Fysiikka 8 – luku 8.1 Standardimalli

 

Hiukkasfysiikan tutkimuksen kohteena ovat atomin ydintä pienempien aineen osasten rakenne ja vuorovaikutukset. Aine koostuu perushiukkasista, joita ovat kvarkit ja leptonit. Niiden ajatellaan olevan pistemäisiä. Perushiukkasia ja kvarkeista muodostuneita hiukkasia kutsutaan alkeishiukkasiksi.

Perushiukkaset vuorovaikuttavat toistensa kanssa. Vuorovaikutuksessa hiukkanen voi muuttua toisiksi hiukkasiksi. Kaikki luonnossa ilmenevät voimat ja luonnonilmiöt liittyvät perimmiltään perushiukkasten välisiin vuorovaikutuksiin. Hiukkasfysiikan standardimalli kuvaa perushiukkasia ja niiden vuorovaikutuksia.

Perushiukkasten perheet

Standardimallin mukaan aineen hiukkaset jakautuvat kolmeen perheeseen, jotka ovat elektronin, myonin ja taun perheet.

                                                                                                            

	Varaus	Elektronin perhe	Myonin perhe	Taun perhe
Kvarkit	2/3 e	ylös-kvarkki u (up)	lumo-kvarkki c (charm)	tosi-kvarkki t (truth tai top)
	- 1/3 e	alas-kvarkki d (down)	outo-kvarkki s (strange)	kaunis-kvarkki b (beauty)
Leptonit	-e	elektroni e	myoni µ	tau τ
	0	elektronin neutriino	muonin neutriino	taun neutriino

Kvarkkeja ei esiinny yksin, vaan ne muodostavat aina jonkin hiukkasen. Kaikki näkyvä aine rakentuu elektronin perheen hiukkasista eli u- ja d-kvarkeista sekä elektroneista. Protoni sisältää kaksi ylös-kvarkkia sekä yhden alas-kvarkin (uud) ja neutroni yhden ylös-kvarkin ja kaksi alas-kvarkkia (udd). Leptonit voivat esiintyä yksin ja vapaana.

Vuorovaikutukset

Perushiukkasten välillä tapahtuvia vuorovaikutuksia kutsutaan perusvuorovaikutuksiksi. Perusvuorovaikutukset ovat vahva vuorovaikutus, heikko vuorovaikutus, sähkömagneettinen vuorovaikutus ja gravitaatiovuorovaikutus. Gravitaatiovuorovaikutus ei ole mukana standardimallissa, koska gravitaation oletettua välittäjähiukkasta gravitonia ei ole vielä havaittu. Standardimalli selittää perusvuorovaikutukset välittäjähiukkasten avulla.

Kullakin perusvuorovaikutuksella on oma välittäjähiukkasensa, jonka vuorovaikutuksen osapuolet ottavat vastaan ja luovuttavat. Sähkömagneettisen vuorovaikutuksen välittäjähiukkanen on fotoni. Elektronit sitoutuvat atomissa ytimen ympärille sähkömagneettisen vuorovaikutuksen seurauksena.

Vahvan vuorovaikutukset välittäjähiukkasina toimivat gluonit. Gluonit ovat massattomia hiukkasia. Ydinvoima on seurausta kvarkkien välillä vallitsevasta vahvasta vuorovaikutuksesta.

Heikon vuorovaikutuksen välittäjähiukkasia ovat välibosonit. Neutriinoilla heikko vuorovaikutus on ainoa vuorovaikutustapa. Sen takia neutriinot kulkevat aineessa lähes esteettä ja heikko vuorovaikutus on harvinainen tapahtuma. Gravitaatiovuorovaikutus vaikuttaa kaikkiin hiukkasiin joilla on massa.