Standard Modell – Fysikk Hypertextbook

Diskusjon

innledning

Standard Modellen er navnet gitt på 1970-tallet til en teori om grunnleggende partikler og hvordan de samhandler. Det innarbeidet alle som var kjent om subatomære partikler på den tiden, og forutså eksistensen av flere partikler som godt.

Det er sytten heter partikler i Standard Modell, organisert i diagrammet nedenfor vises nedenfor., Den siste partikler ble oppdaget W-og Z-bosoner i 1983, den øverste quark i 1995, tau neutrino i 2000, og Higgs-bosonet i 2012.

Standard modell partikler (nucleons inkludert for sammenligning)
familie			partikkel	spådd/ oppdaget		spinn antall	lade (e)	farge	masse (MeV/c2)
f e r m jeg o n s	q u en r k s	u	opp quark	1964	1968	½	+⅔+	r, g, b	2.16
		d	ned quark	1964	1968	½	−⅓−	r, g, b	4.,t> +⅔+ r, g, b 1,270 i merkelig quark 1964 1968 ½ −⅓− b, g, b 93 support topp quark 1973 1995 ½ +⅔+ b, g, b 172,760 b nederst quark 1973 1977 ½ −⅓− b, g, b 4,180 med s t o n i electron 1874 1897 ½ −1− ingen 0.,51099895
		μ	muon	0000	1936	½	−1−	none	105.658375
		τ	tau	0000	1975	½	−1−	none	1776.86
		νe	electron neutrino	1930	1956	½	0	none	< 1.1 × 10−6
		νμ	muon neutrino	s1940s	1962	½	0	none	< 0.,19
	ντ	tau neutrino	s1970s	2000	½	0	none	< 18.2
	†	p	proton	1815	1917	½	+1+	none	938.272081
	†	n	neutron	1920	1932	½	0	none	939.,565413
	b o s o n s	v e c t o r	g	gluon	1962	1978	1	0	8 colors	0
			γ	photon	0000	1899	1	0	none	0
			W	W boson	1968	1983	1	±1±	none	80,379
			Z	Z boson	1968	1983	1	0	none	91,187.,6
		‡	H	higgs-bosonet	1964	2012	0	0	ingen	125,100

partikkel familier

Fundamentale partikler er enten byggesteinene i saken, kalt fermions, eller mediatorer av vekselsvirkningene, kalt bosoner. Det er tolv navngitte fermions og fem navngitte bosoner i Standard-Modellen.,

Fermions adlyde en statistisk regel beskrevet av Enrico Fermi (1901-1954) i Italia, Paul Dirac (1902-1984) i England, og Wolfgang Pauli (1900-1958) av Østerrike kalt utelukkelse prinsippet. Enkelt sagt, fermions kan ikke okkupere samme sted på samme tid. (Mer formelt, ikke to fermions kan beskrives ved samme quantum tall.) Leptons og kvarker er fermions, men det er også ting laget av dem som protoner, nøytroner, atomer, molekyler, folk og vegger. Dette stemmer med vår makroskopiske observasjoner av stoff i hverdagen., Folk kan ikke gå gjennom vegger med mindre veggen får ut av veien.

Bosoner, i kontrast, har ikke noe problem opptar samme sted på samme tid. (Mer formelt, to eller flere bosoner kan beskrives ved samme quantum tall.) Det statistiske regler som bosoner adlyde ble først beskrevet av Satyendra Bose (1894-1974) i India og Albert Einstein (1879-1955) i Tyskland. Gluoner, fotoner, og W, Z og Higgs er alle bosoner. Som partiklene som utgjør lys og andre former for elektromagnetisk stråling, fotoner er bosoner vi har den mest direkte erfaring med., I vår hverdag, vi ser aldri stråler av lys krasje inn i en annen. Fotoner er som fantomer. De passerer gjennom en annen med ingen effekt.

