Standardni model. Kakšno neumno ime za najbolj natančno znanstveno teorijo, ki jo pozna človeštvo. Več kot četrtina Nobelovih nagrad za fiziko prejšnjega stoletja je bila podeljena za dela, ki so bila neposredno ali posredno povezana s standardnim modelom. Njeno ime je seveda takšno, kot če lahko za nekaj sto rubljev kupite izboljšavo. Vsak teoretični fizik bi raje imel "neverjetno teorijo skoraj vsega", kakršna je v resnici.
Mnogi se spominjajo navdušenja med znanstveniki in v medijih nad odkritjem Higgsovega bozona leta 2012. Toda njegovo odkritje ni presenetilo in ni prišlo od nikoder - obeležilo je 50. obletnico zmagovalnega niza Standardnega modela. Vključuje vsako temeljno silo razen gravitacije. Vsak poskus, da bi ga ovrgli in v laboratoriju dokazal, da ga je treba v celoti predelati - in bilo jih je veliko -, ni uspel.
Na kratko, standardni model odgovarja na to vprašanje: iz česa je vse narejeno in kako se vse skupaj ujema?
Najmanjši gradniki
Fiziki imajo radi preproste stvari. Vse želijo razbiti do njenega jedra, poiskati najosnovnejše gradnike. V stotine kemičnih elementov to ni tako enostavno. Naši predniki so verjeli, da je vse sestavljeno iz petih elementov - zemlja, voda, ogenj, zrak in eter. Pet je veliko enostavnejših od sto osemnajst. In tudi narobe. Zagotovo veste, da je svet okoli nas sestavljen iz molekul, molekule pa iz atomov. Kemik Dmitrij Mendelejev je to ugotovil v 1860-ih in atome predstavil v tabeli elementov, ki jo preučujemo v šoli danes. Toda teh kemijskih elementov je 118. Antimona, arzena, aluminija, selena … in še 114.
Leta 1932 so znanstveniki vedeli, da so vsi ti atomi sestavljeni samo iz treh delcev - nevtronov, protonov in elektronov. Nevtroni in protoni so v jedru med seboj tesno povezani. Elektroni, tisočkrat lažji od njih, krožijo okoli jedra s hitrostjo blizu svetlobe. Fiziki Planck, Bohr, Schrödinger, Heisenberg in drugi so uvedli novo znanost - kvantno mehaniko -, da pojasnijo to gibanje.
Odlično bi se ustavilo tam. Samo tri delce. Še lažje kot pet. Toda kako se držijo skupaj? Negativno nabiti elektroni in pozitivno nabiti protoni držijo sile elektromagnetizma. Toda protoni poskakujejo v jedru in njihovi pozitivni naboji bi jih morali potisniti stran. Tudi nevtralni nevtroni ne bodo pomagali.
Promocijski video:
Kaj veže te protone in nevtrone skupaj? "Božanska intervencija"? Toda celo božansko bitje bi imelo težave pri spremljanju vsakega od 1080 protonov in nevtronov v vesolju in jih zadržalo z močjo volje.
Širjenje živalskega vrta delcev
Medtem narava obupno noče shraniti le treh delcev v svojem živalskem vrtu. Celo štiri, ker moramo upoštevati foton, delček svetlobe, ki ga je opisal Einstein. Štiri so se spremenile v pet, ko je Anderson izmeril pozitivno nabito elektrone - pozitrone -, ki so zadeli Zemljo iz vesolja. Pet jih je postalo šest, ko so odkrili potonike, ki držijo jedro kot celoto in jih predvideva Yukawa.
Potem se je pojavil muon - 200-krat težji od elektrona, sicer pa njegov dvojček. Že sedem je. Ni tako enostavno.
