Καθιερωμένο Πρότυπο

Φερμιόνια

Τα φερμιόνια είναι σωματίδια που ενώνονται μεταξύ τους και αποτελούν όλη την "ύλη" που βλέπουμε. Παραδείγματα ομάδων φερμιονίων είναι το πρωτόνιο και το νετρόνιο. Τα φερμιόνια έχουν ιδιότητες, όπως το φορτίο και η μάζα, οι οποίες είναι ορατές στην καθημερινή ζωή. Έχουν επίσης και άλλες ιδιότητες, όπως το σπιν, το ασθενές φορτίο, το υπερφορτίο και το χρωματικό φορτίο, των οποίων τα αποτελέσματα δεν εμφανίζονται συνήθως στην καθημερινή ζωή. Σε αυτές τις ιδιότητες δίνονται αριθμοί που ονομάζονται κβαντικοί αριθμοί.

Τα φερμιόνια είναι σωματίδια των οποίων οι αριθμοί σπιν είναι ίσοι με έναν περιττό, θετικό αριθμό επί το ήμισυ: 1/2, 3/2, 5/2, κλπ. Λέμε ότι τα φερμιόνια έχουν "μισό ακέραιο σπιν".

Ένα σημαντικό γεγονός για τα φερμιόνια είναι ότι ακολουθούν έναν κανόνα που ονομάζεται αρχή αποκλεισμού του Pauli. Ο κανόνας αυτός λέει ότι δεν μπορούν να υπάρχουν δύο φερμιόνια στην ίδια "θέση" την ίδια στιγμή, επειδή δεν μπορούν δύο φερμιόνια σε ένα άτομο να έχουν τους ίδιους κβαντικούς αριθμούς την ίδια στιγμή. Τα φερμιόνια υπακούουν επίσης σε μια θεωρία που ονομάζεται στατιστική Fermi-Dirac. Η λέξη "φερμιόνιο" τιμά τον φυσικό Ενρίκο Φέρμι.

Υπάρχουν 12 διαφορετικοί τύποι φερμιονίων. Κάθε τύπος ονομάζεται "γεύση". Τα ονόματά τους είναι:

• Κουάρκ - πάνω, κάτω, παράξενο, γοητεία, πάνω, κάτω
• Λεπτόνια - ηλεκτρόνιο, μιόνιο, ταυ, νετρίνο ηλεκτρονίου, νετρίνο μιονίου, νετρίνο ταυ. Το ηλεκτρόνιο είναι το πιο γνωστό λεπτόνιο.

Τα κουάρκ ομαδοποιούνται σε τρία ζεύγη. Κάθε ζεύγος ονομάζεται "γενιά". Το πρώτο κουάρκ σε κάθε ζεύγος έχει φορτίο 2/3 και το δεύτερο κουάρκ έχει φορτίο -1/3. Τα τρία είδη νετρίνων έχουν φορτίο 0. Το ηλεκτρόνιο, το μιόνιο και το ταυ έχουν φορτίο -1.

Η ύλη αποτελείται από άτομα και τα άτομα αποτελούνται από ηλεκτρόνια, πρωτόνια και νετρόνια. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια αποτελούνται από πάνω και κάτω κουάρκ. Μπορείτε να βρείτε ένα λεπτόνιο από μόνο του, αλλά ποτέ δεν μπορείτε να βρείτε κουάρκ από μόνα τους. Αυτό συμβαίνει επειδή τα κουάρκ συγκρατούνται μεταξύ τους από τη δύναμη του χρώματος.

Μια εικόνα των τριών κουάρκ σε ένα πρωτόνιο

Bosons

Τα μποζόνια είναι ο δεύτερος τύπος στοιχειωδών σωματιδίων στο καθιερωμένο μοντέλο. Όλα τα μποζόνια έχουν ακέραιο σπιν (1, 2, 3, κ.λπ...), έτσι ώστε πολλά από αυτά να μπορούν να βρίσκονται στο ίδιο μέρος την ίδια στιγμή. Υπάρχουν δύο τύποι μποζονίων, τα μποζόνια μέτρου και το μποζόνιο Higgs. Τα μποζόνια μέτρου είναι αυτά που κάνουν δυνατές τις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης. (Δεν είμαστε ακόμη σίγουροι αν η βαρύτητα λειτουργεί μέσω ενός μποζονίου μανομέτρου.) Κάθε δύναμη που δρα στα φερμιόνια συμβαίνει επειδή τα μποζόνια μανομέτρου κινούνται μεταξύ των φερμιονίων, μεταφέροντας τη δύναμη. Τα μποζόνια ακολουθούν μια θεωρία που ονομάζεται στατιστική Bose-Einstein. Η λέξη "μποζόνιο" τιμά τον Ινδό φυσικό Satyendra Nath Bose.

