مدل استاندارد نظریه ای در فیزیک ذرات است که چگونگی تعامل ذرات و نیروهای بنیادی جهان با یکدیگر را توضیح می دهد. این مکانیک کوانتومی و نسبیت خاص را ترکیب می کند تا چارچوبی برای درک ساختار ماده در کوچکترین مقیاس ارائه دهد. مدل استاندارد توسط شواهد تجربی پشتیبانی می‌شود و یکی از دقیق‌ترین نظریه‌های آزمایش شده در علم است.
مدل استاندارد سه تا از چهار نیروی اساسی شناخته شده در جهان را توصیف می کند: الکترومغناطیسی، هسته ای ضعیف و نیروهای هسته ای قوی. گرانش را که توسط نسبیت عام توصیف شده است، شامل نمی شود. این مدل تمام ذرات بنیادی شناخته شده را به دو گروه اصلی طبقه بندی می کند: فرمیون ها و بوزون ها.
فرمیون ها اجزای سازنده ماده هستند. آنها به دو گروه کوارک ها و لپتون ها تقسیم می شوند. کوارک ها در شش "طعم" وجود دارند: بالا، پایین، جذاب، عجیب، بالا و پایین. آنها به روش های خاصی ترکیب می شوند تا پروتون ها و نوترون ها را تشکیل دهند که هسته اتم ها را تشکیل می دهند. لپتون ها شامل الکترون ها، میون ها، تاوس و نوترینوهای مربوط به آنها هستند. الکترون ها به دور هسته اتمی تشکیل شده توسط پروتون ها و نوترون ها می چرخند و اتم ها را می سازند.
بوزون ها ذراتی هستند که میانجی نیروهای اساسی بین فرمیون ها هستند. فوتون ( \(\gamma\) ) حامل نیروی الکترومغناطیسی است، بوزون های W و Z واسطه نیروی هسته ای ضعیف هستند و گلوئون ها ( \(g\) ) حامل نیروی هسته ای قوی هستند. بوزون هیگز ( \(H\) ) یک ذره خاص مرتبط با میدان هیگز است که به ذرات دیگر جرم می دهد.
نیروی الکترومغناطیسی توسط نظریه الکترودینامیک کوانتومی (QED) توصیف می شود. مسئول برهمکنش بین ذرات باردار از طریق تبادل فوتون است. نیروی الکترومغناطیسی الکترون ها را به هسته اتم متصل می کند و اتم ها را تشکیل می دهد. معادله برهمکنش نیروی الکترومغناطیسی را می توان به صورت زیر نشان داد:
\( F = \frac{k e \cdot q 1 \cdot q_2}{r^2} \)که در آن \(F\) نیرو، \(k e\) ثابت کولن، \(q1\) و \(q_2\) بارها و \(r\) فاصله بین بارها است.
نیروی هسته ای ضعیف مسئول واپاشی رادیواکتیو و واکنش های هسته ای خاص است. واسطه آن بوزون های W و Z است. نمونه‌ای از فرآیندی که شامل نیروی ضعیف است، واپاشی بتا است، که در آن یک نوترون در هسته اتم به یک پروتون تبدیل می‌شود و یک الکترون و یک الکترون پادنوترینو ساطع می‌کند ( \(\bar{\nu}_e\) ). این تعامل را می توان به صورت زیر نشان داد:
\( n \rightarrow p + e^- + \bar{\nu}_e \)نیروی هسته ای قوی کوارک ها را به یکدیگر متصل می کند تا پروتون و نوترون تشکیل دهد و هسته اتم را کنار هم نگه می دارد. این نیرو قوی ترین از چهار نیروی اساسی است اما در فواصل بسیار کوتاه عمل می کند. نیروی قوی توسط گلوئون ها واسطه می شود و قدرت آن توسط کرومودینامیک کوانتومی (QCD) توصیف می شود. نیروی بین کوارک ها به صورت زیر بدست می آید:
\( F_{strong} \propto \frac{1}{r^2} \textrm{ در فواصل کوتاه} \)اما با فاصله افزایش می یابد و کوارک ها را در پروتون ها و نوترون ها محدود می کند.
مکانیسم هیگز توضیح می دهد که ذرات چگونه جرم می گیرند. میدانی به نام میدان هیگز را پیشنهاد می کند که در جهان هستی نفوذ می کند. ذرات در تعامل با این میدان جرم می گیرند. هرچه برهمکنش قوی تر باشد، ذره سنگین تر است. بوزون هیگز ذره کوانتیزه شده مرتبط با این میدان است که در سال 2012 در برخورد دهنده بزرگ هادرون (LHC) سرن کشف شد.
پیش‌بینی‌های مدل استاندارد از طریق آزمایش‌های متعدد تأیید شده‌اند. اکتشافات قابل توجه عبارتند از کوارک برتر (1995)، نوترینو تاو (2000) و بوزون هیگز (2012). برخورد دهنده بزرگ هادرون (LHC) سرن و برخورد دهنده تواترون Fermilab نقش مهمی در این اکتشافات داشتند. این آزمایش‌ها شامل برخورد ذرات در انرژی‌های بالا و مشاهده نتایج است که بینش‌هایی را در مورد اجزای اساسی ماده و نیروهای وارد بر آنها ارائه می‌دهد.
در حالی که مدل استاندارد بسیار موفق بوده است، محدودیت هایی دارد. این ماده تاریک و انرژی تاریک جهان، عدم تقارن ماده-ضد ماده یا نیروی گرانش را توضیح نمی دهد. نظریه هایی مانند ابرتقارن و نظریه ریسمان، الحاقاتی به مدل استاندارد برای پرداختن به این اسرار پیشنهاد می کنند، اما شواهد تجربی برای این نظریه ها هنوز وجود ندارد.
هدف تحقیق در حال انجام در فیزیک ذرات، تعمیق درک ما از جهان است که به طور بالقوه منجر به نظریه جامع تری می شود که شامل هر چهار نیروی اساسی است و سؤالات بی پاسخ مدل استاندارد را حل می کند.
