Redigerer Standardmodellen

[[Fil:Standardmodellens Partikler og Vekselvirkninger.png|thumb|Standardmodellens partikler og vekselvirkninger, referanseplakat]]
'''Standardmodellen''' er en [[teori]] innen [[partikkelfysikk]]en som beskriver [[Elementærpartikkel|elementærpartiklene]] og de tre naturkreftene [[fargekraft]], [[svak kjernekraft]] og [[elektromagnetisme]]. Den inneholder de lovene som styrer hvordan partiklene og kreftene oppfører og utvikler seg. Dette er grunnlaget for hvordan [[atom]]er bygges opp og forbinder seg med hverandre til [[molekyl]]er, og dermed all vanlig [[materie]] rundt oss.

Standardmodellen er en [[kvantefeltteori]] (QFT) som er konsistent med [[den spesielle relativitetsteorien]]. En kvantefeltteori skiller seg fra eldre [[kvantemekanikk]], slik som Schrödinger-teori, ved at også [[Bølgefunksjon|bølgefunksjonen]] er kvantisert, i tillegg til størrelser som energi, posisjon, og bevegelsesmengde. Kvantisering av bølgefunksjonen er det som gir opphav til [[Elementærpartikkel|partikler]]. I standardmodellen er alle felter kvantisert, og til og med [[vekselvirkning]] mellom partikler skjer ved utveksling av [[virtuell partikkel|virtuelle partikler]]. Et eksempel på en vekselvirkning er elektrisk frastøting mellom elektroner, som skjer ved utveksling av virtuelle [[foton]]er. Standardmodellen beskriver også hvordan partikler kan skapes og [[tilintetgjøring|tilintetgjøres]], eller hvordan de går over til andre typer partikler ved kollisjoner. Ved slike overganger er [[bevaringslov]]er viktige siden de gir rigide skjema for hvilke overganger som er lov og hvilke som er ikke. Eksempler på bevarte størrelser er ladning, energi, og bevegelsesmengde.

Standardmodellen beskriver ikke [[tyngdekraft|gravitasjon]], og er dermed ikke koplet til [[den generelle relativitetsteorien]]. Gravitasjon antas å ha liten betydning på avstander på størrelse med et atom og mindre, men er viktig for en total beskrivelse som ikke bare kan anvendes på atomært og subatomært nivå.

Standardmodellen ble utviklet mellom [[1970]] og [[1973]] basert på arbeid tilbake til tidlig på [[1900-tallet]]. Det er en viktig test for naturvitenskapelige teorier at de tillater oss å formulere [[hypotese]]r og forutsi verdien av størrelser som kan utprøves og måles. Standardmodellen har forutsagt en rekke nye partikler og verdier som hittil har vist seg å stemme svært godt med testresultater fra forsøk, for eksempel i [[partikkelakselerator]]er.

Massen til partiklene, koplingskonstantene for kreftene samt flere bevaringslover er ikke avledet av [[grunnprinsipp]]er, men bestemt eksperimentelt. Dette gir en rekke uløste spørsmål (se under). Man vet også at de partiklene som i dag beskrives av standardmodellen bare utgjør omtrent 2–4&nbsp;% av all masse og energi i [[det observerbare universet]].<ref>{{ Kilde artikkel|forfatter=Robert Roy Britt |utgivelsesår=2004 |tittel=Dark Matter and Dark Energy: One and the Same? |publikasjon=www.space.com |url=http://www.space.com/scienceastronomy/mystery_monday_040712.html |arkiv_url=https://web.archive.org/web/20040714055809/http://www.space.com/scienceastronomy/mystery_monday_040712.html |arkivdato=2004-07-14 |url-status=død }}</ref>

== Oppbygging av standardmodellen ==
=== Historikk ===
Standardmodellen er et resultat av mange uavhengige oppdagelser og teorier. Flere viktige prinsipper som [[Maxwells likninger]] og [[lorentztransformasjonen]] var beskrevet allerede i det [[19. århundre]] sammen med [[elektronet]] ([[1894]]) og tidlige atommodeller. I [[1900]] forklarte [[Max Planck]] [[Svart legeme|svart-legeme-stråling]] ved å postulere at energien fra et svart legeme ble formidlet i [[kvant|lyskvanter]] ([[foton]]er), og regnes som grunnleggeren av kvanteteorien. I 1905 kom [[Albert Einstein|Einstein]] med [[den spesielle relativitetsteorien]] som etablerer prinsipper om relativitet mellom observatører i forskjellige referansesystemer, relasjonen mellom masse og energi (''E'' = ''mc''²), noe som også ledet fram til den moderne beskrivelsen av fotonet.

I 1917 beskrev [[Bohrs atommodell]] [[atom]]et som en positiv kjerne sammensatt av [[proton]]er og [[nøytron]]er med [[elektron]]er med kvantiserte energinivåer i baner rundt atomkjernen. Omkring 10 år senere fikk partikkelfysikken mange gjennombrudd, med [[Schrödingerligningen|Erwin Schödingers bølgeligning]] ([[1926]]) som forklarer elektronets bølgenatur, [[Paulis utelukkelsesprinsipp|Wolfgang Paulis utelukkelsesprinsipp]] (1926) som forklarer det [[periodiske system]], [[Heisenbergs uskarphetsrelasjon|Werner Heisenbergs uskarphetsrelasjon]] ([[1927]]) og [[Diracligningen]] ([[1928]]) som er den relativistiske bølgeligningen for elektroner. Diraclikningen er det første som kan regnes som en egentlig del av standardmodellen.

