Partikelfysikkens standardmodel

• Standardmodellen
• Quarker
• Leptoner
• Fermioner
• Antipartikler
• Hadroner
• Baryoner
• Mesoner
• Størrelsesforhold i atomet
• Vekselvirkninger  
• Den elektromagnetisk kraft
• Residual elektromagnetisk kraft
• Den stærke kraft
• Residual stærk kraft
• Den svage kraft
• Gravitation
• Bosoner
• Higgs boson

Standardmodellen

Standardmodellen forklarer, hvordan de ca. 200 partikler man har fundet, er opbygget ud fra:

• quarker, der kan sammensættes til partikler
• leptoner
• vekselvirkningspartikler (kraftbærende partikler), der overfører information mellem quarker og leptoner.

[ TOP ]

Quarker

Quarker er punktformige og uden indre struktur. Quarker sammensættes til andre partikler. Der er seks quarker, der er grupperet i par efter deres masse og ladning. Parrene kaldes generationer. Hver quark har en antipartikel, en antiquark. Navnet på antikvarken fås ved at sætte forstavelsen anti- foran navnet på quarken.

[ TOP ]

Leptoner

Leptoner (let) er punktformige og uden indre skruktur. Leptoner kan ikke sammensættes til andre partikler. Hver lepton har en antipartikel, en antilepton.

De tungere leptoner, myon (middeltung) og tau (tung) findes ikke i almindeligt stof. Det skyldes at de meget hurtigt henfalder eller transformeres til lettere leptoner.  Elektronen og de tre slags neutrinoer er stabile. Når en tung lepton henfalder vil et af henfaldsprodukterne altid være den tilsvarende neutrino. De andre henfaldsprodukter kan være en quark og dens antikvark eller en anden lepton og dens antineutrino. Antallet af medlemmer af hver generation er konstant i et henfald. Dette udtrykkes via elektron-tallet, myon-tallet og tau-tallet.

Elektron-tallet, myon-tallet og tau-tallet er altid bevaret når en tung lepton henfalder til lettere leptoner.

ex. En myon henfalder til en myon-neutrino, en elektron og en elektron antineutrino.

Neutrinoer har ingen elektrisk - og color (stærk) ladning. De vil derfor næsten aldrig vekselvirke med andre partikler. De fleste neutrinoer passerer gennem Jorden uden at vekselvirke med et eneste atom. På grund af denne egenskab og fordi der blev produceret store mængder neutrinoer i det tidlige univers er der stadig mange af dem i Universet. Selvom en neutrino har meget lille masse vil det store antal give et væsentligt bidrag til universets totale masse og dermed påvirke dets udvidelse.

[ TOP ]

Fermioner

Fermioner er quarker og leptoner. Alt kendt stof er opbygget af fermioner.

Første generations quarker og leptoner er de eneste partikler, der skal til for at opbygge alt stabilt stof. Anden og tredje generations fermioner var nødvendige for at danne universet. Højenergiprocesser producerer en stor mængde kortlivede partikler, og for at producere disse er anden og tredje generations quarker og leptoner nødvendige.

[ TOP ]

Antipartikler

For hver partikler findes en antipartikel, hvilket vises med en streg over partikelsymbolet.
Antipartikler ser ud som og opfører sig ligesom deres tilsvarende stof-partikel bortset fra, at de har modsat ladning. Fx. er en proton positivt elektrisk ladet, mens en antiproton er elektrisk negativ. Gravitation påvirker stof og antistof på samme måde da de har samme masse.

Når en stof- og antistof-partikel mødes vil de annihileres (udslettes) og blive til ren energi.

[ TOP ]

Hadroner

Hadroner er opbygget af tre quarker, qqq eller af et quark-antiquark par, qq.
Hadroner har heltallig ladning.

[ TOP ]

Baryoner

Baryoner er hadroner bestående af tre quarker, qqq eller tre antiquarker, qqq. Der findes ca. 120 baryoner.

Flere baryoner

ËDenne regnemaskine finder den resulterende baryon når man kombinerer tre quarker fra de to første generationer. Antipartikeln fås ved at udskifte alle quarkerne med derers anti-quarker.

[ TOP ]

Mesoner

Mesoner er hadroner bestående af et quark-antiquark par, qq. Der findes ca. 140 mesoner.

