Standardimallilla tarkoitetaan nykyistä käsitystä siitä, mitä alkeishiukkasia on olemassa ja miten ne vuorovaikuttavat keskenään. Standardimallin matemaattinen teoria on yhteensopiva kaikkien hiukkasmaailmaa koskevien havaintojen kanssa niin tarkasti kuin pystytään mittaamaan. Sen pätevyysalue ei kuitenkaan ulotu tilanteisiin, joissa hiukkaset liikkuvat suurten massakeskittymien, kuten mustien aukkojen, lähellä. Standardimalli ei sisällä gravitaatiovuorovaikutusta ja soveltuu siksi sellaisiin tilanteisiin, joissa muut alkeishiukkasten väliset vuorovaikutukset ovat merkittävämpiä.

Standardimalli kehittyi 1950–1970 -luvuilla lukuisten fyysikoiden ansiosta. Se rakentui kuvaamaan 1900-luvun alkupuolella löydettyjä uusia hiukkasia ja liitti yhteen eri ilmiöitä kuvanneet kvanttimekaaniset mallit. Standardimalli on nk. kvanttikenttäteoria. Mitään ei voida ennustaa tarkasti, vaan voidaan ainoastaan kuvata eri tapahtumien todennäköisyyksiä. Kvanttikenttäteoria eroaa perinteisestä kvanttimekaniikasta, koska vuorovaikutuksetkaan eivät ole yksittäisiä tapahtumia. Vuorovaikutukset koostuvat kaikista mahdollisista alku- ja lopputilan välisistä vuorovaikutuspoluista, joille jokaiselle voidaan laskea todennäköisyys. Sallitut vuorovaikutukset pohjaavat säilymislakeihin, jotka perustuvat luonnossa havaittuihin symmetrioihin. Teorian matemaattinen käsittely on varsin monimutkaista.

Standardimalli selittää kaikki hiukkasreaktiot kolmen perusvuorovaikutuksen avulla: sähkömagneettinen vuorovaikutus, vahva vuorovaikutus ja heikko vuorovaikutus. Neljäs perusvuorovaikutus, gravitaatio, jää standardimallin ulkopuolelle. Standardimallin mukaan maailmankaikkeudessa on kvarkkeja, leptoneja, Higgsin hiukkanen ja yllä mainittuja perusvuorovaikutuksia välittävät hiukkaset. Kvarkit ja leptonit voidaan jakaa kolmeen luokkaan massansa mukaan. Alla olevaan taulukkoon on listattu kaikki standardimallin alkeishiukkaset sekä niiden sähkövaraukset ja massat.

STANDARDIMALLIN ALKEISHIUKKASET

	Kvarkit		Leptonit
Kevyet	Ylös [[$\text{u}$]]	Alas [[$\text{d}$]]	Elektroni [[$\text{e}$]]	Elektronin neutriino [[$\nu_\text{e}$]]
[[$Q$]]	2/3 e	-1/3 e	- e	0
[[$m$]] (MeV/c2)	2,3	4,8	0,511	Kevyt
Keskiraskaat	Lumo [[$\text{c}$]]	Outo [[$\text{s}$]]	Myoni [[$\mu$]]	Myonin neutriino [[$\mu_\text{e}$]]
[[$Q$]]	2/3 e	-1/3 e	- e	0
[[$m$]] (MeV/c2)	1 275	95	105	Kevyt
Raskaat	Huippu [[$\text{t}$]]	Pohja [[$\text{b}$]]	Tau [[$\tau$]]	Taun neutriino [[$\tau_\text{e}$]]
[[$Q$]]	2/3 e	-1/3 e	- e	0
[[$m$]] (MeV/c2)	173 070	4 180	1 777	Kevyt
[[$\quad$]] Välittäjähiukkaset
	Fotoni [[$\gamma$]]	Gluoni [[$\text{g}$]]	W-bosonit [[$W^+$]] ja [[$W^-$]]	Z-bosoni [[$\text{Z}$]]
Vuorovaikutus	Sähkö- magneettinen	Vahva vuorovaikutus	Heikko vuorovaikutus	Heikko vuorovaikutus
[[$Q$]]	0	0	+ e, - e	0
[[$m$]] (MeV/c2)	0	0	80 400	91 200
[[$\quad $]] Higgsin hiukkanen [[$\text{H}$]]
[[$Q$]]	0
[[$m$]] (MeV/c2)	126 000

Standardimallin mukaan jokaisella hiukkasella on olemassa antihiukkanen, jolla on käänteisiä ominaisuuksia, esim. sähkövaraus. Antihiukkasen massa on kuitenkin sama kuin vastinhiukkasen. Antihiukkanen merkitään hiukkasen tunnuksen yläpuolella olevalla viivalla, esim. pohjakvarkin antihiukkanen on [[$\overline{\text{b}}$]]. Hiukkasen ja sen antihiukkasen kohdatessa ne annihiloituvat ja muuttuvat energiaksi. Antihiukkasten olemassaolon ennusti Paul Dirac v. 1929 tulkintana kvanttimekaniikan yhtälöistä saamilleen negatiivisen energian ratkaisuille, jotka eivät vastanneet tunnettuja hiukkasia. Antimateriaa tuotetaan hyvin vähäisiä määriä hiukkaskiihdyttimillä. Tähän mennessä antimateriasta on valmistettu niin antiprotoneja, antineutroneita kuin antivetyä.

Nykyinen aine koostuu vain kevyimmän luokan kvarkeista ja leptoneista. Protonissa on kaksi [[$\text{u}$]]-kvarkkia ja yksi [[$\text{d}$]]-kvarkki, neutronissa taas on yksi [[$\text{u}$]]-kvarkki ja kaksi [[$\text{d}$]]-kvarkkia. Maailmankaikkeuden alussa on ollut olemassa kaikkien luokkien hiukkasia, joista raskaammat ovat hajonneet kevyemmiksi heikon vuorovaikutuksen kautta. Raskaampia hiukkasia voi syntyä tilapäisesti erilaisissa hiukkasreaktioissa, mutta ne hajoavat nopeasti takaisin kevyimpiin hiukkasiin. Hiukkasten syntyminen perustuu energian muutokseen aineeksi. Hiukkasten energiaa lisätään kiihdyttämällä niitä lähes valonnopeuteen ennen kuin hiukkaset törmäytetään toisiinsa. Törmäyksissä riittävän suuri määrä energiaa keskittyy hyvin pieneen tilaan, jolloin energia voi muuttua massaksi kaavan [[$E=mc^2$]] mukaisesti.

Video: Standardimalli (TED-Ed)