Partikelfysik

Standard-modellen och dess partiklar

publicerad 5 månader sedan av
Valentin Voistinov

Bibeln är ett samlat verk som är centralt för kristendomen. Boken innehåller allt från skapelseberättelsen till domedagen. På samma sätt har kemister sitt periodiska system. En tabell med alla grundämnen samlade, sorterade och namngivna, som kan användas för att avgöra ämnens reaktivitet med varandra. 

Men om du frågar mig, är periodiska systemet och bibeln begränsade. Bibeln förklarar världen utifrån tro och det periodiska systemet må vara användbart inom sitt område, men den är inte tillräckligt fundamental. Alla grundämnen är uppbyggda av protoner och neutroner, partiklar som många känner till. Men dessa partiklar är inte de mest grundläggande byggstenarna, utan de består av elementarpartiklar, partiklar som påstås vara de mest grundläggande byggstenarna. Men hur många sådana partiklar finns det, och är de samlade i en tabell? Utmärkt fråga. Det är klart att det finns, och den kallas Standardmodellen.

Standardmodellen med sina 17 partiklar. Leptonerna och kvarkarna tillhör fermioner, och de resterande partiklarna tillhöra bosonerna. Bild av Wikipedia användare Cush.

Här är standardmodellen i sin underbara helhet. Totalt innehåller tabellen 17 partiklar, varav alla är elementarpartiklar. Dessa partiklar delas först in i bosoner och fermioner. 

Hos alla partiklar noteras deras massa som anges i elektronvolt, eV. Det är ett mått på massa som är lämplig för väldigt små massor, alltså partiklar. Andra egenskaper hos partiklarna som noteras är deras laddning och så kallade spin. Laddning känner alla så klart till. Partikeln är antingen positivt laddad eller negativt laddad och ifall den saknar laddning är den neutral.

Spinn är ett lite svårare begrepp att begripa. Partiklar sägs ha spinn på ett specifikt värde, men denna terminologi är en aning vilseledande. Det är frestande att säga utifrån ordet spinn att partiklarna roterar på samma sätt som jorden roterar runt sin egna axel, men den här tankegången faller snabbt samman. Till exempel kan en partikel ha spinn ett, men vad innebär det? Hur kan något snurra ett. Det går inte ihop. Alltså är det lättare att se spinn som någon slags intern egenskap hos partiklarna, ungefär som laddning. 

Fermioner och bosoner har olika sorters värden på spinn. Alla fermioner har halvtaligt spinn – värden som är mellan två heltal – medans bosonerna har heltaligt spinn, värden som noll, ett och två.

I standardmodellen förkommer också så kallade generationer. Generationerna talar om partiklarnas tyngd och stabilitet. Generellt gäller det att partiklarna ökar i massa, men minskar i stabilitet, med högre generationer. Alltså är partiklarna i den första generation lättare och stabilare än partiklarna i den tredje generationen.


En början i standardmodellen är fermionerna som kan delas in i undergrupperna leptoner och kvarkar. Den lepton som alla känner till är elektronen, partikeln som bygger upp en atom. Detta innebär att elektronen är en elementarpartikel, en odelbar enhet. En mindre känd lepton är neutrinon, vilket är lite konstigt eftersom det passerar en enorm mängd neutriner genom oss varje sekund. Just dessa neutriner produceras i solen och brukar kallas solneutriner. En del av dem färdas till jorden där de passerar planeten i princip helt utan motstånd, och det här beror på att neutriner är små partiklar som saknar laddning. Det innebär att neutriner endast interagera med andra partiklar genom gravitation, men eftersom neutriner har en extremt liften massa är den här kraften i princip obefintlig. Istället är det mer sannolikt att neutriner krockar med andra partiklar, men även detta är väldigt sällsynt. Atomer består främst av tomrum – en väteatom är ca 99.99% tomrum – och neutriner är små partiklar vilket gör det svårt för dessa att kollidera.

Kvarkar är nästa undergrupp av fermionera och totalt finns det sex olika kvarkar. Upp-, ner-, charm-, sär-, topp- och bottenkvark, men de två viktigaste kvarkarna finner vi i den första generationen. Upp- och nerkvarken bygger upp protoner och neutroner, som sedan bildar en atom, som i sin tur kan bilda molekyler som syre, vatten och proteiner och som till sist bildar celler, vävnader, och så klart, oss. 

En proton är uppbyggd av två uppkvarkar och en nerkvark, och en neutron är uppbyggd av två nerkvarkar och en uppkvark. Modellen av en proton och neutron brukar illustreras som bilden nedan visar, där kvarkarna tillsammans bildar en triplett.

En modell av protonen. Två uppkvarkar och en nerkvark hålls samman med den starka växelverkan och bildar protonen. Bild av Valentin Voistinov.

Genom att addera laddningarna från varje kvark i tripletten, ges laddning för protonen och neutronen. Sedan kan det antas att om massorna av varje kvark skulle adderas, skulle massan för en proton eller neutron ges, men så är inte fallet. Kvarkarnas massa motsvarar bara ungefär 1% av protonens massa. Var kommer då den resterande massan ifrån då? Jo, massan kommer från bindningarna mellan kvarkarna. Dessa bindningar uppstår från den starka växelverkan som förmedlas av gluoner. Det finns då en potentiell energi mellan kvarkarna och som vi vet är – enligt Einsteins mass-energiformel – massa och energi lika med varandra, vilket innebär att bindningsenergin ger upphov till massa. Det är just här som den största delen av protonernas och neutronernas massa kommer ifrån. 

