Standardmodellen


Hvordan startet egentlig det hele? Hvordan kan man forklare at alt er som det er i dag? Standardmodellen kan være svaret på dette. Eksperter har i lang tid arbeidet med å finne en teori om hvordan verden oppstod. De har i dag kommet fram til standardmodellen, en modell som beskriver alt som har skjedd fra Big Bang og frem til i dag. Modellen går over en ekstremt lang tidsperiode, og den får dermed ikke blitt helt korrekt. Den er likevel et godt bilde på hvordan alt er. Vi kan ikke beskrive selve Big Bang, men de fleste forskere mener at tiden, materien og rommet ble til i denne store eksplosjonen. Likevel har de ikke kommet helt i mål med teorien. En partikkel trengs for at alle brikkene skal falle på plass, den såkalte higgs-partikkelen.

universe.jpg
Universet er ca. 13,7 milliarder år gammelt. Tenk deg at du lever i 100 år, det vil si at universet er 137 300 000 ganger eldre enn du noen gang vil bli.

For å få en oversikt over standardmodellen deler vi den lange perioden inn i 8 faser. Det vi egentlig gjør er å gi en oversikt over hva som skjedde de siste 13,7 milliarder årene. Når vi regner oss tilbake mot opprinnelsen finner vi ut at temperaturen og tettheten var ufattelig høy. Big Bang var ikke noe vanlig eksplosjon som er over på noen sekunder. Derimot var Big Bang starten på en altomfattende ekspansjon som fortsatt pågår. Altså, universet utvider seg for hver dag som går og avstandene blir større.

1. Plancktiden: Fra Big Bang til 10^ -43 s
Plancktiden vet vi svært lite om, eller lettere sagt ingenting. For å beskrive tiden trenger vi å kombinere gravitasjonsteorien og kvanteteorien. Foreløpig har ingen klart å kombinere disse og vi stiller spørsmålstegn til denne korte tidsperioden.

2. Inflasjonsfasen: Fra 10^ -43 s til 10^ -33 s
Inflasjonsfasen er den dramatiske ekspansjonen universet gjennomgikk svært kort tid etter starten på Big Bang. Det var i denne fasen at energien og massen i universet ble til. På denne korte tiden utvidet universet seg med en faktor på 10^43! Dermed fortsatte utvidelsen av universet i et roligere tempo. Utvidelsen foregår også i dag.

3. Før det har gått ett sekund
Universet består av mange ulike partikler som kvarker, gluoner, leptoner, fotoner og elektrosvake kraftpartikler. Alle partikler og fotoner har mye energi. Det var utrolig mange partikler og antipartikler. Så fort et par var dannet gikk de til grunne igjen, altså de anihilerte hverandre og gikk over til energi (se bilde under). Partikler som protoner og nøytroner, som vi kjenner til i dag, fantes ikke. Temperaturen var så høy at det heller fantes kvarker som igjen er byggesteinene til protoner, nøytroner og elektroner. Disse kvarkene oppstod også parvis. De anhilerte hverandre og dannet energi, altså så oppstod og utslettet de hverandre. Naturen var ikke helt symetrisk. For hver milliard antikvarker var det heldigvis for oss ca. en milliard og en kvarker. Altså fantes det forsatt en del materie etter anhileringen var avsluttet. Etter 0,000 01 sekunder falt temperaturen i dette kaoset til en billion grader. Tre og tre kvarker samlet seg og de dannet det vi kjenner som protoner og nøytroner.


elo.JPG

4. Ett sekund etter Big Bang (T = 10^10 K)
Etter det første sekundet var temperaturen lav nok til at protoner, nøytroner og elektroner kunne være stabile. Da kunne de danne deuteriumkjerner. I tillegg til dette var tettheten i universet blitt lav nok til at gassen var gjennomsiktig for nøytrinoer. Nøytrinoer kunne bevege seg helt fritt uten å påvirke andre partikler. Vi vet lite om nøytrinoene i dag, men om vi i fremtiden klarer å bygge noen virkelig store nøytrinofangere vil vi kunne studere nøytrinobakgrunnsstrålingen som faktisk kommer fra det første sekundet etter Big Bang. I så fall vil vi få muligheten til å direkte studerede forholdene i denne fasen av Big Bang.

deuterium_og_hydrogen.jpg

5. Tre minutter etter Big Bang (T = 10^9 K)
Temperaturen hadde da sunket til 1 milliard grader og det var lav nok temperatur til at fusjonsprosesser kunne foregå. Fusjonsprosessene som foregikk er lignende kjernereaksjoner som skjer i dagens stjerner. Etter de 3 første minuttene gjorde disse prosessene det mulig å lage større atomkjerner enn deuterium. Helium, litt beryllium og litium og små mengder av andre lette grunnstoffer ble produsert. Det har vist seg at gassen som Big Bang laget inneholdt omtrent 24 % helium og det viser seg at mesteparten av heliumet vi finner i dagens univers kommer fra Big Bang. Stjerner produserer også helium, men på hele 13 milliarder år har de bare så vidt økt heliummengden. Det er heller de tyngre grunnstoffene som stjernene har laget.

6. En halvtime etter Big Bang (T = 10^8 K)
Vi står igjen med en blanding av ca. 75% hydrogen og 24 % helium i tillegg til noe litium og beryllium. Temperaturen har sunket så mye at kjernereaksjoner ikke lenger var mulig. Fra denne fasen stammer den opprinnelige fordelingen av grunnstoffer i universet. Man kan si at universet bestod av ugjennomsiktig plasma, nesten som tåke. "Tåken" bestod av atomkjerner, frie elektroner og enorme mengder fotoner og nøytrinoer. Fotonene klarte ikke enda å bevege seg fritt og rettlinjet fordi elektroner ikke var bundet til atomkjerner ennå.

7. 380 000 år etter Big Bang (T = ca. 3000 K)
Først etter 380 000 år etter Big Bang lettet "tåken" og temperaturen var lav nok til at elektroner bandt seg til atomkjerner og vi fikk nøytrale atomer. På grunn av at antallet frie elektroner sank drastisk, kunne fotonene bevege seg uhindret.

8. 200 millioner år etter Big Bang
Etter 200 millioner skjer de første stjernefødslene. Ved hjelp av gravitasjonskrefter har de små tetthetsvariasjonene som er observert i bakgrunnsstrålingen bygget seg opp. Materie trekker seg sammen og blir til de første stjernene og galaksene.

Sola_Bilde.jpg
Den største kilden til liv. Vår viktigste stjerne, //sola//.

I dag, ca. 13,7 milliarder år etter Big Bang prøver vi ved hjelp av standardmodellen å få en oversikt over hvorfor alt er som det er og hva som egentlig har skjedd de siste 13,7 milliarder årene. Standardmodellen baserer seg på en partikkel vi enda ikke har funnet. Som vi har nevnt tidligere, den kjente higgspartikkelen. Dette er en partikkel som fyker rundt i universet og gir andre partikler masse. Dersom vi finner denne partikkelen, vil mange gåter bli løst. Like utenfor Genev i Sveits ligger laboratoriet til CERN som er den Europeiske organisasjonen for atomfysikk. I over 50 år har de bygd stadig større og kraftigere partikkelakseleratorer for å finne denne partikkelen. Klarer vi å finne denne partikkelen er standarmodellen komplett, men hvis vi derimot ikke finner den, må mye av den moderne fysikken skrives om.

Det store spørsmålet gjenstår, er egentlig standardmodellen en teori? Standardmodellen for universets utvikling er langt mindre sikker enn teorier vi har møtt tidligere. Kanskje standardmodellen derfor burde regnes som en hypotese? Forskere er uenige, selv om hovedlinjene i modellen er bekreftet flere ganger blant mange forskere. Den enkleste forklaringen er ofte den beste i vitenskapens verden, men det finnes ingen enklere teori som er på samme linje som standardmodellen. Bakgrunnsstrålingen og den observerte rødforskyvningen på alle fjerne objekter har også forskere vanskelig for å bekrefte 100% sikkert. Vitenskapelige forklaringer er svært avanserte, men kanskje vi i framtiden får en teori som forener kvanteteori og gravitasjonsteori på en slik måte at det hele blir litt enklere? Vi får vente å se.

Vil du vite mer om elementærpartiklene og vekselvirkninger i standardmodellen, kan du studere referanseplakaten. Forskere har samlet viktig informasjon om standardmodellen i denne omfattende plakaten og er en fin oversikt for videre fordypning i emnet.

Kilder:
- Knut Jørgen Rød Ødegaard Bang! Kollisjoner og eksplosjoner i verdensrommet J.W. Cappelens forlag AS, 2006.
- Petter Callin, Jan Pålsgård, Rune Stadsnes, Cathrine Wahlstrøm Tellefsen ERGO grunnbok, fysikk 1 Aschehoug & Co, 2007.
- http://www.fysikknett.no/partikkel/fundamentalt4.php?menuid=5
- http://no.wikipedia.org/wiki/Standardmodellen
- http://www.snl.no/standardmodellen