النموذج القياسي هو نظرية في فيزياء الجسيمات تشرح كيفية تفاعل الجسيمات والقوى الأساسية في الكون مع بعضها البعض. فهو يجمع بين ميكانيكا الكم والنسبية الخاصة لتوفير إطار لفهم بنية المادة في أصغر المقاييس. النموذج القياسي مدعوم بالأدلة التجريبية وهو أحد أكثر النظريات التي تم اختبارها بدقة في العلوم.
يصف النموذج القياسي ثلاثًا من القوى الأساسية الأربع المعروفة في الكون: القوى الكهرومغناطيسية، والقوى النووية الضعيفة، والقوى النووية القوية. ولا تشمل الجاذبية التي تصفها النسبية العامة. يصنف النموذج جميع الجسيمات الأولية المعروفة إلى مجموعتين رئيسيتين: الفرميونات والبوزونات.
الفرميونات هي اللبنات الأساسية للمادة. وتنقسم إلى مجموعتين: الكواركات واللبتونات. الكواركات تأتي في ستة "نكهات": أعلى، أسفل، سحر، غريب، أعلى، وأسفل. وهي تتحد بطرق محددة لتكوين البروتونات والنيوترونات، التي تشكل نواة الذرات. تشمل اللبتونات الإلكترونات والميونات والتاو والنيوترينوات المقابلة لها. تدور الإلكترونات حول النواة الذرية التي تتكون من البروتونات والنيوترونات، وتشكل الذرات.
البوزونات هي جسيمات تتوسط القوى الأساسية بين الفرميونات. الفوتون ( \(\gamma\) ) هو الناقل للقوة الكهرومغناطيسية، والبوزونات W وZ تتوسط القوة النووية الضعيفة، والغلوونات ( \(g\) ) تحمل القوة النووية القوية. بوزون هيغز ( \(H\) ) هو جسيم خاص مرتبط بمجال هيغز، مما يعطي كتلة للجسيمات الأخرى.
يتم وصف القوة الكهرومغناطيسية من خلال نظرية الديناميكا الكهربائية الكمومية (QED). وهي مسؤولة عن التفاعلات بين الجسيمات المشحونة من خلال تبادل الفوتونات. تربط القوة الكهرومغناطيسية الإلكترونات بالنواة الذرية وتشكل الذرات. يمكن تمثيل معادلة التفاعل للقوة الكهرومغناطيسية على النحو التالي:
\( F = \frac{k e \cdot q 1 \cdot q_2}{r^2} \)حيث \(F\) هي القوة، \(k e\) هو ثابت كولوم، \(q1\) و \(q_2\) هما الشحنتان، و \(r\) هي المسافة بين الشحنات.
القوة النووية الضعيفة مسؤولة عن الاضمحلال الإشعاعي وبعض التفاعلات النووية. يتوسطها بوزونات W و Z. مثال على العمليات التي تنطوي على القوة الضعيفة هو اضمحلال بيتا، حيث يتحول نيوترون في نواة الذرة إلى بروتون، وينبعث منه إلكترون وإلكترون مضاد النيوترينو ( \(\bar{\nu}_e\) ). يمكن تمثيل التفاعل على النحو التالي:
\( n \rightarrow p + e^- + \bar{\nu}_e \)تربط القوة النووية القوية الكواركات معًا لتكوين البروتونات والنيوترونات وتجمع النواة الذرية معًا. إنها أقوى القوى الأساسية الأربع ولكنها تؤثر على مسافات قصيرة جدًا. تتوسط القوة القوية غلوونات ويتم وصف قوتها بواسطة الديناميكا اللونية الكمومية (QCD). يتم تحديد القوة بين الكواركات بواسطة:
\( F_{strong} \propto \frac{1}{r^2} \textrm{ على مسافات قصيرة} \)ولكنها تزداد مع المسافة، مما يؤدي إلى حصر الكواركات داخل البروتونات والنيوترونات.
تشرح آلية هيغز كيف تكتسب الجسيمات الكتلة. فهو يقترح وجود حقل، هو مجال هيغز، الذي يتخلل الكون. الجسيمات التي تتفاعل مع هذا المجال تكتسب كتلة؛ كلما كان التفاعل أقوى، كلما كان الجسيم أثقل. بوزون هيغز هو الجسيم الكمي المرتبط بهذا المجال، والذي تم اكتشافه في عام 2012 في مصادم الهادرونات الكبير التابع لـ CERN (LHC).
تم تأكيد تنبؤات النموذج القياسي من خلال العديد من التجارب. وتشمل الاكتشافات البارزة الكوارك العلوي (1995)، وتاو نيوترينو (2000)، وبوزون هيغز (2012). لعب مصادم الهادرونات الكبير التابع لـ CERN (LHC) ومصادم تيفاترون التابع لفيرميلاب أدوارًا حاسمة في هذه الاكتشافات. تتضمن هذه التجارب تصادم الجسيمات عند طاقات عالية ومراقبة النتائج، مما يوفر نظرة ثاقبة للمكونات الأساسية للمادة والقوى المؤثرة عليها.
على الرغم من أن النموذج القياسي كان ناجحًا للغاية، إلا أن له حدودًا. فهو لا يفسر المادة المظلمة والطاقة المظلمة في الكون، أو عدم تناسق المادة والمادة المضادة، أو قوة الجاذبية. نظريات مثل التناظر الفائق ونظرية الأوتار تقترح امتدادات للنموذج القياسي لمعالجة هذه الألغاز، ولكن الأدلة التجريبية لهذه النظريات لا تزال غير موجودة.
تهدف الأبحاث الجارية في فيزياء الجسيمات إلى تعميق فهمنا للكون، مما قد يؤدي إلى نظرية أكثر شمولاً تتضمن القوى الأساسية الأربع جميعها وتحل الأسئلة التي لم تتم الإجابة عليها في النموذج القياسي.