Viktige bidrag på [[1930 tallet]] var [[betastråling]] og postuleringen av [[nøytrino]]et ([[Enrico Fermi]]) samt [[kvanteelektrodynamikk]]en, som bygger på Diraclikningen og ble ferdigutviklet på 1940-tallet av [[Richard Feynman]], [[Freeman Dyson]], [[Julian Schwinger]], og [[Sin-Itiro Tomonaga]]. Den store innsatsen i våpenprogrammene under og etter [[annen verdenskrig]] ga tilgang til [[partikkelakselerator]]er med stadig høyere energi og førte til oppdagelsen av en stadig økende mengde kortlivede, energirike partikler. I [[1960-årene]] var behovet for en modell som kunne systematisere alle disse observasjonene åpenbart. [[Murray Gell-Mann]] og uavhengig [[George Zweig]] foreslo midt på 60-tallet at disse partiklene var bundne tilstander av tre mer fundamentale partikler som Gell-Mann kalte ''kvarker'' (etter en linje i [[James Joyce]]s roman ''[[Finnegans Wake]]'': "Three quarks for muster Mark").<ref>{{Kilde bok | forfatter= Brian Martin | utgivelsesår= 2006 | tittel= Nuclear and Particle Physics: An Introduction | utgivelsessted= Chichester, England | forlag= John Wiley & Sons | side= 4 | isbn= 0-470-01999-9 | id= ISBN 978-0470025321 (pbk.), ISBN 0-470-02532-8 (pbk).}}</ref>

I utgangspunktet ble kvarker betraktet som en hensiktsmessig matematisk modell mer en virkelige partikler. Men utover 1960-årene ga en rekke eksperimenter med observasjon av f.eks. [[partikkelspredning]] bevis på at kvarkene var virkelige partikler. Videre arbeid gjorde at man mellom [[1970]] og [[1973]] kunne utvikle standardmodellen. De partikler og vekselvirkninger som denne beskriver er senere blitt bekreftet eksperimentelt. Som nevnt er standardmodellen ikke en fullstendig beskrivelse, og en rekke egenskaper ligger fremdeles utenfor det området standardmodellen beskriver.

=== Basis ===
{{Partikkelfysikk}}
Partikler og krefter på kvantenivået har ofte en oppførsel som ikke er [[intuisjon|intuitiv]], og som bare kan bestemmes i fra sine matematiske beskrivelser og verifiseres eksperimentelt. En rekke av disse egenskapene er det vanskelig å beskrive i dagligtale, eller illustrere visuelt.

På samme måte som ''partikkel'' brukes en rekke navn fra vanlig dagligtale i beskrivelsen av standardmodellen. Eksempler er ''farge'', ''spinn'', ''opp'', ''topp'' osv. som opprinnelig ble valgt fordi de skulle være lett å huske, men uten noen annen betydning eller bare en tilfeldig sammenheng med begrepene slik de brukes i vanlig tale. Man kan dermed forledes til å tro at man intuitivt kan forstå hvordan disse systemene oppfører seg, noe som ofte er langt fra realiteten.

Det er et viktig mål innen [[fysikk]]en at egenskapene skal kunne utledes fra en grunnleggende [[teorien om alt|teori om alt]] der de enkelte lover, masser, energinivåer osv. bare er spesialtilfeller og instansieringer av generelle prinsipper og der «Detaljene kan beregnes dersom situasjonen er enkel nok til å gjøre en tilnærmelse, noe som sjelden er tilfelle, men der vi ofte allikevel stort sett kan forstå hva som skjer» (R. Feynman).<ref>{{ Kilde artikkel | forfatter= [[Richard Feynman]] | utgivelsesår= 1964 | tittel= [[The Feynman Lectures on Physics]] | publikasjon= Feynman's lectures on Physics, Vol 1. 2-7 }}</ref> Standardmodellen er ikke en fullstendig slik teori (se figur).
[[Fil:Partikkelfysikkens teorier.png|left|500px|thumb|Oversikt over teorier innen partikkelfysikk og relativitet]]

=== Egenskapene ===
Alle partikler og vekselvirkninger kan beskrives ved en kombinasjon av forskjellige kvantetilstander. [[Kvantemekanikk]]en beskriver at disse tilstandene er kvantiserte, det vil si at de bare opptrer i multipler av [[Plancks konstant]]. Noen av de grunnleggende egenskapene innen standardmodellen er:

* '''[[Energi]]''': Alle partikler har en viss kvantisert energi (''E''), som i de fleste partikler gir opphav til ''masse'' (''m''). Dette antas å skje ved ''higgsmekanismen'' som beskrives senere. Ofte oppgis derfor [[hvilemasse]]n som partikkelens energi i [[elektronvolt]] delt på [[lyshastighet]] i kvadrat: ''m''<sub>0</sub> = ''E''&nbsp;/&nbsp;''c''² (med enheten eV/''c''²). Total energi er gitt ved Einsteins klassiske formel, med relativistisk masse eller med [[bevegelsesmengde]] og hvilemasse:
::<math> E = mc^2 = \sqrt{p^2c^2 + m^2_0 c^4} </math>,
der ''m'' er masse, ''m''<sub>0</sub> er hvilemasse, ''c'' er lyshastigheten og ''p'' er bevegelsesmengde.

