Stoffets inderste struktur; Standardmodellen som den ultimative teori?

Med opdagelsen af Higgs-bosonen i 2012 er partikelfysikkens standardmodel komplet hvad angår partikelindhold.

De stoflige partikler udgøres af tre familier, hver bestående af to kvarker (up- og down-type) og to leptoner (en ladet og en neutral). Al stof i universet består udelukkende af partikler fra første generation, up- og down-kvarker og elektronen.

De stoflige partikler vekselvirker med hinanden via fire fundamentale kræfter: den elektromagnetiske kraft medieret af fotonen, den stærke kernekraft medieret af gluoner, den svage kernekraft medieret af de tunge partikler W+, W- og Z0, og gravitation formentlig medieret af gravitonen. Partikelmasser indføres i Standardmodellen via vekselvirkning med det såkaldte Higgs-felt, et skalar felt med fire komponenter.

Efter det såkaldte spontane symmetribrud, optræder tre af disse komponenter som masser af partiklerne W+, W-, og Z0. De stoflige partikler erhverver ligeledes masser gennem det spontane symmetribrud. Det spontane symmetribrud menes at være sket omkring 10^{-11} sekunder efter Big Bang. Før dette tidspunkt var alle partikler masseløse. Standardmodellen udgør en tætvævet matematisk struktur og giver præcise forudsigelser for værdien af et væld af målbare størrelser.

Ingen målinger er i dag i modstrid med standardmodellen. Vi står altså et sted, hvor standardmodellen er komplet, konsistent, og kan give forudsigelser op til vilkårligt høje energiskalaer. Man kan da spørge, om vi er nået til enden af vores rejse. Er der mere at udforske? Sandheden er, at det kan vi selvfølgelig ikke vide. Hvad ville der for eksempel ske, hvis vi kunne forbedre præcisionen på alle vore målinger med en faktor 10? Ville standardmodellen stadig udvise intern konsistens, eller ville der være tegn i retning af en underliggende struktur, af ny fysik?

Ny fysik er stærkt eftertragtet, idet standardmodellen giver et imponerende god beskrivelse af hvad vi observerer i naturen, men ikke hvorfor. Teorien lader de fleste fundamentale spørgsmål ubesvarede.

Eksempler er: hvorfor er der tre familier af stoflige partikler, og hvorfor har disse det mystiske massemønster vi observerer? Hvad drev det spontane symmetribrud i det tidlige univers? Hvorfor dominerer stof over anti-stof i universet? Er mørkt stof en partikel, og får denne i givet fald ligeledes sin masse genne Higgs-mekanismen? Hvis det sidse er tilfældet vil vi kunne observere mørkt stof i Higgs-henfald.

CERNs foreslåede næste acceleratorprojekt, Future Circular Collider, tager sigte på at tage næste skridt i afdækning af naturens hemmeligheder.