המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים הוא מסגרת תאורטית שמסבירה את הטבע בקנה־ממדים זעירים. הוא מתאר שלושה כוחות יסודיים: הכוח הגרעיני החזק, הכוח הגרעיני החלש והכוח האלקטרומגנטי. המודל בנוי כתורות כיול (תאוריות שמבוססות על סימטריות מתמטיות שנדרשות כדי שהחוקים יהיו עקביים), והוא משתמש בעקרונות של תורת השדות הקוונטית, שמתאימה גם למכניקת הקוונטים וגם לתורת היחסות הפרטית. ניסוחו הושלם בשנות ה-70 והשיג התאמה מדויקת לניסויים. עם זאת, הוא אינו כולל את הכבידה ומוגבל לאנרגיות נמוכות מ־TeV.
החלקיקים במודל מתחלקים לשתי משפחות עיקריות: פרמיונים ובוזונים.
פרמיונים הם חלקיקי חומר. (הסבר: פרמיונים הם חלקיקים בעלי ספין חצי והם מצייתים לעקרון האיסור של פאולי, שאוסר על שני פרמיונים לשתף את אותו מצב קוונטי.) הפרמיונים מתחלקים ללפטונים ולקווארקים. לפטונים אינם משתתפים בכוח החזק; הם כוללים את האלקטרון והנייטרינו. קווארקים כן מתחברם לכוח החזק ויש להם תכונת "צבע" (תכונה שמייצגת מטען של הכוח החזק). תגובת הכוח החזק מתחזקת כשקווארקים מרוחקים זה מזה; לכן קווארקים תמיד נשארים בקבוצות חסרות צבע שנקראות האדרונים. סוגי האדרונים: באריונים (שלושה קווארקים), כמו פרוטון ונייטרון, ומזונים (קווארק, אנטי־קווארק). הפרמיונים מסודרים בשלוש דורות; הדור הראשון (אלקטרון, נייטרינו אלקטרוני, קווארקים up ו‑down) בונה את החומר היומיומי.
בוזונים הם נושאי כוח. (הסבר: בוזון הוא חלקיק שמעביר אינטראקציות בין פרמיונים.) במודל הסטנדרטי הבוזונים כוללים את הפוטון של החשמל והאור, גלואונים של הכוח החזק, וחלקיקי W ו‑Z של הכוח החלש. בוזונים נוצרים ונעלמים סביב חלקיקי האם במסגרת חילופי אנרגיה; משך חייהם תלוי במסתם ובהספק האנרגטי, ולכן טווח ההשפעה שלהם שונה. לפוטון אין מסה ולכן יש לו טווח השפעה אינסופי. ל־W ו‑Z יש מסה גבוהה ולכן טווח פעולתם קצר מאד.
הצלחת המודל ניכרת בכך שמבנה המשוואות שקובע את צורת הכוחות נגזר מסימטריות כלליות, ולא הוכתב באופן שרירותי. טיעונים כאלה חזו את קיומם של הגלואונים ושל חלקיקי W ו‑Z, כפי שאומתו בניסויים.
מודל זה מתאר את האלקטרונים והקווארקים כחלקיקים נקודתיים, בלי מבנה פנימי. יש הצעות תאורטיות שמנסות להסביר מבנה פנימי, אך עד כה אין הוכחות ניסיוניות.
מלבד לדעת אילו חלקיקים וכוחות קיימים, צריך גם כללים לחשב אינטראקציות. בגרסה מודרנית, הכללים הם תורת השדות הקוונטית היחסותית. כאשר חלקיקים מתקשרים, הם יכולים גם לשנות זהותם, להיווצר או להתאיין. דיאגרמות פיינמן מסייעות לייצג אינטראקציות אלה: קווים ישרים מייצגים חלקיקי חומר, וקווים גליים מייצגים בוזונים. לדוגמה, אלקטרון יכול לפלוט פוטון ולשנות מסלול. גלואונים מעבירים את הכוח בין קווארקים. חלקיקי W ו‑Z מעורבים בשינויים של זהות חלקיקים, כמו בתהליכים חלשים.
