แบบจำลองมาตรฐานเป็นทฤษฎีในฟิสิกส์อนุภาคที่อธิบายว่าอนุภาคและพลังพื้นฐานของจักรวาลมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไร โดยผสมผสานกลศาสตร์ควอนตัมและทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษเพื่อสร้างกรอบในการทำความเข้าใจโครงสร้างของสสารในระดับที่เล็กที่สุด แบบจำลองมาตรฐานได้รับการสนับสนุนจากหลักฐานการทดลอง และเป็นหนึ่งในทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์ที่ได้รับการทดสอบอย่างเข้มงวดที่สุด
แบบจำลองมาตรฐานอธิบายแรงพื้นฐานสามในสี่แรงที่รู้จักในจักรวาล ได้แก่ แรงแม่เหล็กไฟฟ้า แรงนิวเคลียร์อ่อน และแรงนิวเคลียร์อย่างแรง ไม่รวมแรงโน้มถ่วงซึ่งอธิบายไว้ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป แบบจำลองนี้แบ่งอนุภาคมูลฐานที่รู้จักทั้งหมดออกเป็นสองกลุ่มหลัก: เฟอร์มิออนและโบซอน
เฟอร์มิออนเป็นส่วนประกอบสำคัญของสสาร พวกมันถูกแบ่งออกเป็นสองกลุ่ม: ควาร์กและเลปตัน ควาร์กมี "รสชาติ" หกรส: ขึ้น, ลง, เสน่ห์, แปลก, บนและล่าง พวกมันรวมกันในรูปแบบเฉพาะเพื่อสร้างโปรตอนและนิวตรอนซึ่งประกอบเป็นนิวเคลียสของอะตอม เลปตันประกอบด้วยอิเล็กตรอน มิวออน เทาส์ และนิวทริโนที่สอดคล้องกัน อิเล็กตรอนโคจรรอบนิวเคลียสของอะตอมที่เกิดจากโปรตอนและนิวตรอนซึ่งประกอบกันเป็นอะตอม
โบซอนเป็นอนุภาคที่เป็นสื่อกลางของแรงพื้นฐานระหว่างเฟอร์มิออน โฟตอน ( \(\gamma\) ) เป็นตัวพาของแรงแม่เหล็กไฟฟ้า โบซอน W และ Z เป็นสื่อกลางของแรงนิวเคลียร์แบบอ่อน และกลูออน ( \(g\) ) ทำหน้าที่เป็นสื่อกลางของแรงนิวเคลียร์อย่างแรง ฮิกส์โบซอน ( \(H\) ) เป็นอนุภาคพิเศษที่เกี่ยวข้องกับสนามฮิกส์ ซึ่งให้มวลแก่อนุภาคอื่น
แรงแม่เหล็กไฟฟ้าอธิบายได้โดยทฤษฎีควอนตัมไฟฟ้าพลศาสตร์ (QED) มีหน้าที่รับผิดชอบในการโต้ตอบระหว่างอนุภาคที่มีประจุผ่านการแลกเปลี่ยนโฟตอน แรงแม่เหล็กไฟฟ้าจะจับอิเล็กตรอนกับนิวเคลียสของอะตอมและก่อตัวเป็นอะตอม สมการอันตรกิริยาของแรงแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถแสดงได้ดังนี้:
\( F = \frac{k e \cdot q 1 \cdot q_2}{r^2} \)โดยที่ \(F\) คือแรง \(k e\) คือค่าคงที่ของคูลอมบ์ \(q1\) และ \(q_2\) เป็นประจุ และ \(r\) คือระยะห่างระหว่างประจุ
