مدل استاندارد (ذرات بنیادی)

خلاصه برهم‌کنش‌های میان ذرات بر اساس مدل استاندارد.

مدل استاندارد شامل ۱۲ ذره بنیادی با اسپین ½ می‌شود که فرمیون نام دارند. بر اساس قضیه اسپین-آمار، فرمیون‌ها از اصل طرد پاولی پیروی می‌کنند. هر فرمیون یک پادذره متناظر دارد.

فرمیون‌های مدل استاندارد بر اساس چگونگی برهمکنش آن‌ها (یا بارهایی که حمل می‌کنند) طبقه‌بندی می‌شوند. فرمیون‌ها شامل شش نوع کوارک (بالا، پایین، افسون، شگفت، سر، ته) و شش نوع لپتون (الکترون، الکترون نوترینو، میون، میون نوترینو، تاو، تاو نوترینو) می‌شوند. در هر رده ذرات به صورت دو به دو جفت می‌شوند و تشکیل یک نسل را می‌دهند که ذرات آن‌ها رفتار فیزیکی متشابهی از خود نشان می‌دهند.

ویژگی تعریف‌کننده کوارک این است که دارای بار رنگ می‌باشد و به همین دلیل در برهمکنش هسته‌ای قوی شرکت می‌کند. پدیده‌ای به نام حبس رنگ سبب می‌شود که کوارک‌ها تمایل زیادی به ایجاد پیوندهای قوی با یکدیگر و تشکیل ترکیب‌های از نظر رنگی، خنثی (هادرون) می‌شود که یا از یک کوارک و پادکوارک (مزون) یا از سه کوارک (باریون) تشکیل شده‌اند. ذرات شناخته‌شده پروتون و نوترون، دو باریون با کوچکترین جرم ممکن هستند. کوارک‌ها همچنین حامل بار الکتریکی و ایزواسپین ضعیف هستند. به همین دلیل با سایر فرمیون‌ها هم از طریق الکترومغناطیس و هم نیروی هسته‌ای ضعیف، برهم‌کنش دارند.

شش فرمیون باقی‌مانده دارای بار رنگ نیستند و لپتون نامیده می‌شوند. هر سه نوع نوترینو فاقد بار الکتریکی نیز هستند و از این رو حرکت آن‌ها تنها تحت تأثیر نیروی هسته‌ای ضعیف قرار می‌گیرد و آشکارسازی آن‌ها بسیار دشوار است؛ اما الکترون، میون و تاو به دلیل داشتن بار الکتریکی از طریق الکترومغناطیس نیز برهم‌کنش دارند.

هریک از اعضای یک نسل از ذره متناظر خود در نسل قبلی جرم بزرگتری دارد. نسل نخست ذرات باردار دچار واپاشی نمی‌شوند؛ به همین دلیل ماده معمولی (باریونی) از چنین ذراتی تشکیل شده‌است. تمام اتم‌هایی که از الکترون‌هایی تشکیل شده‌اند که به دور هسته اتم می‌گردند، در نهایت از کوارک‌های بالا و پایین تشکیل می‌شوند. نسل‌های دوم و سوم ذرات باردار نیمه‌عمرهای بسیار کوتاه دارند و به سرعت واپاشی می‌شوند و تنها در محیط‌های بسیار پرانرژی یافت می‌شوند. هیچ‌یک از نسل‌های نوترینوها واپاشی نمی‌شوند و جهان را دربرگرفته‌اند اما به ندرت با ماده باریونی برهمکنش دارند.

برهمکنش‌های این شکل، بنیان مدل استاندارد را تشکیل می‌دهند. نمودارهای فاینمن در مدل استاندارد از این راس‌ها ساخته می‌شوند. تغییرات مربوط به درنظرگرفتن بوزون هیگز و نوسان نوترینو از آن حذف شده‌اند. بار بوزون‌های دبلیو توسط فرمیونی که با آن برهمکنش دارند تعیین می‌شود؛ شکل مزدوج هر یک از راس‌های لیست شده (یعنی وارونگی جهت پیکان‌ها) نیز مجاز است.

