Fysikens mål är att beskriva allt som vi kan observera i universum. Det handlar om allt från stora galaxer och ner till de allra minsta partiklarna. Vi vet att materia byggs upp av atomer som är väldigt små. Väteatomens så kallade Bohr-radie är i storleksordningen en tiondels nanometer. Men vätekärnan som bara innehåller en proton är enormt mycket mindre, bara ungefär en miljondels nanometer. Kärnpartiklar (blåtext: partiklar som bygger upp kärnorna på atomer) som protoner och neutroner består i sin tur av ännu mindre beståndsdelar. Partikelfysiken är ett område inom fysiken där man försöker beskriva universums absolut minsta partiklar och hur naturens fyra fundamentala krafter fungerar. Man försöker beskriva hur dessa otroligt små partiklar  påverkas av naturens fyra fundamentala krafter som är: gravitationen, den elektromagnetiska kraften, den starka kärnkraften och den svaga kärnkraften. För att kunna göra detta behövs både kvantmekanik och Einsteins relativitetsteori. Än idag vet vi inte hur gravitationen ska hanteras, men för de övriga tre krafterna har vi en matematisk modell som kallas Standardmodellen. Standardmodellen är en matematisk teori som förenar flera andra teorier till en standard som sedan kan testas.

I dagsläget känner vi till 17 olika elementarpartiklar. Elementarpartiklarna är de absolut minsta beståndsdelarna i universum och vi tror att de är punktformiga (med punktformiga menar vi att de är så små att de inte har någon storlek). I illustration 1 ser vi en uppdelning av partiklarna i tre olika klasser:

1. Kvarkar 2. Leptoner 3. Kraftbärare och Higgspartikeln

Vi består alltså av kvarkar och leptoner som hålls samman av naturkrafterna. Naturkrafterna förmedlas av partiklar som kallas kraftbärare. (kommentar:Det är laddning, kvantmekaniskt spinn och massa som bestämmer vilka krafter en partikel påverkas av.) Den makroskopiska materia vi kan observera i vardagen och dess egenskaper styrs i grund och botten av samspelet mellan våra krafter och Higgspartikeln. Nedan kommer vi att diskutera vad Standardmodellens består av , experiment och modellens begränsningar. En tydlig begränsning är att modellen inte kan hantera gravitationen, men de övriga tre naturkrafterna beskrivs bra.

Förutom gravitationen är den mest vardagsnära kraften den elektromagnetiska. Det är den elektromagnetiska kraften som gör att du känner något om du råkar stöta till någon. Ljuset som gör att vi kan se vår omgivning är en elektromagnetisk våg. Vi har också ett magnetfält runt jorden som skyddar oss från partiklar från solen och vi har elektriska apparater i hemmet. Även elementarpartiklarna påverkas av elektromagnetiska krafter. Om vi har två elektroner (e i klassen leptoner med negativ laddning) separerade med avståndet r finns det en elektromagnetisk Coulombkraft mellan laddningarna. Kraften mellan de två elektronerna gör att de stöts bort från varandra (de repellerar varandra) eftersom de har samma tecken på laddningen. Inom partikelfysiken beskrivs den här kraften med fotoner (γ i figuren) som hela tiden skickas mellan de två elektronerna. Detta beskriver kraften som gör att elektronerna stöter bort varandra.

Elektronerna tillhör gruppen leptoner. I den här gruppen finns också myoner (μ) och tauoner (τ) som är lika elektronerna, men de har mycket större massor. I de atomer som finns i naturen är det bara elektroner som kretsar kring kärnorna. Detta beror på att myoner och tauoner inte är stabila partiklar. Bland leptonerna finns det även neutriner (νe, νμ, ντ ) som inte har någon laddning och därför inte påverkas av den elektromagnetiska kraften. (kommentar: I solen skapas det hela tiden otroligt många neutriner som flyger ut i alla riktningar. Eftersom de inte påverkas av den elektromagnetiska kraften passerar de rakt genom dig och hela jorden utan att det märks)

I den andra gruppen med partiklar hittar vi kvarkarna. De är partiklar som har en laddning och därför påverkas av den elektromagnetiska kraften. Kärnpartiklar som protoner och neutroner består av tre kvarkar. De två vanligaste kvarkarna är upp-kvarken (u-kvarken) och ner-kvarken (d-kvarken, d står för down på engelska). En proton byggs upp av två u-kvarkar och en d-kvark, medan en neutron byggs upp av två d-kvarkar och en u-kvark.

Kvarkarna är laddade partiklar, men laddningen är inte ett heltal. Nerkvarken är negativt laddad och laddningen är en tredjedel av elektronens laddning (−1/3 e). Uppkvarken är istället positivt laddad med en dubbelt så stor laddning (+2/3 e). Eftersom protonen består av två u-kvarkar och en d-kvark blir dess laddning lika stor som elektronens, men positiv (2/3 e + 2/3 e − 1/3 e = +e).

Laddningen på kvarkarna i en proton borde göra att de repellerar varandra. Så för att partiklarna ska hålla ihop behövs det andra krafter. Krafter som vi inte är vana vid från vardagen.

Den starka kärnkraften är den kraft som håller ihop kvarkar till partiklar som protoner och neutroner Kraften förmedlas av gluonen (g), namnet gluon kommer från engelskans ord för lim (glue). Protoner och neutroner består av tre kvarkar vardera. För protonen är dessa uud, och för neutronen istället udd. Elektriskt laddade partiklar påverkas av den elektromagnetiska kraften, och på liknande sätt finns en laddning som leder till den starka kärnkraften. Denna laddning kallas färg, och kan vara röd, grön eller blå. Partiklarna har inga färger, men det är ett sätt att beskriva den här laddningen. Kombineras röd, grön och blå fås vit, vilket motsvarar en oladdad kombination. Bland elementarpartiklarna är det endast kvarkar och gluoner som har färgladdning, och är därför de enda som växelverkar starkt inom Standardmodellen.

