Стандартная модель элементарных частиц: Стандартная модель элементарных частиц для начинающих / Хабр

Стандартная модель элементарных частиц для начинающих / Хабр

«Мы задаёмся вопросом, почему группа талантливых и преданных своему делу людей готова посвятит жизнь погоне за такими малюсенькими объектами, которые даже невозможно увидеть? На самом деле, в занятиях физиков элементарных частиц проявляется человеческое любопытство и желание узнать, как устроен мир, в котором мы живём» Шон Кэрролл


Если вы всё ещё боитесь фразы квантовая механика и до сих пор не знаете, что такое стандартная модель — добро пожаловать под кат. В своей публикации я попытаюсь максимально просто и наглядно объяснить азы квантового мира, а так же физики элементарных частиц. Мы попробуем разобраться, в чём основные отличия фермионов и бозонов, почему кварки имеют такие странные названия, и наконец, почему все так хотели найти Бозон Хиггса.

Из чего мы состоим?

Ну что же, наше путешествие в микромир мы начнём с незатейливого вопроса: из чего состоят окружающие нас предметы? Наш мир, как дом, состоит из множества небольших кирпичиков, которые особым образом соединяясь, создают что-то новое, не только по внешнему виду, но ещё и по своим свойствам. На деле, если сильно к ним приглядеться, то можно обнаружить, что различных видов блоков не так уж и много, просто каждый раз они соединяются друг с другом по-разному, образуя новые формы и явления. Каждый блок — это неделимая элементарная частица, о которой и пойдёт речь в моём рассказе.

Для примера, возьмём какое-нибудь вещество, пусть у нас это будет второй элемент периодической системы Менделеева, инертный газ, гелий. Как и остальные вещества во Вселенной, гелий состоит из молекул, которые в свою очередь образованы связями между атомами. Но в данном случае, для нас, гелий немного особенный, потому что он состоит всего из одного атома.

Из чего состоит атом?

Атом гелия, в свою очередь, состоит из двух нейтронов и двух протонов, составляющих атомное ядро, вокруг которого вращаются два электрона. Самое интересное, что абсолютно неделимым здесь является лишь электрон.

Интересный момент квантового мира

Чем меньше масса элементарной частицы, тем больше места она занимает. Именно по этой причине электроны, которые в 2000 раз легче протона, занимают гораздо больше места по сравнению с ядром атома.

Нейтроны и протоны относятся к группе так называемых адронов (частиц, подверженных сильному взаимодействию), а если быть ещё точнее, барионов.

Адроны можно разделить на группы

• Барионов, которые состоят из трёх кварков
• Мезонов, которые состоят из пары: частица-античастица

Нейтрон, как ясно из его названия, является нейтрально заряженным, и может быть поделён на два нижних кварка и один верхний кварк. Протон, положительно заряженная частица, делится на один нижний кварк и два верхних кварка.

Да, да, я не шучу, они действительно называются верхний и нижний. Казалось бы, если мы открыли верхний и нижний кварк, да ещё электрон, то сможем с их помощью описать всю Вселенную. Но это утверждение было бы очень далеко от истины.

Главная проблема — частицы должны как-то между собой взаимодействовать. Если бы мир состоял лишь из этой троицы (нейтрон, протон и электрон), то частицы бы просто летали по бескрайним просторам космоса и никогда бы не собирались в более крупные образования, вроде адронов.

Фермионы и Бозоны

Достаточно давно учёными была придумана удобная и лаконичная форма представления элементарных частиц, названная стандартной моделью. Оказывается, все элементарные частицы делятся на фермионы, из которых и состоит вся материя, и бозоны, которые переносят различные виды взаимодействий между фермионами.

Разница между этими группами очень наглядна. Дело в том, что фермионам для выживания по законам квантового мира необходимо некоторое пространство, а для бозонов почти не важно наличие свободного места.

Фермионы

Группа фермионов, как было уже сказано, создаёт видимую материю вокруг нас. Что бы мы и где ни увидели, создано фермионами. Фермионы делятся на кварки, сильно взаимодействующие между собой и запертые внутри более сложных частиц вроде адронов, и лептоны, которые свободно существуют в пространстве независимо от своих собратьев.

Кварки делятся на две группы.