Flere mesoner

[ TOP ]

Størrelsesforhold i atomet

	Illustration	Størrelsesforhold
		i atomer	i meter	Model
Atomet		1	10-10	10 km
Kernen		1       10 000	10-14	1 m
Nukleon		1      100 000	10-15	10 cm
Elektron		1   100 000 000	< 10-18	< 0,1 mm
Quark		1 1 000 000 000	< 10-19

[ TOP ]

Vekselvirkninger

Standardmodellen omfatter tre typer kræfter mellem partikler: stærk, svag og elektromagnetisk. Gravitation er endnu ikke inddraget.

Kraftoverførsel sker mellem partiklerne ved udveksling af specielle kraft-bærende partikler kaldet bosoner, der overfører en bestemt mængde energi fra en partikel til en anden. Hver kraft har sin egen karakteristiske boson, hvilket fremgår af tabellen herunder.

En kraft-bærende partikel kan kun absorberes eller produceres af en stofpartikel, som påvirkes af den tilsvarende kraft. Fx. har elektroner og protoner elektrisk ladning, så de kan producere og absorbere den elektromagnetiske kraftbærende partikel, fotonen. Neutrinoen har derimod ingen elektrisk ladning, så de kan ikke absorbere eller producere fotoner.

I standardmodellen er det lykkedes at forene den elektromagnetiske og den svage kraft til den såkaldte elektrosvage kraft. Forskerne forsøger også at inddrage den stærke kraft via  teorien kaldet "Grand Unified Theory" (GUT) og håber på senere også at kunne inddrage gravitation.

[ TOP ]

Den elektromagnetiske kraft

Den elektromagnetiske kraft bevirker at ens ladede genstande frastøder hinanden mens modsat ladede tiltrækker hinanden. Fx. friktionskraften (gnidningskraften) og magnetisme skyldes den elektromagnetiske kraft.

Den kraftbærende partikel ved elektromagnetisme er fotonen, γ. Fotoner med forskellige energier udgør det elektromagnetiske spektrum med røntgenstråling, synligt lys, radiobølger osv. Fotoner har (så vidt vi ved) ingen masse og bevæger sig med lysets hastighed.

[ TOP ]

Residual elektromagnetisk kraft

Atomer har normalt samme antal protoner og elektroner og er derfor elektrisk neutrale. Det der får neutrale atomer til at danne stabile molekyler er den residuale elektromagnetiske kraft, hvor de ladede dele af et atom vekselvirker med de ladede dele af et andet atom.

Atomerne er elektrisk neutrale, men elektronerne i det ene atom tiltrækkes af protonerne i det andet og omvendt.

[ TOP ]

Den stærke kraft

Den stærke kraft binder quarker sammen så de kan danne hadroner fx. neutroner og protoner, der udgør atomkernen.

Quarker har elektrisk ladning men de har også color-ladning (farve-ladning) også kaldet stærk ladning. Den tilsvarende kraftbærende partikel kaldes gluon (limpartikel). Gluoner har også color-ladning.

Color-ladede partikler udveksler gluoner i stærke vekselvirkninger. Når to quarker er tæt på hinanden udveksler de gluoner og danner et meget stærkt color kraftfelt som binder quarkerne sammen. Dette kraftfelt bliver stærkere jo mere quarkerne fjernes fra hinanden. Quarker skifter hele tiden deres color-ladning mens de udveksler gluoner med andre quarker.

Der findes tre color-ladninger og tilsvarende tre anticolor-ladninger. Hver quark har en af de tre color-ladninger og hver antiquark har en af de tre anticolor-ladninger. Gluoner har color-ladning og anticolor-ladning.

Quarker	Color			Gluoner
	Rød	Grøn	Blå
Anti-quarker	Anti-rød	Anti-grøn	Anti-blå
	Anti-color

Sammensatte partikler, der er dannet af quarker har ingen color-ladning. De er color-neutrale.

Color-ladede partikler kan ikke forekomme enkeltvis. De color-ladede quarks findes kun med andre quarker i sammensatte partikler (hadroner)  og kun i kombinationer der er color-neutrale.
Hvis tre quarker kombineres fås en baryon. Ligesom et mix af rødt, grønt og blåt lys giver hvidt lys, så giver en kombination af  rød, grøn og blå color-ladning en baryon, hvis color-ladning er neutral. En antibaryon dannet af  tre antiquarks med anticolorladningerne antirød, antigrøn og antiblå er ligeledes color-neutral.
Hvis en quark og en anti-quark kombineres fås en meson. Mesoner er også color-neutrale, da de består af en kombination af fx. rød og antirød.
Partikler som ud eller uddd bliver ikke color-neutrale og forekommer derfor ikke.

