standardmodellen (Svenska)

diskussion

introduktion

standardmodellen är namnet på 1970-talet till en teori om grundläggande partiklar och hur de interagerar. Det införlivade allt som var känt om subatomiska partiklar vid den tiden och förutspådde förekomsten av ytterligare partiklar också.

det finns sjutton namngivna partiklar i Standardmodellen, organiserade i diagrammet nedan., De sista partiklarna som upptäcktes var W och Z bosons 1983, top quark 1995, tau neutrino 2000 och Higgs boson 2012.

standardmodellpartiklar (nukleoner som ingår för jämförelse)

* massor från Partikeldatagruppen

† proton och neutron är hadroner (gjorda av kvarkar), baryoner (gjorda av tre kvarkar) och nukleoner (som finns i kärnan), men de är inte standard modellpartiklar

Higgs boson är den enda kända scalar Boson.,

familj			partikel	förutsagd/ upptäckt		snurra nummer	ladda (e)	färg	*massa* (MeV/c2)
f e r m i o n s	Q u a r k s	u	upp kvark	1964	1968	½	+	r, g, b	2.16
		d	down Quark	1964	1968	½	−− –	r, g, b	4.,t> ++ r, g, b 1,270 i konstig kvark 1964 1968 ½ −−− b, g, b 93 support top quark 1973 1995 ½ ++ b, g, b 172,760 b botten kvark 1973 1977 ½ −−− b, g, b 4,180med i p t o n i i elektron 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 boson	1964	2012	0	0	0	ingen	125,100

partikelfamiljer

grundläggande partiklar är antingen byggstenar av materia, kallade fermioner, eller medlare av interaktioner, kallade bosons. Det finns tolv namngivna fermioner och fem namngivna bosons i Standardmodellen.,

fermioner lyder en statistisk regel som beskrivs av Enrico Fermi (1901-1954) i Italien, Paul Dirac (1902-1984) i England och Wolfgang Pauli (1900-1958) i Österrike kallas uteslutningsprincipen. Enkelt uttryckt kan fermioner inte uppta samma plats samtidigt. (Mer formellt kan inga två fermioner beskrivas med samma kvantumtal.) Leptoner och kvarkar är fermioner, men så är saker gjorda av dem som protoner, neutroner, atomer, molekyler, människor och väggar. Detta överensstämmer med våra makroskopiska observationer av materia i vardagen., Folk kan inte gå genom väggar om inte väggen kommer ur vägen.

Bosons, däremot, har inga problem upptar samma plats samtidigt. (Mer formellt kan två eller flera bosoner beskrivas med samma kvantumtal.) De statistiska regler som bosons lyder beskrevs först av Satyendra Bose (1894-1974) i Indien och Albert Einstein (1879-1955) i Tyskland. Gluoner, fotoner och W, Z och Higgs är alla bosons. Som partiklar som utgör ljus och andra former av elektromagnetisk strålning, fotoner är bosons vi har den mest direkta erfarenhet av., I vår dagliga erfarenhet ser vi aldrig strålar av ljus krasch i varandra. Fotoner är som fantomer. De passerar genom varandra utan effekt.

elementära partiklar har en inneboende spin vinkelmoment S. adjektivet inneboende betyder medfödd eller väsentlig för själva saken. Elementära partiklar har inte snurra eftersom någon snurrar dem. De snurrar bara — eller snarare, de har bara en mätbar mängd med samma enheter som vinkelmoment. I nuvarande fysik är elementära partiklar funktionlösa – som en matematisk punkt., För att något ska uppfattas som spinning, skulle saken spinna behöva något som en ”front”och en ”back”. Featureless, punktpartiklar har inget sådant. Partikelfysik beskrivs bäst med matematik. Spin är en bekväm etikett för en mätbar kvalitet och inte en beskrivning av verkligheten.

varje elementär partikel har förknippats med det en spin quantum nummer s (ofta kallad spin nummer eller bara spin), där S är ett heltal multipel av en halv. Fermioner har halv integral spin quantum tal ( ½ , 1½, 2½, etc.,) och bosons har integrerade spin quantum tal (0, 1, 2, etc.). Inga spinnnummer är möjliga mellan dessa. Spin är en kvantifierad kvantitet.