• Верхнего типа. К кваркам верхнего типа, с зарядом +2\3, относят: верхний, очарованный и истинный кварки
• Нижнего типа. К кваркам нижнего типа, с зарядом -1\3, относят: нижний, странный и прелестный кварки

Истинный и прелестный являются самыми большими кварками, а верхний и нижний — самыми маленькими. Почему кваркам дали такие необычные названия, а говоря более правильно, «ароматы», до сих пор для учёных предмет споров.

Лептоны также делятся на две группы.

• Первая группа, с зарядом «-1», к ней относят: электрон, мюон (более тяжёлую частицу) и тау-частицу (самую массивную)
• Вторая группа, с нейтральным зарядом, содержит: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино

Нейтрино — есть малая частица вещества, засечь которую практически невозможно. Её заряд всегда равен 0.

Возникает вопрос, не найдут ли физики ещё несколько поколений частиц, которые будут еще более массивными, по сравнению с предыдущими. На него ответить трудно, однако теоретики считают, что поколения лептонов и кварков исчерпываются тремя.

Не находите никакого сходства? И кварки, и лептоны делятся на две группы, которые отличаются друг от друга зарядом на единицу? Но об этом позже…

Бозоны

Без них бы фермионы сплошным потоком летали по вселенной. Но обмениваясь бозонами, фермионы сообщают друг другу какой-либо вид взаимодействия. Сами бозоны же с друг другом практически не взаимодействуют.
На самом деле, некоторые бозоны всё же взаимодействуют друг с другом, но об этом будет рассказано более подробно в следующих статьях о проблемах микромира

Взаимодействие, передаваемое бозонами, бывает:

• Электромагнитным, частицы — фотоны. С помощью этих безмассовых частиц передаётся свет.
• Сильным ядерным, частицы — глюоны. С их помощью кварки из ядра атома не распадаются на отдельные частицы.
• Слабым ядерным, частицы — ±W и Z бозоны. С их помощью фермионы перекидываются массой, энергией, и могут превращаться друг в друга.
• Гравитационным, частицы — гравитоны. Чрезвычайно слабая в масштабах микромира сила. Становится видимой только на сверхмассивных телах.

Оговорка о гравитационном взаимодействии.

Существование гравитонов экспериментально ещё не подтверждено. Они существуют лишь в виде теоретической версии. В стандартной модели в большинстве случаев их не рассматривают.

Вот и всё, стандартная модель собрана.

Проблемы только начались

Несмотря на очень красивое представление частиц на схеме, осталось два вопроса. Откуда частицы берут свою массу и что такое Бозон Хиггса, который выделяется из остальных бозонов.

Для того, что бы понимать идею применения бозона Хиггса, нам необходимо обратиться к квантовой теории поля. Говоря простым языком, можно утверждать, что весь мир, вся Вселенная, состоит не из мельчайших частиц, а из множества различных полей: глюонного, кваркового, электронного, электромагнитного и. т.д. Во всех этих полях постоянно возникают незначительные колебания. Но наиболее сильные из них мы воспринимаем как элементарные частицы. Да и этот тезис весьма спорный. С точки зрения корпускулярно-волнового дуализма, один и тот же объект микромира в различных ситуациях ведёт себя то как волна, то как элементарная частица, это зависит лишь от того, как физику, наблюдающему за процессом, удобнее смоделировать ситуацию.

Поле Хиггса

Оказывается, существует так называемое поле Хиггса, среднее значение которого не хочет стремиться к нулю. В результате чего, это поле старается принять некоторое постоянное ненулевое значение во всей Вселенной. Поле составляет вездесущий и постоянный фон, в результате сильных колебаний которого и появляется Бозон Хиггса.

И именно благодаря полю Хиггса, частицы наделяются массой.
Масса элементарной частицы, зависит от того, насколько сильно она взаимодействует с полем Хиггса, постоянно пролетая внутри него.

И именно из-за Бозона Хиггса, а точнее из-за его поля, стандартная модель имеет так много похожих групп частиц. Поле Хиггса вынудило сделать множество добавочных частиц, таких, например, как нейтрино.

