Aineen rakenteen standardimalli Mistä on maailmankaikkeus tehty? Heli Suhonen ja Milla Niskakoski Esitelmä Ristiinan Lukion oppilaille ja opettajille 13.2.2007

Aineen rakenne Kaikki ”tavallinen” aine koostuu atomeista, jotka puolestaan koostuvat elektroneista ja atomiytimistä. Atomiytimet koostuvat protoneista ja neutroneista. Nämä taas koostuvat kvarkeista, jotka ovat pienimpiä tunnettuja hiukkasia. Jokaisella hiukkasella on erityinen tapansa osallistua vuorovaikutuksiin. Tästä lisää hiukkasista

Vuorovaikutukset ja niiden välittäjähiukkaset Kaikki tunnetut materiahiukkaset vuorovaikuttavat välittäjähiukkastensa kautta. Kahden kappaleen vuorovaikutuksen välittää siis kunkin vuorovaikutuksen oma välittäjähiukkanen. Sähkömagneettinen vuorovaikutus: Välittäjähiukkasena toimii fotoni Sitoo elektronit atomiytimiin Vahva vuorovaikutus: Välittäjähiukkasina toimivat gluonit Sitoo kvarkit toisiinsa – pitää atomiytimet koossa. Heikko vuorovaikutus: Välittäjähiukkasena toimivat välibosonit Heikon vuorovaikutuksen piiriin kuuluvat mm. beetahajoaminen sekä monet muut ydinfysiikan ilmiöt. Gravitaatiovuorovaikutus: Välittäjähiukkasena gravitoni Kaikki hiukkaset tuntevat gravitaation Gravitaatiota käytännössä edustavat mm. planeettojen kiertäminen radoillaan ja esineiden putoaminen Ainut vuorovaikutus, jota ei ole onnistuttu liittämään standardimallin piiriin lisää vuorovaikutuksista

Aineen rakenteen historiaa Kaikki ”normaali” aine: v. 1900 elektroni v. 1905 protoni v. 1930 neutroni 1930-luvulla opittiin tuntemaan myös positroni (elektronin antihiukkanen) ja siten huomattiin, että on olemassa antiainetta. 1955 neutriino Neutriinon vuorovaikutus aineen kanssa on niin vähäistä, että havaittiin olevan ”näkymätöntä” ainetta 1965 kvarkit Havaittiin, että aineella on hienorakenne

Näiden uusien hiukkasten myötä on löydetty lukuisia uusia luonnonlakeja: 1600-luvulla Newtonin liikeyhtälöt ja painovoima 1800-luvulla mm. sähkömagnetismi ja termodynamiikka 1900-luvulla kvanttimekaniikka ja suhteellisuusteoria Myöhemmin yhdistettiin kvanttimekaniikkaa ja suhteellisuusteoriaa

… Standardimalli? Standardimalli on typistetty kokonaisuus, malli, joka kuvaa maailman, kappaleiden, hiukkasten koostumuksia ja ominaisuuksia, sekä kaikkea, mikä pitää tuntemamme maailman kasassa. Standardimalli selittää hiukkaset ja monimutkaiset vuorovaikutukset yksinkertaisesti vain 6 kvarkilla, 6 leptonilla ja välittäjähiukkasilla. Se on tähän saakka paras teoria kuvaamaan ympäröivää maailmaamme. Standardimallin hiukkaset jakautuvat kolmeen perheeseen:

Standardimallissa on kuitenkin puutteensa: Se ei pysty selittämään aivan kaikkea. Esimerkiksi se ei selitä, miksi tietyt hiukkaset ovat juuri sellaisia kuin ne ovat, tai tarkalleen miten esimerkiksi gravitaatiolla on osuutta hiukkasasteella. Sillä on niin sanottu ”kauneusongelma”, eli se on kovin monimutkainen teoria. Standardimalli kattaa vain n. 5% maailmankaikkeuden hiukkasista, sillä 25% on toistaiseksi tuntematonta ”pimeää ainetta” ja lisäksi on myös pimeää energiaa. standardimallin jälkeen

Higgsin hiukkanen Standardimalli toimii hyvin vain, jos Higgsin hiukkanen on olemassa. Standardimallihan ei selitä, miksi hiukkasilla on niille ominaiset massat, mutta teoriat osoittavat, että Higgsin hiukkanen aiheuttaa ne. Higgsin hiukkanen on vielä toistaiseksi tuntematon, mutta uusilla ja suuremmilla hiukkaskiihdyttimillä (LHC) sen olemassaolo pyritään havaitsemaan. Standardimallin mukaan Higgsin kenttä kattaa koko avaruuden, ja että itse Higgsin hiukkanen on tihentymä tässä kentässä.