Elementære partikler har en iboende spinn drivmoment S. adjektivet iboende betyr medfødt eller vesentlig til tingen i seg selv. Elementærpartikler ikke har spinn fordi noen er å spinne dem. De bare spinn — eller rettere sagt, de har bare en målbar mengde med samme enheter som drivmoment. I dagens fysikk, elementærpartikler er særpreg — som en matematisk punkt., For at noe skal oppfattes som spinning, er det ting å spinne ville trenge noe sånt som en «front» og «tilbake». Særpreg, punkt partikler ikke har noe sånt. Partikkelfysikk er best beskrevet med matematikk. Spin er en praktisk label for en målbar kvalitet, og ikke en beskrivelse av virkeligheten.

Hver enkelt partikkel er forbundet med et spinn quantum antall s (ofte kalt spinn nummer, eller bare spinn), der s er alle hele tall flere av et halvt år. Fermions har halvparten integrert spinn quantum tall (½, 1½, 2½, etc.,) og bosoner har integrert spinn quantum tall (0, 1, 2, etc.). Ingen spinn tallene er mulig i mellom disse. Spin er en quantized kvantitet.

elementære fermions har spinn½. Partikler som er laget av kombinasjoner av fermions vil ha en samlet spinn som er en kombinasjon av individuelle spins. Et baryon består av tre kvarker vil kombinere til en samlet spinn ½ eller 1½, siden de er de eneste mulige, ikke-negative kombinasjoner av½±½±½. Det viser at alle baryons (som protoner og nøytroner, som for eksempel) er også fermions., På samme måte kan en meson består av en quark og en antiquark vil kombinere til en samlet spinn på 0 eller 1, siden de er de eneste mulige, ikke-negative kombinasjoner av½±½. Det viser at alle alle mesons (som pion av den gjenværende sterk samhandling, for eksempel) er også bosoner.

The force balanseført bosoner av Standard Modell (gluoner, fotoner, og W-og Z) har spinn 1, siden de går med vektor felt. Higgs-bosonet tilsvarer en skalar-felt, slik at det har spin-0., Hvis partikkelen av gravitasjonsfelt noensinne er oppdaget, det ville bli kalt et graviton og ville ha et spinn 2 siden det tilsvarer en tensoren feltet. En tensoren er et matematisk objekt som er mer kompleks enn en vektor, som i sin tur er mer komplekse enn en skalar. Se trenden? En skalar-feltet med no direction får en partikkel med spinn 0. En vektor felt med en retning blir en partikkel med spinn 1. En tensoren felt som strekker seg og klemmer plass i to retninger får en partikkel med spinn 2.

Alle de grunnleggende og sammensatte partikler har en spin quantum antall s (små bokstaver)., Dette er forbundet med en spinn angular momentum S (store bokstaver). SI-enhet for drivmoment er kilo meter kvadrat per sekund, tilsvarende joule sekund , som er altfor stor for elementærpartikler. I stedet ℏ (h bar), også kjent som redusert Planck konstant (ℏ = h/2π), er brukt. Av grunner som er utenfor omfanget av denne boken, spinn quantum antall s (som er bare et tall) og spin angular momentum S (som er et tall med en enhet) er ikke tallmessig den samme. I stedet, de er i slekt med en ikke-åpenbare ligningen.,

S =	⎡ ⎣	s	⎛ ⎝	s	+ 1	⎞ ⎠	⎤½ ⎦	ℏ

For partikler med spinn quantum antall 0, løsningen er en fornuftig spinn drivmoment 0 ℏ.,

S(0) =	⎡ ⎣	0	⎛ ⎝	0	+ 1	⎞ ⎠	⎤½ ⎦	ℏ = 0 ℏ

For høyere spinn quantum tall spin drivmoment øker, men utover det er det ikke mye annet som kan bli sagt.,

Fermions er delt inn i to grupper på seks: de som skal binde sammen kalles kvarker og de som kan eksistere uavhengig av hverandre, kalles leptons.

ordet «quark» opprinnelig dukket opp i en enkelt linje i romanen Finnegans Wake skrevet av den Irske forfatteren James Joyce (1882-1941). Hovedpersonen i boken er en tollmannen heter Humphrey Chimpden Earwicker som drømmer at han er som serverer øl til en beruset seagull (ingen spøk). I stedet for å spørre «tre liter for Mister Merket» beruset fugl sier «tre kvarker for Mønstre Mark»., Siden pre-Standard Modell teorien var ferdig med bare tre kvarker, navnet gjorde noe fornuftig. Full Standard Modell i dag trenger seks kvarker. Som ikke har gjort det ordet noe mindre morsomt å si. Quark! De seks smaker av quark er opp, ned, merkelig, sjarm, topp og bunn. Navnene på de smaker er egentlig meningsløst.

