International Physics Masterclasses

Model Standardowy

Fizyka cząstek elementarnych zajmuje się badaniem podstawowych składników materii i oddziaływań pomiędzy nimi. Obecna wiedza o nich jest przedstawiana w formie Modelu Standardowego - eleganckiej teorii opisującej oddziaływania między podstawowymi składnikami materii pogrupowanymi w trzy rodziny (lub generacje) kwarków i leptonów (oraz ich antycząstek) - jak to pokazuje poniższy rysunek.

Oddziaływania elektromagnetyczne, słabe i silne są przenoszone poprzez wymianę bozonów. Pochodzą one z fundamentalnych zasad symetrii związanych z prawami zachowania. Oddziaływanie elektromagnetyczne o nieskończonym zasięgu jest przenoszone przez bezmasowe fotony, a zachowywany jest ładunek elektryczny. Krótkozasięgowe oddziaływanie silne między kwarkami jest przenoszone przez bezmasowe, ale kolorowe gluony, i zachowywany jest ładunek kolorowy.

Przy wysokich energiach siły elektromagnetyczne i słabe są opisywane jako oddziaływanie elektrosłabe. Wymieniane ciężkie bozony W i Z odpowiadają krótkozasięgowemu charakterowi oddziaływań słabych. Ładunek słaby, w przeciwieństwie do elektrycznego, jest dla nas ukryty i nie jest zachowywany.

Ze względu na małe masy cząstek, grawitacja jest zaniedbywalnie mała w porównaniu z innymi oddziaływaniami.

Leptony są cząstkami swobodnymi, mogą mieć ładunek (e-, μ-, τ-) i uczestniczyć w oddziaływaniach elektromagnetycznych i słabych, lub być go pozbawione (neutrina: νe, νμ, ντ) i oddziaływać wyłącznie słabo. Kwarki są cząstkami uczestniczącymi we wszystkich trzech rodzajach oddziaływań. Nie ma swobodnych kwarków w Naturze: obserwujemy jedynie układy złożone powiązanych kwarków, zwane hadronami, z których najbardziej znanymi są protony i neutrony.

Wprowadzenie jakiejkolwiek masy cząstek łamie symetrię oddziaływań elektrosłabych, czyniąc teorię nieprzewidywalną. Dla zapobieżenia temu symetria jest spontanicznie łamana poprzez mechanizm Higgsa - obecność w próżni nowego pola posiadającego wyłącznie ładunek słaby. Cząstki posiadające ładunek słaby (bozony W i Z, kwarki i leptony i cząstka Higgsa, H, powiązana z polem Higgsa) są spowalniane z powodu oddziaływania z polem Higgsa i przez to uzyskują masę.
Masa cząstki Higgsa, mH, nie jest przewidywana przez mechanizm Higgsa.

Odkrycie długo poszukiwanego bozonu Higgsa zostało ogłoszone przez eksperymenty ATLAS i CMS w lipcu 2012 r. Masa bozonu Higgsa jest w przybliżeniu równa 125 GeV.

Podczas gdy naukowcy w CERNie wciąż badają bozon Higgsa, aby sprawdzić, czy jego własności są dokładnie takie, jak przewiduje mechanizm Higgsa, my mamy w Ćwiczeniu Z możliwość szukania i znalezienia bozonu Higgsa, tak jak dwa lata temu dokonali tego naukowcy!