* '''[[Bevegelsesmengde]]''' er relativistisk masse ganger hastighet, ''p'' = ''mv'' (eller for fotoner, som er masseløse, gitt ved ''p'' = ''hf''&nbsp;/&nbsp;''c'', Plancks konstant ganger frekvens delt på lyshastigheten). Relativistisk bevegelsesmengde for hvilemassen ''m''<sub>0</sub> ved hastighet ''v'' er gitt av:
::<math> p = \frac {m_0v} {\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}</math>

* '''[[Elektrisk ladning]]''': Ladning (''Q'') opptrer i frie partikler i positive og negative heltalls multipler av [[elementærladning]]en (e = 1,607&nbsp;∙&nbsp;10<sup>−19</sup> C), og i bundne kvarker også 1/3 e. Elektrisk ladning og vekselvirkning er beskrevet ved [[elektromagnetisme]] og [[kvanteelektrodynamikk]].
* '''Indre paritet''' beskriver hvordan symmetrien er ved en [[paritet]]stransformasjon (alle akser i koordinatsystemet endrer fortegn). Pariteten er beskrevet som ''lik'' eller ''odd'' paritet. Ladning og paritet inngår i beskrivelsen av [[Elektrosvak teori|kvanteelektrosvak teori]], som er en felles beskrivelse av vekselvirkning ved elektromagnetisme og [[svak kjernekraft]].
* '''[[Spinn]]''': Alle partikler har et ''indre angulært moment'' som er kvantisert som <math> S = \hbar \sqrt{s(s+1)}</math>, der ''s'' = (0, 1/2, 1, 3/2, 2, osv). Spinn er en meget viktig egenskap siden partiklenes statistiske egenskaper bestemmes av om de har heltallig eller halvtallig spinn. Partikler med heltallig spinn kalles [[boson]]er, f.eks. fotoner som har ''s''=1, og partikler med halvtallig spinn som kalles [[fermion]]er. Eksempler her er her elektroner og protoner, som har ''s''=1/2.
* '''[[Isospinn]]''' beskrives ved et kvantetall (''I''<sub>z</sub>) som er relatert til fargekraften. ''Hyperladning'' (''Y'') er avledet av isospinn og ladning: ''Y'' = 2&nbsp;(''Q''&nbsp;−&nbsp;''I''<sub>z</sub>).
* '''[[Svakt isospinn]]''': er et kvantetall (''T''<sub>z</sub>) som er relatert til elektrosvak kraftvirkning. ''Svak hyperladning'' (''Y''<sub>w</sub>) er avledet av svakt isospinn og ladning: ''Y''<sub>w</sub> = 2&nbsp;(''Q''&nbsp;−&nbsp;''T''<sub>z</sub>).
* '''[[Fargeladning]]''': Fargeladningen er en trilling av felter som påvirker [[hadron]]er som kvarker, mesoner og gluoner. Fargeladningen beskrives i [[kvantekromodynamikk]] og gir opphav til vekselvirkning med [[fargekraft]] og videre [[sterk kjernekraft]].

=== Partikler ===
[[Fil:Partikler i standardmodellen.png|right|500px|thumb|Oversikt over partikler og familier i standardmodellen]]
:''For detaljerte partikkeldata, se [[elementærpartikkel]]''

Basisegenskapene og bevaringslovene gir opphav til metastabile tilstander som kommer til uttrykk som partikler. Standardmodellen gir ikke en fullstendig beskrivelse av hvordan disse tilstandene oppstår. Antallet og energinivåer kan derfor ikke utledes av grunnprinsipper, men er bestemt ved observasjon. Dette skjer f.eks ved spredningsforsøk når man kolliderer partikler med høy energi, og observerer hvordan de partiklene som dannes spres, og hvilke egenskaper disse har. Dette gir informasjon f.eks om massefordeling, ladningsfordeling og spinn, og leder til modeller for oppbygningen. Siden det eksisterer en rekke symmetrier (se nedenfor), kan man ofte regne med at en kjent observasjon vil være gyldig for lignenede partikler og interaksjoner og lede til ytterligere postulerte egenskaper som senere kan verifiseres i nye forsøk.

Standardmodellen beskriver med bakgrunn i dette de enkelte kategorier og generasjoner av partikler og deres antipartikler:

* '''[[Kvark]]er''' bærer tre komponenter av [[fargeladning]] (''rød'', ''grønn'', ''blå''). De kan ikke eksistere fritt, men innelukkes alltid i grupper på tre til [[baryon]]er eller to (en kvark og en antikvark) til [[meson]]er som utad er fargenøytrale. Kvarkene forekommer i to hovedtyper, i tre generasjoner. Forskjellen mellom samme type partikkel i hver generasjon er deres masse og en egenskap som betegnes ''smak'' (''flavor''):
** ''Opp-type''-kvarker (''opp'', ''sjarm'', ''topp'') har ladning +⅔.
** ''Ned-type''-kvarker (''ned'', ''sær'', ''bunn'') har ladning −⅓.
* '''[[Lepton]]er''', som ikke har fargeladning, forekommer også i to hovedtyper i tre generasjoner (med smak som for kvarkene):
** ''Elektron-type''-leptoner (elektron, myon, og tau) har ladning −1.
** ''Nøytrino-type''-leptoner (nøytrino, myon-nøytrino og tau-nøytrino) har nøytral ladning (null).
* '''Vekselvirkningspartikler''' er bærere av kraftvirkning mellom partikler:
** ''[[Foton]]er'' bærer elektromagnetisk kraftvirkning.
** ''[[Gluon]]er'' formidler fargekraften og er selv bærere av fargeladning.
** ''W'' og ''Z'' formidler [[svak kjernekraft]].