Color-ladning er bevaret i gluon-emissions og -absorptionsprocesser.

[ TOP ]

Residual stærk kraft

Den residuale kraft er den stærke kraft mellem quarkerne i en proton i atomkernen og quarkerne i en anden proton i kernen. Denne kraft er stærkere end den frastødende elektromagnetiske kraft mellem de to protoner og er årsagen til at atomkernen holdes sammen.

[ TOP ]

Den svage kraft

Den svage kraft er ansvarlig for henfaldet af de tunge quarker og leptoner til de lettere. Når fundamentale partikler henfalder ser vi partiklen forsvinde og blive erstattet af to eller flere partikler. Selvom den totale masse og energi er bevaret bliver nogle af den oprindelige partikels masse konverteret til kinetisk energi og de resulterende partikler har altid mindre masse end den oprindelige partikel, der henfaldt.

Al stabilt stof i Universet er opbygget af de mindste quarker, up quarken og down quarken, den letteste ladede lepton, elektronen og neutrinoerne. Disse partikler ikke kan henfalde yderligere.

Når en lepton skifter type (fx. en myon bliver til en elektron) siges den at skifte flavour. Skiftet i flavour skyldes den svage vekselvirkning.

De kraftbærende partikler ved den svage vekselvirkning er W⁺, W^- og Z partiklerne. W-partiklerne er elektrisk ladede og Z er neutral.

Ex. En neutron henfalder til en proton, en elektron og en antineutrino via en virtuel W boson dvs. et beta minus henfald.

Standardmodellen har forenet elektromagnetiske vekselvirkninger og svage vekselvirkninger fælles vekselvirkning kaldet elektrosvag.

[ TOP ]

Gravitation

Standardmodellen kan ikke forklare gravitation (tyngdekraften).

Den kraftbærende partikel for gravitation er endnu ikke fundet, men dens eksistens er forudsagt. Den kaldes graviton.

Heldigvis er gravitationens virkninger meget små i partikelfysiske situationer sammenlignet med de andre vekselvirkninger, så teori og eksperiment kan sammenlignes uden at tage hensyn til gravitationen.

[ TOP ]

Bosoner

Bosoner er kraftbærende partikler, γ, W^- , W⁺ , Z⁰ og g.

Hver quark bærer én af tre typer color-ladning (stærk ladning).
Der findes otte mulige typer af color-ladning for gluoner.
Ligesom elektrisk ladede partikler vekselvirker ved at udveksle fotoner, så vekselvirker color-ladede partikler ved at udveksle gluoner.
Leptoner, fotoner og W og Z bosoner vekselvirker ikke stærkt og har derfor ingen color-ladning.

[ TOP ]

Higgs boson

I standardmodellen får partikler masse gennem Higgs mekanisme: "Betragt Hr. Pitt som er flink til at jogge og derfor er ganske let (omend ikke helt masseløs). Imidlertid er Hr. Pitt også ganske berømt og har derfor mange fans. Hvis nu Hr. Pitt skulle nå fra den ene ende af Sunset Boulevard til den anden efter sin morgen-latte på Starbucks på en solrig søndag ville følgende ske. Hr. Pitt ville tiltrække så mange fans omkring sig at han ikke ville kunne bevæge sig hurtigere end en mere massiv person i ringe form. Hans fans ville klumpe omkring ham og de ville forsinke ham markant, dvs, gøre ham massiv og træg. Dette er Higgs-mekanismen frit efter David Millerbeskrivelse." (citat fra Mads Toudal Frandsen: "LHC, Higgs-partiklen og et stort hul Texas", Gamma nr. 148 s.32).
Ifølge standardmodellen vekselvirker både stof-partikler og de kraft-bærende partikler med en ny partikel, kaldet Higgs boson. Det er styrken af denne vekselvirkning der giver anledning til det vi kalder masse. Jo stærkere vekselvirkning, des større masse. Man håber at finde Higgs boson ved hjælp af CERN's Large Hadron Collider (LHC).

[ Toppen af siden ] [ Ordliste ] [ Tilbage til hovedsiden ]