در مدل استاندارد، بوزون‌های پیمانه‌ای به عنوان حامل نیروهای بنیادی الکترومغناطیس، هسته‌ای قوی و هسته‌ای ضعیف تعریف می‌شوند.

در فیزیک، برهمکنش‌ها راه‌هایی هستند که ذرات روی یکدیگر تأثیر می‌گذارند. در مقیاس ماکروسکوپی، الکترومغناطیس از طریق میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی امکان برهم‌کنش را فراهم می‌کند و گرانش سبب می‌شود که ذرات جرم‌دار بر اساس نظریه نسبیت عام با یکدیگر برهم‌کنش انجام دهند. مدل استاندارد این برهم‌کنش‌ها (نیروها) را به شکل تبادل نوعی از ذرات با نام ذرات واسطه، بین ذرات مادی توصیف می‌کند. وقتی یک ذره واسطهٔ نیرو میان دو ذرهٔ دیگر تبادل می‌شود در مقایس ماکروسکوپی به نظر می‌رسد که نیرویی روی هردو ذره تأثیر می‌گذارد و از این رو گفته می‌شود که ذره حامل، واسطهٔ تأثیر نیرو شده‌است. محاسبات مربوط به نمودار فاینمن که تقریبی گرافیکی از نظریهٔ اغتشاش هستند، از مفهوم ذرات واسط نیرو بهره می‌برند و نتایج کاربرد آن‌ها در تحلیل آزمایش‌های پخش پرانرژی، همخوانی قابل قبولی با داده‌ها دارد. هرچند که نظریهٔ اغتشاش (و به همراه آن مفهوم ذره واسط نیرو) در شرایط دیگری با شکست روبه‌رو می‌شوند. از جمله این شرایط می‌توان به کرومودینامیک کوانتومی کم‌انرژی، حالت ثابت و سالیتون اشاره نمود.

بوزون‌های پیمانه‌ای مدل استاندارد همه دارای اسپین هستند. از آنجا که بوزون هستند، مقدار اسپین آن‌ها ۱ است. به همین دلیل آنها، برخلاف فرمیون‌ها از اصل طرد پاولی پیروی نمی‌کنند: به همین دلیل هیچ حد نظری برای چگالی فضایی بوزون‌ها (تعداد در حجم) وجود ندارد. انواع مختلف بوزون‌های پیمانه‌ای در زیر توضیح داده شده‌اند.

• فوتونها که واسطه تأثیر نیروی الکترومغناطیس بین ذرات دارای بار الکتریکی هستند. فوتون‌ها جرم ندارند و توسط نظریهٔ الکترودینامیک کوانتومی به خوبی توصیف می‌شوند.
• بوزون‌های پیمانه‌ای W+
  ، W−
  و Z که واسط نیروی هسته‌ای ضعیف بین ذراتی با مزه متفاوت‌اند (همه کوارک‌ها و لپتون‌ها). این ذرات دارای جرم هستند و جرم Z از W±
  بیشتر است. برهمکنش‌های ضعیفی که از طریق بوزون‌های W±
  انجام می‌شوند، منحصراً بر روی ذرات چپ‌دست و پادذره‌های راست‌دست عمل می‌کنند. علاوه براین یک بوزون W±
  دارای بار الکتریکی ۱+ یا ۱- است و از این طریق به برهمکنش الکترومغناطیس مرتبط می‌شود. بوزون‌های Z بدون بار الکتریکی با هردوی ذرات چپ‌دست و پادذره‌های راست‌دست برهمکنش دارند. ابن سه بوزون پیمانه‌ای به همراه فوتون‌ها در یک گروه قرار می‌گیرند، زیرا در کنار هم واسطهٔ برهمکنش الکتروضعیف هستند.
• هشت گلوئون، که واسطهٔ برهمکنش هسته‌ای قوی میان ذرات دارای بار رنگ (کوارک‌ها) هستند. گلوئون‌ها بدون جرم هستند. گلوئون‌های هشت‌گانه توسط ترکیبی از بار رنگ و بار پادرنگ مشخص می‌شوند (مثلا قرمز-پادسبز). از آنجا که گلوئون‌ها خود نیز دارای بار رنگ مؤثر هستند، می‌توانند بین خودشان نیز برهمکنش داشته باشند. گلوئون‌ها و برهم‌کنش‌های آن‌ها توسط نظریهٔ کرومودینامیک کوانتومی توصیف می‌شوند.