{|align="right" border="1" cellspacing="0" cellpadding="2" class="wikitable" style="margin:0 0 1em 1em"
|+Organisering av fermioner
|-
!&nbsp;
!align="center" colspan="2"|Generasjon 1
!align="center" colspan="2"|Generasjon 2
!align="center" colspan="2"|Generasjon 3
!align="center" | Ladning

|-
!rowspan="2"|Kvarker
|align="center"|opp
|align="center" valign="middle"|<math>u\,</math>
|align="center"|sjarm
|align="center" valign="middle"|<math>c\,</math>
|align="center"|topp
|align="center" valign="middle"|<math>t\,</math>
|align="center"|+⅔
|-
|align="center"|ned
|align="center" valign="middle"|<math>d\,</math>
|align="center"|sær
|align="center" valign="middle"|<math>s\,</math>
|align="center"|bunn
|align="center" valign="middle"|<math>b\,</math>
|align="center"|−⅓
|-
!rowspan="2"|Leptoner
|align="center"|elektron-<br />nøytrino
|align="center" valign="middle"|<math>\nu_e\,</math>
|align="center"|myon-<br />nøytrino
|align="center" valign="middle"|<math>\nu_\mu\,</math>
|align="center"|tau-<br />nøytrino
|align="center" valign="middle"|<math>\nu_\tau\,</math>
|align="center"|0
|-
|align="center"|elektron
|align="center" valign="middle"|<math>e\,</math>
|align="center"|myon
|align="center" valign="middle"|<math>\mu\,</math>
|align="center"|tau
|align="center" valign="middle"|<math>\tau\,</math>
|align="center"|−1
|}

I tillegg har alle partikler en antipartikkel. Det er i tillegg flere andre hypotetiske partikler som hittil ikke er observert og som dels beskrives senere. Kvarkene bygger opp en rekke forskjellige [[hadron]]er (baryoner og mesoner). Av disse partiklene er det bare elektronet, nøytrinoene og fotonet, samt opp- og ned-kvarkene i protonet og nøytronet, som har en levetid som gjør at de kan observeres. Alle andre partikler har i utgangspunktet en levetid som er kortere enn 10<sup>−10</sup> sekunder (og tildels mye kortere). Disse kan bare observeres indirekte via sine nedbrytningsprodukter eller andre effekter.

Alle partiklene har egenskapen spinn som beskrevet over. Leptoner og baryoner har spinn ½ og er derfor [[fermion]]er. Disse utgjør tilsammen all vanlig materie i universet. De er underlagt [[Paulis utelukkelsesprinsipp]], som postulerer at ulike partikler ikke kan eksistere i samme posisjon og kvantetilstand. (De må ha antisymmetriske bølgefunksjoner.) En virkning av dette er at det forhindrer vanlig materie fra å kollapse til en svært kompakt tilstand. Det er tilsammen 6 kvarker, 6 leptoner og deres antipartikler, altså tilsammen 24 fermioner.

=== Krefter ===
[[Fil:Elementary-particle-interactions-no.png|400px|thumb|right|Oversikt over vekselvirkning mellom partikler i standardmodellen]]

Standardmodellen forklarer kraftvirkningen mellom partikler i vanlig materie (fermioner) ved utveksling av vekselvirkningskvanter (som er bosoner). Denne modellen av hvordan kreftene mellom partiklene formidles, kan beregnes svært presist og bekreftes av laboratorieforsøk. Vekselvirkningskvantene kan opptre som virkelige partikler, men som kraftformidlere er de virtuelle i den betydning at de sendes ut og opptas begrenset av uskarphetsrelasjonen. Det er bare utgangsposisjonen og sluttresultatet som må bevare f.eks. total energi, mens vekselvirkningspartikkelen kan ha mye høyere energi (og masse) enn tilfellet ville vært for en virkelig partikkel. Dette begrenser imidlertid levetid og rekkevidde for vekselvirkningskvantene som beskrevet over og dess mer massiv partikkelen er, dess kortere er levetiden og rekkevidden. Kraftvirkningen kan være tiltrekkende eller frastøtende.

Vekselvirkningskvantene har heltalls spinn 0, 1, 2, ... og er [[boson]]er. De følger derfor ikke Paulis utelukkelsesprinsipp og kan derfor også befinne seg i samme posisjon og kvantetilstand (symmetriske bølgefunksjoner). Det finnes tre hovedtyper:

* '''[[Foton]]er''' formidler [[elektromagnetisme]]. Fotonet er masseløst, og kraften virker derfor over ubegrenset rekkevidde. Den har enkel symmetri, U(1), og beskrives av [[kvanteelektrodynamikk]].
* '''De tunge vekselvirkningskvantene ([[gauge-boson]]ene) W<sup>+</sup>, W<sup> – </sup> og Z<sup>0</sup>''' formidler [[svak kjernekraft]] mellom partikler (leptoner og kvarker) av forskjellig smak. De er svært massive og har derfor en rekkevidde på bare ca. 10<sup>−18</sup>&nbsp;m og en styrke på 1/30 av fargekraften på denne avstanden. Svak kjernekraft bryter paritetssymmetri (P-symmetri der ''f''(''x'',&nbsp;''y'',&nbsp;''z'') = ''f''(−''x'',&nbsp;−''y'',&nbsp;−''z'')) fordi den bare virker på venstre-asymmetriske partikler. Det er den eneste av de fundamentale kreftene som kan endre smak for leptoner og kvarker. Partikkelen endres til en annen partikkel av samme type, f.eks. fra ned- til opp-kvark eller myon til myon-nøytrino. Denne kraften er årsaken til at vanlig stabil materie bare inneholder opp- og ned-kvarker og elektroner. Kraften beskrives ved en såkalt SU(2)-gruppe, en duo av felter som gir opphav til tre interaksjoner: W<sup>±</sup> er ladet +1 eller −1 og kan interagere med elektromagnetisme og virker på venstre-asymmetriske partikler og høyre asymmetriske antipartikler. Z<sup>0</sup> har nøytral ladning og virker på venstre-asymmetriske partikler og antipartikler. Sammen med fotonet formidler gauge-bosonene elektrosvak vekselvirkning.

