Modelul standard

Fermionii sunt particule care se unesc pentru a forma toată "materia" pe care o vedem. Exemple de grupuri de fermioni sunt protonul și neutronul. Fermionii au proprietăți, cum ar fi sarcina și masa, care pot fi observate în viața de zi cu zi. De asemenea, ei au și alte proprietăți, cum ar fi spinul, sarcina slabă, hiperîncărcarea și sarcina de culoare, ale căror efecte nu apar de obicei în viața de zi cu zi. Acestor proprietăți li se atribuie numere numite numere cuantice.

Fermionii sunt particule al căror număr de spin este egal cu un număr impar, pozitiv, înmulțit cu jumătate: 1/2, 3/2, 5/2, etc. Se spune că fermionii au "jumătate de număr întreg de spin".

Un fapt important despre fermioni este că aceștia respectă o regulă numită principiul de excludere Pauli. Această regulă spune că doi fermioni nu se pot afla în același "loc" în același timp, deoarece doi fermioni dintr-un atom nu pot avea aceleași numere cuantice în același timp. Fermionii se supun, de asemenea, unei teorii numite statistica Fermi-Dirac. Cuvântul "fermion" îl onorează pe fizicianul Enrico Fermi.

Există 12 tipuri diferite de fermioni. Fiecare tip se numește "aromă". Numele lor sunt:

• Quarci - sus, jos, ciudat, farmec, sus, jos, sus, jos
• Leptoni - electron, muon, tau, neutrino de electron, neutrino de muon, neutrino de tau. Electronul este cel mai bine cunoscut lepton.

Quarcii sunt grupați în trei perechi. Fiecare pereche se numește "generație". Primul quarc din fiecare pereche are sarcina 2/3, iar al doilea quarc are sarcina -1/3. Cele trei tipuri de neutrini au sarcina 0. Electronul, muonul și tau au sarcina -1.

Materia este formată din atomi, iar atomii sunt formați din electroni, protoni și neutroni. Protonii și neutronii sunt formați din quarci sus și jos. Poți găsi un lepton singur, dar nu poți găsi niciodată quarci singuri. Acest lucru se datorează faptului că quarcii sunt ținuți împreună de forța de culoare.

Bosonii sunt al doilea tip de particule elementare din modelul standard. Toți bosonii au un spin întreg (1, 2, 3, etc.), astfel încât mai mulți dintre ei se pot afla în același loc în același timp. Există două tipuri de bosoni: bosonii de calibru și bosonul Higgs. Bosonii gauge sunt cei care fac posibile forțele fundamentale ale naturii. (Nu suntem încă siguri dacă gravitația funcționează printr-un boson gauge.) Fiecare forță care acționează asupra fermionilor se datorează faptului că bosonii gauge se deplasează între fermioni, transportând forța. Bosonii urmează o teorie numită statistica Bose-Einstein. Cuvântul "boson" îl onorează pe fizicianul indian Satyendra Nath Bose.

Modelul standard spune că există:

• 12 fermioni, fiecare cu propria sa antiparticulă;
• 12 bosoni de gabarit: 8 tipuri de gluoni, fotonul, W⁺ , W^- , și Z;

Toate aceste particule au fost observate fie în natură, fie în laborator. Modelul prezice, de asemenea, că există un boson Higgs. Modelul spune că fermionii au masă (nu sunt doar energie pură) deoarece bosonii Higgs călătoresc înainte și înapoi între ei. Se crede că bosonul Higgs a fost descoperit la 4 iulie 2012. Acesta este particula care dă masă altor particule.

Există patru forțe de bază cunoscute ale naturii. Aceste forțe afectează fermionii și sunt purtate de bosoni care călătoresc între acești fermioni. Modelul standard explică trei dintre aceste patru forțe.

• Forță puternică: Această forță ține quarcii împreună pentru a forma hadroni precum protonii și neutronii. Forța puternică este purtată de gluoni. Teoria quarcilor, a forței puternice și a gluonilor se numește cromodinamică cuantică (QCD).
• Forța puternică reziduală ține împreună protonii și neutronii pentru a forma nucleul fiecărui atom. Această forță este purtată de mezoni, care sunt compuși din doi quarci.
• Forța slabă: Această forță poate schimba aroma unui fermion și provoacă dezintegrarea beta. Forța slabă este transportată de trei bosoni gauge: W⁺ , W^- , și bosonul Z.
• Forța electromagnetică: Această forță explică electricitatea, magnetismul și alte unde electromagnetice, inclusiv lumina. Această forță este purtată de foton. Teoria combinată a electronului, a fotonului și a electromagnetismului se numește electrodinamică cuantică.
• Gravitatea: Aceasta este singura forță fundamentală care nu este explicată de SM. Este posibil să fie purtată de o particulă numită graviton. Fizicienii caută gravitonul, dar nu l-au găsit încă.

Forțele puternice și slabe sunt observate doar în interiorul nucleului unui atom. Ele funcționează doar pe distanțe foarte mici: distanțe care sunt la fel de mari ca și un proton. Forța electromagnetică și gravitația acționează pe orice distanță, dar intensitatea acestor forțe scade pe măsură ce obiectele afectate se îndepărtează. Forța scade odată cu pătratul distanței dintre obiectele afectate: de exemplu, dacă două obiecte sunt de două ori mai îndepărtate unul de celălalt, forța de gravitație dintre ele devine de patru ori mai puțin puternică (2² =4).

Modelul standard este departe de a fi o teorie a tuturor lucrurilor. Acesta nu include întreaga teorie a gravitației, așa cum este descrisă de relativitatea generală, și nici nu ia în considerare expansiunea accelerată a universului (posibil descrisă de energia întunecată). Modelul nu conține nicio particulă de materie întunecată care să aibă toate proprietățile observate în cosmologia observațională. Se consideră că SM este teoretic autoconsistent. Acesta a demonstrat succese uriașe și continue în predicțiile experimentale, dar lasă unele lucruri neexplicate.