بوزون هیگز یک ذره جرم‌دار نرده‌ای بنیادی است که نظریه مربوط به وجود آن توسط رابرت بروت، فرانسوا انگلرت، پیتر هیگز، جرالد گورالنیک، سی آر هیگن، و تام کیبل در سال ۱۹۶۴ مطرح شد و از بنیان‌های کلیدی مدل استاندارد است.[7][8][9][15] اسپین ذاتی ندارد و به همین دلیل در رده بوزون‌ها طبقه‌بندی می‌شود.

بوزون هیگز نقش منحصر بفردی در مدل استاندارد بازی می‌کند، زیرا توضیح می‌دهد که چرا همه ذرات بنیادی به جز فوتون‌ها و گلوئون‌ها دارای جرم هستند. به‌طور خاص، بوزون هیگز توضیح می‌دهد که چرا فوتون جرم ندارد اما بوزون‌های دبلیو و زد بسیار پرجرم هستند. جرم ذرات بنیادی و تفاوت میان الکترومغناطیس (که توسط فوتون‌ها جاری می‌شود) و نیروی هسته‌ای ضعیف (که توسط بوزون‌های دبلیو و زد جاری می‌شود) در ساختار میکروسکوپی (و در نتیجه ماکروسکوپی) ماده از بسیاری جهات اهمیت دارند. در نظریه الکتروضعیف، بوزون هیگز به لپتون‌ها و کوارک‌ها جرم می‌بخشد. از آنجا که بوزون هیگز دارای جرم است باید با خودش نیز برهمکنش داشته باشد.

از آنجا که بوزون هیگز ذره بسیار پرجرمی است و تقریباً بلافاصله پس از پیدایش، واپاشی می‌شود، تنها یک شتاب‌دهنده ذره‌ای بسیار پرانرژی می‌تواند آن را مشاهده و ثبت کند. آزمایشهای مربوط به تأیید و تعیین ماهیت بوزون هیگز توسط برخورددهنده هادرونی بزرگ (LHC) در سرن از اوایل سال ۲۰۱۰ آغاز شد و تا زمان پایان آن در اواخر ۲۰۱۱ در تواترون آزمایشگاه فرمی انجام می‌شد.

در ۴ جولای ۲۰۱۲، هر دو آزمایش اصلی LHC (آزمایش اطلس و سیم‌لوله فشرده میونی)، به‌طور مستقل گزارش دادند که که ذره جدیدی با جرمی در حدود ۷۰۰۲۱۲۵۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰♠۱۲۵ GeV/c^۲ (تقریبا ۱۳۳ برابر جرم پروتون) یافته‌اند که با بوزون هیگز همخوانی دارد. اگرچه ویژگیهای متعددی از آن شبیه به ساده‌ترین ذره هیگز پیش‌بینی‌شده می‌باشد،[16] آنها پذیرفتند که کار بیشتری نیاز است تا بتوان نتیجه گرفت که این ذره واقعاً بوزون هیگز است و دقیقاً با کدام نسخه از بوزون هیگز مدل استاندارد همخوانی بیشتری دارد.[17][18][19][20][21]

در ۱۴ مارس ۲۰۱۳، وجود بوزون هیگز با اندکی تردید، تأیید شد.[22]

با متمایز شمردن ذرات از پادذرات متناظرشان و همچنین حالت‌های رنگی مختلف کوارک‌ها و گلوئون‌ها، در مجموع ۶۱ ذره بنیادی در مدل استاندارد وجود دارند.[23]