Итоги

То, что было рассказано мною, это самые поверхностные понятия о природе стандартной модели и о том, зачем нам нужен Бозон Хиггса. Некоторые учёные до сих пор в глубине души надеются, что частица, найденная в 2012 году и похожая на Бозон Хиггса в БАКе, была просто статистической погрешностью. Ведь поле Хиггса нарушает многие красивые симметрии природы, делая расчёты физиков более запутанными.

Некоторые даже считают, что стандартная модель доживает свои последние годы из-за своего несовершенства. Но экспериментально это не доказано, и стандартная модель элементарных частиц остаётся действующим образцом гения человеческой мысли.

Стандартная Модель физики част

Современное представление о физике частиц содержится в так называемой Стандартной Модели. Стандартная Модель (СМ) физики частиц базируется на квантовой электродинамике, квантовой хромодинамике и кварк-партонной модели.     Квантовая электродинамика (КЭД) − высокоточная теория − описывает процессы, происходящие под действием электромагнитных сил, которые изучены с высокой степенью точности.     Квантовая хромодинамика (КХД), описывающая процессы сильных взаимодействий, строится по аналогии с КЭД, но в большей степени является полуэмпирической моделью.     Кварк-партонная модель объединяет теоретические и экспериментальные результаты исследований свойств частиц и их взаимодействий.     До сего времени не обнаружено отклонений от Стандартной Модели.     Основное содержание Стандартной Модели представлено в таблицах 1, 2, 3. Конституентами материи являются три поколения фундаментальных фермионов (I, II, III), свойства которых перечислены в табл. 1. Фундаментальные бозоны — переносчики взаимодействий (табл. 2), которые можно представить с помощью диаграммы Фейнмана (рис. 1). Таблица 1: Фермионы − (спин полуцелый в единицах ћ) конституенты материи   Лептоны, спин = 1/2 Кварки, спин = 1/2   Аромат Масса, ГэВ/с2 Электрический заряд, е Аромат Масса, ГэВ/с2 Электрический  заряд, е I νe < 7·10-9 0 u, up 0. 005 2/3 е, электрон 0.000511 -1 d, down 0.01 -1/3 II νμ < 0.0003 0 с, charm 1.5 2/3 μ, мюон 0.106 -1 s, strange 0.2 -1/3  III ντ < 0.03 0 t, top 170 2/3 τ, тау 1. 7771 -1 b, bottom 4.7 -1/3 Таблица 2: Бозоны — переносчики взаимодействий (спин = 0, 1, 2 … в единицах ћ) Переносчики взаимодействия Масса, ГэВ/с2 Электрический  заряд, е Электрослабое взаимодействие γ, фотон, спин = 1 0 0 W—, спин = 1 80.22 -1 W+, спин = 1 80. 22 +1 Z0, спин = 1 91.187 0 Сильное (цветовое) взаимодействие 5, глюоны, спин = 1 0 0 Неоткрытые бозоны H0, Хиггс, спин = 0 > 100 0 G, гравитон, спин = 2 ? 0 Таблица 3: Сравнительные характеристики фундаментальных взаимодействий Взаимодействие Переносчик взаимодействия Сила взаимодействия Сильное Глюон 1 Электромагнитное Фотон 10-2 Слабое Калибровочные бозоны 10-5 Гравитационное Гравитон 10-38 Сила взаимодействия указана относительно сильного. Рис. 1: Диаграмма Фейнмана: А + В = С + D, а − константа взаимодействия, Q2 = -t − 4-импульс, который частица А передает частице В в результате одного из четырех типов взаимодействий. 1.1 Основные положения Стандартной Модели Адроны состоят из кварков и глюонов (партонов). Кварки − фермионы со спином 1/2 и массой m 0; глюоны — бозоны со спином 1 и массой m = 0. Кварки классифицируются по двум признакам: аромат и цвет. Известно 6 ароматов кварков и 3 цвета для каждого кварка. Аромат — характеристика, сохраняющаяся в сильных взаимодействиях. Глюон составлен из двух цветов − цвета и антицвета, а все остальные квантовые числа у него равны нулю. При испускании глюона кварк меняет цвет, но не аромат. Всего работает 8 глюонов. Элементарные процессы в КХД строятся по аналогии с КЭД: тормозное испускание глюона кварком, рождение кварк-антикварковых пар глюоном. Процесс рождения глюонов глюоном не имеет аналога в КЭД. Статическое глюонное поле не стремится к нулю на бесконечности, т.