Standardmodellen

Protoner och neutroner låter som materiens minsta delar, men de är det inte. Under 1960- och 1970-talen visade experiment där partiklar sköts mot varandra i höga hastigheter att protoner och neutroner själva har en inre struktur. Standardmodellen är den karta fysiker i dag använder för att beskriva alla kända elementarpartiklar och nästan alla krafter som verkar mellan dem.

Enligt standardmodellen är materien uppbyggd av två familjer av elementarpartiklar. Kvarkar finns i sex sorter, kallade upp, ned, charm, strange, topp och botten, och de förekommer aldrig ensamma utan alltid bundna till andra kvarkar. En proton är två uppkvarkar och en nedkvark, en neutron är två nedkvarkar och en uppkvark. Eftersom uppkvarken har laddningen +2/3 och nedkvarken −1/3, räknat i elementarladdningar, blir protonens laddning +1 och neutronens laddning 0. Leptoner, den andra familjen, kan röra sig fritt: elektronen är den mest kända, men det finns även myonen, tauonen och tre nästan masslösa neutriner.

Partiklarna hålls samman och påverkar varandra genom fyra grundläggande växelverkningar. Den starka växelverkan, förmedlad av gluoner, binder ihop kvarkar inuti protoner och neutroner. Den elektromagnetiska växelverkan, förmedlad av fotoner, håller elektroner kring kärnan och styr allt från magnetism till kemiska bindningar. Den svaga växelverkan, förmedlad av W- och Z-bosoner, kan omvandla en kvarktyp till en annan, till exempel när en nedkvark blir en uppkvark och en elektron och en antineutrino sänds ut. Gravitationen är den fjärde, men den saknar fortfarande en plats i standardmodellen.

2012 bekräftade experiment vid CERN en partikel som förutsagts redan 1964: Higgsbosonen. Den är kopplad till Higgsfältet, som fyller hela rymden. Partiklar som växelverkar starkt med fältet uppträder som tunga, medan partiklar som inte växelverkar med det, som fotonen, är masslösa.

Standardmodellen är en av fysikens mest noggrant testade teorier, men den är inte komplett. Den säger ingenting om gravitationen på kvantnivå, och den förklarar inte den mörka materia och mörka energi som astronomer tror utgör det mesta av universum.

Det här lär du dig

Namnge de två familjerna av materiepartiklar: kvarkar och leptoner
Förklara hur protoner och neutroner är uppbyggda av kvarkar och hur deras laddning uppstår
Beskriva de fyra grundläggande växelverkningarna och vilka partiklar som förmedlar dem
Förklara varför Higgsbosonen är kopplad till partiklars massa
Resonera om varför standardmodellen är framgångsrik men ändå inte fullständig

Begrepp att kunna

Elementarpartikel: En partikel som enligt standardmodellen inte är uppbyggd av något mindre, till exempel en kvark eller en lepton.
Kvark: En av sex elementarpartiklar som alltid är bundna till andra kvarkar och tillsammans bygger protoner, neutroner och liknande partiklar.
Lepton: En av sex elementarpartiklar som till skillnad från kvarkar kan förekomma fritt, till exempel elektronen och dess neutrino.
Växelverkan: En grundläggande kraft mellan partiklar. Standardmodellen beskriver den starka, den elektromagnetiska och den svaga växelverkan, men inte gravitationen.
Higgsbosonen: En partikel kopplad till Higgsfältet, som ger andra partiklar massa beroende på hur starkt de växelverkar med fältet. Bekräftad experimentellt 2012.

Vanliga svårigheter

Tror att protonen är en elementarpartikel

En proton ser ut som en enkel byggsten, men den är i själva verket sammansatt av tre kvarkar som hålls ihop av den starka växelverkan. De verkliga elementarpartiklarna i standardmodellen är kvarkarna och leptonerna, inte protonen eller neutronen själva.

Blandar ihop Higgsbosonen och Higgsfältet

Higgsfältet fyller hela rymden och är det som ger partiklar massa. Higgsbosonen är en kvantiserad excitation av fältet, ungefär som en vågtopp i vatten, och att upptäcka bosonen var det experimentella beviset för att fältet verkligen finns.