Den svaga kärnkraften fungerar bara på mycket korta sträckor. Det är den kraft som gör att partiklar kan utbyta egenskaper med varandra. Den svaga kärnkraften förmedlas av W-bosonerna och Z-bosonerna. Den svaga kraften beskriver radioaktiva betasönderfall och fusionsprocesser i stjärnor. Vad som händer i ett betasönderfall är att en neutron omvandlas till en proton genom att en d-kvark blir till en u-kvark och en W-partikel. Den utsända W-partikeln sönderfaller sedan till en elektron och en elektronneutrino. Hur det ser ut visas i illustration 2.

Det som gör betasönderfallet möjligt är att neutronen är något tyngre än protonen, så att energin räcker till för att skapa en proton, en elektron och en elektronneutrino. Idag vet vi att skillnaden i massa mellan protoner och neutroner beror på att u- och d-kvarkarna har olika massor.

(mer …)

Den sista pusselbiten i Standardmodellen är Higgspartikeln (H). Higgspartikeln föreslogs redan på sextiotalet av bland annat François Englert (född 1932) och Peter Higgs (1929-2024) för att förklara hur det kommer sig att vissa partiklar har massa medan andra inte. Att Higgspartikeln finns bevisades experimentellt på CERN 2012 och Higgs och Englert fick Nobelpriset 2013 för sitt arbete.

Innan vi går vidare med Standardmodellen måste vi nämna antipartiklar. För varje partikel som vi har beskrivit finns det en så kallad antipartikel med direkt motsatta laddningar. En elektriskt negativt laddad elektron har en positiv partner, positronen. Kvarkar har på motsvarande sätt antikvarkar, med antifärg och omvänd elektrisk laddning. (kommentar:Vissa partiklar, som till exempel fotonen, är sina egna antipartiklar.) Det är viktigt i Standardmodellen att en partikel och dess antipartikel har exakt samma massa och alla experiment tyder på att det stämmer. Om partiklar och antipartiklar möts (till exempel en elektron och en positron) så förintar de varandra (annihilera) och skapar energi.

Standardmodellen är en teoretisk modell som vi använder för att beräkna sannolikheten för olika processer. Vad händer till exempel när partiklar sönderfaller eller kolliderar? Modellen har testats med flera olika experimentella mätningar. Standardmodellen är mycket bra till att beskriva vad som händer i de olika experimenten, men vi vet att den inte räcker till för att beskriva allt vi kan observera. För att förbättra modellen letar vi vidare efter nya partiklar. Illustration 3. En protonkollision likt de på Large Hadron Collider på CERN. De kolliderande partiklarnas energi skapar nya partiklar som sprutar ut i olika riktningar och mäts i detektorer. Jakten på ny fysik kan till exempel göras i experiment där partiklar accelereras till hög hastighet och får kollidera. Vid Large Hadron Collider på CERN i Schweiz använder man protoner i mycket nära ljusets hastighet. Einsteins formel mellan massa och energi (E = mc2) visar att nya partiklar kan skapas i kollisionerna, se illustration 3. Ju högre energi partiklarna i ett sådant experiment har desto kortare avstånd och högre massor av hittills okända partiklar kan undersökas. Higgspartikeln skapades på precis detta sätt när den först upptäcktes experimentellt 2012. I framtiden kommer forskare världen över fortsätta leta efter universums ännu okända beståndsdelar. Lite mer om statistik vid olika partikelexperiment

Trots att Standardmodellen fungerar väldigt bra för att beskriva verkligheten, vet vi att den inte räcker till för allt vi ser i universum. Ett stort problem är varför vi inte kan hitta så mycket antimateria i universum. På samma sätt som kvarkar bygger upp protoner kan antikvarkar tillsammans skapa negativt laddade antiprotoner. Vi borde därför hitta till exempel antiväte, där en antiproton omges av en positron, och ett helt periodiskt system av antigrundämnen. Vi kan experimentellt skapa antiatomer och studera deras egenskaper. Det görs sådana experiment bland annat på CERN.

Om vi nu tittar ut i universum ser vi inga antiplaneter eller antigalaxer, men standardmodelle kan inte förklara varför det finns så mycket mer materia än antimateria i kosmos. Framtidens partikelfysiker måste leta efter de nya, okända partiklarna och mekanismen som behövs för att lösa problemet.

Standardmodellen innehåller heller inga förklaringar för mörk materia, som vi vet måste finnas från astronomiska observationer av galaxers rörelser. Mörk materia utgör cirka 25% av all massa och energi i universum, vilket bör jämföras med de ynka 5% som motsvarar Standardmodellens beståndsdelar. De återstående 70% tros utgöras av en mystisk så kallad mörk energi som driver på universums expansion. I framtiden måste fysiker studera både mörk materia och energi för att nå en bättre förståelse för merparten av universum.

Slutligen bör vi nämna gravitationen, som inte alls finns med i Standardmodellen. På samma sätt som de andra tre naturkrafterna är associerade med kraftbärande partiklar är det rimligt att tro att gravitationen förmedlas av så kallade gravitoner. Till skillnad från de andra krafterna är det däremot inte känt hur man kan skriva ner en teori för gravitationen som är förenlig med kvantmekaniken. Kvantgravitationens olösta problem återstår därför också att lösa för framtidens fysiker.