Het standaardmodel. Wat een saaie naam voor de meest nauwkeurige wetenschappelijke theorie die mensen kennen.

Meer dan een kwart van de Nobelprijzen voor natuurkunde van de vorige eeuw zijn directe inputs of directe resultaten van het standaardmodel. Toch doet de naam vermoeden dat als je een paar extra dollars per maand kunt betalen, je de upgrade moet kopen. Als theoretisch natuurkundige Ik geef de voorkeur aan de Absoluut Geweldige Theorie van Bijna Alles. Dat is wat het Standaard Model werkelijk is.

Velen herinneren zich de opwinding onder wetenschappers en media over de ontdekking van het Higgs-deeltje in 2012. Maar dat veelbesproken evenement kwam niet uit de lucht vallen - het besloeg een ongeslagen reeks van vijf decennia voor het standaardmodel. Elke fundamentele kracht, behalve de zwaartekracht, is erin opgenomen. Elke poging om het omver te werpen om in het laboratorium aan te tonen dat het grondig moet worden herwerkt - en dat zijn er de afgelopen 50 jaar veel geweest - is mislukt.

Kortom, het standaardmodel beantwoordt deze vraag:waar is alles van gemaakt, en hoe zit het in elkaar?

De kleinste bouwstenen

Je weet wel, natuurlijk, dat de wereld om ons heen is gemaakt van moleculen, en moleculen zijn gemaakt van atomen. Chemicus Dmitri Mendelejev bedacht dat in de jaren 1860 en organiseerde alle atomen - dat wil zeggen, de elementen - in het periodiek systeem dat je waarschijnlijk op de middelbare school hebt bestudeerd. Maar er zijn 118 verschillende chemische elementen. Er is antimoon, arseen, aluminium, selenium … en nog 114.

Natuurkundigen houden van simpele dingen. We willen de zaken terugbrengen tot de essentie, een paar basisbouwstenen. Meer dan honderd chemische elementen is niet eenvoudig. De Ouden geloofden dat alles uit slechts vijf elementen bestaat:aarde, water, vuur, lucht en ether. Vijf is veel eenvoudiger dan 118. Het is ook fout.

tegen 1932, wetenschappers wisten dat al die atomen uit slechts drie deeltjes bestaan:neutronen, protonen en elektronen. De neutronen en protonen zijn stevig met elkaar verbonden in de kern. de elektronen, duizenden keren lichter, wervelen rond de kern met snelheden die die van het licht benaderen. natuurkundigen Planck, Bohr, Schrödinger, Heisenberg en vrienden hadden een nieuwe wetenschap uitgevonden - kwantummechanica - om deze beweging te verklaren.

Dat zou een bevredigende plek zijn geweest om te stoppen. Slechts drie deeltjes. Drie is zelfs eenvoudiger dan vijf. Maar hoe bij elkaar gehouden? De negatief geladen elektronen en positief geladen protonen zijn met elkaar verbonden door elektromagnetisme. Maar de protonen zitten allemaal bij elkaar in de kern en hun positieve ladingen zouden ze krachtig uit elkaar moeten duwen. De neutrale neutronen kunnen niet helpen.

Wat bindt deze protonen en neutronen aan elkaar? "Goddelijke interventie" vertelde een man op een straathoek in Toronto me; hij had een pamflet, Ik kon er alles over lezen. Maar dit scenario leek zelfs voor een goddelijk wezen heel wat moeite - het in de gaten houden van elk van de 10⁸⁰ protonen en neutronen van het universum en ze naar zijn hand zetten.

De dierentuin van deeltjes uitbreiden

In de tussentijd, de natuur weigerde wreed om zijn dierentuin van deeltjes tot slechts drie te beperken. echt vier, omdat we het foton moeten tellen, het lichtdeeltje dat Einstein beschreef. Vier groeiden uit tot vijf toen Anderson elektronen met positieve lading meette - positronen - die de aarde vanuit de ruimte raakten. Dirac had deze eerste antimateriedeeltjes tenminste voorspeld. Vijf werd zes toen de pion, waarvan Yukawa voorspelde dat het de kern bij elkaar zou houden, was gevonden.

Toen kwam het muon - 200 keer zwaarder dan het elektron, maar verder een tweeling. "Wie heeft dat besteld?" I.I. grapte Rabi. Dat vat het samen. Nummer zeven. Niet alleen niet eenvoudig, overtollig.

