Osakestefüüsika standardmudel

Allikas: Vikipeedia
Standardmudeli elementaarosakesd (peale Higgsi bosoni)

Standardmudel ehk elementaarosakeste füüsika standardmudel on kvantfüüsika teooria, mis kirjeldab tugevat, nõrka ja elektromagnetilist jõudu ning neid vahendavaid või nendega interakteeruvaid elementaarosakesi. See on relativistlik kvantväljateooria, mis ühendab kvantmehaanikat ja erirelatiivsusteooriat.

Teooria loodi ning seda arendati 20. sajandi teisel poolel paljude füüsikute ühistööna.[1]. Teooria arengut on toetanud nii eksperimentaalsed kui teoreetilised avastused. Praeguse kuju omandas teooria 1970ndate keskpaigas, kui eksperimentaalselt kinnitati kvarkide olemasolu.

Hiljem on teooriat kinnitanud ka b-kvargi (1977), t-kvargi (1995) ja tauneutriino (2000) eksperimentaalne avastamine.

Hiljaaegu (20112012) avastatud uus boson on kandidaat Higgsi bosonile, mis on viimane teooria poolt ennustatud, kuid eksperimentaalselt avastamata osake.[2]

Tänu võimele seletada suurt hulka eksperimentaalseid tulemusi kutsutakse standardmudelit ka "peaaegu kõige teooriaks".

Mudel ei ole siiski täiuslik kõikide fundamentaalsete interaktsioonide teooria, sest see ei kirjelda gravitatsioonijõudu ega ennusta universumi kiirenevat paisumist. Teoorias puuduvad võimalikud tumeaine osakesed, millel oleksid kõik nõutud omadused, mida kosmoloogilised vaatlused ennustavad. Ka ei ennusta standardmudel neutriinode otsillatsioone ega nende nullist erinevaid masse.

Viimasel ajal on standardmudel leidnud rakendust ka väljaspool osakestefüüsikat, näiteks astrofüüsikas, kosmoloogias ja tuumafüüsikas.

Ajalugu[muuda | redigeeri lähteteksti]

Esimesed sammud standardmudeli poole tegi Sheldon Lee Glashow, kui ta 1960. aastal avastas võimaluse ühendada elektromagnetism ja nõrk vastasmõju.[3]

1967. aastal sidusid Steven Weinberg[4] ja Abdus Salam[5] Higgsi mehhanismi Glashow' elektronõrga interaktsiooni teooriasse, andes talle tänapäevase kuju.

Usutakse, et Higgsi mehhanism annab massi kõikidele standardmudeli elementaarosakestele. See sisaldab W- ja Z-bosonite ning fermionide (st kvarkide ja leptonite) masse.

Pärast Z-bosoni tekitatud neutraalsete voolude avastamist CERN-is 1973. aastal[6][7][8][9] sai elektronõrk teooria laialt tunnustatuks ning Glashow, Salam ja Weinberg said selle avastamise eest 1979. aastal Nobeli füüsikapreemia[10].

W- ja Z-bosonid avastati eksperimentaalselt 1981. aastal ning nende massid vastasid standardmudelis ennustatule.[viide?]

Tugeva interaktsiooni teooria sai tänapäevase kuju 1973. ja 1974. aastal, kui eksperimendid kinnitasid, et hadronid koosnevad murdarvuliste laengutega kvarkidest.[viide?]

Elementaarosakesed[muuda | redigeeri lähteteksti]

Elementaarosakesed
Tüüpe Põlvkondi Antiosake Värve Kokku
Kvargid 2 3 Paar 3 36
Leptonid 2 3 Paar - 12
Gluuonid 1 1 Ise 8 8
W 1 1 Paar - 2
Z 1 1 Ise - 1
Footon 1 1 Ise - 1
Higgs 1 1 Ise - 1
Kokku 61

Standardmudelis on 61 elementaarosakest [viide?]. Need jagunevad fermionideks, kalibratsioonibosoniteks ja Higgsi bosoniks. Fermionid (spinniga 12) moodustavad mateeria, kalibratsioonibosonid (spinniga 1) vahendavad fundamentaalseid vastastikmõjusid ning Higgsi boson (spinniga 0) annab Higgsi mehhanismi kaudu teistele osakestele (peale footoni ja gluuoni) massi.

