Standardmodellen for partikelfysik - den helt fantastiske teori om næsten alt

Standardmodellen. Hvilket kedeligt navn for den mest nøjagtige videnskabelige teori kendt af mennesker.

Mere end en fjerdedel af nobelpriserne i fysik i det sidste århundrede er direkte input til eller direkte resultater af standardmodellen. Alligevel antyder navnet, at hvis du har råd til et par ekstra dollars om måneden, bør du købe opgraderingen. Som teoretisk fysiker, Jeg ville foretrække The Absolutely Amazing Theory of Næsten Alt. Det er hvad Standardmodellen i virkeligheden er.

Mange husker begejstringen blandt videnskabsmænd og medier over opdagelsen af ​​Higgs-bosonen i 2012. Men den meget ballade begivenhed kom ikke ud af det blå – den afsluttede en fem-årtier ubesejret række for Standard Model. Enhver grundlæggende kraft undtagen tyngdekraften er inkluderet i den. Ethvert forsøg på at vælte det for at demonstrere i laboratoriet, at det skal omarbejdes væsentligt – og det har været mange i løbet af de sidste 50 år – er slået fejl.

Kort sagt, Standardmodellen besvarer dette spørgsmål:Hvad er alt lavet af, og hvordan hænger det sammen?

De mindste byggeklodser

Du ved, selvfølgelig, at verden omkring os er lavet af molekyler, og molekyler er lavet af atomer. Kemiker Dmitri Mendeleev fandt ud af det i 1860'erne og organiserede alle atomer - dvs. grundstofferne – ind i det periodiske system, som du sikkert studerede i mellemskolen. Men der er 118 forskellige kemiske grundstoffer. Der er antimon, arsen, aluminium, selen … og 114 mere.

Fysikere kan lide ting simple. Vi ønsker at koge tingene ned til deres essens, nogle få grundlæggende byggesten. Over hundrede kemiske grundstoffer er ikke enkelt. De gamle troede, at alt er lavet af kun fem elementer - jord, vand, ild, luft og æter. Fem er meget enklere end 118. Det er også forkert.

I 1932, videnskabsmænd vidste, at alle disse atomer er lavet af kun tre partikler - neutroner, protoner og elektroner. Neutronerne og protonerne er bundet tæt sammen ind i kernen. elektronerne, tusindvis af gange lettere, hvirvle rundt om kernen med hastigheder, der nærmer sig lysets. Fysikere Planck, Bohr, Schrødinger, Heisenberg og venner havde opfundet en ny videnskab - kvantemekanik - for at forklare denne bevægelse.

Det ville have været et tilfredsstillende sted at stoppe. Kun tre partikler. Tre er endnu enklere end fem. Men hvordan holdes sammen? De negativt ladede elektroner og positivt ladede protoner er bundet sammen af ​​elektromagnetisme. Men protonerne er alle samlet sammen i kernen, og deres positive ladninger burde skubbe dem kraftigt fra hinanden. De neutrale neutroner kan ikke hjælpe.

Hvad binder disse protoner og neutroner sammen? "Guddommelig indgriben" fortalte en mand på et gadehjørne i Toronto til mig; han havde en pjece, Jeg kunne læse alt om det. Men dette scenarie virkede som en masse problemer selv for et guddommeligt væsen – at holde styr på hver eneste af universets 10⁸⁰ protoner og neutroner og bøje dem til dets vilje.

Udvidelse af zoo af partikler

I mellemtiden naturen afviste grusomt at holde sin zoologiske have af partikler på kun tre. Virkelig fire, fordi vi skal tælle fotonen, lyspartikelen, som Einstein beskrev. Fire voksede til fem, da Anderson målte elektroner med positiv ladning - positroner - der ramte Jorden fra det ydre rum. I det mindste havde Dirac forudsagt disse første antistofpartikler. Fem blev til seks, da pionen, som Yukawa forudsagde ville holde kernen sammen, blev fundet.

Så kom myonen – 200 gange tungere end elektronen, men ellers en tvilling. "Hvem har bestilt det?" I.I. Rabi grinede. Det opsummerer det. Nummer syv. Ikke kun ikke simpelt, overflødig.