Kvarker er kjent for å binde seg til trillinger og doublets. Den tallgrupper er kalt baryons, et begrep som stammer fra det greske ordet βαρύς (varys) som betyr «stor». Den doublets er kalt mesons, et begrep som stammer fra det greske ordet μέσος (mesos) betyr «middels»., Samlet baryons (den tunge trillinger), mesons (den mellomvekt doublets), og kvarker (de fundamentale partikler) er kjent som hadrons, fra det greske ordet αδρός (adros) betyr tykk, robust, massiv eller stor. Dette navnet videre viser evne til punkt-som kvarker til å binde sammen og danne partikler som er «tykk» i en viss forstand.

De seks andre fermions er kalt leptons, et navn som er utledet fra det greske ordet λεπτός (leptos) betyr tynne, delikate, lette, eller små. Disse partiklene trenger ikke å binde seg til hver andre, som holder dem «tynn» i en viss forstand., Opprinnelig leptons ble betraktet som «lys», partikler og hadrons «tunge» partikler, men funn av tau-lepton i 1975 brøt den regelen. Tau (den tyngste lepton) er nesten dobbelt så massiv som en proton (den letteste hadron).

Baryons funnet i kjernen (proton og nøytron) er kalt nucleons. Det latinske ordet for kjernen er kjernen. Nucleons er funnet i den metaforiske «kjernen» av atom. Baryons som inneholder minst ett merkelig quark, men ingen sjarm, bunn eller topp kvarker er kalt hyperons., Det greske ordet for utenfor er υπέρ (yper), som utviklet seg til den engelske prefiks hyper-. Hyperons er partikler som er «way out» i en viss forstand.

neutrinos er en viktig undergruppe innenfor leptons. De kommer i tre smaker oppkalt etter deres partner leptons. Elektron, myon, og tau er matchet med electron neutrino, myon neutrino, og tau neutrino. Neutrinos har svært lite masse (selv for leptons) og samhandle så svakt med resten av partikler at de er svært vanskelig å oppdage. Navnet er et ordspill., Det italienske ordet for nøytron (neutrone) høres ut som word-nøytral (neutro) med en augmentative suffiks (-en) tråklet på slutten. Det er, det lyder noe sånt som «big nøytral» til italiensk ører. Bytt augmentative endelsen -en med den lille suffikset -ino og du har en «liten nøytral», som er en god beskrivelse av hva en neutrino er en diminutiv nøytral partikkel. Aaaaaw, så liten og nøytral.

Fermions tilhører en av tre kjente generasjoner fra vanlige (jeg), til eksotiske (II), til svært eksotiske (III)., (Disse er de adjektiver jeg valgt å beskrive generasjoner.) Generasjon jeg partikler kan kombineres for å danne hadrons effektivt med uendelig liv spenner (stabile atomer består av elektroner, protoner og nøytroner for eksempel). Generasjon II partikler alltid danne ustabile hadrons. Den lengste bodde hadron inneholder en generasjon II quark er lambda-partikkel (laget av en opp -, ned -, og merkelig quark). Det har en gjennomsnittlig levetid på mindre enn en milliarddel av en annen, som regnes som lang levetid for en ustabil hadron. Generasjon III partikler er delt inn i deres atferd., Bunnen quark er ikke mye fremmed enn en merkelig quark, men toppen quark er så kortvarig at det finnes ikke lenge nok til å gjøre noe. Det faller fra hverandre før verden selv vet at det eksisterer. Topp kvarker er bare kjent fra sine forfall produkter.