Tror att standardmodellen förklarar allt i universum

Standardmodellen beskriver kvarkar, leptoner och tre av de fyra växelverkningarna med enastående precision, men den säger ingenting om gravitationen som en kvantteori, och den förklarar inte den mörka materia och mörka energi som astronomiska observationer pekar på. Modellen är framgångsrik, men inte en slutgiltig teori för allt.

I verkligheten

PET-kameror inom sjukvården avbildar kroppens inre genom antimateria

En radioaktiv markör i kroppen sänder ut positroner, antimaterians motsvarighet till elektronen. När en positron möter en elektron utplånas båda och omvandlas till fotoner enligt den elektromagnetiska växelverkan, och det är just dessa fotoner som kameran fångar upp för att bygga en bild.

Många atomkärnor omvandlas genom att en nedkvark blir en uppkvark inuti en neutron

Den svaga växelverkan gör det möjligt för kvarktyper att byta identitet. När det sker inuti en neutron bildas en proton, och en elektron och en antineutrino sänds ut samtidigt, vilket är själva mekanismen bakom en vanlig typ av radioaktivt sönderfall på partikelnivå.

Tips

Lär dig de tolv byggstenarna i par: sex kvarkar (upp, ned, charm, strange, topp, botten) och sex leptoner (elektron, myon, tauon samt deras tre neutriner). Grupperar du dem så blir helheten mindre överväldigande.
Rita en tabell med fyra rader, en för varje växelverkan, och fyll i vilken partikel som förmedlar den och vad den gör. Gravitationens förmedlarruta förblir tom, eftersom gravitationen saknas i standardmodellen. Mönstret blir snabbt lika naturligt som multiplikationstabellen.
Tänk på Higgsfältet som något osynligt som fyller hela rymden och som partiklar kopplar till olika starkt: stark koppling ger stor massa, och fotonen, som inte kopplar alls, förblir masslös. Se det inte som ett motstånd som bromsar, för en partikel som rör sig genom fältet fortsätter ändå med konstant fart.

Testa dig själv

1. En proton består av två uppkvarkar och en nedkvark. Visa med kvarkarnas laddningar att protonens totala laddning blir +1.

Uppkvarken har laddningen +2/3 och nedkvarken −1/3, mätt i enheter av elementarladdningen. Summan för protonen blir 2/3 + 2/3 − 1/3 = 4/3 − 1/3 = 1. Protonens laddning +1 följer alltså direkt av att addera de tre kvarkarnas laddningar.

2. Vilken växelverkan är ansvarig för att en nedkvark kan omvandlas till en uppkvark, och vilka partiklar förmedlar den?

Det är den svaga växelverkan, förmedlad av W- och Z-bosonerna. Själva omvandlingen av kvarktyp sker via en W-boson. Den svaga växelverkan är den enda av de fyra växelverkningarna som kan ändra en kvarks typ, och det är den omvandlingen som ligger bakom en vanlig form av radioaktivt sönderfall.

3. Varför var upptäckten av Higgsbosonen 2012 en så viktig bekräftelse av standardmodellen?

Modellen hade länge förutsagt att partiklar får sin massa genom att växelverka med ett osynligt fält som fyller rymden, men själva fältet gick inte att observera direkt. Att hitta Higgsbosonen, fältets egen kvantiserade excitation, var det konkreta experimentella beviset för att fältet och mekanismen bakom massa verkligen existerar.

Ur kursplanen

Fysik nivå 1a1 · Universum, materien och strålning
Huvuddragen i standardmodellen.
Fysik nivå 1b · Universum, materien och strålning
Huvuddragen i standardmodellen.

Källa: Skolverket, centralt innehåll.

Bygger på

Atommodeller

Träna vidare – gratis

Det här ämnet har inga egna träningsuppgifter än. De här närliggande ämnena har lösta exempel och uppgifter som anpassar sig efter dig: