Model standar. Sungguh nama yang bodoh untuk teori ilmiah paling akurat yang dikenal umat manusia. Lebih dari seperempat Hadiah Nobel bidang fisika pada abad terakhir diberikan kepada karya-karya yang secara langsung atau tidak langsung terkait dengan Model Standar. Namanya, tentu saja, seperti jika Anda dapat membeli perbaikan dengan beberapa ratus rubel. Fisikawan teoretis mana pun akan lebih suka "teori menakjubkan tentang hampir segala hal", yang memang benar.
Banyak yang mengingat kegembiraan di antara para ilmuwan dan media atas penemuan boson Higgs pada tahun 2012. Tetapi penemuannya tidak mengejutkan dan tidak muncul begitu saja - ini menandai ulang tahun ke-50 kemenangan beruntun Model Standar. Ini mencakup setiap gaya fundamental kecuali gravitasi. Setiap upaya untuk menyanggahnya dan mendemonstrasikan di laboratorium bahwa itu perlu dikerjakan ulang sepenuhnya - dan ada banyak - gagal.
Singkatnya, Model Standar menjawab pertanyaan ini: terbuat dari apa dan bagaimana semuanya cocok?
Blok bangunan terkecil
Fisikawan menyukai hal-hal sederhana. Mereka ingin menghancurkan segalanya hingga ke intinya, untuk menemukan blok bangunan paling dasar. Tidak mudah melakukan ini di hadapan ratusan unsur kimia. Nenek moyang kita percaya bahwa segala sesuatu terdiri dari lima elemen - tanah, air, api, udara, dan eter. Lima jauh lebih sederhana dari seratus delapan belas. Dan juga salah. Anda pasti tahu bahwa dunia di sekitar kita terbuat dari molekul, dan molekul terbuat dari atom. Ahli kimia Dmitry Mendeleev menemukan ini pada tahun 1860-an dan menyajikan atom dalam tabel unsur, yang dipelajari di sekolah saat ini. Tapi ada 118 unsur kimia ini Antimon, arsen, aluminium, selenium … dan 114 lainnya.
Pada tahun 1932, para ilmuwan mengetahui bahwa semua atom ini hanya terdiri dari tiga partikel - neutron, proton, dan elektron. Neutron dan proton terkait erat satu sama lain di dalam inti. Elektron, ribuan kali lebih ringan dari mereka, mengelilingi inti dengan kecepatan mendekati cahaya. Fisikawan Planck, Bohr, Schrödinger, Heisenberg, dan lainnya telah memperkenalkan ilmu baru - mekanika kuantum - untuk menjelaskan gerakan ini.
Akan sangat bagus untuk berhenti di situ. Hanya tiga partikel. Ini bahkan lebih mudah dari lima. Tapi bagaimana mereka bisa bersatu? Elektron bermuatan negatif dan proton bermuatan positif disatukan oleh gaya elektromagnetisme. Tapi proton memantul di nukleus dan muatan positifnya mendorong mereka menjauh. Bahkan neutron netral tidak akan membantu.
Video promosi:
Apa yang mengikat proton dan neutron ini? "Intervensi Ilahi"? Tetapi bahkan makhluk ilahi pun akan kesulitan melacak setiap 1080 proton dan neutron di alam semesta, menahan mereka dengan tekad.
Memperluas kebun binatang partikel
Sementara itu, alam dengan putus asa menolak hanya menyimpan tiga partikel di kebun binatangnya. Bahkan empat, karena kita perlu memperhitungkan foton, partikel cahaya yang dijelaskan oleh Einstein. Empat berubah menjadi lima ketika Anderson mengukur elektron bermuatan positif - positron - yang menghantam bumi dari luar angkasa. Lima menjadi enam ketika peony yang memegang inti secara keseluruhan dan diprediksi oleh Yukawa ditemukan.
Kemudian muon muncul - 200 kali lebih berat dari elektron, tetapi sebaliknya kembarannya. Sudah jam tujuh. Tidak begitu mudah.
Pada tahun 1960-an, ada ratusan partikel "fundamental". Alih-alih tabel periodik yang terorganisir dengan baik, hanya ada daftar panjang baryon (partikel berat seperti proton dan neutron), meson (seperti pion Yukawa) dan lepton (partikel ringan seperti elektron dan neutrino yang sulit dipahami), tanpa organisasi atau prinsip desain.
Dan di jurang inilah Model Standar lahir. Tidak ada wawasan. Archimedes tidak melompat keluar dari kamar mandi sambil meneriakkan "Eureka!" Tidak, sebaliknya, di pertengahan 1960-an, beberapa orang pintar membuat asumsi penting yang mengubah rawa ini, pertama menjadi teori sederhana, dan kemudian menjadi lima puluh tahun pengujian eksperimental dan pengembangan teoritis.
Quark. Mereka punya enam opsi yang kami sebut rasa. Seperti bunga, hanya saja baunya tidak begitu enak. Alih-alih mawar, lili, dan lavender, kami naik turun, quark yang aneh dan mempesona, cantik dan sejati. Pada tahun 1964, Gell-Mann dan Zweig mengajari kami cara mencampur tiga quark untuk membuat baryon. Proton adalah dua kuark atas dan satu kuark bawah; neutron - dua di bawah dan satu di atas. Ambil satu quark dan satu antiquark - dapatkan meson. Peony adalah quark naik atau turun yang diasosiasikan dengan barang antik naik atau turun. Semua materi yang kita hadapi terdiri dari kuark atas dan bawah, antikuark, dan elektron.
Kesederhanaan. Bukan kesederhanaan, karena membuat quark terikat tidaklah mudah. Mereka terikat begitu erat sehingga Anda tidak akan pernah menemukan quark atau antik berkeliaran dengan sendirinya. Teori hubungan ini dan partikel yang mengambil bagian di dalamnya, yaitu gluon, disebut kromodinamika kuantum. Ini adalah bagian penting dari Model Standar, kompleks secara matematis, dan di beberapa tempat bahkan tidak terpecahkan untuk matematika dasar. Fisikawan melakukan yang terbaik untuk membuat perhitungan, tetapi kadang-kadang peralatan matematika tidak cukup berkembang.
Aspek lain dari Model Standar adalah "model lepton". Ini adalah judul makalah penting tahun 1967 oleh Stephen Weinberg yang menggabungkan mekanika kuantum dengan pengetahuan penting tentang bagaimana partikel berinteraksi dan mengaturnya menjadi teori yang bersatu. Dia menyalakan elektromagnetisme, menghubungkannya dengan "gaya lemah" yang menyebabkan peluruhan radioaktif tertentu, dan menjelaskan bahwa ini adalah manifestasi berbeda dari gaya yang sama. Mekanisme Higgs dimasukkan dalam model ini, memberikan massa pada partikel fundamental.
Sejak saat itu, Model Standar telah memprediksikan hasil percobaan setelah hasil, termasuk penemuan beberapa jenis quark dan boson W dan Z - partikel berat yang, dalam interaksi lemah, memenuhi peran yang sama sebagai foton dalam elektromagnetisme. Kemungkinan neutrino memiliki massa telah terlewatkan pada 1960-an, tetapi dikonfirmasi oleh Model Standar pada 1990-an, beberapa dekade kemudian.
Penemuan Higgs boson pada tahun 2012, yang telah lama diprediksikan oleh Model Standar dan telah lama ditunggu, tidak mengejutkan. Tapi itu adalah kemenangan besar lainnya untuk Model Standar atas kekuatan gelap yang secara teratur diharapkan fisikawan partikel di cakrawala. Fisikawan tidak suka bahwa Standard Model tidak sesuai dengan ide mereka tentang yang sederhana, mereka khawatir tentang inkonsistensi matematisnya, dan mereka juga mencari cara untuk memasukkan gravitasi ke dalam persamaan. Jelas, ini diterjemahkan ke dalam teori fisika yang berbeda, yang mungkin setelah Model Standar. Inilah bagaimana teori penyatuan besar, supersimetri, teknokolor, dan teori string muncul.
Sayangnya, teori di luar Model Standar belum menemukan bukti eksperimental yang berhasil dan tidak ada kekurangan utama dalam Model Standar. Lima puluh tahun kemudian, Model Standar yang paling mendekati teori segalanya. Teori luar biasa dari hampir segalanya.
Ilya Khel
