Hiukkasfysiikan standardimalli

Hiukkasfysiikan standardimalli on hiukkasfysiikan teoria, joka kuvaa heikon, vahvan ja sähkömagneettisen vuorovaikutuksen sekä alkeishiukkaset, joista aine pohjimmiltaan koostuu. Vuosina 1970–1973 kehitetty standardimalli on kvanttikenttäteoria, ja sopusoinnussa kvanttimekaniikan sekä suppean suhteellisuusteorian kanssa. Standardimalli ei kuitenkaan selitä neutriino-oskillaatiota, neutriinon massaa, myonin teorian vastaista värähtelyä, pimeää ainetta, pimeää energiaa, gravitaatiota, eikä edes aineen olemassaoloa (baryogeneesia); standardimallin mukaan kehittynyt maailmankaikkeus olisikin täysin vailla ainetta. Standardimalli ei siis ole kaiken teoria.

Alkeishiukkasten standardimalli

Standardimalli

Standardimalli sisältää alkeishiukkaset; fermionit ja bosonit. Fermionit ovat alkeishiukkasia joiden spin on puoliluku (1/2, 3/2 jne...) ja siksi tottelevat Paulin kieltosääntöä, jonka mukaan kaksi fermionia ei voi olla samassa kvanttitilassa. Bosonien spin on kokonaisluku eivätkä ne noudata Paulin kieltosääntöä. Yksinkertaistetusti sanottuna fermionit ovat ainehiukkasia ja bosonit välittäjähiukkasia.

Standardimallissa yhdistetään sähkömagneettisen ja heikon vuorovaikutuksen kuvaava teoria eli sähköheikko vuorovaikutus ja vahvan vuorovaikutuksen kuvaava kvanttikromodynamiikka. Nämä teoriat ovat mittateorioita, eli ne kuvaavat fermionien välillä vaikuttavia vuorovaikutuksia vaikutuksen välittävän bosonin (mittabosonin) avulla. Standardimallin bosonit ovat:

• fotoni, sähkömagneettisen vuorovaikutuksen välittäjä,
• W-bosonit ja Z-bosoni, heikon vuorovaikutuksen välittäjät,
• kahdeksan erityyppistä gluonia (liimahiukkanen) eli vahvan vuorovaikutuksen välittäjää sekä
• Higgsin bosonit, jotka aiheuttavat muiden hiukkasten massan.

Osoittautuu, että mittabosonien mittamuunnokset voidaan kuvata täsmällisesti mittaryhmäksi kutsutun unitaarisen ryhmän avulla. Vahvan vuorovaikutuksen mittaryhmä on SU(3) ja sähköheikon vuorovaikutuksen SU(2)×U(1). Siten standardimalli pohjautuu yhdistettyyn sisäiseen symmetriaan SU(3)×SU(2)×U(1), joista ensimmäinen kuvaa värivoimaa ja kaksi viimeistä yhdessä heikkoja ja sähkömagneettisia vuorovaikutuksia. Sähköheikko symmetria on rikkoutunut siten, että sähkömagneettiseen vuorovaikutukseen liittyvä symmetria jää tarkaksi jäännössymmetriaksi ja täten sähkömagneettista vuorovaikutusta välittävä fotoni on massaton. Heikkoa vuorovaikutusta välittävät hiukkaset puolestaan saavat massan symmetriarikossa, josta on vastuussa Higgsin bosoni, teorian ainoa bosoni joka ei ole mittabosoni. Higgsin hiukkasta ei ole toistaiseksi havaittu kokeellisesti, ja sen löytäminen on kokeellisen fysiikan suurimpia tavoitteita. Heinäkuussa 2012 CERNin tutkijat ilmoittivat löytäneensä uuden bosonin, jonka ominaisuudet sopivat hyvin yhteen standardimallin ennustaman Higgsin bosonin kanssa.

Standardimalliin kuuluu kaksitoista erityyppistä fermionia sekä niiden antihiukkaset. Protoni ja neutroni koostuvat molemmat kahdentyyppisistä fermioneista, ylös-kvarkeista ja alas-kvarkeista, joita vahva vuorovaikutus sitoo yhteen. Elektronin sitoo atomin ytimen ympärille sähkömagneettinen vuorovaikutus. Nämä kolme fermionia muodostavat yhdessä valtaosan havaitsemastamme aineesta. Alla olevassa taulukossa on lueteltu standardimallin alkeishiukkas-fermionit ja niiden ominaisuudet.