{| class="wikitable" style="float:right;clear:right;"
|+Vekselvirkningsbosoner
|-
! colspan="2"|Elektro-<br />magnetisme
! colspan="2"|Svak kjernekraft
! colspan="2"|Fargekraft
|-
| valign="center"|foton
| valign="center" align="center"|γ
| align="center"|Tunge<br />vekselvirkningskvanter
| align="center"|W<sup>+</sup>, W<sup>-</sup>, Z
| valign="center"|gluoner
| valign="center" align="center"|g
|}

* '''[[Gluoner]]''' formidler [[fargekraft]]en. Kvarkene har tre typer fargeladning. Dette kan sees som en triplett av felter og gir opphav til en SU(3)-gruppe som gir 8 interaksjoner og 8 typer gluoner med fargeladning bestående av en farge og en antifarge (f.eks. rød-antigrønn) som beskrives av [[kvantekromodynamikk]] (QCD). Fordi gluoner også bærer fargeladning, kan man også få gluon – gluon-vekselvirkning. Hver interaksjon mellom kvark – gluon og gluon – gluon er i seg selv fargenøytral. Gluonene er masseløse. Totalt er dette svært vanskelig å beregne, men løsningsmetoder som nettverks-QCD gir godt samsvar med eksperimenter. Totaleffekten er imidlertid at kvarkene innelukkes fargenøytralt i baryoner (tre kvarker) og mesoner (kvark-antikvark), og ikke kan eksistere fritt. Selv om fargeladningen totalt i et baryon er nøytral, er den ikke helt symmetrisk fordelt, og man får en restkraft mellom baryoner (f.eks. nøytroner og protoner i atomkjernen) som kalles [[sterk kjernekraft]]. Den formidles imidlertid av mesoner og har en rekkevidde som tilsvarer et nøytron eller proton.

===Symmetri===
[[Fil:Helicity Chirality.png|200px|right|thumb|Venstrehendte (L) og høyrehendte partikler (R)]]
En viktig egenskap ved standardmodellen er [[chiralitet]], dvs. «venstre- og høyrehendthet». En partikkel er etter definisjonen ''venstrehendt'' hvis indre spinn er medurs når urskiven peker i bevegelsesretningen. Huskeregel: Når venstre hånds fingre følger spinnet og den utstrakte tommelen peker i bevegelsesretningen er partikkelen venstrehendt, og tilsvarende høyrehendt for høyre hånd.

[[Helisitet]] ''h'' følger et tilsvarende prinsipp, men er spinnets <math>\vec S</math> projeksjon langs bevegelsesmengdens <math> \hat p </math> retning:
:<math>h = \vec S\cdot \hat p,\qquad \hat p = \vec p / |\vec p|</math>

Forskjellen er relativistisk: Chiralitet forholder seg til hastighetsvektoren, mens helisitet tar observatørens hastighet i betraktning. Om observatøren (f.eks. en annen partikkel) beveger seg fortere enn partikkelen endrer helisiteten fortegn sett fra observatøren, for 1/2-spinn-partikler, er den f.eks <math>+\hbar/2</math> eller <math>-\hbar/2</math> etter definisjonen over. For partikler med null masse, f.eks. fotoner og gluoner som alltid beveger seg med lysets hastighet, kan observatøren ikke bevege seg fortere, og for slike partikler er alltid helisiteten lik chiraliteten ganger <math>\hbar/2</math>

Standardmodellen er en chiral teori, som vil si at partiklene i enkelte vekselvirkninger oppfører seg forskjellig avhengig av om de er venstrehendte eller høyrehendte. For eksempel virker svak vekselvirkning kun på venstrehendte partikler (og høyrehendte antipartikler). Fermioner er også chirale, og venstrehendte fermioner kopler sterkere til andre venstrehendte fermioner enn venstre – høyre- og høyre – høyre-par. Dette symmetribruddet har etablert en «preferanse» i naturen for venstrehendte partikler. Denne typen symmetri kalles for P-symmetri (av ''paritet''), og man sier at svak kjernekraft har stort P-symmetribrudd. Dette har vært brukt til å studere nøytrinomasse, for ettersom det foreligger indikasjoner på symmetribrudd ved svak kjernekraft, må nøytrinoet også ha masse.

Symmetri for motsatte ladninger kalles C-symmetri (for ''charge''). Det vil for eksempel si at et elektron – proton-par har samme elektromagnetiske vekselvirkning som et positron – antiproton-par (positroner er anti-elektroner). I en del tilfeller der det forekommer P-symmetribrudd, kan det likevel forekomme CP-symmetri. Det var tidligere antatt at svak kjernekraft
hadde CP-symmetri, men nå vet man at det også forekommer mindre CP-symmetribrudd.

Den siste symmetrien er T-symmetri, det vil si at man speiler bakover i ''tid''. Det er ikke kjent noen vekselvirkninger som ikke tilfredsstiller kombinert CPT-symmetri.

=== Bevaringslover ===
Allerede i [[klassisk mekanikk]] hadde man teorier om bevaring. [[Termodynamikk]]ens første lov sier f.eks. at energi hverken kan oppstå eller forsvinne. Tilsvarende er summen av de elektriske ladningene i et system bevart.

