Standardní model

Fermiony

Fermiony jsou částice, které se spojují a tvoří veškerou "hmotu", kterou vidíme. Příkladem skupiny fermionů jsou proton a neutron. Fermiony mají vlastnosti, jako je náboj a hmotnost, které můžeme pozorovat v každodenním životě. Mají také další vlastnosti, jako je spin, slabý náboj, hypernáboj a barevný náboj, jejichž účinky se v běžném životě obvykle neprojevují. Těmto vlastnostem se říká kvantová čísla.

Fermiony jsou částice, jejichž spinové číslo se rovná lichému kladnému číslu krát jedna polovina: 1/2, 3/2, 5/2 atd. Říkáme, že fermiony mají "poloviční celočíselný spin".

Důležitým faktem o fermionech je, že se řídí pravidlem zvaným Pauliho vylučovací princip. Toto pravidlo říká, že žádné dva fermiony nemohou být současně na stejném "místě", protože žádné dva fermiony v atomu nemohou mít současně stejná kvantová čísla. Fermiony se také řídí teorií zvanou Fermiho-Diracova statistika. Slovo "fermion" vzniklo na počest fyzika Enrica Fermiho.

Existuje 12 různých typů fermionů. Každý typ se nazývá "příchuť". Jejich názvy jsou:

• Kvarky - nahoru, dolů, zvláštní, kouzlo, nahoře, dole
• Leptony - elektron, mion, tau, elektronové neutrino, mionové neutrino, tau neutrino. Elektron je nejznámějším leptonem.

Kvarky jsou seskupeny do tří párů. Každý pár se nazývá "generace". První kvark v každé dvojici má náboj 2/3 a druhý kvark má náboj -1/3. Tři druhy neutrin mají náboj 0. Elektron, mion a tauon mají náboj -1.

Hmota se skládá z atomů a atomy se skládají z elektronů, protonů a neutronů. Protony a neutrony se skládají z kvarků nahoru a dolů. Jeden lepton můžete najít sám o sobě, ale kvarky samotné nikdy nenajdete. Je to proto, že kvarky drží pohromadě barevná síla.

Obrázek tří kvarků v protonu

Bosony

Bosony jsou druhým typem elementárních částic ve standardním modelu. Všechny bosony mají celočíselný spin (1, 2, 3 atd.), takže jich může být na stejném místě současně mnoho. Existují dva typy bosonů, měřicí bosony a Higgsův boson. Gauge bosony umožňují vznik základních přírodních sil. (Zatím si nejsme jisti, zda gravitace funguje prostřednictvím gauge bosonu.) Každá síla, která působí na fermiony, se děje proto, že se mezi fermiony pohybují gauge bosony, které sílu přenášejí. Bosony se řídí teorií zvanou Boseho-Einsteinova statistika. Slovo "boson" je poctou indickému fyzikovi Satjendrovi Nathovi Boseovi.

Standardní model říká, že existují:

• 12 fermionů, z nichž každý má svou antičástici;
• Bosony o rozměru 12 mm: W⁺ , W^- a Z;

Všechny tyto částice byly pozorovány v přírodě nebo v laboratoři. Model také předpovídá existenci Higgsova bosonu. Model říká, že fermiony mají hmotnost (nejsou jen čistou energií), protože Higgsovy bosony mezi nimi cestují tam a zpět. Předpokládá se, že Higgsův boson byl objeven 4. července 2012. Je to částice, která dává hmotnost ostatním částicím.

Základní síly

Jsou známy čtyři základní přírodní síly. Tyto síly působí na fermiony a jsou přenášeny bosony pohybujícími se mezi těmito fermiony. Standardní model vysvětluje tři z těchto čtyř sil.

• Silná síla: Tato síla drží kvarky pohromadě a vytváří tak hadrony, jako jsou protony a neutrony. Nositelem silné síly jsou gluony. Teorie kvarků, silné síly a gluonů se nazývá kvantová chromodynamika (QCD).
• Zbytková silná síla drží protony a neutrony pohromadě a tvoří jádro každého atomu. Tuto sílu přenášejí mezony, které se skládají ze dvou kvarků.
• Slabá síla: Tato síla může měnit chuť fermionu a způsobuje beta rozpad. Slabou sílu přenášejí tři měřítkové bosony: W⁺ , W^- a Z boson.
• Elektromagnetická síla: Tato síla vysvětluje elektřinu, magnetismus a další elektromagnetické vlny včetně světla. Nositelem této síly je foton. Kombinovaná teorie elektronu, fotonu a elektromagnetismu se nazývá kvantová elektrodynamika.
• Gravitace: Je to jediná základní síla, kterou SM nevysvětluje. Jejím nositelem může být částice zvaná graviton. Fyzikové graviton hledají, ale zatím ho nenašli.

Silné a slabé síly se projevují pouze uvnitř jádra atomu. Působí jen na velmi malé vzdálenosti: na vzdálenost, která je asi tak velká, jako je šířka protonu. Elektromagnetická síla a gravitace působí na libovolnou vzdálenost, ale síla těchto sil klesá s tím, jak se ovlivňované objekty od sebe vzdalují. Síla klesá se čtvercem vzdálenosti mezi zasaženými objekty: například pokud se dva objekty od sebe vzdálí dvakrát více, gravitační síla mezi nimi bude čtyřikrát menší (2² =4).

Omezení

Standardní model nemůže být teorií všeho. Nezahrnuje úplnou teorii gravitace, jak ji popisuje obecná teorie relativity, ani nezohledňuje zrychlující se rozpínání vesmíru (jak ho možná popisuje temná energie). Model neobsahuje žádnou částici temné hmoty, která by měla všechny vlastnosti pozorované v pozorovací kosmologii. Předpokládá se, že SM je teoreticky konzistentní. Vykazuje obrovské a trvalé úspěchy v experimentálních předpovědích, ale některé věci ponechává nevysvětlené.