In de jaren zestig waren er honderden "fundamentele" deeltjes. In plaats van het overzichtelijke periodiek systeem, er waren alleen lange lijsten met baryonen (zware deeltjes zoals protonen en neutronen), mesonen (zoals de pionen van Yukawa) en leptonen (lichtdeeltjes zoals het elektron, en de ongrijpbare neutrino's) - zonder organisatie en zonder leidende principes.

In deze bres schoof het standaardmodel opzij. Het was niet van de ene op de andere dag een flits van schittering. Geen enkele Archimedes sprong uit een badkuip terwijl hij 'eureka' riep. In plaats daarvan, er was een reeks cruciale inzichten door een paar sleutelfiguren in het midden van de jaren zestig die dit moeras in een eenvoudige theorie veranderde, en vervolgens vijf decennia van experimentele verificatie en theoretische uitwerking.

Quarks. Ze zijn er in zes varianten die we smaken noemen. Zoals ijs, behalve niet zo lekker. In plaats van vanille, chocolade enzovoort, we hebben op, omlaag, vreemd, charme, onder en boven. 1964, Gell-Mann en Zweig leerden ons de recepten:Mix en match elke drie quarks om een ​​baryon te krijgen. Protonen zijn twee aan elkaar gebonden ups en een down-quark; neutronen zijn twee downs en een up. Kies een quark en een antiquark om een ​​meson te krijgen. Een pion is een up- of een down-quark gebonden aan een anti-up of een anti-down. Al het materiaal van ons dagelijks leven bestaat alleen uit up- en down-quarks en anti-quarks en elektronen.

Eenvoudig. We zullen, eenvoudig, omdat het een prestatie is om die quarks gebonden te houden. Ze zijn zo nauw met elkaar verbonden dat je nooit een quark of anti-quark op zichzelf zult vinden. De theorie van die binding, en de deeltjes genaamd gluonen (grinniken) die verantwoordelijk zijn, wordt kwantumchromodynamica genoemd. Het is een essentieel onderdeel van het standaardmodel, maar wiskundig moeilijk, zelfs een onopgelost probleem van elementaire wiskunde opwerpen. Wij natuurkundigen doen ons best om ermee te rekenen, maar we leren nog steeds hoe.

Het andere aspect van het standaardmodel is 'Een model van leptonen'. Dat is de naam van het baanbrekende artikel uit 1967 van Steven Weinberg dat de kwantummechanica samenbracht met de essentiële stukjes kennis over hoe deeltjes op elkaar inwerken en de twee in één enkele theorie organiseerde. Het bevatte het bekende elektromagnetisme, voegde het samen met wat natuurkundigen 'de zwakke kracht' noemden die bepaalde radioactieve vervalsingen veroorzaakt, en legde uit dat het verschillende aspecten van dezelfde kracht waren. Het bevatte het Higgs-mechanisme om massa te geven aan fundamentele deeltjes.

Vanaf dat moment, het standaardmodel heeft de resultaten van experiment na experiment voorspeld, inclusief de ontdekking van verschillende soorten quarks en van de W- en Z-bosonen - zware deeltjes die voor zwakke interacties zijn wat het foton is voor elektromagnetisme. De mogelijkheid dat neutrino's niet massaloos zijn, werd in de jaren zestig over het hoofd gezien, maar gleed gemakkelijk in het standaardmodel in de jaren negentig, een paar decennia te laat op het feest.

Ontdekking van het Higgs-deeltje in 2012, lang voorspeld door het standaardmodel en lang gezocht, was een sensatie maar geen verrassing. Het was opnieuw een cruciale overwinning voor het standaardmodel op de duistere krachten waarvoor deeltjesfysici herhaaldelijk hebben gewaarschuwd dat ze aan de horizon opdoemden. Bezorgd dat het standaardmodel hun verwachtingen van eenvoud niet adequaat belichaamde, bezorgd over de wiskundige zelfconsistentie, of vooruitkijkend naar de uiteindelijke noodzaak om de zwaartekracht in de plooi te brengen, natuurkundigen hebben talloze voorstellen gedaan voor theorieën die verder gaan dan het standaardmodel. Deze dragen spannende namen als Grand Unified Theories, supersymmetrie, Technicolor, en snaartheorie.

Helaas, althans voor hun voorstanders, Theorieën buiten het standaardmodel hebben nog geen nieuw experimenteel fenomeen of enige experimentele discrepantie met het standaardmodel met succes voorspeld.

Na vijf decennia, verre van dat een upgrade nodig is, het Standaardmodel verdient een feestje als de Absoluut Verbazingwekkende Theorie van Bijna Alles.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.