แรงนิวเคลียร์ที่อ่อนแอทำให้เกิดการสลายตัวของสารกัมมันตภาพรังสีและปฏิกิริยานิวเคลียร์บางอย่าง มันถูกสื่อกลางโดยโบซอน W และ Z ตัวอย่างของกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับแรงอ่อนคือการสลายตัวของบีตา โดยที่นิวตรอนในนิวเคลียสของอะตอมเปลี่ยนเป็นโปรตอน โดยปล่อยอิเล็กตรอนและแอนตินิวตริโนอิเล็กตรอนออกมา ( \(\bar{\nu}_e\) ) การโต้ตอบสามารถแสดงเป็น:
\( n \rightarrow p + e^- + \bar{\nu}_e \)แรงนิวเคลียร์อย่างแรงจะจับควาร์กเข้าด้วยกันเพื่อสร้างโปรตอนและนิวตรอน และยึดนิวเคลียสของอะตอมไว้ด้วยกัน มันเป็นพลังที่แข็งแกร่งที่สุดในบรรดาพลังพื้นฐานทั้งสี่ แต่ออกฤทธิ์ในระยะทางที่สั้นมาก แรงที่แข็งแกร่งนั้นถูกสื่อกลางโดยกลูออน และความแข็งแกร่งของมันถูกอธิบายโดยควอนตัมโครโมไดนามิกส์ (QCD) แรงระหว่างควาร์กได้มาจาก:
\( F_{strong} \propto \frac{1}{r^2} \textrm{ ในระยะทางสั้นๆ} \)แต่จะเพิ่มขึ้นตามระยะทาง โดยกักควาร์กไว้ภายในโปรตอนและนิวตรอน
กลไกฮิกส์อธิบายว่าอนุภาคได้รับมวลได้อย่างไร มันเสนอสนามที่เรียกว่าสนามฮิกส์ที่แทรกซึมอยู่ในจักรวาล อนุภาคที่ทำปฏิกิริยากับสนามนี้จะได้รับมวล ยิ่งปฏิสัมพันธ์รุนแรงเท่าไร อนุภาคก็จะยิ่งหนักขึ้นเท่านั้น ฮิกส์โบซอนเป็นอนุภาคเชิงปริมาณที่เกี่ยวข้องกับสาขานี้ ซึ่งค้นพบในปี 2555 ที่เครื่องชนแฮดรอนขนาดใหญ่ (LHC) ของ CERN
การคาดการณ์ของแบบจำลองมาตรฐานได้รับการยืนยันผ่านการทดลองมากมาย การค้นพบที่โดดเด่น ได้แก่ ท็อปควาร์ก (1995), เทานิวตริโน (2000) และฮิกส์โบซอน (2012) เครื่องชนอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ (LHC) ของ CERN และเครื่องชนอนุภาคเทวาตรอนของ Fermilab มีบทบาทสำคัญในการค้นพบเหล่านี้ การทดลองเหล่านี้เกี่ยวข้องกับการชนอนุภาคที่มีพลังงานสูงและการสังเกตผลลัพธ์ ซึ่งให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับองค์ประกอบพื้นฐานของสสารและแรงที่กระทำต่ออนุภาคเหล่านั้น
แม้ว่ารุ่นมาตรฐานจะประสบความสำเร็จอย่างมาก แต่ก็มีข้อจำกัด มันไม่ได้อธิบายเรื่องสสารมืดและพลังงานมืดของเอกภพ ความไม่สมดุลของสสาร-ปฏิสสาร หรือแรงโน้มถ่วง ทฤษฎีต่างๆ เช่น สมมาตรยิ่งยวดและทฤษฎีสตริงเสนอส่วนขยายของแบบจำลองมาตรฐานเพื่อไขปริศนาเหล่านี้ แต่หลักฐานการทดลองสำหรับทฤษฎีเหล่านี้ยังคงขาดอยู่
การวิจัยที่กำลังดำเนินอยู่ในด้านฟิสิกส์ของอนุภาคมีจุดมุ่งหมายเพื่อเพิ่มความเข้าใจเกี่ยวกับจักรวาลให้ลึกซึ้งยิ่งขึ้น ซึ่งอาจนำไปสู่ทฤษฎีที่ครอบคลุมมากขึ้น ซึ่งรวมถึงแรงพื้นฐานทั้งสี่และแก้ปัญหาที่ยังไม่มีคำตอบของแบบจำลองมาตรฐาน
