Standardmodellen er einkvantefeltteori (QFT) som er konsistent medden spesielle relativitetsteorien. Ein kvantefeltteori skil seg frå eldrekvantemekanikk, slik somSchrödingerteori, ved at ògbølgjefunksjonen erkvantisert, i tillegg til storleikar somenergi,posisjon, ogrørslemengd. Kvantisering av bølgjefunksjonen er det som gjev opphav tilpartiklar. I standardmodellen er alle felt kvantisert, og til og med vekselverknad mellom partiklar skjer ved utveksling avvirtuelle partiklar. Eit døme på ein vekselverknad er elektrisk fråstøyting mellom elektron, som skjer ved utveksling av virtuellefoton. Standardmodellen skildrar òg korleis partiklar kan skapast ogtilinkjesgjerast, eller korleis dei går over til andre typar partiklar ved kollisjonar. Ved slike overgangar erbevaringslover viktige sidan dei gjev rigide skjema for kva for overgangar som er lov og kva for som ikkje er. Døme på bevarte storleikar erladning, energi, og rørslemengd.
Standardmodellen skildrar ikkjegravitasjon og er dermed ikkje kopla tilden generelle relativitetsteorien. Gravitasjon blir trudd å ha lita tyding på avstandar på storleik med eit atom og mindre, men er viktig for ei total skildring som ikkje berre kan nyttast på atomært og subatomært nivå. Standardmodellen vart utvikla mellom 1970 og 1973 basert på arbeid tilbake til tidleg på1900-talet. Det er ein viktig test for naturvitskaplege teoriar at dei tillèt oss å formulerehypotesar og føresei verdien av storleikar som kan utprøvast og målast. Standardmodellen har føresagt ei rekkje nye partiklar og verdiar som til no har vist seg å stemme særs godt med testresultat frå forsøk, til dømes ipartikkelakseleratorar.
Massen til partiklane, koplingskonstantane for kreftene og dessutan fleire bevaringslover er ikkje avleidd avgrunnprinsipp, men avgjort eksperimentelt. Dette gjev ei rekkje uløyste spurnader (sjå under). Ein veit òg at dei partiklane som i dag blir skildra av standardmodellen berre utgjer omtrent 2–4% av all masse og energi idet observerbare universet.[1]
Standardmodellen er eit resultat av mange uavhengige oppdagingar og teoriar. Fleire viktige prinsipp somMaxwell-likningane oglorentztransformasjonen var skildra allereie på1800-talet saman medelektronet (1894) og tidlege atommodellar. I1900 forklarteMax Plancksvart-lekam-stråling ved å postulere at energien frå ein svart lekam vart formidla ilyskvant (foton), og reknast som grunnleggjaren av kvanteteorien. I 1905 komEinstein medden spesielle relativitetsteorien som etablerer prinsipp om relativitet mellom observatørar i ulike referansesystem, relasjonen mellom masse og energi (E =mc²), noko som òg førte fram til den moderne skildringa av fotonet.
I utgangspunktet vart kvarkar rekna som ein høveleg matematisk modell meir ein verkelege partiklar. Men utover 1960-åra gav ei rekkje eksperiment med observasjon av til dømespartikkelspreiing bevis på at kvarkane var verkelege partiklar. Vidare arbeid gjorde at ein mellom 1970 og 1973 kunne utvikle standardmodellen. Dei partiklane og vekselverknadane som denne skildrar er seinare vorte stadfesta eksperimentelt.Higgsbosonet sleit ein lenge med å finne, før han endeleg vart stadfesta i 2012. Som nemnt er standardmodellen ikkje ei fullstendig skildring, og ei rekkje eigenskapar ligg framleis utanfor det området standardmodellen skildrar.
Partiklar og krefter på kvantenivået har ofte ein oppførsel som ikkje erintuitiv, og som ein berre kan finne frå sine matematiske skildringar og verifiserast eksperimentelt. Ei rekkje av desse eigenskapane er det vanskeleg å skildre i daglegtale, eller illustrere visuelt.
På same måte sompartikkel brukast ei rekkje namn frå vanleg daglegtale i skildringa av standardmodellen. Døme erfarge,spinn,opp,topp osv. som opphavleg vart valde fordi dei skulle vere lett å huske, og har ikkje noko samanheng med omgrepa slik dei blir brukt i vanleg tale. Ein kan dermed leiast til å tru at ein intuitivt kan forstå korleis desse systema oppfører seg, noko som ofte er langt frå realiteten.