Taulukko

Standardimallin vasenkätiset fermionit

1. perhe
Fermioni (vasenkätinen)	Symboli	Sähkövaraus	Heikko varaus	Heikko isospin	Hypervaraus	Värivaraus	Massa
Elektroni	$e$	−1	$\mathbf {2}$	−1/2	−1/2	$\mathbf {1}$	0,511 MeV
Elektronin neutriino	$\nu _{e}$	0	$\mathbf {2}$	+1/2	−1/2	$\mathbf {1}$	< 50 eV
Positroni	$e^{c}$	+1	$\mathbf {1}$	0	+1	$\mathbf {1}$	0,511 MeV
Elektronin antineutriino	$\nu _{e}^{c}$	0	$\mathbf {1}$	0	0	$\mathbf {1}$	< 50 eV
Ylös-kvarkki	$u$	+2/3	$\mathbf {2}$	+1/2	+1/6	$\mathbf {3}$	1.5...4,5 MeV1
Alas-kvarkki	$d$	−1/3	$\mathbf {2}$	−1/2	+1/6	$\mathbf {3}$	5...8,5 MeV1
Ylös-antikvarkki	$u^{c}$	−2/3	$\mathbf {1}$	0	−2/3	$\mathbf {\bar {3}}$	1,5...4,5 MeV1
Alas-antikvarkki	$d^{c}$	+1/3	$\mathbf {1}$	0	+1/3	$\mathbf {\bar {3}}$	5...8,5 MeV1
2. perhe
Fermioni (vasenkätinen)	Symboli	Sähkövaraus	Heikko varaus	Heikko isospin	Hypervaraus	Värivaraus	Massa
Myoni	$\mu$	−1	$\mathbf {2}$	−1/2	−1/2	$\mathbf {1}$	105,6 MeV
Myonin neutriino	$\nu _{\mu }$	0	$\mathbf {2}$	+1/2	−1/2	$\mathbf {1}$	< 0,5 MeV
Antimyoni	$\mu ^{c}$	+1	$\mathbf {1}$	0	+1	$\mathbf {1}$	105,6 MeV
Myonin antineutriino	$\nu _{\mu }^{c}$	0	$\mathbf {1}$	0	0	$\mathbf {1}$	< 0,5 MeV
Lumo-kvarkki	$c$	+2/3	$\mathbf {2}$	+1/2	+1/6	$\mathbf {3}$	1 000...1 400 MeV
Outo-kvarkki	$s$	−1/3	$\mathbf {2}$	−1/2	+1/6	$\mathbf {3}$	80...155 MeV
Lumo-antikvarkki	$c^{c}$	−2/3	$\mathbf {1}$	0	−2/3	$\mathbf {\bar {3}}$	1 000...1 400 MeV
Outo-antikvarkki	$s^{c}$	+1/3	$\mathbf {1}$	0	+1/3	$\mathbf {\bar {3}}$	80...155 MeV
3. perhe
Fermioni (vasenkätinen)	Symboli	Sähkövaraus	Heikko varaus	Heikko isospin	Hypervaraus	Värivaraus	Massa
Tau	$\tau$	−1	$\mathbf {2}$	−1/2	−1/2	$\mathbf {1}$	1,784 GeV
Taun neutriino	$\nu _{\tau }$	0	$\mathbf {2}$	+1/2	−1/2	$\mathbf {1}$	< 70 MeV
Antitau	$\tau ^{c}$	+1	$\mathbf {1}$	0	+1	$\mathbf {1}$	1,784 GeV
Taun antineutriino	$\nu _{\tau }^{c}$	0	$\mathbf {1}$	0	0	$\mathbf {1}$	< 70 MeV
Huippu-kvarkki	$t$	+2/3	$\mathbf {2}$	+1/2	+1/6	$\mathbf {3}$	178 000 ± 4 300 MeV
Pohja-kvarkki	$b$	−1/3	$\mathbf {2}$	−1/2	+1/6	$\mathbf {3}$	4 000...4 500 MeV
Huippu-antikvarkki	$t^{c}$	−2/3	$\mathbf {1}$	0	−2/3	$\mathbf {\bar {3}}$	178 000 ± 4 300 MeV
Pohja-antikvarkki	$b^{c}$	+1/3	$\mathbf {1}$	0	+1/3	$\mathbf {\bar {3}}$	4 000...4 500 MeV
1. Massojen arviot ovat kiistanalaisia. On ehdotettu että u-kvarkki olisi lähes massaton.

Fermionit voidaan järjestää kolmeen perheeseen, joista ensimmäiseen kuuluvat elektroni, ylös- ja alas-kvarkit sekä elektronin neutriino. Tavallinen aine koostuu ensimmäisen perheen hiukkasista, sillä muiden perheiden hiukkaset hajoavat nopeasti ensimmäisen perheen hiukkasiksi; niitä voidaan havaita vain lyhyen aikaa hiukkaskiihdyttimissä. Hiukkasperheiden fermionit muistuttavat toisiaan muuten paitsi massaltaan. Esimerkiksi elektronilla ja myonilla on sama sähkövaraus ja spin, mutta myonin massa on elektroniin verrattuna 200-kertainen.