е. полная энергия такого поля бесконечна. Таким образом, кварки не могут вылетать из адронов, имеет место конфайнмент. Между кварками действуют силы притяжения, имеющие два необычных свойства: а) асимптотическую свободу на очень малых расстояниях и б) инфракрасное пленение — конфайнмент, благодаря тому, что потенциальная энергия взаимодействия V(r) неограниченно растет с увеличением расстояния между кварками r, V(r) = -αs/r + ær, αs и æ − константы. Кварк-кварковое взаимодействие не аддитивно. В виде свободных частиц могут существовать только цветовые синглеты: мезонный синглет, для которого волновая функция определяется соотношением         и барионный синглет с волновой функцией         где R — красный, В — синий, G — зеленый. Различают токовые и составляющие кварки, которые имеют разные массы. Сечения процесса А + В = С + Х с обменом одним глюоном между кварками, входящими в состав адронов, записываются в виде: ŝ = xaxbs,   = xat/xc. Символами a, b, c, d обозначены кварки и относящиеся к ним переменные, символами А, В, С − адроны, ŝ, , , − величины, относящиеся к кваркам, − функция распределения кварков а в адроне А (или, соответственно, — кварков b в адроне В), − функция фрагментации кварка с в адроны С, d/dt − элементарное сечение qq взаимодействия. 1.2 Поиск отклонений от Стандартной Модели     При существующих энергиях ускоренных частиц хорошо выполняются все положения КХД и тем более КЭД. В планирующихся экспериментах с более высокими энергиями частиц одной из главных задач считается поиск отклонений от Стандартной Модели.     Дальнейшее развитие физики высоких энергий связано с решением следующих задач: Поиск экзотических частиц, имеющих структуру, отличную от принятой в Стандартной Модели. Поиск нейтринных осцилляции νμ ↔ ντ и связанная с этим проблема массы нейтрино (νm ≠ 0). Поиск распада протона, время жизни которого оценивается величиной τэксп > 1033 лет. Поиск структуры фундаментальных частиц (струны, преоны при расстояниях d < 10-16 см). Обнаружение деконфайнмированной адронной материи (кварк-глюонной плазмы). Изучение нарушения СР-инвариантности при распаде нейтральных K-мезонов, D-мезонов и B-частиц. Изучение природы тёмной материи. Изучение состава вакуума. Поиск Хиггс-бозона. Поиск суперсимметричных частиц. 1.3 Нерешенные вопросы Стандартной Модели     Фундаментальная физическая теория, Стандартная Модель электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий элементарных частиц (кварков и лептонов) является общепризнанным достижением физики XX века. Она объясняет все известные экспериментальные факты в физике микромира. Однако существует целый ряд вопросов, на которые в Стандартной Модели нет ответа. Неизвестна природа механизма спонтанного нарушения электрослабой калибровочной инвариантности. Объяснение существования масс у W±— и Z0-бозонов требует введения в теорию скалярных полей с неинвариантным относительно калибровочных преобразований основным состоянием -вакуумом. Следствием этого является возникновение новой скалярной частицы — бозона Хиггса. СМ не объясняет природу квантовых чисел. Что такое заряды (электрические; барионные; лептонные: Le, Lμ, Lτ: цветовые: синий, красный, зеленый) и почему они квантуются? Почему существует 3 поколения фундаментальных фермионов (I, II, III)? СМ не включает гравитацию, отсюда путь включения гравитации в СМ — Новая гипотеза о существовании дополнительных измерений в пространстве микромира. Нет объяснения, почему фундаментальный масштаб Планка (М ~ 1019 ГэВ) так далек от фундаментального масштаба электрослабых взаимодействий (М ~ 102 ГэВ).     В настоящее время наметился путь решения этих проблем. Он состоит в развитии нового представления о структуре фундаментальных частиц. Предполагается, что фундаментальные частицы представляют собой объекты, которые принято называть «струнами». Свойства струн рассматриваются в быстро развивающейся Модели Суперструн, которая претендует на установление связи между явлениями, происходящими в физике элементарных частиц и в астрофизике. Такая связь привела к формулировке новой дисциплины — космологии элементарных частиц.