Det er eit viktig mål innanfysikken at eigenskapane skal kunne utleiast frå ein grunnleggjandeteori om alt der dei einskilde lovene, massar, energinivå osv, berre er spesialtilfelle og instansieringar av generelle prinsipp og der «Detaljane kan bereknast dersom situasjonen er enkel nok til å gjere ei tilnærming, noko som sjeldan er tilfelle, men der vi ofte likevel stort sett kan forstå kva som skjer» (R. Feynman).[3] Standardmodellen er ikkje ein fullstendig slik teori (sjå figur).
Oversikt over teoriar innan partikkelfysikk og relativitet
Alle partiklar og vekselverknader kan skildrast ved ein kombinasjon av ulike kvantetilstandar.Kvantemekanikken skildrar at desse tilstandane er kvantifiserte, det vil seie at dei berre opptrer i multiplar avPlanckkonstanten. Nokre av dei grunnleggjande eigenskapane innan standardmodellen er:
Energi: Alle partiklar har ein viss kvantifisert energi (E), som i dei fleste partiklane gjev opphav tilmasse (m). Dette trur ein skjer vedhiggsmekanismen som blir skildra seinare. Ofte blir diforkvilemassen oppgjeve som energien til partikkelen ielektronvolt delt påljosfarten i kvadrat:
m0 =E/c² (med eininga eV/c²). Total energi er gjeve ved Einsteins klassiske formel, med relativistisk masse eller medrørslemengd og kvilemasse:
,
derm er masse,m0 er kvilemasse,c er ljosfarten ogp er rørslemengd.
Rørslemengd er relativistisk masse gongar snøggleik,p =mv (eller for foton, som er masselause, gjeve vedp =hf/c, Planckkonstanten gongarfrekvens delt på ljosfarten). Relativistisk rørslemengd for kvilemassenm0 ved snøggleikv er gjeve av:
Indre paritet skildrar korleis symmetrien er ved einparitetstransformasjon (alle aksar i koordinatsystemet endrar forteikn). Pariteten er skildra somlik ellerodd paritet. Ladning og paritet inngår i skildringa avkvanteelektrosvak teori, som er ei felles skildring av vekselverknad ved elektromagnetisme ogsvak kjernekraft.
Spinn: Alle partiklar har eitindre angulært moment som er kvantifisert som, ders = (0, 1/2, 1, 3/2, 2, osv). Spinn er ein særs viktig eigenskap sidan dei statistiske eigenskapane til partiklane vert avgjort av om dei har heiltalig eller halvtalig spinn. Partiklar med heiltalig spinn vert kallaboson, f.eks. foton som hars=1, og partiklar med halvtalig spinn som vert kallafermion. Døme her er elektron og proton, som hars=1/2.
Isospinn skildrast ved eitkvantetal (Iz) som er relatert til fargekrafta.Hyperladning (Y) er avleidd av isospinn og ladning:Y = 2(Q-Iz).
Svakt isospinn: er eit kvantetal (Tz) som er relatert til elektrosvak kraftverknad.Svak hyperladning (Yw) er avleidd av svakt isospinn og ladning:Yw = 2(Q-Tz).
Basiseigenskapane og bevaringslovene gjev opphav til metastabile tilstandar som kjem til uttrykk som partiklar. Standardmodellen gjev ikkje ei fullstendig skildring av korleis desse tilstandane oppstår. Mengda og energinivå kan difor ikkje utleiast av grunnprinsipp, men må finnast i eksperiment. Dette skjer t.d. ved spreiingsforsøk når ein kolliderer partiklar med høg energi, og observerer korleis dei partiklane som blir danna spreiast, og kva for eigenskapar desse har. Dette gjev informasjon t.d. om massefordeling, ladningsfordeling og spinn, og leiar til modellar for oppbyggninga. Sidan det eksisterer ei rekkje symmetriar (sjå nedanfor), kan ein ofte rekne med at ein kjend observasjon vil vere gyldig for liknande partiklar og interaksjonar og leie til ytterlegare postulerte eigenskapar som seinare kan verifiserast i nye forsøk.
