Standardimalli
Yleistietoa fysiikan standardimallista Standardimalli on sähkömagneettisen, heikon ja vahvan vuorovaikutuksen, sekä kaikki tunnetut alkeishiukkaset sisältävä teoria. Standardimalli on tällä hetkellä kattavin ja eniten kannatusta saanut maailmankaikkeutemme koostumusta ja vuorovaikutuksia kuvaava teoria. Standardimalli on osoittautunut tehokkaaksi erinäisten fysiikan ilmiöiden (ennusti mm. gluonien ja Higgsin bosonin olemassaolon) kuvaamisessa, puutteistaan huolimatta. Kattavuudestaan huolimatta standardimalli ei vielä ole täydellinen, mm. kaikkia sen ennustamia hiukkasia ei ole vielä löydetty. Fysiikan standardimalli lukeutuu fysiikan perustutkimukseen, ja tukee maailmankaikkeuden perusluonteen tutkimista. => Mallin käytännön sovellukset ovat vähäiset, mutta standardimalli täydentää tietämystämme maailmankaikkeudesta. Standardimallin kuvaamat hiukkaset: Leptonit, kvarkit ja bosonit. Hiukkaset luokitellaan spinin mukaan.
Standardimallin kehitys Standardimallille luotiin pohja 1960-luvun alussa, kun löydettiin keino yhdistää heikko ja sähkömagneettinen vuorovaikutus. Vuosikymmenen loppupuolella Higgsin mekanismi yhdistettiin teoriaan, jolloin teoria saavutti nykyisen muotonsa. 1960-luvulta 2000-luvulle löydettiin useita uusia atomia pienempiä hiukkasia, joiden olemassaolon ja ominaisuuksia standardimalli oli aiemmin ennustanut. Nämä uudet löydökset tukevat standardimallia Viimeisimpien löydettyjen hiukkasten, Tau-neutriinon (2000) ja Higgsin bosonin (2012) myötä standardimallin ainoa ennustettu, puuttuva hiukkanen on painovoimaa välittävä gravitoni. 1970-luvulta lähtien standardimallin heikkouksien paikkaamiseksi on tutkittu mm. supersymmetriaa.
Standardimallin mukaiset alkeishiukkaset 12 fermionia (spin=½) 6 kvarkkia Värivoima ja murtolukuvaraus Muodostavat hadroneita (p,n) 6 leptonia Kokonaislukuvaraus Neutriinoilla ei varausta Bosonit (spin=0,1,2) 4 mittabosonia W+/-, Z -bosonit, fotoni, gluoni Higgsin bosoni (skalaari)
Perusvuorovaikutukset Vahva vuorovaikutus, värivoima [1, 10E(-15) m] Kvarkkien välillä, pitää hadronit koossa Pitää atomiytimen kasassa Välittäjähiukkasena gluoni Sähkömagneettinen vuorovaikutus [1/137, inf] Välittäjähiukkasena fotoni
Perusvuorovaikutukset Heikko vuorovaikutus [10E-6, 10E(-18) m] Fermionien välillä Välittäjähiukkasena Z tai W-bosoni Esim. beetahajoaminen, EC, Gravitaatio [10E-38, inf] Vetovoima Gravitoni?
Ongelmia Standardimallilla voidaan selittää vain näkyvän aineen ominaisuuksia eli se kattaa vain noin 4 prosentin suuruisen osan maailmankaikkeuden kaikesta energiasisällöstä. Standardimallilla ei voida selittää perusvuorovaikutuksiin kuuluvaa gravitaatio- vuorovaikutusta, koska gravitaatiovuorovaikutuksen oletettua välittäjähiukkasta eli gravitonia ei ole löydetty. Ei kykene selittämään, miksi neutriinoille on havaittu massa Sudbury Neutrino Observatory:n tekemässä neutiino-oskillaatioon perustuvassa kokeessa. Malli ei myöskään ole kyennyt ennustamaan fermionien (kvarkit, leptonit, baryonit) massoja tai varauksia, vaan ne on pitänyt tuoda malliin. Standardimallilla ei myöskään voida todistaa, ovatko kvarkit ja leptonit loppujen lopuksi aineen pienimpiä rakenneosia. Ne saattavat nimittäin koostua vielä pienemmistä hiukkasista joidenkin tutkijoiden oletusten perusteella. Malli ei kerro, miksi ainetta on enemmän kuin antiainetta.
kk Ongelmiin ratkaisuja? - Säieteoriat Standardimalli ei ole aukoton, joten sille on tullut kilpailevia teorioita kk Erilaiset säieteoriat, joissa alkeishiukkaset (perushiukkaset ja hadronit) esitetään yksiulotteisina säikeinä eikä siis pistemäisinä kappaleina. Säieteorioiden mukaan maailmankaikkeudessa on useampia ulottuvuuksia kuin kykenemme havaitsemaan. Näille teorioille on kuitenkin vain niukasti todisteita ja teoriat nojaavat lähinnä matemaattisiin väitteisiin.
