van dit type werd in 1974 voorgesteld door Georgi en Glashow, met SU als een groep van eenwording. Een opvallende eigenschap GUT daarvan is dat, in tegenstelling tot het Standaard Model, bieden al het fenomeen van de proton verval. In 1999, heeft de Super-Kamiokande neutrino observatorium vastgesteld dat hij nooit had gezien een proton verval, de oprichting van een ondergrens aan de hypothetische proton halfwaardetijd van 6,7 × 10 jaar. Deze en andere experimenten zijn ongeldig, weggooien, GUT talloze theorieën, zoals op basis van de groep SU.

Een mogelijke experimentele indicatie een vereniging van de interactie ondersteuning wordt gegeven door de evolutie van de koppelingsconstanten van drie groepen, UP en U bij toenemende energieschaal die evolueert zodanig dat de constanten, geëxtrapoleerd naar grote krachten neigen tot waarden dicht bij elkaar nemen. De convergentie van de waarden van de constanten is niet exact, dat het bestaan ​​van bijkomende verschijnselen nog niet ontdekt die liggen tussen de energieschaal van de massa van de Z en de energie schaal optredende grote vereniging suggereert.

De eerste experimentele bevestiging van de afwijking van de oorspronkelijke formulering van het standaard model was in 1998, toen het experiment Super-Kamiokande gepubliceerde resultaten wijzen op een neutrino oscillatie tussen verschillende types. Dit betekent dat neutrino een massa verschillend van nul, want als ze nul massa niet mogelijk oscillatie tussen verschillende smaken neutrinos zijn, naast het feit dat zij met de snelheid van het licht. Het standaard model geen massa voorziet neutrinos die met de snelheid van het licht, en vereist alleen het bestaan ​​van neutrinos linkshandig of met spin georiënteerd in de tegenovergestelde richting van de richting van hun beweging. Als neutrino massa hebben, dan moet noodzakelijkerwijs reizen langzamer dan de lichtsnelheid en het is mogelijk dat er neutrinos dextrose. Sindsdien hebben fysici het Standaard Model herzien door de invoering van een massa van neutrino's, waarvan 9 extra vrije parameters na de eerste 19 toegevoegd; Dit nieuwe model is nog het Standaard Model genoemd, ondanks de veranderingen.

Een verdere uitbreiding van het Standaard Model kan worden gevonden in de theorie van supersymmetrie, die een enorme supersymmetrische partner om elk deeltje van het Standaard Model conventionele voorstelt. Supersymmetrie voorspelt het bestaan ​​van zware stabiele deeltjes die zeer zwakke interacties met gewone materie hebben. Deze deeltjes zijn genomineerd voor de zogenaamde donkere materie van het heelal te verklaren, zijn er nog geen experimentele bevestiging ter ondersteuning van de supersymmetrische theorie.

Lijst van de deeltjes van het Standaard Model

Vector bosonen:

  • Foton, waarbij de elektromagnetische interactie medieert.
  • W en Z-bosonen, die de zwakke kernkracht bemiddelen.
  • Gluon, in acht verschillende soorten, die de sterke kracht bemiddelt. Zes typen gluonen gelabeld als paren van kleurstoffen en anti-kleuren, terwijl de andere twee een lineaire combinatie van kleur en anticolore, dat de drie paren antirosso-rood, blauw-groene anti blauwzwam antigreen vormen.
  • Higgs boson, dat spontane symmetriebreking van de meter groepen veroorzaakt en is verantwoordelijk voor de trage massa.


Elementaire fermionen verdeeld generaties:

(0)
(0)
Commentaren - 0
Geen reacties

Voeg een Commentaar

smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile
Tekens over: 3000
captcha