Do šestdesetih let prejšnjega stoletja je bilo na stotine "temeljnih" delcev. Namesto dobro organizirane periodične tabele so obstajali le dolgi seznami barionov (težki delci, kot so protoni in nevtroni), mezoni (kot Yukawski pioni) in leptoni (lahki delci, kot so elektroni in nedostopni nevtrini), brez kakršne koli organizacije ali načel oblikovanja.
In v tem breznu se je rodil Standardni model. Vpogleda ni bilo. Archimedes ni skočil iz kopalnice in kričal "Eureka!" Ne, namesto tega, sredi šestdesetih let je nekaj pametnih ljudi postavilo pomembne predpostavke, ki so to pretresenost spremenile najprej v preprosto teorijo, nato pa v petdeset let eksperimentalnega testiranja in teoretičnega razvoja.
Quarks. Dobili so šest možnosti, ki jim rečemo okusi. Kot rože, samo ne tako okusno diši. Namesto vrtnic, lilij in sivke smo vstali in spustili čudne in očarljive, ljubke in prave kvarke. Leta 1964 sta nas Gell-Mann in Zweig naučila mešati tri kvarke, da bi naredili barion. Proton je dva kvarka navzgor in en dol; nevtrona - dva spodnja in ena zgornja. Vzemite en kvark in enega antikvarka - dobite meson. Peony je kvark navzgor ali navzdol, povezan z antiquarkom navzgor ali navzdol. Vsa zadeva, s katero imamo opravka, sestavljajo kvarki, antikvarki in elektroni.
Enostavnost Ne ravno preprostost, ker ohranjati vezane kvarke ni enostavno. Zlepijo se tako tesno, da nikoli ne boste našli samega kvarka ali antikarka. Teorija te povezave in delci, ki sodelujejo v njej, in sicer gluoni, se imenujejo kvantna kromodinamika. To je pomemben del standardnega modela, matematično zapleten in ponekod celo nerešen za osnovno matematiko. Fiziki se potrudijo za izračun, včasih pa matematični aparat ni dovolj razvit.
Drug vidik standardnega modela je "lepton model". To je naslov pomembnega prispevka iz leta 1967 Stephena Weinberga, ki je združil kvantno mehaniko z bistvenim znanjem, kako delci medsebojno vplivajo in jih organizirajo v enotno teorijo. Vklopil je elektromagnetizem, ga povezal s "šibko silo", ki vodi do določenih radioaktivnih razpadov, in razložil, da gre za različne manifestacije iste sile. V ta model je bil vključen Higgsov mehanizem, ki daje maso temeljnim delcem.
Od takrat je standardni model napovedoval rezultate poskusov po rezultatih, vključno z odkritjem več vrst kvarkov in W in Z bozonov - težkih delcev, ki v šibkih interakcijah igrajo enako vlogo kot foton v elektromagnetizmu. Možnost, da imajo nevtrini maso, je bila zamujena v šestdesetih letih prejšnjega stoletja, vendar jo je standardni model potrdil v devetdesetih letih, nekaj desetletij pozneje.
Odkritje Higgsovega bozona v letu 2012, ki ga je standardni model dolgo napovedoval in dolgo pričakovano, ni presenetilo. Vendar je bila to še ena velika zmaga Standardnega modela nad temnimi silami, ki jih fiziki delcev redno pričakujejo na obzorju. Fizikom ni všeč, da standardni model ne ustreza njihovim idejam o preprostem, skrbi jih njegova matematična nedoslednost, prav tako pa iščejo načine, kako v enačbo vključiti gravitacijo. Očitno je to povezano z različnimi teorijami fizike, ki so morda po standardnem modelu. Tako so se pojavile velike teorije združevanja, supersimetrija, tehnokolor in teorija strun.
Na žalost teorije zunaj standardnega modela niso našle uspešnih eksperimentalnih dokazov in večjih napak v standardnem modelu. Petdeset let pozneje je standardni model najbolj blizu, da je teorija vsega. Neverjetna teorija skoraj vsega.
Ilya Khel