Elementarpartikelfysik

Elementarpartikelfysik är den gren av fysiken som studerar naturens mest fundamentala byggstenar och deras växelverkan. Fältet undersöker leptoner och kvarkar som grundläggande partikeltyper samt bosoner som bär de tre krafterna inom Standardmodellen. Genom teoretiska modeller och experiment försöker man beskriva hur materia och energi beter sig vid mycket höga energier och hur de olika krafterna samverkar i mikrokosmos.

Den dominerande ramen är kvantfältteori och särskilt gauge-teorier. Standardmodellen beskriver elektromagnetiska, svaga och starka interaktioner genom symmetrierna SU(3)xSU(2)xU(1). Higgs-mekanismen förklarar hur partiklar får massa genom spontan symmetri-brytning. Gravitationen behandlas vanligtvis separat och inkluderas inte i Standardmodellen.

Historiskt växte området fram ur tidiga kärnfysikaliska studier och utvecklingen av kvantfältteori under 1900-talet. Standardmodellen formaliserades under 1970-talet och stöddes av ett stort antal experiment. Higgsbosonen bekräftades 2012 vid Large Hadron Collider. Neutriner uppvisar oscillationer och har små massor, vilket pekar mot ny fysik utanför den enklaste versionen av modellen. Experimentell forskning bedrivs genom högenergetiska kollisioner samt neutrino- och astropartikel-detektorer.

Forskningen bedrivs med hjälp av partikelacceleratorer och stora detektorsystem. Exempel är Large Hadron Collider (LHC) med experimenten ATLAS, CMS, ALICE och LHCb. Neutrinoexperimente inkluderar projekt som Super-Kamiokande, IceCube och det kommande DUNE. Andra program söker tecken på ny fysik utanför Standardmodellen, såsom mörk materia och nya symmetrier. Metoderna omfattar precisionsmätningar, studier av partikelspår, energimätningar och identifikation av nya fenomen.

Betydelse och framtid: Elementarpartikelfysik driver vår förståelse av universums uppbyggnad och har lett till tekniska framsteg inom detektorteknik, datorvetenskap och materialforskning. Framtiden fokuserar på att testa Standardmodellen till dess begränsningar, leta efter ny fysik och försöka förena den med gravitationen.