Standardni model je teorija u fizici čestica koja objašnjava kako temeljne čestice i sile svemira međusobno djeluju. Kombinira kvantnu mehaniku i posebnu teoriju relativnosti kako bi pružio okvir za razumijevanje strukture materije na najmanjim razmjerima. Standardni model je podržan eksperimentalnim dokazima i jedna je od najstrože testiranih teorija u znanosti.
Standardni model opisuje tri od četiri poznate temeljne sile u svemiru: elektromagnetske, slabe nuklearne i jake nuklearne sile. Ne uključuje gravitaciju, koju opisuje opća relativnost. Model klasificira sve poznate elementarne čestice u dvije glavne skupine: fermione i bozone.
Fermioni su građevni blokovi materije. Podijeljeni su u dvije skupine: kvarkovi i leptoni. Kvarkovi dolaze u šest "okusa": gore, dolje, šarm, čudno, vrh i dno. Oni se spajaju na specifične načine da bi formirali protone i neutrone, koji čine jezgre atoma. Leptoni uključuju elektrone, mione, taus i njihove odgovarajuće neutrine. Elektroni kruže oko atomske jezgre koju čine protoni i neutroni, čineći atome.
Bozoni su čestice koje posreduju temeljne sile između fermiona. Foton ( \(\gamma\) ) je nositelj elektromagnetske sile, W i Z bozoni posreduju slabu nuklearnu silu, a gluoni ( \(g\) ) nose jaku nuklearnu silu. Higgsov bozon ( \(H\) ) je posebna čestica povezana s Higgsovim poljem, koja daje masu drugim česticama.
Elektromagnetska sila opisana je teorijom kvantne elektrodinamike (QED). Odgovoran je za interakcije između nabijenih čestica putem izmjene fotona. Elektromagnetska sila veže elektrone za atomske jezgre, tvoreći atome. Jednadžba interakcije za elektromagnetsku silu može se predstaviti kao:
\( F = \frac{k e \cdot q 1 \cdot q_2}{r^2} \)gdje je \(F\) sila, \(k e\) Coulombova konstanta, \(q1\) i \(q_2\) su naboji, a \(r\) je udaljenost između naboja.
Slaba nuklearna sila odgovorna je za radioaktivni raspad i određene nuklearne reakcije. Posreduju W i Z bozoni. Primjer procesa koji uključuje slabu silu je beta raspad, gdje se neutron u jezgri atoma pretvara u proton, emitirajući elektron i elektronski antineutrino ( \(\bar{\nu}_e\) ). Interakcija se može predstaviti kao:
\( n \rightarrow p + e^- + \bar{\nu}_e \)Jaka nuklearna sila povezuje kvarkove u protone i neutrone i drži atomsku jezgru na okupu. To je najjača od četiri temeljne sile, ali djeluje na vrlo malim udaljenostima. Snažna sila je posredovana gluonima, a njezinu snagu opisuje kvantna kromodinamika (QCD). Sila između kvarkova dana je sa:
\( F_{strong} \propto \frac{1}{r^2} \textrm{ na kratkim udaljenostima} \)ali raste s udaljenošću, zatvarajući kvarkove unutar protona i neutrona.
Higgsov mehanizam objašnjava kako čestice stječu masu. Predlaže polje, Higgsovo polje, koje prožima svemir. Čestice u interakciji s ovim poljem dobivaju masu; što je interakcija jača, to je čestica teža. Higgsov bozon je kvantizirana čestica povezana s ovim poljem, otkrivena 2012. u CERN-ovom Velikom hadronskom sudaraču (LHC).
Predviđanja Standardnog modela potvrđena su brojnim eksperimentima. Značajna otkrića uključuju top kvark (1995), tau neutrino (2000) i Higgsov bozon (2012). CERN-ov Veliki hadronski sudarač (LHC) i Fermilabov Tevatron sudarač odigrali su ključnu ulogu u ovim otkrićima. Ovi eksperimenti uključuju sudaranje čestica pri visokim energijama i promatranje ishoda, koji pružaju uvid u temeljne sastojke materije i sile koje na njih djeluju.
Iako je standardni model bio izuzetno uspješan, on ima ograničenja. Ne objašnjava svemirsku tamnu tvar i tamnu energiju, asimetriju materije i antimaterije ili silu gravitacije. Teorije kao što su supersimetrija i teorija struna predlažu proširenja standardnog modela za rješavanje tih misterija, ali eksperimentalni dokazi za te teorije još uvijek nedostaju.
Istraživanje u tijeku u fizici čestica ima za cilj produbiti naše razumijevanje svemira, potencijalno dovodeći do sveobuhvatnije teorije koja uključuje sve četiri temeljne sile i rješava neodgovorena pitanja Standardnog modela.