Стандартная модель | CERN

Частицы материи

Вся материя вокруг нас состоит из элементарных частиц, строительных блоков материи. Эти частицы бывают двух основных типов, называемых кварками и лептонами. Каждая группа состоит из шести частиц, которые связаны попарно, или «поколениями». Самые легкие и наиболее устойчивые частицы составляют первое поколение, тогда как более тяжелые и менее стабильные частицы принадлежат ко второму и третьему поколению. Вся стабильная материя во Вселенной состоит из частиц, принадлежащих к первому поколению; любые более тяжелые частицы быстро распадаются на более стабильные. Шесть кварков объединены в три поколения: «верхний кварк» и «нижний кварк» образуют первое поколение, за ним следуют «очаровательный кварк» и «странный кварк», затем «верхний кварк» и «нижний (или красивый) кварк». ) кварк». Кварки также бывают трех разных «цветов» и смешиваются только таким образом, чтобы образовывались бесцветные объекты. Шесть лептонов сходным образом устроены в три поколения — «электрон» и «электронное нейтрино», «мюон» и «мюонное нейтрино», «тау» и «тау-нейтрино». Электрон, мюон и тау обладают электрическим зарядом и значительной массой, тогда как нейтрино электрически нейтральны и имеют очень небольшую массу.

Силы и частицы-носители

Во Вселенной действуют четыре основных взаимодействия: сильное взаимодействие, слабое взаимодействие, электромагнитное взаимодействие и гравитационное взаимодействие. Они работают в разных диапазонах и имеют разную силу. Гравитация самая слабая, но она имеет бесконечный радиус действия. Электромагнитная сила также имеет бесконечный радиус действия, но она во много раз сильнее гравитации. Слабые и сильные взаимодействия действуют только на очень коротком расстоянии и доминируют только на уровне субатомных частиц. Слабое взаимодействие слабее сильного взаимодействия и электромагнитного взаимодействия, но все же намного сильнее гравитации. Сильное взаимодействие, как следует из названия, является самым сильным из всех четырех фундаментальных взаимодействий.

Три фундаментальные силы возникают в результате обмена частицами-носителями силы, которые принадлежат к более широкой группе, называемой «бозонами». Частицы вещества передают дискретное количество энергии, обмениваясь друг с другом бозонами. Каждому фундаментальному взаимодействию соответствует свой бозон — сильное взаимодействие переносится «глюоном», электромагнитное взаимодействие переносится «фотоном», а «бозоны W и Z» отвечают за слабое взаимодействие. Хотя это еще не найдено, «гравитон» должен быть соответствующей несущей силу гравитации частицей. Стандартная модель включает в себя электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия и все их частицы-носители и хорошо объясняет, как эти силы действуют на все частицы материи. Однако гравитация, наиболее знакомая нам в повседневной жизни сила, не является частью Стандартной модели, поскольку комфортное вписывание гравитации в эту структуру оказалось сложной задачей. Квантовую теорию, используемую для описания микромира, и общую теорию относительности, используемую для описания макромира, трудно уместить в единую структуру. Никому не удалось сделать их математически совместимыми в контексте Стандартной модели. Но, к счастью для физики элементарных частиц, когда дело доходит до мельчайших частиц, влияние гравитации настолько слабо, что им можно пренебречь. Только когда материя находится в массе, например, в масштабах человеческого тела или планет, доминирует эффект гравитации. Таким образом, Стандартная модель по-прежнему хорошо работает, несмотря на вынужденное исключение одной из фундаментальных сил.

Пока все хорошо, но…

…физикам еще не время закругляться. Несмотря на то, что Стандартная модель в настоящее время является лучшим описанием субатомного мира, она не объясняет полной картины. Теория включает только три из четырех фундаментальных сил, опуская гравитацию. Есть также важные вопросы, на которые она не дает ответов, такие как «Что такое темная материя?», или «Что случилось с антиматерией после Большого взрыва?», «Почему существует три поколения кварков и лептонов с такой разной массой?» шкала?» и более. Наконец, что не менее важно, это частица, называемая бозоном Хиггса, важный компонент Стандартной модели.