partikkel vekselsvirkningene

Tre av de fire grunnleggende fources av natur er inkludert i standardmodellen for partikkelfysikk — elektromagnetisme, den sterke kraft, og den svake kraft. (Gravity er ikke inkludert i Standard-Modellen.,) Hver force handlinger mellom partikler på grunn av noen eiendom på at partikkel — kostnad for elektromagnetisme, farge for sterk kraft, og smak for svak styrke. Den bosoner som er knyttet til hver force kalles gauge-bosoner — fotonet for elektromagnetisme, gluoner for sterk kraft, og W-og Z-bosoner for svak styrke.

Kostnad er den egenskap av materie som gir opphav til elektriske og magnetiske fenomener (kjent som elektromagnetisme)., Kostnad er quantized, noe som betyr at det bare kan eksistere i diskrete mengder med begrenset verdier — multipler og fraksjoner av elementære kostnad (e = 1.6 × 10-19 C). Partikler som eksisterer uavhengig av hverandre (elektron, myon, og tau) bære multipler av den elementære kostnad (-1 e), mens kvarker bære fraksjoner av elementære kostnad (+⅔ eller e −⅓ e). Kvarker alltid bindes sammen i grupper som har en total kostnad er en integrert flere av de elementære kostnader, som er hvorfor ingen har noensinne direkte målt en brøk kostnad., I tillegg, siden motsatte ladninger tiltrekker, elektroner har en tendens til å binde seg til protoner til å danne atomer som er nøytral samlet. Vi trenger normalt ikke merke til det elektriske arten av saken på grunn av dette.

Ladede partikler samhandle med utveksling av fotoner — bærer av elektromagnetisk kraft. Når et elektron frastøter hverandre eller noen elektronet går i bane rundt en kjerne, et foton er ansvarlig for. Fotoner er massless, ladet, og har en ubegrenset rekkevidde., Den matematiske modellen som brukes for å beskrive samspillet av ladede partikler gjennom utveksling av fotoner er kjent som quantum electrodynamics (QED).

Kvarker holde seg til andre kvarker fordi de har en karakteristisk kjent som farge (eller farge kostnad). Kvarker kommer i én av tre farger: rød, grønn, og blå. Ikke la ordene villede deg. Kvarker er altfor liten til å være synlig og dermed aldri kunne ha en perseptuell eiendom som farge. Navnene ble valgt på grunn av en praktisk analogi., Fargene av kvarker i Standard-Modellen kombinerer liker farger av lys i synet.

Red light plus grønt lys plus blå lys vises til oss mennesker som er «fargeløs» hvitt lys. Et baryon er en triplett av en rød, en grønn og en blå quark. Sette dem sammen og du får en farge nøytral partikkel. En farge i tillegg til sine motsatt farge også gir hvitt lys. Red light plus cyan lys ser den samme for mennesker som hvitt lys, for eksempel. En meson er en dublett av en farget quark og en anticolored antiquark. Sette dem sammen og du får en farge nøytral partikkel.,

Det er noe med farge som gjør at det vil skjule seg fra noe større enn en kjerne. Kvarker kan ikke fordra å være fra hverandre. De må bare bli med opp og alltid gjøre det på en måte som skjuler sin farge fra verden utenfor. En farge er aldri ga over en annen, når kvarker komme sammen. Saken er nøytral farge ned til svært liten skala.

Fargede partikler som er bundet sammen med det passende navnet gluoner. Gluoner er også farget, men i en mer komplisert måte enn kvarker er., Seks av de åtte gluoner har to farger, og en har fire, og en annen har seks. Gluoner lim kvarker sammen, men de kan også holde seg til seg selv. En konsekvens av dette er at de ikke kan komme seg ut og gjøre mye utenfor kjernen.

Den matematiske modellen som brukes for å beskrive samspillet av fargede partikler gjennom utveksling av gluoner er kjent som quantum chromodynamics (QCD). Hele klebrig rot kalles sterk kraft eller sterk interaksjon siden det resulterer i styrker i kjernen som er sterkere enn den elektromagnetiske kraften., Uten den sterke kraft, hver kjernen ville sprenge seg selv i fillebiter.