de elementära fermionerna har en snurrning på½. Partiklar gjorda av kombinationer av fermioner kommer att ha en övergripande spinn som är en kombination av de enskilda spinnen. En baryon sammansatt tre kvarkar kommer att kombinera till en total spinn på ½ eller 1½, eftersom de är de enda möjliga, icke-negativa kombinationer av½±½±½. Det visar att alla baryoner (som protoner och neutroner, till exempel) också är fermioner., På samma sätt kommer en meson som består av en kvark och en antiquark att kombinera till en total spin på 0 eller 1 eftersom de är de enda möjliga, icke-negativa kombinationerna av½±½. Det visar att alla mesoner (som pion av den återstående starka interaktionen, till exempel) också är bosoner.

kraften karying bosons av standardmodellen (gluons, fotoner och W och Z) har spin 1 eftersom de går med vektorfält. Higgs boson motsvarar ett skalärt fält så det har spin 0., Om gravitationsfältets partikel någonsin upptäcks skulle den kallas en graviton och skulle ha en spin 2 eftersom den motsvarar ett tensorfält. En tensor är ett matematiskt objekt som är mer komplext än en vektor, vilket i sin tur är mer komplext än en skalär. Se trenden? Ett skalarfält utan riktning får en partikel med spin 0. Ett vektorfält med en riktning får en partikel med spin 1. En tensor fält som sträcker sig och pressar utrymme i två riktningar får en partikel med spinn 2.

alla grundläggande och kompositpartiklar har ett spin quantum-nummer s (gemener)., Detta är förknippat med en spin vinkel momentum s (versaler). SI-enheten med vinkelmoment är kilometern kvadrerad per sekund eller likvärdigt joule sekund, vilket är mycket för stort för elementära partiklar. Istället används (h bar), även känd som den reducerade Planck-konstanten (Trip = h/2π). Av skäl som ligger utanför denna boks räckvidd är spin quantum number s (vilket bara är ett tal) och spin vinkelmomentet S (vilket är ett tal med en enhet) inte numeriskt detsamma. I stället är de relaterade till en icke-uppenbar ekvation.,

S =	⎡ ⎣	s	⎛ ⎝	s	+ 1	⎞ ⎠	⎤½ ⎦	ℏ

För partiklar med spinn quantum antalet 0, lösningen är en vettig spin angular momentum 0 ℏ.,

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

För högre spin quantum nummer spin angular momentum ökar, men utöver det finns inte mycket annat som kan vara sa helt enkelt.,

fermioner är indelade i två grupper om sex: de som måste binda samman kallas kvarkar och de som kan existera oberoende kallas leptoner.

ordet ”quark” uppträdde ursprungligen i en enda rad av romanen Finnegans Wake skriven av den irländska författaren James Joyce (1882-1941). Huvudpersonen i boken är en publikan som heter Humphrey Chimpden Earwicker som drömmer att han serverar öl till en berusad mås (inget skämt). Istället för att be om ” tre kannor för Mister Mark ”säger den inebriated fågeln”tre kvarkar för Muster Mark”., Eftersom förstandardmodellteorin var komplett med endast tre kvarkar, gjorde namnet någon mening. Den fullständiga standardmodellen behöver idag sex kvarkar. Det har inte gjort ordet mindre roligt att säga. Kesella! De sex smakerna av quark är upp, ner, konstigt, charm, topp och botten. Namnen på smakerna är i huvudsak meningslösa.

kvarkar är kända för att binda till tripletter och dubbletter. Trillingarna kallas baryoner, en term som härrör från det grekiska ordet βαρύς (Varys) som betyder ”tung”. De dubbletter kallas mesons, en term som härrör från det grekiska ordet μέσος (mesos) som betyder ”medium”., Kollektivt baryoner (de tunga trillingar), mesons (mellanvikt dubbletter), och kvarkar (de grundläggande partiklarna) är kända som hadrons, från det grekiska ordet αδρός (adros) betyder tjock, robust, massiv eller stor. Detta namn hänvisar till förmågan hos de punktliknande kvarkarna att binda ihop och bilda partiklar som är ”tjocka” i viss mening.

de andra sex fermionerna kallas leptoner, ett namn som härrör från det grekiska ordet λεπτός (leptos) vilket betyder tunn, delikat, lätt eller liten. Dessa partiklar behöver inte binda till varandra, vilket håller dem ”tunna” i viss mening., Ursprungligen betraktades leptons som” lätta ” partiklar och hadrons de ”tunga” partiklarna, men upptäckten av tau lepton 1975 bröt den regeln. Tau (den tyngsta lepton) är nästan dubbelt så massiv som en proton (den lättaste hadron).

baryoner som finns i kärnan (proton och neutron) kallas nukleoner. Det latinska ordet för kärnan är kärnan. Nukleoner finns i atomens metaforiska ”kärna”. Baryoner som innehåller minst en konstig kvark men ingen charm, botten eller övre kvarkar kallas hyperoner., Det grekiska ordet för beyond är υπέρ (yper), som morphed till det engelska prefixet hyper-. Hyperoner är partiklar som är ”väg ut” i viss mening.