4 июля 2012 года эксперименты ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере (LHC) ЦЕРН объявили, что каждый из них наблюдал новую частицу с массой около 126 ГэВ. Эта частица согласуется с бозоном Хиггса, но потребуется дополнительная работа, чтобы определить, является ли она бозоном Хиггса, предсказанным Стандартной моделью. Бозон Хиггса, предложенный в Стандартной модели, является простейшим проявлением механизма Браута-Энглерта-Хиггса. Другие типы бозонов Хиггса предсказываются другими теориями, выходящими за рамки Стандартной модели.

8 октября 2013 года Нобелевская премия по физике была присуждена совместно Франсуа Энглеру и Питеру Хиггсу «за теоретическое открытие механизма, который способствует нашему пониманию происхождения массы субатомных частиц и который недавно был подтвержден открытием предсказанной фундаментальной частицы с помощью экспериментов ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере ЦЕРН».

Итак, хотя Стандартная модель точно описывает явления в своей области, она все же неполна. Возможно, это лишь часть более широкой картины, включающей новую физику, скрытую глубоко в субатомном мире или в темных уголках Вселенной. Новая информация из экспериментов на БАК поможет нам найти больше этих недостающих частей.

Путеводитель по Стандартной модели физики элементарных частиц для автостопщиков

На рубеже 4-го века до нашей эры греческий философ Демокрит уловил запах выпечки и подумал, что маленькие кусочки хлеба, должно быть, парят в воздухе и попадают ему в нос. Он назвал маленькие кусочки «атомами» (что означает «неразрезаемый») и представил их в виде крошечных сферических шариков.

Но атомы — это не маленькие твердые шарики. Они состоят из еще более мелких частиц, называемых частицами.

Лучшее описание ученых этих частиц и сил, управляющих их поведением, называется Стандартной моделью физики элементарных частиц или просто «Стандартной моделью».

Стандартная модель классифицирует все частицы природы так же, как периодическая таблица классифицирует элементы. Теория называется Стандартной моделью, потому что она настолько успешна, что стала «стандартной».

И нет, нет ни модели Economy, ни модели Deluxe.

Тем не менее, есть еще несколько недостатков, которые нужно исправить (а также пара серьезных упущений). Вот почему ее иногда называют «теорией почти всего».

С чего все началось?

Еще в начале 20-го века ученые думали, что в природе существует только три элементарные частицы: протоны и нейтроны, составляющие ядро ​​атома, и электроны, вращающиеся вокруг него.

Но в 1950-х и 1960-х годах физики начали сталкивать эти частицы друг с другом, и некоторые из них разбились. Оказалось, что внутри протонов и нейтронов есть еще более мелкие частицы.

Открыто много десятков новых частиц – и какое-то время никто не мог их объяснить. Физики назвали его «зоопарком частиц».

В 1970-х годах такие физики, как Мюррей Гелл-Манн, нашли порядок среди хаоса. Шаг, который они предприняли, был подобен тому, который предпринял русский химик Дмитрий Менделеев, чтобы найти порядок химических элементов в своей периодической таблице.

Новое упорядочение частиц объяснило многие свойства вновь открытых частиц, а также правильно предсказало некоторые новые.

Эти 17 элементарных частиц составляют Стандартную модель физики элементарных частиц. – МиссМД/Викисклад

Познакомьтесь с семьей

Частицы Стандартной модели составляют одну большую семью. Ваше первое знакомство может быть пугающим, немного похоже на посещение собрания с большим количеством дальних родственников, о которых вы никогда не слышали. Какими бы странными ни были эти кузены, важно помнить, что все они родственники.

Основы

Гелл-Манн и другие разделили частицы на две основные категории: фермионы и бозоны.

Фермионы, такие как электрон, составляют вещество, которое мы называем материей. Бозоны, такие как фотон, передают силы.

Фермионы снова подразделяются на два вида частиц в зависимости от сил, которые они ощущают. Это кварки и лептоны (см. ниже).

Силы природы

Частицы взаимодействуют друг с другом посредством четырех сил: электромагнетизма, сильного взаимодействия, слабого взаимодействия и гравитации.

Стандартная модель описывает первые три (гравитация в Стандартной модели отсутствует, как поясняется ниже).

Различные частицы взаимодействуют с помощью различных сил, подобно тому, как люди могут общаться на разных языках. Например, только кварки говорят на «глюоне». В то время как электроны могут говорить «фотон», а также «W-бозон» и «Z-бозон».