Men kvarkar är inte bara beståndsdelar för protoner och neutroner, utan även för massa andra partiklar. Alla dessa partiklar som byggs av kvarkar, som protoner och neutroner, kallas hadroner. Den här gruppen kan sedan delas in i baryoner och mesoner. Baryoner är partiklar som består av ett udda antal kvarkar, alltså partiklar som neutroner och protoner. Mesoner å andra sidan består istället av en kvark och en antikvark. Ett exempel på en meson är pimseonen (π-meson). Bilden nedan illustrerar en modell av pimesonen.

En modell av pimesonen. En uppkvark och en antinerkvark hålls samman med den starka växelverkan. Bild av Harp.


Mesoner är generellt väldigt instabila och sönderfaller väldigt snabbt till andra stabilare partiklar. Men det intressanta är att mesoner inte räknas som fermioner, utan som bosoner vilket beror på dess spinn. Bosoner, som tidigare nämnt, har heltaligt. Mesoner består av en kvark och en antikvark, båda med spinn ½. Tillsammans får då mesonen spin ett, vilket gör den till en boson. Som du säkert vet är bosoner också kraftförmedlare och det gäller också mesonerna i vissa tillfällen.

En tabell över de olika underkategorierna av partiklar. Bild av Hugo Spinelli.

Men tillbaka nu till antikvarkar, vad är det? Jo, en antikvark är en kvark med motsatt laddning och det finns totalt sex stycken, en för varje kvark. Alltså antiuppkvark, antinerkvark osv. Det är faktiskt så att det finns en korresponderande antipartikel till varje fermion i standardmodellen. Alltså, finns det till och med antineutriner och antielektroner, men den här kallas för positron och har då istället en positiv laddning. Det innebär att antikvarkar kan bilda en antiproton, som tillsammans med en positron, kan bilda en antiväteatom. Detta har då fått namnet antimateria.

Som sagt är fermioner livsviktiga och bygger bokstavligen upp allt som du ser runt omkring dig. Men den andra gruppen av elementarpartiklarna, bosonerna, är också lika viktiga. Dessa partiklar skiljer sig dock en del från fermioner. Till att börja med har alla dessa partiklar heltaligt spinn. De flesta av dessa partiklar saknar också laddning, med undantag för W+– och W-bosonen. 

Bosonerna är partiklar som förmedlar krafter mellan fermionerna. Om du undrar vilka krafter, läs då min artikel om de fundamentala krafterna. Där går jag genom krafterna i större detalj.

Men den bosonen som har varit mest aktuell, är utan tvekan Higgsbosonen. Den är en del av higgsmekanismen som uppkom 1964 och användes för att lösa dåvarande problem inom partikelfysik. Men själva partikeln upptäcktes inte förrän 2012 i CERN’s LHC, Large Hadron Collider. Partikelns upptäckt är ett stort bevis för Higgsfältet, som också ingår i Higgsmekanismen. Det viktiga med higgsfältet är att alla elementarpartiklar som växelverkar med detta fält, får en viss massa. Higgsfältet är alltså ursprunget till den massan hos partiklarna som anges i Standardmodellen.

Men är det då så att vi får all vår massa från Higgsbosonen? Inte riktigt. I grunden består vi ju av kvarkar som får sin massa från higgsfältet. Dessa bildar då tillsammans en proton eller neutron. Men som jag tidigare nämnde kommer protonens och neutronens massa främst från bindningarna mellan kvarkarna och inte från kvarkarna själva. Alltså är det bara en del av din massa som beror på higgsfältet.
Bosoner förmedlar den svaga växelverkan, den starka växelverkan och elektromagnetismen. Men hur är det med gravitationen? Standardmodellen är en underbar teori, men den är inte utan problem. Standardmodellen kan inte beskriva mekaniken bakom gravitationen. Ett rimligt antagande är att gravitationen också har en partikel som förmedlar kraften, vilket då skulle kallas gravitonen. Den här partikeln skulle då behöva ha spinn 2 och en vilomassa på 0, men en sådan partikel har ännu inte upptäckts. Innebär det då att Standardmodellen har fel? Kanske, men det går inte att ignorera framgången som denna teori har åstadkommit. Så även om teorin brister i vissa områden, kan vi ännu inte förkasta den.

Källor som användes i den här artikeln

Cush . Standard Model of Elementary Particles . . 2019-09-17 . <https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Standard_Model_of_Elementary_Particles.svg> (Hämtad 2020-02-20)

Harp . Quark structure pion . . 2006-03-16 . <https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Quark_structure_pion.svg> (Hämtad 2020-02-18)

Hugo Spinelli . Bosons-Hadrons-Fermions . . 2013-02-08 . <https://en.wikipedia.org/wiki/File:Bosons-Hadrons-Fermions-RGB-pdf.pdf> (Hämtad 2020-02-21)

Hal Gatewood . purple and pink plasma ball – Från Unsplash . . 2017-10-7 . <https://unsplash.com/photos/OgvqXGL7XO4> (Hämtad 2020-02-29)