International Physics Masterclasses

Standardmodellen

Høyenergipartikkelfysikk er studiet av de fundamentale byggesteinene i naturen og vekselvirkningenn mellom dem. Den nåværende teorien som elegant sammenfatter forståelsen av dette området, Standardmodellen, beskriver vekselvirkningene mellom elementærpartiklene. De er gruppert i 3 familier, eller generasjoner, av kvarker og leptoner som vist i figuren under. Alle partiklene har også en antipartikkel.

Den elektromagnetiske kraften, svake og sterke kjernekraften sørger for at partikler kan vekselvirke, og dette foregår ved å utveksle bosoner (kraft-partikler) mellom de vekselvirkende partiklene. De fundamentale kreften stammer fra fundamentale symmetrier relatert til bevaringslover. Den elektromagnetiske kraften, som har uendelig rekkevidde, virker ved utveksling av det masseløse fotonet, og elektrisk ladning er bevart. Den sterke kjernekraften, som har meget kort rekkevidde, bæres av masseløse «fargede» gluoner, og her er fargeladning bevart.

Ved høye energier beskrives elektromagnetisk kraft og svak kjernekraft som en forenet elektrosvak kraft. Tunge W- og Z-utvekslings-bosoner samsvarer med den korte rekkevidden til den svake kjernekraften. Den svake ladningen, som i motsetning til elektrisk ladning, er skjult for oss, er ikke bevart.

Siden partikkelmassene er svært små er gravitasjonskraften neglisjerbar sammenlignet med de tre andre kreftene.

Leptoner er frie partikler. De kan ha ladning (e-, μ-, τ-), noe som gjør at de føler både den elektromagnetiske kraften og den svake kjernekraften, eller være nøytrale (nøytrinoer: νe, νμ, ντ), og bare føle den svake kjernekraften. Kvarker er partikler som er sensitive for alle tre vekselvirkningene. Der er ingen frie kvarker i naturen: Vi observerer bare sammensatte systemer av kvarker, kalt hadroner, hvor protonet og nøytronet er de mest kjente eksemplene.

Enhver introduksjon av partikkelmasser vil bryte den elektrosvake symmetrien og gjøre teorien uforutsigbar. For å unngå dette, bryter Higgs-mekanismen symmetrien spontant ved å postulere at vakumet er fylt med et nytt felt som kun bærer svak ladning. Partikler med svak ladning (W- og Z-bosoner, kvarker og leptoner, og Higgs-partikkelen, H, assosiert med Higgs-feltet) blir «trege» ved å vekselvirke med Higgs-feltet slik at de får masse. Higgs-massen, mH, kan ikke forutsies fra teorien.

ATLAS- og CMS-eksperimentene ved LHC annonserte sin oppdagelse av det etterlengtede Higgs-bosonet i juli 2012. Higgs-bosonets masse er omtrent 125 GeV.

Mens forskerne ved CERN fortsetter å studere Higgs-bosonet for å finne ut om partikkelens egenskaper virkelig stemmer overens med teorien, har du muligheten, via "Z-sporet", til å søke etter og finne Higgs-bosonet akkurat som forskerne gjorde for bare et par år siden!