Standardmodellen skildrar med bakgrunn i dette dei einskilde kategoriane og generasjonar av partiklar og antipartiklane deira:
Kvarkar ber tre komponentar avfargeladning (raud,grøn,blå). Dei kan ikkje eksistere fritt, men finst alltid i grupper på tre tilbaryon eller to (ein kvark og ein antikvark) tilmeson som utover er fargenøytrale. Kvarkane finst i to hovudtypar, i tre generasjonar. Skilnaden mellom same type partikkel i kvar generasjon er massen deira og ein eigenskap som vert kallasmak (flavor):
Opp-type-kvarkar (opp,sjarm,topp) har ladning +⅔..
Ned-type-kvarkar (ned,sær,botn) har ladning -⅓.
Lepton, som ikkje har fargeladning, finst òg i to hovudtypar i tre generasjonar (med smak som for kvarkane):
Elektron-type-lepton (elektron, myon, og tau) har ladning -1.
Nøytrino-type-lepton (nøytrino, myon-nøytrino og tau-nøytrino) har nøytral ladning (null).
Vekselverknadspartiklar er berarar av kraftverknad mellom partiklar:
I tillegg har alle partiklar ein antipartikkel. Det er i tillegg fleire andre hypotetiske partiklar som hittil ikkje er observert og som dels blir skildra seinare. Kvarkane byggjer opp ei rekkje ulikehadron (baryon og meson). Av desse partiklane er det berre elektronet, nøytrinoane og fotonet, og dessutan opp- og ned-kvarkane i protonet og nøytronet, som har ei levetid som gjer at dei kan observerast. Alle andre partiklar har i utgangspunktet ei levetid som er kortare enn 10−10 sekund (og tildels mykje kortare). Desse kan berre observerast indirekte via nedbrytningsprodukta sine eller andre effektar.
Alle partiklane har eigenskapen spinn som skildra over. Lepton og baryon har spinn ½ og er diforfermion. Desse utgjer til saman all vanleg materie i universet. Dei er underlagtPaulis utelukkingsprinsipp, som postulerer at ulike partiklar ikkje kan eksistere i same posisjon og kvantetilstand. (Dei må ha antisymmetriske bølgjefunksjonar.) Ein verknad av dette er at det forhindrar vanleg materie frå å kollapse til ein særs kompakt tilstand. Det er til saman seks kvarkar, seks lepton og antipartiklane deira, altså til saman 24 fermion.
Oversyn over vekselverknad mellom partiklar i standardmodellen
Standardmodellen forklarar kraftverknaden mellom partiklar i vanleg materie (fermion) ved utveksling av vekselverknadskvant (som er boson). Denne modellen om korleis kreftene mellom partiklane blir formidla, kan bereknast særs presist og stadfestast i laboratorieforsøk. Vekselverknadskvanta kan opptre som verkelege partiklar, men som kraftformidlarar er dei virtuelle i den tydinga at dei blir sende ut og blir oppteke avgrensa av uskarpleiksrelasjonen. Det er berre utgangsposisjonen og sluttresultatet som må bevare t.d. total energi, medan vekselverknadspartikkelen kan ha mykje høgare energi (og masse) enn tilfellet ville vore for ein verkeleg partikkel. Dette avgrensar likevel levetid og rekkjevidd for vekselverknadskvanta som skildra over og di meir massiv partikkelen er, dess kortare er levetida og rekkjevidda. Kraftverknaden kan vere tiltrekkande eller fråstøytande.
Vekselverknadskvanta har heiltalig spinn 0, 1, 2, ... og erboson. Dei følgjer difor ikkje Paulis utelukkingsprinsipp og kan difor òg vere i same posisjon og kvantetilstand (symmetriske bølgjefunksjonar). Det finst tre hovudtypar:
Foton formidlarelektromagnetisme. Fotonet er masselaust, og krafta virkar difor over uavgrensa rekkjevidd. Han har enkel symmetri, U(1), og blir skildra avkvanteelektrodynamikk.