neutrinerna är en viktig undergrupp inom leptonerna. De kommer i tre smaker som heter för deras partner leptons. Elektronen, muon och tau matchas med elektronneutrino, muon neutrino och tau neutrino. Neutriner har mycket liten massa (även för leptoner) och interagerar så svagt med resten av partiklarna att de är exceptionellt svåra att upptäcka. Namnet är en pjäs på ord., Det italienska ordet för neutron (Neutron) låter som ordet neutral (neutro) med ett augmentative suffix (- ett) tackat på slutet. Det låter som ”stor neutral” till italienska öron. Byt ut det förstärkande suffixet-ett med det diminutiva suffixet – Ino och du har en ”liten neutral”, vilket är en bra beskrivning av vad en neutrino är — en diminutiv neutral partikel. Aaaaaw, så liten och neutral.

fermioner tillhör en av tre kända generationer från vanliga (i), till exotiska (II), till mycket exotiska (III)., (Det här är de adjektiv jag valde att beskriva generationerna.) Generation i-partiklar kan kombinera för att bilda hadroner med effektivt oändliga livsspann (stabila atomer gjorda av elektroner, protoner och neutroner till exempel). Generation II-partiklar bildar alltid instabila hadroner. Den längsta levande hadron som innehåller en generation II kvark är lambda-partikeln (gjord av en upp, ner och konstig kvark). Den har en genomsnittlig livstid på mindre än en miljarddel av en sekund, vilket anses vara långlivat för en instabil hadron. Generation III partiklar är uppdelade i deras beteende., Den nedre Kvarken är inte mycket främling än en konstig kvark, men den övre Kvarken är så kortlivad att den inte existerar tillräckligt länge för att göra någonting. Den faller sönder innan världen ens vet att den existerar. Top kvarkar är bara kända från sina sönderfallsprodukter.

partikelinteraktioner

tre av de fyra grundläggande fyren av naturen ingår i standardmodellen för partikelfysik — elektromagnetism, den starka kraften och den svaga kraften. (Gravitation ingår inte i Standardmodellen.,) Varje kraft verkar mellan partiklar på grund av någon egenskap hos den partikelladdning för elektromagnetism, färg för den starka kraften och smak för den svaga kraften. Bosons associerade med varje kraft kallas gauge bosons-fotonen för elektromagnetism, gluons för den starka kraften och W och Z bosons för den svaga kraften.

laddning är materiens egenskap som ger upphov till elektriska och magnetiska fenomen (kallas kollektivt elektromagnetism)., Avgiften kvantifieras, vilket innebär att den endast kan existera i diskreta mängder med begränsade värden — multiplar och fraktioner av elementär laddning (e = 1.6 × 10-19 C). Partiklar som existerar oberoende (elektronen, muon och tau) bär multiplar av den elementära laddningen (-1 e), medan kvarkar bär fraktioner av den elementära laddningen (+e eller −e). Kvarkar binder alltid samman i grupper vars totala laddning är en integrerad multipel av den elementära laddningen, varför ingen någonsin direkt har mätt en fraktionerad laddning., Dessutom, eftersom motsatta laddningar lockar, tenderar elektroner att binda till protoner för att bilda atomer som är neutrala övergripande. Vi märker normalt inte den elektriska naturen av materia på grund av detta.

laddade partiklar interagerar genom utbyte av fotoner — bäraren av den elektromagnetiska kraften. När en elektron avstöter en annan eller någon elektron banar en kärna, är en foton ansvarig. Fotoner är masslösa, oladdade och har ett obegränsat utbud., Den matematiska modellen som används för att beskriva interaktionen mellan laddade partiklar genom utbyte av fotoner är känd som quantum electrodynamics (QED).

kvarkar håller sig till andra kvarkar eftersom de har en egenskap som kallas färg (eller färgladdning). Kvarkar kommer i en av tre färger: röd, grön och blå. Låt inte orden vilseleda dig. Kvarkar är mycket för små för att vara synliga och därmed kunde aldrig ha en perceptuell egenskap som färg. Namnen valdes på grund av en bekväm analogi., Färgerna på kvarkar i Standardmodellen kombinerar som ljusets färger i mänsklig syn.