Ongelmiin ratkaisuja? - Supersymmetriateoria kk Supersymmetriateorian mukaan jokaisella standardimallin hiukkasella on olemassa supersymmetrinen pari. Tämä teoria antaa ehdotuksen pimeän aineen rakenteesta, sillä kevyimmän supersymmetrisen hiukkasen oletetaan olevan pysyvässä tilassa ja vuoro- vaikuttavan vain hyvin vähän muiden hiukkasten kanssa. Kevyin supersymmetrinen hiukkanen saattaa siis olla pimeää ainetta, mutta todisteita idealle ei ole. Fyysikoiden tavoitteena onkin tulevaisuudessa luoda ns. kaiken teoria, jonka pohjana tulisivat todennäköisesti olemaan supersymmetriateoria ja säieteoriat sekä standardimalli eräänlaisena yhdistelmänä.
Ongelmiin ratkaisuja? - Higgsin bosonin löytyminen Standardimalli ennustaa Higgsin bosonin olemassaolon. Todisteita ennustukselle on saatu vuoden 2012 heinäkuusta lähtien, kun CERNin LHC-törmäyttimen dataa analysoitaessa havaittiin kohouma massajakaumassa 125 GeV.n kohdalla. Tutkimukset ovat jatkuneet ja tiedemiehet ovat tulleet yhä vakuuttuneemmiksi Higgsin bosonin olemassaolosta. Higgsin bosonin olemassaolon varmistuminen on merkittävä asia standardimallin kannalta, koska se antaa selityksen alkeishiukkasten massoille. Selitys perustuu teoriaan Higgsin kentästä, jonka kanssa alkeishiukkaset vuorovaikuttavat eri tavoin ja saavat siten erisuuruisia massoja. Higgsin hiukkanen vaikuttaa Higgsin kentässä, ja muut hiukkaset saavat massansa törmäilemällä Higgsin hiukkasiin. Kuvassa näkyy, kuinka Higgsin hiukkaset törmäilevät aktiivisesti massallisiin hiukkasiin, mutta eivät törmäile lainkaan fotoneihin (massattomia hiukkasia).
Ongelmiin ratkaisuja? - Higgsin bosonin löytyminen Higgsin bosonin löytyminen on ratkaisevaa standardi- mallin kannalta, koska ilman sitä standardimalli ei olisi käyttökelpoinen vajaavaisuutensa vuoksi. Mikäli hiukkasta ei olisi löytynyt, standardimallia olisi pitänyt muuttaa jotenkin Higgsin kentälle vaihtoehtoisen teorian löytämiseksi. Higgsin bosonin löytyminen kuitenkin herättää lisää kysymyksiä ja vauhdittaa uusien tutkimusten suunnittelemista. Jotkin teoriat nimittäin ennustavat Higgsin hiukkasia olevan jopa viisi erilaista. CERNissä tullaankin jatkamaan Higgsin bosonin ominaisuuksien tutkimista ja mahdollisten muiden Higgsin bosonien etsimistä.
Changelog __NIMI_______PVM___________LISÄTIETOA______________________________________________________________________________ Otto Hanski 4.1.-15 - Lisätty yleistietoa ja käyttötarkoituksia kuvaava dia (järjestyksessä 2.) - Tekstirivit muista dioista tasattu miellyttävämmän ulkoasun saavuttamiseksi (diat 3-7) 5.1.-15 - Edelleen ulkoasun tyylittelyä (Otsikoiden parempi korostus, Changelogin “käyttöohje”) Still me 23.1.-15 - Historiaosuus viimeistelty, ulkoasu tyylitelty dioissa 4-6
Työnjako (subject to change) Yleistieto (intro) - Otto Vuorovaikutukset - Elias Hiukkaset - Elias Historia - Otto Cernin tutkimukset - Jarno Ongelmat - Jarno