Dei tunge vekselverknadskvanta (gauge-bosona) W+, W – og Z0 formidlarsvak kjernekraft mellom partiklar (lepton og kvarkar) av forskjellig smak. Dei er særs massive og har derfor ei rekkjevidd på berre ca. 10−18m og ein styrke på 1/30 av fargekrafta på denne avstanden. Svak kjernekraft brytparitetssymmetri (P-symmetri derf(x,y,z) =f(-x,-y,-z)) fordi han berre verkar på venstre-asymmetriske partiklar. Det er den einaste av dei fundamentale kreftene som kan endre smak for lepton og kvarkar. Partikkelen blir endra til ein annan partikkel av same type, t.d. frå ned- til opp-kvark eller myon til myon-nøytrino. Denne krafta er årsaka til at vanleg stabil materie berre inneheld opp- og ned-kvarkar og elektron. Krafta skildrast ved ei såkalla SU(2)-gruppe, ein duo av felt som gjev opphav til tre interaksjonar: W± er ladd +1 eller -1 og kan interagere med elektromagnetisme og virker på venstre-asymmetriske partiklar og høgre asymmetriske antipartiklar. Z0 har nøytral ladning og verkar på venstre-asymmetriske partiklar og antipartiklar. Saman med fotonet formidlar gauge-bosona elektrosvak vekselverknad.
Vekselverknadsboson
Elektro- magnetisme
Svak kjernekraft
Fargekraft
foton
G
Tunge vekselverknadskvant
W+, W-, Z
gluon
g
Gluon formidlarfargekrafta. Kvarkane har tre typar fargeladning. Dette kan sjåast som ein triplett av felt og gjev opphav til ei SU(3)-gruppe som gjev 8 interaksjonar og 8 typar gluon med fargeladning beståande av ein farge og ein antifarge (t.d. raud-antigrøn) som blir skildra avkvantekromodynamikk (QCD). Fordi gluon òg ber fargeladning, kan ein òg få gluon – gluon-vekselverknad. Kvar interaksjon mellom kvark – gluon og gluon – gluon er i seg sjølv fargenøytral. Gluona er masselause. Totalt er dette særs vanskeleg å berekne, men løysingsmetodar som nettverks-QCD gjev godt samsvar med eksperiment. Totaleffekten er likevel at kvarkane vert innelukka fargenøytralt i baryon (tre kvarkar) og meson (kvark-antikvark), og ikkje kan eksistere fritt. Sjølv om fargeladninga totalt i eit baryon er nøytral, er han ikkje heilt symmetrisk fordelt, og ein får ei restkraft mellom baryon (t.d. nøytron og proton i atomkjernen) som blir kallasterk kjernekraft. Han blir likevel formidla av meson og har ei rekkjevidd som svarar til eit nøytron eller proton.
Ein viktig eigenskap ved standardmodellen erchiralitet, dvs. «venstre- og høgrehendtheit». Ein partikkel er etter definisjonenvenstrehendt viss indre spinn er med klokka når urskiva peikar i rørsleretninga. Hugseregel: Når fingrane på venstrehanda følgjer spinnet og den utstrakte tommelen peikar i rørsleretninga er partikkelen venstrehendt, og tilsvarande høgrehendt for høgre hand.
Helisiteth følgjer eit tilsvarande prinsipp, men er projeksjonen til spinnet langs retninga til rørslemengda:
Skilnaden er relativistisk: chiralitet heldt seg i høvet til snøggleiksvektoren, medan helisitet tar med snøggleiken til observatøren. Om observatøren (t.d. ein annan partikkel) flyttar seg fortare enn partikkelen endrar helisiteten forteikn sett frå observatøren, for 1/2-spinn-partiklar, er han t.d. eller etter definisjonen over. For partiklar med null masse, t.d. foton og gluon som alltid flyttar med lysfarten, kan observatøren ikkje flytte seg fortare, og for slike partiklar er alltid helisiteten lik chiraliteten gonger
Standardmodellen er ein chiral teori, som vil seie at partiklane i einskilde vekselverknader oppfører seg ulikt avhengig av om dei er venstrehendte eller høgrehendte. Til dømes virkar svak vekselverknad berre på venstrehendte partiklar (og høgrehendte antipartiklar). Fermion er òg chirale, og venstrehendte fermion koplar sterkare til andre venstrehendte fermion enn venstre – høgre- og høgre – høgre-par. Dette symmetribrotet har etablert ein «preferanse» i naturen for venstrehendte partiklar. Denne typen symmetri blir kalla forP-symmetri (avparitet), og ein seier at svak kjernekraft har stort P-symmetribrot. Dette har vore brukt til å studere nøytrinomasse, for sidan det finst indikasjonar på symmetribrot ved svak kjernekraft, må nøytrinoet òg ha masse.