For vekselvirkninger er en egenskap bevart dersom summen for partiklene er lik før og etter vekselvirkningen. Det ble tidlig observert at visse vekselvirkninger er vanlige mens andre forekommer svært sjelden («forbudte vekselvirkninger»). Disse eksperimentene har ledet til beskrivelsen av kvantetall for elementærpartiklene og bevaringslover som beskriver hvilke tilstander og overganger som forekommer.<ref>{{Kilde www |url= http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/particles/parint.html#c1 |tittel= Particle Interactions and Conservation Laws |besøksdato= 2007-11-10|forfatter= Carl R. Nave |format= html |utgiver= Georgia State University}}</ref>

=== Baryoner og mesoner ===
:''For detaljerte partikkeldata se [[baryon]] og [[meson]]''

På grunn av [[fargekraft]]en eksisterer alltid kvarker bundet i grupper som er fargenøytrale:

* [[Meson]]er består av to kvarker: En kvark og en antikvark. Fargenøytraliteten oppnås ved farge og antifarge. Mesoner har alle svært kort levetid, under 10<sup>−8</sup> sekund, og de fleste mye kortere. Kvarkenes spinn kan være motrettet eller likerettet, og mesoner får derfor spinn 0 eller 1. Men det er også ytterligere finstruktur: Et meson som består av samme type kvark og antikvark, kan ha svært forskjellige egenskaper avhengig av om spinnene er likerettet eller motrettet, og om det er venstre eller høyre. Se for eksempel π<sup>+</sup>-pionet og ρ<sup>+</sup>-rho i tabellen. Nøytrale mesoner er sin egen antipartikkel.
* [[Baryon]]er består av tre kvarker. Igjen kan de ha motrettet eller likerettet spinn, som gir spinn 1/2 eller 3/2. Også her gir spinnretningen opphav til forskjellige baryoner for samme kombinasjon av kvarker, se f.eks. [[proton]]et og Δ<sup>+</sup>-delta som begge består av kvarkene opp/opp/ned. [[Nøytron]]er og protoner kalles også [[nukleon]]er. Flere nukleoner bindes sammen til en [[atomkjerne]] fordi de har en ''ubalanse'' i [[fargeladning]]en som gir opphav til [[sterk kjernekraft]] som stabiliserer kjernen ved å virke mot frastøtning mellom like ladninger. Denne formidles av ''virtuelle mesoner''. Utenfor atomkjernen er det bare elektromagnetisk kraft som styrer videre oppbygning av orbitaler og kjemiske forbindelser. Av baryonene er det bare [[proton]]et som er stabilt i fri tilstand. [[Nøytron]]et er stabilt i mange atomkjerner sammen med protonet.
* [[Pentakvark]] er en hypotetisk kombinasjon av fem kvarker som teoretisk kan dannes som en kombinasjon av fire vanlige og en anti-kvark. Flere eksperimenter siden 2003 har indikasjoner på en pentakvark med masse 1540&nbsp;MeV i kombinasjonen opp/opp/ned/ned/anti-sær.

Man legger merke til at massen for Baryoner og Mesoner er svært forskjellige og mye høyere enn summen av de renormaliserte verdiene for de kvarkene som bygger opp partiklene. Dette skyldes vesentlig bindingsenergi som følge av fargenøytral innelukking.

=== Masse og higgspartikkelen ===
[[Fil:Gg to ttH.jpg|200px|thumb|right|Henfallsprodukter fra higgsbosonet]]

Higgspartikkelen er et hypotetisk elektrisk nøytralt vekselvirkningsboson med spinn 0. Det har en viktig funksjon både i elektrosvak teori og som opphav til [[masse]] i partiklene. Det er den eneste partikkelen i standardmodellen som ikke er eksperimentelt oppdaget, og er gjenstand for stor oppmerksomhet, blant annet som et resultat av forestående oppstart av ATLAS-eksperimentet ved [[CERN]]s [[Large Hadron Collider]] (LHC).<ref>{{Kilde bok | forfatter= Brian Martin | utgivelsesår= 2006 | tittel= Nuclear and Particle Physics: An Introduction | utgivelsessted= Chichester, England | forlag= John Wiley & Sons | side= 297 | isbn= 0-470-01999-9 | id= ISBN 978-0470025321 (pbk.), ISBN 0-470-02532-8 (pbk).}}</ref>

Higgsbosonet er nødvendig får å tilfredsstille gaugesymmetri for vekselvirkningsbosoner med heltalls spinn, spesifikt W<sup>+</sup>, W<sup>-</sup> og Z<sup>0</sup>. Om de kjente vekselvirkningsbosonene var de eneste i standardmodellen, ville dette av symmetrigrunner betinge null masse, som det er tilfelle for gluoner (kvantekromodynamikk) og fotoner (kvanteelektrodynamikk). Ettersom W- og Z-bosonene har svært høy masse (typisk 80–90&nbsp;GeV/c²) kreves det en mekanisme som kan forklare dette store symmetribruddet. Også andre effekter krever kanselleringer som i prinsippet ville føre til at alle elementærpartikler (leptoner, baryoner og bosoner) måtte ha null masse om det ikke fantes flere bosoner.