Det er tolv navngitte elementære fermions. Forskjellen mellom dem er en av smaken. Ordet «smak» er her brukt til å bety «type», og det gjelder bare å fermions. Ikke la ordet villede deg. Subatomære partikler som er altfor små til å ha noen egenskaper som kan være direkte observert av menneskets sanser.,

Flavored partikler samhandle svakt gjennom utveksling av W og Z-bosoner — bærere av den svake styrken (også kjent som middels vektor-bosoner). Når et nøytron henfaller til et proton, et W− boson er ansvarlig for. Den matematiske modellen som brukes for å beskrive samspillet flavored partikler gjennom utveksling av W-og Z-bosoner er noen ganger kjent som quantum flavordynamics (QFD), men dette er en term som ikke er brukt ved å arbeide partikkel fysikere. Ved høyere energier, de svake og elektromagnetiske krefter begynner å se mer og mer like., Den matematiske modellen som beskriver disse vekselsvirkningene sammen er kjent som electroweak teori (EWT). Dette er det vanlige navnet for teorien om de svake kraft.

masse og tyngdekraften

Alle fermions er tenkt å ha en ikke-null hvile masse. Partikler i generasjon jeg er mindre omfattende enn de som er i generasjon II, som er mindre omfattende enn de som er i generasjon III. I generasjoner kvarker er mer omfattende enn leptons og neutrinos er mindre omfattende enn de andre leptons. Bosoner er delt når det kommer til masse., Gluoner og fotoner er massless. W, Z, og Higgs-bosoner er massiv.

Masse er energi. En partikkel beveger seg er mer omfattende enn en stasjonær partikkel fordi det har kinetisk energi. Logisk sett så, en stasjonær partikkel bør har ingen masse. Hvis vi kunne stoppe et foton (som vi ikke kan) det ville veier ingenting. Vår logikk ser ut til å virke. Hvis vi kunne stoppe et elektron (som vi kan) det ville veier noe. Vår logikk er brutt. Hvorfor er noen partikler veie noe på resten og andre veier ingenting?,

Masse energi, og energien kommer i to typer: kinetisk energi (energien i bevegelse) og potensiell energi (energi av ordningen). Den kinetiske energien bidrag til massen er liten. Mesteparten av massen rundt oss kommer fra noen form for potensiell energi. For eksempel, et proton er laget av to opp-kvarker og en ned quark. Massene av disse tre kvarker ikke legge opp til massen til et proton.

mp	≠	2mu +1md
938.,272 MeV/c2	≠	2(2.3 MeV/c2) + 1(4.8 MeV/c2)
938.272 MeV/c2	≠	9.4 MeV/c2

massene av delene er bare 1% av massen av det hele. De resterende 99% kommer fra potensiell energi av den sterke kraft holder proton sammen. Partikler som megle sterk kraft er gluoner. Samspillet energi av disse massleess partikler er det som gir proton de fleste av dens masse.,

Så hvorfor gjøre kvarker har masse, men det gluoner ikke? Eller som spørsmålet var historisk oppgitt, hvorfor W-og Z-bosoner har masse, men fotonet ikke? Kanskje det er en annen form for potensiell energi. Kanskje det er en annen interaksjon der ute — en interaksjon som noen partikler føler og andre ikke. Hvis det er en interaksjon, det er en partikkel — en partikkel som gir masse til andre partikler når de bare sitter og gjør ingenting. Samspillet som gir masse elementære partikler ble foreslått i 1964 av forskere i tre uavhengige steder.,

François Englert og Robert Brout på L ‘ Université Libre de Bruxelles i Belgia
Peter Higgs ved University of Edinburgh i Skottland
Gerald Guralnik, Carl Hagen, og Tom Kibble ved Imperial College, London

Det bør bli kalt Englert-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen-Kibble-mekanismen, men det er det ikke. For uansett grunn, samspillet som gir masse elementære partikler kalles Higgs-mekanismen og partikkel som formidler samspillet kalles Higgs-bosonet, Higgs-partikkelen, eller (sjelden) den higgson.,