המודל הסטנדרטי כפוף לחבורת סימטריות שניתן לרשום כך:
\ SU(3)_C \times SU(2)_W \times U(1)_Y
בהתנהלות הרגילה, הסימטריה \ SU(2)_W \times U(1)_Y נשברת ל־\ U(1)_{EM} שמייצגת את האלקטרומגנטיות.
באנרגיות גבוהות כל הכוחות נראים דומים יותר. ההסבר לכך עשוי לדרוש תאור גדול יותר מאשר המודל הסטנדרטי, כמו תאור איחוד גדול או תורות חדישות אחרות. עד כה המודל נותן תיאורים מדויקים באנרגיות הנמצאות בהישג הניסויי.
למרות הצלחותיו, המודל הסטנדרטי אינו מסביר מספר בעיות חשובות:
- קבוע הקוסמולוגי: אנרגיית הריק (אנרגיה של החלל הריק) לא מסבירה את ההתנהגות הנצפית של היקום.
- אנרגיה אפלה: ההאצה של התפשטות היקום אינה מובנת במסגרת המודל.
- אינפלציה: שלב התפשטות מהירה בראשית היקום דורש שדות מחוץ למודל.
- חוסר סימטריה בין חומר לאנטי־חומר: המודל לא מסביר מדוע יש יותר חומר ביקום.
- חומר אפל קר: כרבע מהיקום הוא חומר שאינו מורכב מחלקיקי המודל הסטנדרטי.
- בעיות הקשורות לשדה היגס: האופן המדויק של האינטראקציות עם היגס לא מוסבר לחלוטין, וקיימת בעיית "הדקיות" (fine‑tuning) במסת ההיגס.
- כבידה: המודל אינו כולל את הכבידה.
- מסות חלקיקים ודורות: המודל לא מסביר את ערכי המסות ואת מספר הדורות.
- חידת רדיוס הפרוטון: מדידות שונות נתנו ערכים סותרים לרדיוס הפרוטון.
אלו המגבלות המרכזיות שדוחפות לפיתוח תאוריות חדשות ולעיסוק ניסויי נמשך.
המודל הסטנדרטי מסביר חלק גדול מעולם החלקיקים. הוא מתאר שלושה כוחות: כוח חזק, כוח חלש וכוח חשמלי (אלקטרומגנטי). המודל לא כולל את הכבידה.
יש שני סוגי חלקיקים עיקריים: פרמיונים ובוזונים.
פרמיונים הם חלקיקים של חומר. (הסבר: הם בעלי תכונה בשם ספין חצי.) דוגמאות: אלקטרון ונייטרינו. קווארקים בונים פרוטונים ונייטרונים. קווארקים יש להם "צבע" שמייצג מטען של הכוח החזק. קווארקים תמיד יחד בקבוצות שנקראות האדרונים.
בוזונים מעבירים כוחות. (הסבר: הם חלקיקים שעוזרים לחלקיקים אחרים לשתף אנרגיה.) הפוטון מעביר חשמל ואור. גלואונים מעבירים את הכוח החזק. חלקיקי W ו‑Z מעורבים בכוח החלש. לפוטון אין מסה ולכן הוא יכול להגיע רחוק.
המודל נשען על סימטריות מתמטיות שנקראות:\ SU(3)_C \times SU(2)_W \times U(1)_Y. חלק מהסימטריות נשברות ל־U(1) של האלקטרומגנטיות.
למרות שהוא מדויק, המודל לא פותר כל התעלומות:
- הוא לא כולל כבידה.
- הוא לא מסביר את החומר האפל.
- הוא לא מסביר למה יש יותר חומר מאנטי־חומר.
- יש לו בעיות עם ההסבר של שדה היגס ובמיוחד עם ערכי מסות.
- מדידות שונות מצביעות על חוסר ודאות ברדיוס של הפרוטון.
המודל מצליח להסביר הרבה, אבל מדענים עדיין מחפשים תשובות לשאלות אלה.
תגובות גולשים