For å løse dette problemet, har man postulert et [[skalarfelt]] kalt ''higgsfeltet'' (etter [[Peter Higgs]]). Et skalarfelt har samme konstante verdi i hele universet, og ingen retning (i motsetning til en [[Vektor (matematikk)|vektor]]). Det har en ''vakuumforventingsverdi'' (forventet verdi for feltets variabel i vakuum) som er beregnet til 246&nbsp;GeV. Higgspartikkelen er en kvanteverdi som kopler dette feltet til partikler som har masse (''massive partikler''), og koblingens styrke (koblingsfaktoren) avgjør dermed hvor stor massen til partikkelen blir. Tidligere eksperimenter setter en nedre grense for higgsbosonets masse på ca. 115&nbsp;GeV/c². Det ligger i vekselvirkningen at higgspartikkelen kobler svakt til partikler med lav masse (som opp-, ned-, sær-, sjarm-kvarker og leptoner), og kan trolig bare fremstilles via svært massive partikler som topp- og bunn-kvarker og W- og Z-bosoner, og kan siden detekteres via sine henfallsprodukter som vist i figuren.

CERNs LHC har tilstrekkelig energi til å produsere partikler med dette energinivået og forventes enten å finne Higgs bosoner eller partikler med andre egenskaper som forklarer symmetribruddet og opphavet til partiklenes masse.<ref>{{Kilde www |url= http://www.exploratorium.edu/origins/cern/ideas/higgs.html|tittel= Higgs ved CERN's exploratorium|besøksdato=25. november 2007 |utgiver= CERN | dato= 2000}}</ref>

== Utvikling og uløste områder ==
{{uløst|fysikken|
* Hva bestemmer masse og koplingskonstanter for vekselvirkningene?
* Er det bare tre generasjoner partikler?
* Hva er forbindelsen til gravitasjon og [[teorien om alt]], og hva er mørk masse og mørk energi?
* Hvorfor består ikke universet av like deler partikler og antipartikler?}}
Selv om standardmodellen gir meget godt samsvar med eksperimentene, har den mangler på en rekke områder som er gjenstand for omfattende forskning:<ref>{{Kilde bok | forfatter= G.F. Giudice | utgivelsesår= 2002 | artikkel= Physics Beyond the Standard Model | tittel= Lecture Notes in Physics | bind= Volume 591/2002 | utgivelsessted= Berlin / Heidelberg | forlag= Springer Verlag | side= 294 | id= ISSN 1616-6361 | url= http://www.springerlink.com/content/rv7rugtpnbgpy143/ }}{{Død lenke|dato=mars 2021 |bot=InternetArchiveBot }}</ref>

* Modellen har ingen beregning av partiklenes masser og av koplingskonstantene for kreftene som baseres på [[grunnprinsipp]]er. Den er heller ikke noen fullstendig forklaring på hvilke partikkeltyper som opptrer og det antallet generasjoner man observerer (f.eks. leptoner og kvarker i tre generasjoner). Den opererer med 29 konstanter som må bestemmes ved eksperimenter. Flere foreslåtte teorier gir masser for partiklene som er svært mye høyere en det som observeres, og krever derfor korreksjoner eller elimineringer basert på forskjellige vekselvirkninger. Dette er ikke beskrevet i dagens teori, selv om det forventes at observasjoner av higgspartikkelen kan lede til nye beskrivelser.
* Standardmodellen inneholder ikke beskrivelser av strukturer (partikler og krefter) over 10<sup>12</sup>&nbsp;eV og opp til [[planckskalaen]] ved 2,4·10<sup>27</sup>&nbsp;eV der kvantumgravitasjonseffekter gjør seg gjeldende. Det er trolig at det både finnes ytterligere struktur, og at gravitasjon må finne plass i en fremtidig ''[[teori om alt]]''.<ref>{{Kilde www |url = http://arxiv.org/PS_cache/hep-ph/pdf/9709/9709356v4.pdf |tittel = A Supersymmetry Primer |besøksdato = 2007-11-18 |forfatter = Stephen P. Martin |utgivelsesdato = juni 2006 |utgiver = Department of Physics, Northern Illinois University and Fermi National Accelerator Laboratory |sider = 126 |språk = Engelsk}}</ref> Gravitonet som formidler kvantegravitasjon, er ikke påvist. Gravitasjon er ulik de andre vekselvirkningene ved at den påvirker [[tidrommet]]s krumning (og trolig også dets størrelse: [[universets ekspansjon]]), og den effekten vi observerer som tiltrekning ved gravitasjon er en følge av denne krumningen. Man forventer at elektrosvak vekselvirkning og fargekraften vil arte seg som en felles kraftvikning ved høye energinivåer (''Grand Unification Theory'', GUT) og at også gravitasjon inngår i en ''Unified Field Theory'' eller ''teori om alt'' på enda høyre nivåer.
* Man vet nå at universet inneholder 96–98&nbsp;% masse og energi som ikke er beskrevet av standardmodellen. Dette kalles mørk materie og deles i mørk masse (30&nbsp;%) og mørk energi (70&nbsp;%; der «mørk» har betydningen «ukjent», ikke «svart»). Mørk masse vekselvirker ikke med elektromagnetisme<ref>{{ Kilde artikkel|forfatter=Øystein Elgarøy |utgivelsesår=2006 |tittel=Tampen brenner for mørk materie? |publikasjon=UIO/Institutt for teoretisk astrofysikk |url=http://www.astro.uio.no/ita/nyheter/morkmaterie_0206/morkmaterie_0206.html |arkiv_url=https://web.archive.org/web/20090604022430/http://www.astro.uio.no/ita/nyheter/morkmaterie_0206/morkmaterie_0206.html |arkivdato=2009-06-04 |url-status=død }}</ref>, men kopler med gravitasjon. Mørk energi er ukjent, men kopler trolig både til mørk masse og mørk energi og regnes som årsaken til universets ekspansjon.<ref>{{ Kilde artikkel | forfatter= Charles H. Lineweaver and Tamara M. Davis | utgivelsesår= 2005 | tittel= Misconceptions about the Big Bang | publikasjon= Scientific American | nummer= Mars - 2005 | url= http://www.sciamdigital.com/index.cfm?fa=Products.ViewIssuePreview&ARTICLEID_CHAR=F9366686-2B35-221B-6C94343C2B7BB051}}</ref> En av forklaringene er svært massive supersymmetriske partikler.
* Fordi standardmodellen er fullstendig symmetrisk, med unntak av svak vekselvirkning, ville man forvente at [[det observerbare universet]] besto av like deler materie og antimaterie. Antimaterie og materie ville da ha [[annihilering|annihilert]] ettersom de kom i kontakt med hverandre om de var blandet. Om materien var fordelt i forskjellige regioner ville man forvente intens gammastråling der disse regionene var i kontakt. At man ikke har observert dette tyder på at universet stort sett består av vanlige partikler. Men svært kort etter [[Big Bang]] besto universet trolig av like deler materie og antimaterie (men med mange flere eksotiske og massive baryoner og mesoner enn i dag). De aller fleste annihilerte med hverandre, mens en svak ubalanse skapte de fermioner (f.eks. elektroner, protoner og nøytroner) vi ser i universet i dag. Men standardmodellens beregninger gir langt færre partikler (faktor 10<sup>10</sup>) enn vi beregner i det observerbare universet.