Fermionid[muuda | redigeeri lähteteksti]

48 osakest standardmudelis on fermionid. Nende spinn on 12 ning nende käitumist iseloomustavad Fermi-Diraci statistika ja allumine Pauli keeluprintsiibile.

Fermionid omakorda jaotatakse kvarkideks (u, c, t, d, s, b) ning leptoniteks (elektron, müüon, tauon ja nendele vastavad neutriinod). Lisaks on igal fermionil antiosake, mis erineb ainult elektrilaengu märgi poolest.

Kvargid erinevad teistest fermionidest murdarvulise elektrilaengu poolest. Kvargid on kas up-tüüpi (u, c, t, laenguga +23) või down-tüüpi (d, s, b, laenguga -13).

Teine eristav omadus on see, et need kannavad värvilaengut ning saavad seetõttu astuda tugevasse vastastikmõjusse. Kvarkvangistuse tõttu ei saa kvargid üksikult esineda, vaid nad moodustavad liitosakesi (hadronid), kus on kas kvark ja antikvark (mesonid) või kolm kvarki (barüonid).

Ülejäänud fermionid (leptonid) ei kanna värvilaengut ning jagunevad kaheks: elektrilaenguga ja elektrilaenguta osakesteks. Elektrilaenguga leptonitel (elektron, müüon, tauon) on kõigil laeng -1e ning nad saavad interakteeruda nii elektromagnetilise kui nõrga vastastikmõjuga. Väikese massiga ja laenguta neutriinod (elektronneutriino, müüneutriino ja tauneutriino) saavad interakteeruda ainult nõrga vastastikmõju kaudu.

Teistpidi jaotatakse fermionid kolme põlvkonda, kus igaühes on up- ja down-tüüpi kvark, neutriino ning vastav elektrilaenguta lepton. Igas põlvkonnas on osakeste füüsikalised omadused sarnased, kuid põlvkonna numbri suurenedes suureneva massiga.

Esimese põlvkonna osakesed on stabiilsed (st ei lagune spontaanselt) ning sellest tulenevalt koosneb kogu tavaline (barüoniline) mateeria nendest osakestest (u- ja d-kvark ning elektron). Konkreetsemalt, kõik aatomid koosnevad aatomituumast, mis koosneb u- ja d-kvarkidest, ning seda ümbritsevatest elektronidest. Kõrgemate põlvkondade osakesed on aga ebastabiilsed ja väga lühikese elueaga ning neid saab vaadelda ainult väga kõrge energiaga olukordades (nt osakeste kiirendid või kosmilised kiired).

Kõik neutriinod on stabiilsed ja liiguvad vabalt läbi universumi, kuid interakteeruvad väga harva barüonilise ainega.

Kalibratsioonibosonid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kokkuvõte standardmudeli osakeste vahelistest interaktsioonidest

Standardmudelis on kalibratsioonibosonid (footonid, gluuonid ning W+, W- ja Z-bosonid) osakesed, mis kannavad üle tugevat, nõrka ja elektromagnetilist vastasmõju. Neid kutsutakse ka vaheosakesteks ja jõu kandjateks.[11]

Kõikide kalibratsioonibosonite spinn on 1. Need alluvad Bose-Einsteini statistikale ja seetõttu ei ole nad Pauli keeluprintsiibiga piiratud. Sellest tulenevalt ei ole teoreetilist piiri selle kohta, kui mitu bosonit saab paikneda samas ruumiosas.

Footonid vahendavad elektromagnetilist vastasmõju elektrilaengutega osakeste vahel. Footon on massita osake ja selle käitumist kirjeldab hästi kvantelektrodünaamika.

