Standardmodellen

Grundbeskrivelse

Hvorfor skinner solen? Hvorfor er kridt hvidt? Hvorfor er der gejsere på Island? Hvorfor dufter roser? Til ethvert sådant spørgsmål om den materielle verden findes oftest et rimeligt svar. Hvis du imidlertid bliver ved med at spørge “Jamen, hvorfor så det?”,  så kommer du til sidst til standardmodellen  (med mindre spørgsmålet har noget at gøre med tyngdekraften). Standardmodellen er en teori for stoffets mest elementære bestanddele. Disse indbefatter tre generationer af  elementarpartikler, hvor den første generation er bestanddelene af normalt stof. Der er to kvarker (u og d), en elektron (e)  og en  neutrino (ν). De næste to generationer  er ustabile, tungere versioner af den første generation. Hertil kommer gauge-bosonerne, der formidler kræfterne mellem partiklerne. Gluonen (g) formidler den stærke kernekraft mellem kvarkerne. Fotonen (γ) formidler de elektromagnetiske kræfter mellem de elektrisk ladede partikler. De tre tunge bosoner (W⁺, W^- og Z) formidler den svage kernekraft. Endeligt giver Higgs-partiklen masse til alle de andre partikler.

Standardmodellens tre generationer af stofpartikler i de tre første søjler, Gauge-bosonerne i den fjerde søjle og Higgs-bosonen i den femte. (Miss M, Wikimedia Commonns).

Uddybende beskrivelse

Det første skridt mod standardmodellen blev taget i 1961 af Sheldon Glashow, der foreslog en måde at kombinere den svage kernekraft og den elektromagnetiske kraft. Denne elektrosvage teori tog sin moderne form, efter at Stephen Weinberg og Abdus Salam i 1967 tilføjede den såkaldte Higgs-mekanisme  til teorien. Herefter viste Martinus Veltman og Gerard ’tHooft at teorien hang teknisk logisk sammen. En central forudsigelse af teorien var W- og Z-bosonerne. W-bosonen var allerede indirekte set og Z-bosonen blev set indirekte i 1973 af et neutrinoeksperiment på CERN kaldet Gargamelle. Disse tunge bosoner blev direkte observeret i 1983 med de forudsete masser ved CERNs Super Proton Synchrotron proton-antiproton Collider, hvilket udløste Nobelprisen til Carlo Rubbia og Simon van der Meer. En anden forudsigelse var eksistensen af en Higgs-partikel, som blev fundet ved CERNs Large Hadron Collider  i 2012 og udløste Nobelprisen til Peter Higgs og Francois Englert.

Teorien for den stærke kernekraft tog sin moderne form omkring 1973 under navnet Quantum Chromo Dynamics (QCD) i et  samspil mellem mange forskere. Den elektrosvage teori og QCD udgør tilsammen standardmodellen.

Den elektromagnetiske kraft skyldes udveksling af fotoner. Fotonen er masseløs og derfor har den elektromagnetiske kraft uendelig rækkevidde ligesom gravitationen. Kraften på en partikel er proportional med partiklens elektriske ladning. Fotoner vekselvirker ikke direkte med andre fotoner, da disse ikke bærer nogen elektrisk ladning.

Den  svage kernekraft skyldes udveksling af W⁺, W^- og Z-bosoner. Disse bosoners masser beløber sig til næsten hundrede gange protonens masse, og derfor har denne kraft en uhyre kort rækkevidde. De elektrisk ladede W-bosoner laver en u-kvark om til en d-kvark, eller omvendt, når de udsendes eller modtages. De kan også lave en elektron om til en elektronagtig neutrino, eller omvendt. Den eneste kraft, en neutrino kan mærke, er den svage kernekraft.

Gluoner formidler den stærke kernekraft mellem kvarker i en neutron. (Qashqaiilove, Wikimedia Commons).

Den stærke kernekraft (QCD) skyldes udveksling af gluoner mellem kvarker og mellem gluonerne indbyrdes. Gluonen er masseløs ligesom fotonen, men alligevel er kraftens rækkevidde kun  ca 10^-15m. Dette hænger sammen med, at den ladning, som den stærke kernekraft virker på, findes i tre varianter, kaldet “farve”. I modsætning til fotonen bærer gluonerne selv farveladning, og det er grunden til kraftens korte rækkevidde. Inden for denne rækkevidde er kraften imidlertid meget stærkere end den elektromagnetiske kraft, hvilket er grunden til, at den kan holde sammen på de positivt elektrisk ladede protoner i atomkernen.

Peter H. Hansen