Hiukkasfysiikan standardimalli
Kvanttimekaanista mallia on myöhemmin täydennetty ja laajennettu niin kutsutuiksi kvanttikenttäteorioiksi, jotka kuvaavat luontoa kvanttikenttien värähtelyjen avulla. Hiukkasfysiikan standardimalli on kvanttikenttäteoria, joka kuvaa pienimpiä tuntemiamme maailmankaikkeuden rakennuspalikoita ja on samalla paras teoriamme sekä sähkömagneettisesta vuorovaikutuksesta että heikosta ja vahvasta vuorovaikutuksesta.
Jo aiemmasta tiedämme aineen koostuvan atomeista, jotka puolestaan koostuvat elektroneista ja ydinhiukkasista protoneista ja neutroneista. Protonit ja neutronit koostuvat kvarkeista. Elektronin pariksi on myöhemmin löydetty niin kutsuttu neutriino. Elektronit ja neutriinot ovat kumpikin leptoneita. Näkyvä aine koostuu kvarkeista ja leptoneista, joita yhdessä kutsutaankin ainehiukkasiksi eli fermioneiksi.
Perusvuorovaikutuksia kuvaavat teoriat voidaan nykyisin jakaa hiukkasfysiikkaan ja gravitaatioteoriaan, jolle ei olla vielä osattu kirjoittaa hiukkaskuvausta.
Palaamme neutriinon löytämiseen Aineen radioaktiivisuus luvussa
Fermionit vuorovaikuttavat keskenään välittäjähiukkasten, eli bosonien, avulla. Jokaisella vuorovaikutuksella on oma bosoninsa. Sähkömagneettista vuorovaikutusta välittää valohiukkanen fotoni. Esimerkiksi kaksi elektronia vuorovaikuttavat keskenään fotonien avulla. Kvarkit liimaa toisiinsa puolestaan vahvan vuorovaikutuksen gluoni. Heikolla vuorovaikutuksella on 3 välittäjähiukkasta: W⁺, W⁻ ja Z⁰ .
Hiukkaset voidaan siis jakaa fermioneihin ja bosoneihin, fermionit edelleen kvarkkeihin ja leptoneihin. Kaikki arkipäiväinen aine koostuu kahdesta kvarkista {u, d} ja kahdesta leptonista {e⁻, νe}, mutta luonnosta löytyy myös kaksi muuta samanlaista hiukkasperhettä. Kvarkkeja on siis yhteensä 3 · 2 = 6, samoin kuin leptoneita. Muiden perheiden kvarkit ja leptonit ovat muutoin samanlaisia, mutta niiden massat ovat suuremmat. Kukaan ei tiedä miksi perheitä on juuri kolme, mutta ainakaan toistaiseksi ei ole syytä olettaa niitä olevan enempää.
Standardimallin viimeinen rakennuspalikka Higgsin bosoni löydettiin vuonna 2012. Sitä osattiin odottaa, sillä sitä tarvitaan pitämään standardimalli matemaattisesti järkevänä. Ilman Higgsin bosonia kaikki hiukkaset olisivat massattomia, eikä kokeellisesti havaittuja hiukkasten massoja osattaisi selittää.
Hiukkasfysiikan standardimallissa on siis yhteensä 18 hiukkasta: Gravitaatiota yritetään saada mukaan hiukkasfysiikan kuvaukseen, toistaiseksi siinä onnistumatta. Siihen liittyy hypoteettinen välittäjähiukkanen "gravitoni". 6 kvarkkia, 6 leptonia, 5 vuorovaikutusten välittäjäbosonia sekä Higgsin bosoni.
Gravitaatiota yritetään saada mukaan hiukkasfysiikan kuvaukseen, toistaiseksi siinä onnistumatta. Siihen
liittyy hypoteettinen välittäjähiukkanen gravitoni.
Vielä tarvitaan kuitenkin yksi lisäys, sillä ymmärryksemme hiukkasista ja aineen rakenteesta koki 1930-luvulla melkoisen mullistuksen. Paul Dirac osoitti ensin teoreettisesti, että jokaisella hiukkasella pitäisi olla tietynlainen vastinpari, antihiukkanen. Esimerkiksi elektronin antihiukkanen positroni on kuin elektronin peilikuva: muutoin samanlainen, mutta sillä on positiivinen varaus. Pian Diracin ennustuksen jälkeen positronit löydettiin kokeellisesti ja nykyisin niiden hyötykäyttö esimerkiksi lääketieteellisessä kuvantamisessa on arkipäivää. Antikvarkeista voi rakentaa antiprotoneita ja -neutroneita ja yhdessä positronien kanssa näistä voi tehdä antiatomeja. Tällainen antiaine on kuitenkin hyvin lyhytikäistä, sillä kohdatessaan normaalia ainetta tapahtuu niin sanottu annihilaatio, jossa molempien massa muuttuu fotonien energiaksi eli valoksi.
Fermionit on nimetty Enrico Fermin (kuvassa) mukaan ja bosonit Satyendra Nath Bosen mukaan.
Kvarkit: {u, d}, {c, s} ja {t, b}
Leptonit: {e⁻, νe}, {µ, νµ} ja {τ, ντ }
Standardimallin hiukkaset englanninkielisillä nimillään. Lähde: Wikipedia, public domain.