Alle av plass er antatt å være fylt med en Higgs-feltet — en bakgrunn hav av virtuelle Higgs-bosoner som kommer inn og ut av eksistens. Den kvarker, leptons, og W-og Z-bosoner som beveger seg rundt gjennom rommet samhandle med dette feltet, noe som er grunnen til at disse partiklene har masse. Fotoner og gluoner ikke samhandle med Higgs-feltet, som er hvorfor disse partiklene ikke har masse. Selv Higgs-bosonet seg selv i samspill med Higgs-feltet. Det gir seg masse!, Higgs-bosonet er forskjellig fra de andre bosoner (gluoner, fotoner, W-og Z-bosoner) i at Higgs-mekanismen ikke resulterer i noe som ligner en kraft (som den sterke, elektromagnetisk og svak styrker). Higgs-feltet er en skalar-feltet, og Higgs-bosonet er en partikkel med spinn null.

Tyngdekraften er kraften mellom objektene på grunn av sin masse. Den matematiske modellen som ville beskrive tyngdekraften på partikkelen nivå er noen ganger kalt quantum geometrodynamics (QGD), men er mer ofte referert til som quantum gravitasjon., Standardmodellen for partikkelfysikk inkluderer ikke tyngdekraften (eller kan det noen gang) og det er for tiden ingen kvante-teori om gravitasjon. Hvis det var, ville det ha å inkludere en kraft balanseført partikkel. Det foreslåtte navnet for denne partikkelen er den graviton. Generell relativitetsteori beskriver gravitasjonsbølger som en tensoren forstyrrelse som propogates — en som skjærer rom-tid sammen to alternerende vinkelrette retninger. Denne to-dimensjonale atferd fører teoretiske fysikere til å tro at den graviton ville ha spinner to.,

Det er å håpe at tyngdekraften vil bli tatt vare på i en teori utover Standard-Modellen. I et ekstremt tilfelle av overdreven, noen teoretikere foreslår at en slik teori ville være en teori om alt. Gitt history of science (og livet generelt), noe som hevdes å være den ultimate representasjon av virkeligheten (vitenskapelige, økonomiske, kulturelle eller religiøse) er i hvert fall dømt til å bli erstattet av noe større og bedre — eller i det minste, noe mindre galt.

navn, navn, navn

tema for dette emnet synes å være «navn, navn, navn».,

Partikkel grupper oppkalt etter fysikere
utover

Partikkel grupper med navn av Latin opprinnelse
gruppe	latinske roten	som betyr
nucleons	kjernen	kernel

Partikkel grupper med navn av diverse opprinnelse
gruppe	kilde	forklaring
neutrinos	Enrico Fermi (1901-1954) Italia	italiensk diminutiv form av nøytron (neutrone)., Neutrino kan bli oversatt som «litt nøytral» i kontrast til det med neutrone, som er den «store nøytral».
kvarker	Murray Gell-Mann (1929-2019) Usa	Et tilfeldig ytring senere assosiert med en passasje i Finnegans Wake — en roman av Irsk modernistiske forfatteren James Joyce. Ment å høres ut som en drukken seagull bestilling «liter» av øl.,aternions av absolutt verdi 1, {x ∈ ℍ: \|x\| =1} diffeomorphic til en hypersphere (3-sphere) homomorphic til rotasjon gruppe SO(3), sett av alle rotasjoner om opprinnelsen i ordinære tredimensjonale euclidean område U(1) 1. for enhetlig gruppe mengden av alle 1 × 1 enhetlig matriser isomorphic til sirkelen gruppe, multiplicative gruppe av komplekse tall med absolutt verdi 1, T = {x ∈ ℂ: \|x\| =1} isomorphic å SÅ(2), den andre for spesielle ortogonale gruppe lagrangesk Hva er dette?, Standard Modell Lagrangesk. Hva vil det si? Jeg vil la deg få vite når jeg finne det ut.