Symmetri for motsette ladningar kallastC-symmetri (forcharge). Det vil til dømes seie at eit elektron – proton-par har same elektromagnetiske vekselverknad som eit positron – antiproton-par (positron er anti-elektron). I ein del tilfelle der det finst P-symmetribrot, kan det likevel finnastCP-symmetri. Det var tidlegare trudd at svak kjernekraft hadde CP-symmetri, men no veit ein at det òg finst mindre CP-symmetribrot.
Den siste symmetrien erT-symmetri, det vil seie at ein speglar bakover itid. Det er ikkje kjent nokre vekselverknader som ikkje tilfredsstiller kombinert CPT-symmetri.
Allereie iklassisk mekanikk hadde ein teoriar om bevaring.Den første termodynamikklova seier t.d. at energi korkje kan oppstå eller forsvinne. Tilsvarande er summen av dei elektriske ladningane i eit system bevarte.
For vekselverknader er ein eigenskap bevart dersom summen for partiklane er lik før og etter vekselverknaden. Det vart tidleg observert at visse vekselverknader er vanlege medan andre finst særs sjeldan («forbodne vekselverknader»). Desse eksperimenta har ført til skildringa av kvantetal for elementærpartiklane og bevaringslover som skildrar kva for tilstandar og overgangar som finst.[4]
På grunn avfargekrafta eksisterer alltid kvarkar bundne i grupper som er fargenøytrale:
Meson består av to kvarkar: ein kvark og ein antikvark. Fargenøytraliteten oppnår ein ved farge og antifarge. Meson har alle særs kort levetid, under 10−8 sekund, og dei fleste mykje kortare. Spinnet til kvarken kan vere motretta eller likeretta, og meson får derfor spinn 0 eller 1. Men det er òg ytterlegare finstruktur: eit meson som består av same type kvark og antikvark, kan ha særs forskjellige eigenskapar avhengig av om spinna er likeretta eller motretta, og om det er venstre eller høgre. Sjå til dømes π+-pionet og ρ+-rho i tabellen. Nøytrale meson er sin egen antipartikkel.
Baryon består av tre kvarkar. Igjen kan dei ha motretta eller likeretta spinn, som gjev spinn 1/2 eller 3/2. Òg her gjev spinnretninga opphav til forskjellige baryon for same kombinasjon av kvarkar, sjå t.d.protonet og Δ+-delta som begge består av kvarkane opp/opp/ned.
Nøytron og proton kallast ògnukleon. Fleire nukleon blir bunde saman til einatomkjerne fordi dei har einubalanse ifargeladninga som gjev opphav tilsterk kjernekraft som stabiliserer kjernen ved å virke mot fråstøyting mellom like ladningar. Denne blir formidla avvirtuelle meson. Utanfor atomkjernen er det berre elektromagnetisk kraft som styrer vidare oppbygning av orbitalar og kjemiske samband. Av baryona er det berreprotonet som er stabilt i fri tilstand.Nøytronet er stabilt i mange atomkjernar saman med protonet.
Pentakvark er ein hypotetisk kombinasjon av fem kvarkar som teoretisk kan dannast som ein kombinasjon av fire vanlege og ein anti-kvark. Fleire eksperiment sidan 2003 har indikasjonar på ein pentakvark med masse 1540 MeV i kombinasjonen opp/opp/ned/ned/anti-sær.
Ein legg merke til at massen for baryon og meson er særs ulike og mykje høgare enn summen av dei renormaliserte verdiane for dei kvarkane som byggjer opp partiklane. Dette kjem av vesentleg bindingsenergi som følgje av fargenøytral innelukking.
Higgspartikkelen er eit elektrisk nøytralt vekselverknadsboson med spinn 0. Det har ein viktig funksjon både i elektrosvak teori og som opphav tilmasse i partiklane. Det var lenge den einaste partikkelen i standardmodellen som ikkje var eksperimentelt oppdaga, og var gjenstand for stor merksemd, blant anna med oppstarten av ATLAS-eksperimentet vedLarge Hadron Collider (LHC) iCERN.[5] Higgsbosonet vart oppdaga her i 2012.
