Standardmodellen: materiens minsta byggstenar

Från atom till kvark

Vi vill ta reda på vad materien är uppbyggd av, ner till de minsta delar vi känner till. Allt vanligt stoff består av atomer. En atom är ungefär 10⁻¹⁰ m stor, men nästan all massa sitter i en kärna som är tiotusen gånger mindre. Kärnan består av protoner och neutroner. Protoner och neutroner består i sin tur av kvarkar. Kvarkar och elektroner har ingen känd inre struktur. De kallas elementarpartiklar. Laddningen hos en proton eller neutron räknas ut som summan av kvarkarnas laddningar, i elementarladdningar e.

Tolv materiepartiklar i tre generationer

Materien byggs av två sorters partiklar: kvarkar och leptoner. Det finns sex kvarkar och sex leptoner, ordnade i tre generationer. Kvarkarna och de laddade leptonerna blir tyngre för varje generation. Allt vanligt stoff byggs av första generationen: uppkvarken u, nedkvarken d och elektronen. De tyngre partiklarna bildas i kollisioner och sönderfaller snabbt. Tryck på en partikel för att se laddning och massa.

Kvarkar bygger protoner och neutroner

Kvarkar hittas aldrig ensamma. De sitter ihop i grupper, bundna av den starka kraften. En proton består av två uppkvarkar och en nedkvark: uud. En neutron består av en uppkvark och två nedkvarkar: udd. Partikelns laddning är summan av kvarkarnas laddningar: Q = q₁ + q₂ + q₃. Gluonerna, de vågiga linjerna, håller ihop kvarkarna.

Leptoner och neutriner

Leptonerna är elektronen, myonen och taupartikeln, och tre sorters neutriner. Elektron, myon och tau har laddningen −e. Neutrinerna är oladdade och har mycket liten massa. Leptoner påverkas inte av den starka kraften. Neutriner påverkas bara av den svaga kraften och av gravitationen. Därför passerar nästan alla neutriner rakt igenom jorden.

Antipartiklar: materia möter antimateria

Varje partikel har en antipartikel med samma massa men motsatt laddning. Elektronens antipartikel heter positron, e⁺. Antikvarkar skrivs med ett streck över bokstaven, till exempel ū. När en partikel möter sin antipartikel kan de annihileras, förintas. Hela massan blir då energi i form av fotoner, enligt E = m · c². Det omvända kallas parbildning: en foton med tillräcklig energi blir ett partikel–antipartikelpar.

Fyra växelverkningar och deras kraftbärare

Partiklar påverkar varandra genom fyra växelverkningar. I standardmodellen förmedlas en kraft av kraftbärare, som är bosoner. Den starka kraften bärs av gluoner och håller ihop kvarkar och kärnor. Den elektromagnetiska bärs av fotoner och verkar mellan laddningar. Den svaga bärs av W- och Z-bosonerna och orsakar till exempel betasönderfall. W och Z är mycket tunga, och därför har den svaga kraften extremt kort räckvidd.

Higgsbosonen och upptäckten vid CERN

Higgsbosonen hör ihop med ett fält som finns i hela rummet. Partiklar som växelverkar med higgsfältet får massa. Partikeln förutsades på 1960-talet men var mycket svår att hitta. I LHC vid CERN kolliderar protoner med enorm rörelseenergi. Ur energin kan nya, tunga partiklar bildas, enligt E = m · c². Den 4 juli 2012 meddelade CERN att en ny partikel med massan omkring 125 GeV/c² hade hittats.

Protonens massa är mest energi

Kvarkarnas massor räcker inte långt. De tre kvarkarna i en proton väger tillsammans bara omkring 9 MeV/c². Protonen väger 938 MeV/c², ungefär hundra gånger mer. Resten är energi: gluonfältets energi och kvarkarnas rörelse. Enligt E = m · c² räknas den energin som massa. Higgsfältet ger alltså bara en liten del av massan i vanligt stoff.

Det standardmodellen inte förklarar

Standardmodellen har klarat mycket noggranna tester i acceleratorer. Ändå är den inte en fullständig teori. Gravitationen ingår inte, och ingen kraftbärare för den har hittats. Galaxernas rörelser visar att det finns mörk materia, men ingen partikel i modellen passar. Universums expansion går allt snabbare, och orsaken, mörk energi, är okänd. Neutrinernas massa ingick inte heller i den ursprungliga modellen.

Sammanfattning

Standardmodellen beskriver materiens minsta kända byggstenar och hur de påverkar varandra. Materien byggs av sex kvarkar och sex leptoner, ordnade i tre generationer. Allt vanligt stoff består av första generationen: uppkvarkar, nedkvarkar och elektroner.

Kvarkar finns aldrig ensamma. En proton är uud och en neutron udd. Laddningstalen adderas: +2/3 + 2/3 − 1/3 = +1 för protonen och +2/3 − 1/3 − 1/3 = 0 för neutronen. Varje partikel har en antipartikel med samma massa och motsatt laddning.

Tre av de fyra växelverkningarna ingår: den starka (gluoner), den elektromagnetiska (fotoner) och den svaga (W- och Z-bosoner). Higgsbosonen hör ihop med higgsfältet, som ger kvarkarna, de laddade leptonerna och W- och Z-bosonerna deras massa. Den hittades vid CERN 2012, med massan 125 GeV/c².

Modellen har klarat mycket noggranna tester, men den är inte komplett. Gravitationen ingår inte, och modellen förklarar inte mörk materia eller mörk energi. Vanlig materia utgör bara omkring 5 % av universums innehåll.

En antiproton består av två anti-uppkvarkar och en anti-nedkvark. Laddningstalet blir −2/3 − 2/3 + 1/3 = −1. Laddningen är Q = z · e = −1,602·10⁻¹⁹ C, lika stor som protonens men negativ.

Källor

1. 33.2 The Four Basic Forces (kraftbärarna och krafternas relativa styrka och räckvidd), OpenStax College Physics 2e
2. 33.4 Particles, Patterns, and Conservation Laws (leptoner, hadroner och antipartiklar), OpenStax College Physics 2e
3. 33.5 Quarks: Is That All There Is? (protonen är uud och neutronen udd), OpenStax College Physics 2e
4. Standardmodellen (teorin om elementarpartiklarna och tre av växelverkningarna), Nationalencyklopedin
5. Kvark (sex sorter med laddningen +2/3 eller −1/3), Nationalencyklopedin
6. Lepton (elektron, myon, tau och neutriner), Nationalencyklopedin
7. Antipartikel (samma massa, motsatt laddning), Nationalencyklopedin
8. Higgspartikel (upptäckt vid CERN 2012), Nationalencyklopedin
9. The Standard Model (gravitationen ingår inte i modellen), CERN
10. The Higgs boson (ATLAS och CMS visade upptäckten den 4 juli 2012), CERN
11. Dark matter (mörk materia omkring 27 % och mörk energi omkring 68 % av universum), CERN
12. Summary Tables (partiklarnas massor), Particle Data Group
13. elementary charge (e = 1,602·10⁻¹⁹ C), NIST
14. Standardmodellen, Wikipedia på svenska
15. Ämnesplan i fysik, Gy25, Skolverket