I 1960'erne var der hundredvis af "fundamentale" partikler. I stedet for det velorganiserede periodiske system, der var bare lange lister af baryoner (tunge partikler som protoner og neutroner), mesoner (som Yukawas pioner) og leptoner (lette partikler som elektronen, og de undvigende neutrinoer) – uden organisation og uden vejledende principper.

Standardmodellen kom ind i dette brud. Det var ikke et glimt af glans over natten. Ingen Arkimedes sprang ud af et badekar og råbte "eureka." I stedet, der var en række afgørende indsigter fra nogle få nøglepersoner i midten af ​​1960'erne, der forvandlede denne sump til en simpel teori, og derefter fem årtiers eksperimentel verifikation og teoretisk uddybning.

Quarks. De kommer i seks varianter, vi kalder smag. Som is, undtagen ikke så velsmagende. I stedet for vanilje, chokolade og så videre, vi har op, ned, mærkelig, charme, bund og top. I 1964, Gell-Mann og Zweig lærte os opskrifterne:Bland og match alle tre kvarker for at få en baryon. Protoner er to ups og en down kvark bundet sammen; neutroner er to downs og en op. Vælg en kvark og en antikvark for at få en meson. En pion er en op- eller en ned-kvark bundet til en anti-op eller en anti-down. Alt materialet i vores daglige liv er lavet af kun op og ned kvarker og antikvarker og elektroner.

Enkel. Godt, simpelt, fordi det er en bedrift at holde kvarker bundet. De er bundet til hinanden så tæt, at du aldrig nogensinde finder en kvark eller anti-kvark alene. Teorien om den binding, og partiklerne kaldet gluoner (klukke), der er ansvarlige, kaldes kvantekromodynamik. Det er en vigtig del af standardmodellen, men matematisk svært, endda udgør et uløst problem med grundlæggende matematik. Vi fysikere gør vores bedste for at regne med det, men vi er stadig ved at lære hvordan.

Det andet aspekt af standardmodellen er "En model af leptoner." Det er navnet på det skelsættende papir fra 1967 af Steven Weinberg, der samlede kvantemekanikken med de vitale stykker viden om, hvordan partikler interagerer og organiserede de to i en enkelt teori. Det inkorporerede den velkendte elektromagnetisme, forenede det med det, fysikere kaldte "den svage kraft", der forårsager visse radioaktive henfald, og forklarede, at de var forskellige aspekter af den samme kraft. Det inkorporerede Higgs-mekanismen til at give masse til fundamentale partikler.

Siden da, Standardmodellen har forudsagt resultaterne af eksperiment efter eksperiment, herunder opdagelsen af ​​flere varianter af kvarker og af W- og Z-bosonerne - tunge partikler, der er for svage vekselvirkninger, hvad fotonen er for elektromagnetisme. Muligheden for, at neutrinoer ikke er masseløse, blev overset i 1960'erne, men gled let ind i standardmodellen i 1990'erne, et par årtier for sent til festen.

Opdagelse af Higgs-bosonen i 2012, længe forudsagt af standardmodellen og længe søgt efter, var en spænding, men ikke en overraskelse. Det var endnu en afgørende sejr for Standardmodellen over de mørke kræfter, som partikelfysikere gentagne gange har advaret om, der tårnede sig op i horisonten. Bekymrede over, at standardmodellen ikke i tilstrækkelig grad udmøntede deres forventninger om enkelhed, bekymret for dens matematiske selvkonsistens, eller se fremad til den eventuelle nødvendighed for at bringe tyngdekraften ind i folden, fysikere har lavet adskillige forslag til teorier ud over standardmodellen. Disse bærer spændende navne som Grand Unified Theories, Supersymmetri, Technicolor, og strengteori.

Desværre, i det mindste for deres tilhængere, hinsides-standardmodel-teorierne har endnu ikke med succes forudsagt noget nyt eksperimentelt fænomen eller nogen eksperimentel uoverensstemmelse med standardmodellen.

Efter fem årtier, langt fra at kræve en opgradering, Standardmodellen er værdig til at fejres som den absolut fantastiske teori om næsten alt.

Denne artikel blev oprindeligt publiceret på The Conversation. Læs den originale artikel.