Higgsbosonet er naudsynt får å tilfredsstille gaugesymmetri for vekselverknadsboson med heiltalig spinn, spesifikt W+, W- og Z0. Om dei kjende vekselverknadsbosonane var dei einaste i standardmodellen, ville dette av symmetriårsaker føre til null masse, som det er tilfelle for gluon (kvantekromodynamikk) og foton (kvanteelektrodynamikk). Sidan W- og Z-bosona har særs høg masse (typisk 80–90 GeV/c²) krevjast det ein mekanisme som kan forklare dette store symmetribrotet. Òg andre effektar krev kanselleringar som i prinsippet ville føre til at alle elementærpartiklar (lepton, baryon og boson) måtte ha null masse om det ikkje fanst fleire boson.
For å løyse dette problemet, har ein postulert eitskalarfelt kallahiggsfeltet (etterPeter Higgs). Eit skalarfelt har same konstante verdiar i heile universet, og inga retning (i motsetnad til einvektor). Det har einvakuumforventingsverdi (forventa verdiar for variabelen til feltet i vakuum) som er berekna til 246 GeV. Higgspartikkelen er ein kvanteverdi som koplar dette feltet til partiklar som har masse (massive partiklar), og styrken til koplinga (koplingsfaktoren) avgjer dermed kor stor massen til partikkelen blir. Tidlegare eksperiment set ei nedre grense for massen til higgsbosonet masse på ca. 115 GeV/c². Det ligg i vekselverknaden at higgspartikkelen koplar svakt til partiklar med låg masse (som opp-, ned-, sær-, sjarm-kvarkar og lepton), og kan truleg berre framstillast via særs massive partiklar som topp- og botn-kvarkar og W- og Z-boson, og kan sidan detekterast via nedbrytingsprodukta sine som vist i figuren.
LHC ved CERN har tilstrekkeleg energi til å produsere partiklar med dette energinivået og ein kan å finne Higgsboson eller partiklar med andre eigenskapar som forklarar symmetribrotet og opphavet til massen til partiklane.[6]
Kvifor består ikkje universet av like deler partiklar og antipartiklar?
Sjølv om standardmodellen gjev særs godt samsvar med eksperimenta, har han manglar på ei rekkje område som er gjenstand for omfattande forsking:[7]
Modellen har ingen utrekning av massane til partiklane og av koplingskonstantane for kreftene som blir basert pågrunnprinsipp. Han er heller ikkje nokon full forklaring på kva for partikkeltypar som opptrer og den mengda generasjonar ein observerer (t.d. lepton og kvarkar i tre generasjonar). Han opererer med 29 konstantar som må finnast i eksperiment. Fleire foreslegne teoriar gjev massar for partiklane som er særs mykje høgare enn det som blir observert, og krev difor korreksjonar eller elimineringer basert på ulike vekselverknader. Dette er ikkje skildra i dagens teori, sjølv om det blir forventa at observasjonar av higgspartikkelen kan føre til nye skildringar.
Standardmodellen inneheld ikkje skildringar av strukturar (partiklar og krefter) over 1012 eV og opp tilplanckskalaen ved 2,4•1027 eV der kvantegravitasjonseffektar gjer seg gjeldande. Det er truleg at det både finst ytterlegare struktur, og at gravitasjon må finne plass i ein framtidigteori om alt.[8]Gravitonet som formidlar kvantegravitasjon, er ikkje påvist. Gravitasjon er ulik dei andre vekselverknadane ved at han påverkar krumminga tiltidromet (og truleg òg storleiken til dette:ekspansjonen til universet), og den effekten vi observerer som tiltrekking ved gravitasjon er ei følgje av denne krumminga. Ein forventar at elektrosvak vekselverknad og fargekrafta vil arte seg som ein felles kraftverknad ved høge energinivå (Grand Unification Theory, GUT) og at òg gravitasjon inngår i einUnified Field Theory ellerteori om alt på endå høgre nivå.
Ein veit no at universet inneheld 96–98% masse og energi som ikkje er skildra av standardmodellen. Dette blir kalla mørk materie og blir delt i mørk masse (30%) og mørk energi (70%; der «mørk» har tydinga «ukjent», ikkje «svart»). Mørk masse vekselverkar ikkje med elektromagnetisme[9], men koplar med gravitasjon. Mørk energi er ukjent, men koplar truleg både til mørk masse og mørk energi og reknast som årsaka til ekspansjonen til universet.[10] Ei av forklaringane er særs massive supersymmetriske partiklar.