Το καθιερωμένο μοντέλο λέει ότι υπάρχουν:

• 12 φερμιόνια, το καθένα με το δικό του αντισωματίδιο,
• Μποζόνια 12 gauge: W⁺ , W^- και Z,

Όλα αυτά τα σωματίδια έχουν παρατηρηθεί είτε στη φύση είτε στο εργαστήριο. Το μοντέλο προβλέπει επίσης ότι υπάρχει ένα μποζόνιο Higgs. Το μοντέλο λέει ότι τα φερμιόνια έχουν μάζα (δεν είναι απλώς καθαρή ενέργεια) επειδή τα μποζόνια Higgs ταξιδεύουν μπρος-πίσω μεταξύ τους. Το μποζόνιο Higgs πιστεύεται ότι ανακαλύφθηκε στις 4 Ιουλίου 2012. Είναι το σωματίδιο που δίνει μάζα σε άλλα σωματίδια.

Θεμελιώδεις δυνάμεις

Υπάρχουν τέσσερις βασικές γνωστές δυνάμεις της φύσης. Αυτές οι δυνάμεις επηρεάζουν τα φερμιόνια και μεταφέρονται από τα μποζόνια που ταξιδεύουν μεταξύ αυτών των φερμιονίων. Το καθιερωμένο μοντέλο εξηγεί τρεις από αυτές τις τέσσερις δυνάμεις.

• Ισχυρή δύναμη: Αυτή η δύναμη συγκρατεί τα κουάρκς μεταξύ τους για να δημιουργήσουν αδρόνια όπως τα πρωτόνια και τα νετρόνια. Η ισχυρή δύναμη μεταφέρεται από τα γκλουόνια. Η θεωρία των κουάρκ, της ισχυρής δύναμης και των γκλουονίων ονομάζεται κβαντική χρωμοδυναμική (QCD).
• Η εναπομένουσα ισχυρή δύναμη συγκρατεί τα πρωτόνια και τα νετρόνια μαζί για να σχηματίσουν τον πυρήνα κάθε ατόμου. Η δύναμη αυτή μεταφέρεται από τα μεσόνια, τα οποία αποτελούνται από δύο κουάρκ.
• Ασθενής δύναμη: Η δύναμη αυτή μπορεί να αλλάξει τη γεύση ενός φερμιονίου και προκαλεί βήτα διάσπαση. Η ασθενής δύναμη μεταφέρεται από τρία μποζόνια μέτρου: W⁺ , W^- και το μποζόνιο Z.
• Ηλεκτρομαγνητική δύναμη: Αυτή η δύναμη εξηγεί τον ηλεκτρισμό, τον μαγνητισμό και άλλα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, συμπεριλαμβανομένου του φωτός. Η δύναμη αυτή μεταφέρεται από το φωτόνιο. Η συνδυασμένη θεωρία του ηλεκτρονίου, του φωτονίου και του ηλεκτρομαγνητισμού ονομάζεται κβαντική ηλεκτροδυναμική.
• Βαρύτητα: Αυτή είναι η μόνη θεμελιώδης δύναμη που δεν εξηγείται από το SM. Μπορεί να μεταφέρεται από ένα σωματίδιο που ονομάζεται βαρυτόνιο. Οι φυσικοί αναζητούν το βαρυτόνιο, αλλά δεν το έχουν βρει ακόμα.

Οι ισχυρές και οι ασθενείς δυνάμεις εμφανίζονται μόνο μέσα στον πυρήνα ενός ατόμου. Λειτουργούν μόνο σε πολύ μικρές αποστάσεις: αποστάσεις που είναι περίπου όσο το πλάτος ενός πρωτονίου. Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη και η βαρύτητα λειτουργούν σε οποιαδήποτε απόσταση, αλλά η ισχύς αυτών των δυνάμεων μειώνεται όσο τα επηρεαζόμενα αντικείμενα απομακρύνονται μεταξύ τους. Η δύναμη μειώνεται με το τετράγωνο της απόστασης μεταξύ των επηρεαζόμενων αντικειμένων: για παράδειγμα, αν δύο αντικείμενα απομακρυνθούν δύο φορές περισσότερο το ένα από το άλλο, η δύναμη της βαρύτητας μεταξύ τους γίνεται τέσσερις φορές λιγότερο ισχυρή (2² =4).

Περιορισμοί

Το καθιερωμένο μοντέλο δεν μπορεί να είναι μια θεωρία των πάντων. Δεν περιλαμβάνει την πλήρη θεωρία της βαρύτητας, όπως περιγράφεται από τη γενική σχετικότητα, ούτε εξηγεί την επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος (όπως ενδεχομένως περιγράφεται από τη σκοτεινή ενέργεια). Το πρότυπο δεν περιέχει κανένα σωματίδιο σκοτεινής ύλης που να έχει όλες τις ιδιότητες που παρατηρούνται στην κοσμολογία των παρατηρήσεων. Το SM θεωρείται θεωρητικά αυτοσυνεπές. Έχει επιδείξει τεράστιες και συνεχείς επιτυχίες στις πειραματικές προβλέψεις, αλλά αφήνει κάποια πράγματα ανεξήγητα.