W+, W- ja Z-bosonid kannavad üle nõrka vastasmõju kvarkide ja leptonite vahel. Need osakesed on kõik massiivsed. W-bosonitel on elektrilaeng ja seetõttu mõjutavad neid elektrilaenguga osakesed. W-bosonid interakteeruvad ainult "paremakäeliste" osakeste või "vasakukäeliste" antiosakestega. Z-boson, mis on laenguta, kuid W-bosonitest massiivsem, interakteerub kõikide "parema-" ja "vasakukäeliste" osakeste ja antiosakestega. Neid kolme kalibratsioonibosonit ja footonit käsitletakse ka ühiselt elektronõrga vastasmõju kandjatena.

Kaheksa gluuonit vahendavad tugevat interaktsiooni värvilaengutega osakeste vahel. Gluuonid kannavad ise samuti värvilaengut ja seetõttu interakteeruvad nad nii iseenda kui kvarkidega. Need osakesed on sarnaselt footoniga massitud. Gluuoneid ja nende interaktsiooni kirjeldab kvantkromodünaamika.

Higgsi boson[muuda | redigeeri lähteteksti]

Higgsi boson on massiivne elementaarosake, mille eksistentsi ennustasid Robert Brout, François Englert, Peter Higgs, Gerald Guralnik, Carl Richard Hagen ja Tom Kibble 1964. aastal ning mis on oluline osa standardmudelist.[12][13][14][15] Selle spinn on 0 ning seetõttu klassifitseeritakse seda bosoniks (sarnaselt kalibratsioonibosonitele, millel on täisarvuline spinn).

Higgsi bosonil on standardmudelis unikaalne roll, kuna see seletab, miks teistel elementaarosakestel (peale footoni ja gluuoni) on mass. Konkreetselt seletab Higgsi boson, miks footon on massitu, aga W- ja Z-bosonid väga massiivsed. Elementaarosakeste massid ning erinevused nõrga (mida kannavad üle W- ja Z-bosonid) ning elektromagnetilise (mida kannab üle footon) vastasmõju vahel on väga olulised mateeria mikrostruktuuri ja sellest tulenevalt makrostruktuuri uurimisel. Elektronõrga vastasmõju teoorias kirjeldab Higgsi boson leptonite ja kvarkide masse. Kuna Higgsi bosonil endal on mass, siis järelikult peab ta ka iseendaga interakteeruma.

Kuna Higgsi boson on väga massiivne ja laguneb peaaegu kohe pärast tekkimist, siis saab seda vaadelda ainult väga suure energiaga osakeste kiirendis. Eksperimente, mis proovivad Higgsi bosonit vaadelda, tehti kuni 2011. aastani Fermilabi kiirendis Tevatron ja 2010 algas töö CERN-is kiirendil LHC. Selleks, et standardmudel oleks matemaatiliselt kooskõlaline, on vaja, et iga massi tekitav mehhanism muutuks tuvastatavaks energiatel, mis on suuremad kui 1,4 TeV.[16]

LHC on ehitatud selleks, et põrgatada kokku prootonite kiiri 7-8 TeV juures ning selle üks eesmärk on just uurida seda, kas Higgsi boson eksisteerib ja missugused on selle omadused.[17]

4. juulil 2012 teatasid LHC kaks peamist eksperimenti ATLAS ja CMS mõlemad, et nad olid leidnud uue bosoni, mille mass on umbes 125 GeV/c2, mis on "kooskõlas Higgsi bosoniga". Kuigi leitud osakesel on omadusi, mis meenutavad Higgsi bosonit,[18], siis mõlemad uurimisrühmad tunnistasid, et rohkem tööd on vaja teha, et lõplikult kinnitada, et tegu tõesti on Higgsi bosoniga ning millist standardmudeli versiooni see sellisel juhul kõige paremini toetab.[2][19][20][21][22]