=== Strengteori og supersymmetri ===
Det er naturlig å tenke seg at det finnes et mer fundamentalt beskrivelsessystem (enten virtuelt eller reelt) enn de partikler og vekselvirkninger som beskrives i standardmodellen. En slik modell er [[strengteori]]en, som beskriver standardmodellens dimensjonsløse punktformede partikler ved hjelp av endimensjonale strenger. Strengteori er et samlebegrep som også omfatter [[M-teori]] (inneholder fem strengeteorier) og [[superstrengteori]].

Strengene kan være åpne eller lukkede (endepunktene berører hverandre som f.eks. i en sirkel), og typisk størrelsesorden er [[plancklengden]] på
:<math> \ell_P =\sqrt{\frac{\hbar G}{c^3}} \cong 1,616 24 (12) \cdot 10^{-35}</math> m
Strengenes struktur og vibrasjonsmodi gir opphav til de forskjellige elementærpartiklene som beskrives i standardmodellen. Selv om strengteori kan forklare mange egenskaper, krever vitenskapelig metode at man kan etablere eksperimenter som kan bekrefte teorien eller forutsi andre virkninger som må skyldes strenger. Dette er foreløpig ikke tilfelle.

De fleste varianter av strengteorien resulterer også i ytterligere symmetrier. En teori som beskriver dette er [[supersymmetri]] som forutsier at det for hver vanlige partikkel i standardmodellen vil finnes en superpartner. Superpartneren har samme kvantetall som sin partner unntatt spinnet som har en forskjell på 1/2. Supersymmetriske partikler vil ha svært høy masse, typisk 0,1 til 1&nbsp;TeV. Dette kan løse to fundamentale problemer:
* Hierarkiproblemet oppstår fordi mange partikler har svært mye lavere masse enn forutsagt. Supersymmetri gir kanselleringer (og forskjeller) i hvordan bosoner og fermioner kopler mot higgsmekanismen.
* Manglende kilder til mørk materie i universet. De fleste supersymmetriske partikler har svært høy masse og kort henfallstid. Superpartneren til svak-vekselvirkning-bosonet Z<sup>0</sup> (zino), fotonet (fotino) og den nøytrale higgspartikkelen H<sup>0</sup> (higgsino) har samme kvantetall og kombinerer lineært til nøytralinoet.<ref>{{Kilde www
|url = http://conferences.fnal.gov/lp2003/program/papers/dejesus.pdf |tittel = WIMP / Neutralino Direct Detection |besøksdato = 2007-11-18 |forfatter = M. de Jésus |format = pdf |utgiver = IPN Lyon-UCBL, IN2P3-CNRS, |sider = 10 |språk = Engelsk|dato = 2003 }}</ref> På grunn av et [[forbudt brudd]] i R-symmetri (baryon- og leptonnummer) forventer man at alle supersymmetriske partikler vil henfalle til nøtralinoer. Det letteste nøytralinoet er derfor den mest sannsynlige kandidaten til WIMP (''Weakly Interacting Massice Particle'', «svakt vekselvirkende massiv partikkel») som kilde til mørk masse.

Men heller ikke for strengteori foreligger det forutsigbare eksperimentelle resultater som entydig bekrefter teoriens gyldighet. Supersymmetri kan være gyldig teori selv om superstrengteorien ikke er korrekt.

== Se også ==
*[[Partikkelfysikk]]
*[[Kjernefysikk]]
*[[Fundamentalkraft]]
*[[Teorien om alt]]
*[[Kvantemekanikk]]
*[[Bølgefunksjon]]
*[[Diracligningen]]

== Referanser ==
<references/>

== Eksterne lenker ==
* [http://www.fys.uio.no/epf/adventures/particleadventure_2.1/frameless/index.html Partikkeleventyret ved Fysisk institutt, Universitetet i Oslo]
* [http://www.exploratorium.edu/origins/cern/ideas/standard.html Standardmodellen ved CERNs eksploratorium]
* [http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hframe.html Hyperphysics ved Carl R. (Rod) Nave Department of Physics and Astronomy, Georgia State University]
* [http://pdg.lbl.gov/ Particle Data Group er et samarbeidsorgan som utgir sammenstillinger og vurderinger av partikkeldata fra mange kilder]
{{Autoritetsdata}}

[[Kategori:Partikkelfysikk]]
[[Kategori:Kvantemekanikk]]