Fordi standardmodellen er fullt symmetrisk, med unntak av svak vekselverknad, ville ein forvente atdet observerbare universet bestod av like delar materie og antimaterie. Antimaterie og materie ville då haannihilert sidan dei kom i kontakt med kvarandre om dei vart blanda. Om materien var fordelt i ulike regionar ville ein forvente intens gammastråling der desse regionane var i kontakt. At ein ikkje har observert dette tyder på at universet stort sett består av vanlege partiklar. Men særs kort etterBig Bang bestod universet truleg av like deler materie og antimaterie (men med mange fleire eksotiske og massive baryon og meson enn i dag). Dei aller fleste annihilerte med kvarandre, medan ein svak ubalanse skapte dei fermiona (t.d. elektron, proton og nøytron) ein ser i universet i dag. Men standardmodellen sin berekningar gjev langt færre partiklar (faktor 1010) enn vi bereknar i det observerbare universet.
Det er naturleg å tenkja seg at det finst eit meir fundamentalt skildringssystem (anten virtuelt eller reelt) enn dei partiklane og vekselverknadane som blir skildra i standardmodellen. Ein slik modell erstrengteorien, som skildrar dei dimensjonslause punktforma partiklane i standardmodellen ved hjelp av eindimensjonale strengar. Strengteori er eit samleomgrep som òg omfattarM-teori (inneheld fem strengteoriar) ogsuperstrengteori.
Strengane kan vere opne eller lukka (endepunkta rører kvarandre som t.d. i ein sirkel), og typisk storleiksorden erplancklengda på
m
Strukturen til strengane og vibrasjonsmodi gjev opphav til dei ulike elementærpartiklane som blir skildra i standardmodellen. Sjølv om strengteori kan forklare mange eigenskapar, krev vitskapleg metode at ein kan etablere eksperiment som kan stadfeste teorien eller føresei andre verknader som må skuldast strengar. Dette er førebels ikkje tilfelle.
Dei fleste variantane av strengteorien resulterer òg i ytterlegare symmetriar. Ein teori som skildrar dette ersupersymmetri som føreseier at det for kvar vanlege partikkel i standardmodellen vil finnast ein superpartnar. Superpartnaren har same kvantetal som partnaren sin utanom spinnet som har ein skilnad på 1/2. Supersymmetriske partiklar vil ha særs høg masse, typisk 0,1 til 1 TeV. Dette kan løyse to fundamentale problem:
Hierarkiproblemet oppstår fordi mange partiklar har særs mykje lågare masse enn føresagt. Supersymmetri gjev kanselleringar (og skilnader) i korleis boson og fermion koplar mot higgsmekanismen.
Manglande kjelder til mørk materie i universet. Dei fleste supersymmetriske partiklar har særs høg masse og kort nedbrytingstid. Superpartnaren til svak-vekselverknad-bosonet Z0 (zino), fotonet (fotino) og den nøytrale higgspartikkelen H0 (higgsino) har same kvantetal og kombinerer lineært tilnøytralinoet.[11] På grunn av eitforbode brot i R-symmetri (baryon- og leptonnummer) forventar ein at alle supersymmetriske partiklar vil desintegrere til nøytralino. Det lettaste nøytralinoet er derfor den mest sannsynlege kandidaten til WIMP (Weakly Interacting Massive Particle, «svakt vekselverknader massiv partikkel») som kjelde til mørk masse.
Men heller ikkje for strengteori har ein føreseielege eksperimentelle resultat som eintydig stadfestar at teorien gjeld. Supersymmetri kan vere ein gyldig teori sjølv om superstrengteorien ikkje er korrekt.
↑G.F. Giudice (2002). «Physics Beyond the Standard Model».Lecture Notes in Physics. Volume 591/2002. Berlin / Heidelberg: Springer Verlag. s.294. ISSN 1616-6361.
↑Stephen P. Martin (Juni 2006).«A Supersymmetry Primer»(PDF) (på engelsk). Department of Physics, Northern Illinois University and Fermi National Accelerator Laboratory. s.126. Henta 15. april 2013.