Elektronia ja elektronin neutriinoa sekä niiden vastinpareja muissa perheissä kutsutaan leptoneiksi. Leptoneilta puuttuu kokonaan kvarkkien väriominaisuus, ja niihin vaikuttaa ainoastaan heikko ja sähkömagneettinen vuorovaikutus, joka heikkenee etäisyyden kasvaessa. Sen sijaan kvarkkien välinen värivoima eli vahva vuorovaikutus voimistuu etäisyyden kasvaessa, ja siksi kvarkkeja tavataan ainoastaan värittömissä yhdistelmissä eikä koskaan yksinään. Tätä kutsutaan kvarkkien vankeudeksi (engl. quark confinement). Nämä värittömät yhdistelmät ovat joko fermionisia baryoneja (kuten protonit ja neutronit) tai bosonisia mesoneja (esimerkiksi pionit). Sidosenergian johdosta tällaisten yhdistelmien massa ylittää yksittäisten osasten yhteenlasketun massan.

Standardimallin ongelmia

Standardimallissa ei ole mekanismia, jolla neutriinoille syntyisi massa. Massattomilla neutriinoilla puolestaan ei esiinny neutriino-oskillaatiota, joka havaittiin kokeellisesti vuonna 1998. Täten standardimalliin on lisättävä jokin mekanismi, joka tuottaa neutriinoille massat. Muista kokeista myonin magneettisen momentin teoreettinen ja kokeellinen arvo poikkeavat hieman toisistaan. Toistaiseksi (v. 2021) on epäselvää, kertooko tämä poikkeama standardimallin ulkopuolisesta fysiikasta vai onko se laskennan epätarkkuuksista johtuva tilastollinen sattuma. Kaksi eri laskentakaavaa antaa eri tuloksen ja poikkeamalle haetaan selitystä niin laskukaavoista kuin tuntemattomasta alkeishiukkasesta tai ennestään tuntemattomasta viidennestä perusvuorovaikutuksesta.

Albert Einsteinin suhteellisuusteoria asettaa myös tarpeita standardimallin laajentamiselle. Hiukkasreaktiot, jossa hiukkasia ja antihiukkasia syntyisi eri määrä, vaativat niin sanotun CP-symmetrian rikkoutumista. Standardimallissa kvarkkien sekoittuminen tuottaa CP-symmetrian rikon, mutta tämä on liian pieni saamaan aikaiseksi niin suuren määrän ainetta kuin mitä maailmankaikkeudessa on. Suhteellisuusteorian mukaisen universumin ristiriita kosmologisten havaintojen kanssa edellyttää myös, että maailmankaikkeudessa olisi merkittävä määrä muuta kuin näkyvää ainetta, jota kutsutaan pimeäksi aineeksi, jotta suhteellisuusteoria olisi pätevä. Standardimallissa ei ole pimeän aineen ehdokasta.

Teoriaan on tuotava käsin kaikki fermionit, eli kuusi kvarkkia, kolme varattua leptonia ja kolme neutriinoa. Teoria ei myöskään ennusta näiden massoja. Tämän takia hiukkasfyysikot toivovat kehittävänsä kaiken teorian, joka paitsi antaisi suuren osan standardimallin vapaista numeerisista parametreista (massat, varaukset, hiukkasten tyypit), myös sisältäisi gravitaation. Jo nykyisellään standardimalli kuitenkin ennustaa (kun massat, varaukset, hiukkaslajit on annettu) kaikkien tunnettujen hiukkasreaktioiden todennäköisyydet.

Edellä mainittujen ongelmien johdosta hiukkasfyysikot eivät yleisesti usko, että standardimalli olisi lopullinen teoria. Standardimallia voidaan laajentaa monella tavalla. Näistä mielenkiintoisimmat ovat laajempi Higgsin bosoniin liittyvä sektori, supersymmetria ja säieteoriat. Vuodesta 2008 alkaen CERNin uuden suuren hadrontörmäyttimen (engl. Large Hadron Collider (LHC)) odotetaan tuovan kokeellista tietoa koskien standardimallin laajennuksia. Vuonna 2012 LHC:llä saatiin todennettua Higgsin bosoni, ja täten teoreettisen Higgsin kentän olemassaolo.

Katso myös

• Baryogeneesi
• Luettelo hiukkasista
• Perusvuorovaikutukset

Aiheesta muualla

• Kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Hiukkasfysiikan standardimalli Wikimedia Commonsissa