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. Oerter, Robert. The Theory of Almost Everything: The Standard Model, the Unsung Triumph of Modern Physics (lk. 2). Penguin Group. Kindle Edition. 26. september 2006
  2. 2,0 2,1 "CERN experiments observe particle consistent with long-sought Higgs boson", CERN (4 July 2012). Vaadatud 4 July 2012. 
  3. S.L. Glashow (1961). "Partial-symmetries of weak interactions". Nuclear Physics 22 (4): 579–588. doi:10.1016/0029-5582(61)90469-2. Bibcode1961NucPh..22..579G. 
  4. S. Weinberg (1967). "A Model of Leptons". Physical Review Letters 19 (21): 1264–1266. doi:10.1103/PhysRevLett.19.1264. Bibcode1967PhRvL..19.1264W. 
  5. A. Salam (toimetaja N. Svartholm; 1968) Elementary Particle Physics: Relativistic Groups and Analyticity kaheksas Nobeli sümpoosium, Almquvist and Wiksell: Stockholm. 367 lk
  6. F.J. Hasert jt (1973). "Search for elastic muon-neutrino electron scattering". Physics Letters B 46. doi:10.1016/0370-2693(73)90494-2. Bibcode1973PhLB...46..121H. 
  7. F.J. Hasert jt (1973). "Observation of neutrino-like interactions without muon or electron in the gargamelle neutrino experiment". Physics Letters B 46. doi:10.1016/0370-2693(73)90499-1. Bibcode1973PhLB...46..138H. 
  8. F.J. Hasert jt (1974). "Observation of neutrino-like interactions without muon or electron in the Gargamelle neutrino experiment". Nuclear Physics B 73. doi:10.1016/0550-3213(74)90038-8. Bibcode1974NuPhB..73....1H. 
  9. D. Haidt (4 October 2004). "The discovery of the weak neutral currents". CERN Courier. Vaadatud 8 May 2008.
  10. "The Nobel Prize in Physics 1979". Nobelprize.org. Vaadatud 12.11.2012.
  11. Jaak Lõhmus, Rein Veskimäe (2003). Universumi mikromaailm. Tallinn: OÜ REVES Grupp, lk 231. 
  12. F. Englert, R. Brout (1964). "Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector Mesons". Physical Review Letters 13 (9): 321–323. doi:10.1103/PhysRevLett.13.321. Bibcode1964PhRvL..13..321E. 
  13. P.W. Higgs (1964). "Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons". Physical Review Letters 13 (16): 508–509. doi:10.1103/PhysRevLett.13.508. Bibcode1964PhRvL..13..508H. 
  14. G.S. Guralnik, C.R. Hagen, T.W.B. Kibble (1964). "Global Conservation Laws and Massless Particles". Physical Review Letters 13 (20): 585–587. doi:10.1103/PhysRevLett.13.585. Bibcode1964PhRvL..13..585G. 
  15. G.S. Guralnik (2009). "The History of the Guralnik, Hagen and Kibble development of the Theory of Spontaneous Symmetry Breaking and Gauge Particles". International Journal of Modern Physics A 24 (14): 2601–2627. doi:10.1142/S0217751X09045431. Bibcode2009IJMPA..24.2601G. 
  16. Lee, Benjamin W. (1977). "Weak interactions at very high energies: The role of the Higgs-boson mass". Physical Review D 16 (5): 1519–1531. doi:10.1103/PhysRevD.16.1519. Bibcode1977PhRvD..16.1519L. 
  17. "Huge $10 billion collider resumes hunt for 'God particle' - CNN.com", CNN (11. november 2009). Vaadatud 10. oktoober 2012. 
  18. Matt Strassler (10. juuli 2012). "Higgs Discovery: Is it a Higgs?". Vaadatud 12.11.2012.
  19. "Observation of a New Particle with a Mass of 125 GeV". Cms.web.cern.ch. Vaadatud 5.07.2012.
  20. "ATLAS Experiment". Atlas.ch (1. jaanuar 2006). Vaadatud 5.07.2012.
  21. Video (04:38) - CERN Announcement (4 July 2012) Of Higgs Boson Discovery.
  22. Overbye, Dennis (July 4, 2012). "A New Particle Could Be Physics’ Holy Grail". Vaadatud July 4, 2012. 

Kirjandus[muuda | redigeeri lähteteksti]

  • Jaak Lõhmus, Rein Veskimäe (2003). Universumi mikromaailm. Tallinn: OÜ REVES Grupp.