ذرات

با اينكه مدل استاندارد احتياج به بسط دارد، ذرات آن براى توصيف جهانى كه تجربه مى كنيم (غير از گرانش) و بيشتر اطلاعات به دست آمده توسط فيزيكدانان ذرات كافى است.

• ذرات ماده (فرميون ها)

در مدل استاندارد الكترون، كوارك  بالا (up)  و كوارك پايين (down)  ذرات بنيادى تشكيل دهنده مواد معمولى هستند. پروتون ها (uud)  و نوترون ها (udd)  از به هم چسبيدن سه كوارك به وجود مى آيند، كه آنها نيز به نوبه خود هسته اتم را مى سازند. (عكس بالا) الكترون و كوارك هاى بالا (up)  و پايين (down)  همراه با نوترينوى الكترون، اولين گروه از سه رده ذرات را تشكيل مى دهند كه به آنها رده مى گويند. همه رده ها در همه موارد مشابه هم هستند غير از جرم ذرات بنيادى شان. مقدار جرم، نوترينوها و بوزون هيگز در نمودار فرضى است اما طورى انتخاب شده اند كه با محاسبات تئورى و مشاهدات سازگار باشند.

• حمل كننده هاى نيرو (بوزون ها)

مدل استاندارد سه نيرو از چهار نيروى شناخته شده را توضيح مى دهد: الكترومغناطيس، نيروى ضعيف (كه شامل ساختارهاى عناصر شيميايى است) و نيروى قوى (كه پروتون ها و نوترون هاى هسته را در كنار هم نگه مى دارد). نيروها با ذرات نيرو منتقل مى شوند: نوترون ها براى الكترومغناطيس، بوزون هاى W و Z  براى نيروى ضعيف و گلوآن ها براى نيروى قوى، براى گرانش گراويتون ها فرض شده اند كه البته مدل استاندارد شامل گرانش نمى شود. مدل استاندارد نيروهاى الكترومغناطيس و ضعيف  را با هم متحد كرده است. اين دو نيرو در انرژى هاى زياد يا به طور معادل فاصله هاى كوچك تر از قطر پروتون در هم ادغام شده و نيروى الكترو ضعيف را به وجود مى آورند. از بزرگترين موفقيت هاى مدل استاندارد اين است كه ساختار نيروها - ساختار دقيق معادلاتى كه آنها را توصيف مى كند- به طور وسيعى با اصول عمومى كه در نظريه وجود دارد مشخص مى شوند و نه با فرضيات ساختگى براى سازگارى با داده هاى آزمايشگاهى. براى مثال در مورد الكترومغناطيس، اعتبار نظريه ميدان كوانتومى نسبيتى (كه بناى مدل استاندارد است) و وجود الكترون ايجاب مى كند كه فوتون بايد وجود داشته باشد و آن گونه برهم كنش كند كه برهم كنش مى كند و بدين ترتيب در نهايت توانستيم ماهيت نور را بفهميم. مسائل مشابهى وجود و خواص گلوآن ها و ذرات W و Z  را پيش بينى كرد كه بعداً تائيد شدند.

• منبع جرم

مدل استاندارد علاوه بر ذرات توضيح داده شده در بالا، وجود بوزون هيگز را پيش بينى مى كند كه هنوز به طور مستقيم مشاهده نشده است. هيگز با ذرات ديگر مدل استاندارد به گونه اى برهم كنش مى كند كه به آنها جرم مى دهد.