rött ljus plus grönt ljus plus blått ljus framträder för oss människor som ”färglöst” vitt ljus. En baryon är en triplett av en röd, en grön och en blå kvark. Sätt ihop dem och du får en färgneutral partikel. En färg plus dess motsatta färg ger också vitt ljus. Rött ljus plus cyan Ljus ser likadant ut för människor som vitt ljus, till exempel. En meson är en dubblett av en färgad kvark och en anticolored antiquark. Sätt ihop dem och du får en färgneutral partikel.,

det finns något om färg som gör att den vill gömma sig från något större än en kärna. Kvarkar står inte ut med att vara ifrån varandra. De måste bara gå upp och alltid göra det på ett sätt som döljer sin färg från omvärlden. En färg är aldrig gynnas över en annan när kvarkar träffas. Materia är färgneutral ner till mycket liten skala.

färgade partiklar binds samman av de lämpligt namngivna gluonerna. Gluons är också färgade, men på ett mer komplicerat sätt än kvarkarna är., Sex av de åtta gluonerna har två färger, en har fyra och en annan har sex. Gluons limar kvarkar tillsammans, men de håller sig också till sig själva. En konsekvens av detta är att de inte kan nå ut och göra mycket bortom kärnan.

den matematiska modellen som används för att beskriva interaktionen mellan färgade partiklar genom utbyte av gluoner kallas quantum chromodynamics (QCD). Hela klibbiga röran kallas stark kraft eller stark interaktion eftersom det resulterar i krafter i kärnan som är starkare än den elektromagnetiska kraften., Utan den starka kraften skulle varje kärna blåsa sig till småbitar.

det finns tolv namngivna elementära fermioner. Skillnaden mellan dem är en av smak. Ordet ”smak” används här för att betyda ” typ ” och det gäller endast fermioner. Låt inte ordet vilseleda dig. Subatomära partiklar är mycket för små för att ha några egenskaper som kan observeras direkt av mänskliga sinnen.,

smaksatta partiklar interagerar svagt genom utbyte av W eller Z bosons — bärarna av den svaga kraften (även känd som mellanliggande vektorboson). När en neutron sönderfaller till en proton är en W− boson ansvarig. Den matematiska modellen som används för att beskriva interaktionen mellan smaksatta partiklar genom utbyte av W och Z bosons är ibland känd som quantum flavordynamics (QFD), men detta är en term som inte används av arbetande partikelfysiker. Vid högre energier börjar de svaga och elektromagnetiska krafterna se mer och mer likadana ut., Den matematiska modellen som beskriver dessa interaktioner tillsammans kallas electroweak theory (EWT). Detta är det konventionella namnet för teorin om den svaga kraften.

massa och gravitation

alla fermioner tros ha en icke-restmassa. Partiklar i generation I är mindre massiva än de i generation II, som är mindre massiva än de i generation III. inom generationerna är kvarkar mer massiva än leptoner och neutriner är mindre massiva än de andra leptonerna. Bosons är uppdelade när det gäller massa., Gluoner och fotoner är masslösa. W, Z och Higgs bosons är massiva.

massan är energi. En rörlig partikel är mer massiv än en stationär partikel eftersom den har kinetisk energi. Logiskt då bör en stationär partikel inte ha någon massa. Om vi kunde stoppa en foton (som vi inte kan) det skulle väga ingenting. Vår logik verkar fungera. Om vi kunde stoppa en elektron (som vi kan) det skulle väga något. Vår logik är bruten. Varför väger vissa partiklar något i vila och andra väger ingenting?,

massan är energi och energi kommer i två typer: kinetisk energi (energin i rörelse) och potentiell energi (energin i arrangemanget). Det kinetiska energibidraget till massan är mindre. Det mesta av massan omkring oss kommer från någon form av potentiell energi. Till exempel är en proton gjord av två upp kvarkar och en ned kvark. Massorna av dessa tre kvarkar lägger inte upp till massan av en proton.

mp		2mu +1md
938.,272 MeV/C2		2(2.3 MeV/C2) + 1(4.8 MeV/C2)
938.272 MeV/C2	första hjälpen	9.4 MeV/C2

massorna på delarna är bara 1% av hela massan. De återstående 99% kommer från den potentiella energin hos den starka kraften som håller proton tillsammans. Partiklarna som förmedlar den starka kraften är gluoner. Interaktionsenergin hos dessa masslösspartiklar är det som ger proton större delen av sin massa.,

så varför har kvarkar massa men gluonerna inte? Eller som frågan var historiskt sagt, Varför har W och Z bosons massa men fotonen gör det inte? Kanske finns det en annan typ av potentiell energi. Kanske finns det en annan interaktion där ute — en interaktion som vissa partiklar känner och andra inte. om det finns en interaktion, det finns en partikel-en partikel som ger massa till andra partiklar när de bara sitter runt gör ingenting. Samspelet som ger massa till elementära partiklar föreslogs 1964 av forskare på tre oberoende platser.,

1. François Englert och Robert Brout vid L ’ Université Libre de Bruxelles Belgien
2. Peter Higgs vid Universitetet i Edinburgh i Skottland
3. Gerald Guralnik, Carl Hagen, och Tom Torrfoder vid Imperial College, London

Det bör kallas Englert-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen-Torrfoder mekanismen, men det är det inte. Oavsett anledning, den växelverkan som ger massa att elementarpartiklar är kallade Higgs-mekanismen och den partikel som förmedlar samspelet är kallade Higgs-boson, higgspartikeln, eller (sällan) den higgson.,

allt utrymme antas vara fyllt med ett Higgs — fält-ett bakgrundshav av virtuella Higgs-bosoner som dyker in och ut ur existens. Kvarkarna, leptonerna och W och Z-bosonen som rör sig genom rymden interagerar med detta fält, varför dessa partiklar har massa. Fotonerna och gluonerna interagerar inte med Higgs-fältet, varför dessa partiklar inte har massa. Även Higgs boson själv interagerar med Higgs-fältet. Det ger sig själv massa!, Higgs boson skiljer sig från de andra bosons (gluons, photons, W och Z bosons) genom att Higgs-mekanismen inte resulterar i något som liknar en kraft (som de starka, elektromagnetiska och svaga krafterna). Higgs-fältet är ett skalarfält och Higgs boson är en partikel med spin zero.

gravitation är kraften mellan objekt på grund av deras massa. Den matematiska modellen som skulle beskriva gravitationen på partikelnivån kallas ibland quantum geometridynamics (QGD), men kallas oftare kvantgravitation., Standardmodellen för partikelfysik inkluderar inte gravitation (inte heller någonsin) och det finns för närvarande ingen kvantteori om gravitation. Om det fanns, skulle det behöva inkludera en kraft karying partikel. Det föreslagna namnet på denna partikel är graviton. Allmän relativitet beskriver gravitationsvågor som en tensor störning som propogater – en som skär rumstid längs två alternerande vinkelräta riktningar. Detta tvådimensionella beteende leder teoretiska fysiker att tro att graviton skulle ha snurra två.,

man hoppas att tyngdkraften kommer att tas om hand i en teori bortom Standardmodellen. I ett extremt fall av övertroende föreslår vissa teoretiker att en sådan teori skulle vara en teori om allt. Med tanke på vetenskapens historia (och livet i allmänhet) är allt som påstår sig vara den ultimata representationen av verkligheten (vetenskaplig, ekonomisk, kulturell eller religiös) verkligen dömd att ersättas av något större och bättre — eller åtminstone något mindre fel.

namn, namn, namn

temat för detta ämne verkar vara ”namn, namn, namn”.,

partikelgrupper uppkallade efter fysiker

* klassiska partiklar (molekylerna av en idealisk gas, till exempel) är inte en del av standardmodellen, men ingår för jämförelse.,d>

bortom

partikelgrupper med namn på latinskt ursprung

grupp	latinska rot	betydelse
nukleoner	kärna	kärna

partikelgrupper med namn på diverse ursprung

grupp	källa	förklaring
neutrinos	Enrico Fermi (1901-1954) Italien

italienska diminutiv form av neutron (Neutron)., Neutrino kan översättas som den ”lilla neutrala” för att kontrastera den med Neutron, vilket är den ”stora neutrala”. kvarkar Murray Gell-Mann
(1929-2019)
USA ett godtyckligt yttrande senare i samband med en passage i Finnegans Wake — en roman av den irländska modernistiska författaren James Joyce. Tänkt att låta som en berusad fiskmås beställning” kannor ” av öl.,aternioner av absolut värde 1, {x: |x| =1}

diffeomorphic till en hypersphere (3-sfär)

homomorfisk till rotationsgruppen So(3), uppsättningen av alla rotationer om ursprunget i vanligt tredimensionellt euklidiskt utrymme

U(1)

• 1st order Unitary Group
• uppsättningen av alla 1 × 1 unitary matriser
• isomorf till cirkelgruppen, den multiplikativa gruppen av komplexa tal med absolut värde 1, T = {x: |x| =1}
• isomorf till SO(2), den andra ordningen speciell ortogonal grupp

Lagrangian

vad är det här?, Standardmodellen Lagrangian. Vad står det? Jag hör av mig när jag kommer på det.