• سطوح عميق تر

آيا احتمال دارد نظريه ديگرى كه در آن كوارك ها و الكترون ها كه خود از ذرات بنيادى تر درست شده اند جانشين مدل استاندارد شوند؟ به احتمال بسيار نه. امروزه آزمايش هايى بسيار دقيق تر از هميشه انجام شده اند و هيچ نشانه اى مبنى بر ساختارى اضافه ديده نشده است. مهمتر اينكه مدل استاندارد يك تئورى سازگار است كه اگر الكترون ها و كوارك ها بنيادى باشند معنى دارد. هيچ نكته مبهمى وجود ندارد تا دال بر وجود ساختار بنيادى عميق ترى باشد. علاوه بر اين همه نيروها در انرژى هاى زياد شبيه هم خواهند بود. به ويژه اگر ابرتقارن درست باشد. (به قاب صفحه۱۹ مراجعه كنيد) اگر الكترون ها و كوارك ها ذرات مركب باشند، اين اتحاد از بين مى رود: نيروها مانند هم نخواهند بود. نظريه ميدان هاى كوانتومى نسبيتى، الكترون ها و كوارك ها را ذرات نقطه اى مى داند يعنى مى گويد اين ذرات بدون ساختار هستند. در آينده مى توان آنها را ريسمان هاى كوچك (String)  يا رويه اى (membrane)  ديد همان گونه كه نظريه ريسمان مى گويد اما آنها باز هم الكترون و كوارك هستند با همه خواصى كه مدل استاندارد در انرژى هاى كم براى آنها متصور است.

قواعد بازى

مدل استاندارد ذرات بنيادى و چگونگى برهم كنش آنها را توضيح مى دهد. براى فهم كامل طبيعت، همچنين بايد بدانيم كه كدام قواعد براى محاسبه نتايج برهم كنش ها استفاده مى شود. به عنوان مثال قانون نيوتن ( F=ma)  مى تواند براى روشن شدن مطلب به ما كمك كند. F  نيرو است،  m  جرم ذره و a  شتاب ذره ناشى از نيرو. حتى اگر ذرات و نيروهاى وارد بر آنها را بشناسيد نمى توانيد رفتار ذرات را محاسبه كنيد، مگر اينكه قانون   F=ma را بدانيد. نسخه مدرن اين قوانين نظريه ميدان هاى كوانتومى نسبيتى است كه در اوايل نيمه دوم قرن بيستم ابداع شده است. در نيمه دوم قرن بيستم تحول مدل استاندارد، طبيعت ذرات و نيروها _ كه با قواعد نظريه ميدان هاى كوانتومى بازى مى كنند- را به پژوهشگران آموخت. مفهوم سنتى نيرو توسط مدل استاندارد نيز بسط يافت.

ذرات وقتى برهم كنش مى كنند علاوه بر جذب  و دفع كردن مى توانند ماهيت خود را تغيير دهند و به وجود بيايند يا نابود شوند. نمودارهاى فاينمن a-g (در شكل بالا) كه توسط ريچارد پ. فاينمن (Richard P.Feynman)  ابداع شدند به عنوان ابزارى مفيد براى توصيف نظريه ميدان هاى كوانتومى به كار مى روند. خط هاى مستقيم مسير ذرات مادى را نشان مى دهند. خط  هاى موج دار نشان دهنده مسير ذرات نيرو هستند. الكترومغناطيس توسط گسيل يا دريافت نوترون ها توسط ذرات باردار (مانند الكترون ها و كوارك ها) توليد مى شود. در «a» الكترون ورودى يك فوتون گسيل مى كند و در مسيرى جديد به راهش ادامه مى دهد. نيروى قوى حاوى گلوآن هاى گسيل شده يا جذب شده توسط كوارك ها است.

(b)  نيروى ضعيف حاوى ذرات  W و Z  است، كه هم توسط كوارك ها و هم لپتون ها (الكترون ها، ميوآن ها، تاوها و نوترينو ها) جذب يا گسيلمى شوند. (d و c) دقت كنيد كه چگونه ذره W  باعث تغيير ماهيت الكترون مى شود. گلوآن ها (E)  و W ها و Z  ها (F)  با هم برهم كنش مى كنند، كه براى فوتون ها صحيح نيست.به نمودار هاى  a تا f   پايه هاى برهم كنش مى گويند. نيروها به وسيله جمع دو يا چند پايه توليد مى شوند. براى مثال، نيروى الكترومغناطيس بين يك الكترون و يك كوارك به وسيله فرستادن يك فوتون  (g)  توليد مى شود. هرچيز كه در جهان ما اتفاق مى افتد، به جز گرانش، تركيبى از اين پايه ها است.