Электромагнетизм — это сила, которая удерживает электроны в атоме. Это передается фотонами.

Сильное взаимодействие удерживает ядра атомов вместе. Без него каждый атом во Вселенной самопроизвольно взорвался бы. Он передается глюонами.

Слабое взаимодействие вызывает радиоактивный распад. Он передается бозонами W и Z.

Фундаментальные частицы

Вся материя состоит из двух типов частиц, известных как кварки и лептоны.

Кварки : (фиолетовые частицы на рисунке) бывают шести «ароматов», все со странными названиями. Полезно видеть их парами, образующими три поколения. Это «верх» и «низ» (первое поколение), «очарованные» и «странные» (второе поколение), «верх» и «низ» (третье поколение).

В повседневной жизни важны только верхний и нижний кварки, потому что они производят протоны и нейтроны.

Остальные производят только «экзотическую» материю, которая слишком нестабильна для образования атомов. Физики могут создавать экзотическую материю в ускорителях частиц, но обычно она существует лишь доли секунды, прежде чем распадется.

Лептоны : существует шесть лептонов, наиболее известным из которых является электрон, крошечная фундаментальная частица с отрицательным зарядом.

Частицы мюона (второго поколения) и тау (третьего поколения) подобны более толстым версиям электрона. У них также есть отрицательный электрический заряд, но они слишком нестабильны, чтобы проявляться в обычном веществе.

Получайте новости о научных новостях прямо на свой почтовый ящик.

И каждой из этих частиц соответствует нейтрино без заряда.

Нейтрино заслуживают особого упоминания, потому что они, пожалуй, наименее изучены из всех частиц Стандартной модели.

Они быстры, но взаимодействуют только за счет слабого взаимодействия, что означает, что они могут легко пронестись сквозь планету. Они создаются в ядерных реакциях, таких как те, которые питают ядро ​​​​Солнца.

Адроны: составные частицы

Теперь, когда мы знаем основные частицы природы, мы можем начать складывать их друг с другом различными способами, чтобы получить более крупные частицы.

Наиболее важными составными частицами являются барионы, состоящие из трех кварков. Протоны и нейтроны — это оба вида барионов.

Крупнейший коллайдер частиц Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) сталкивает протоны. Поскольку протоны являются своего рода адроном, его называют Большим адронным коллайдером или БАК.

Антиматерия: двойная или ничего?

Насколько нам известно, все кварки и лептоны имеют близнецовые частицы антиматерии. Антиматерия похожа на материю, но имеет противоположный заряд. Например, у электрона есть двойник точно такой же массы, только с положительным зарядом вместо отрицательного. Когда частица материи встречается со своим близнецом из антиматерии, они обе аннигилируют в результате выброса чистой энергии.

Антивещество невероятно редко встречается во Вселенной, хотя и играет важную роль в технологии. Сканеры позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), например, используют аннигиляцию позитронов, чтобы заглянуть внутрь тела.

Одна из величайших загадок физики заключается в том, почему Вселенная почти полностью состоит из материи. Ответить на него пытаются многие физики элементарных частиц.

Атомы: соединения соединений

Хлеб, который понюхал Демокрит, состоит только из элементарных частиц первого поколения.

Верхние и нижние кварки связываются вместе сильным взаимодействием, образуя протоны и нейтроны, и сильное взаимодействие также склеивает их вместе, образуя ядро ​​атома.

Электроны вращаются вокруг ядра в порядке, определяемом квантовой механикой (см. наш учебник по квантовой физике, чтобы окончательно запутаться).

Хиггс: частица бога

Вы, наверное, заметили одиночку справа в таблице частиц – бозон Хиггса. Хиггс — это особый тип частиц, который придает другим фундаментальным частицам их массу.

Идея состоит в том, что поле существует повсюду в космосе. И когда частицы движутся в пространстве, они имеют тенденцию натыкаться на это поле, и это взаимодействие замедляет их (подобно тому, как двигаться в воде труднее, чем в воздухе). Именно это взаимодействие придает фундаментальным частицам их массу.

Некоторые частицы, такие как фотоны и глюоны, не взаимодействуют с полем Хиггса, поэтому не имеют массы.

Так же, как фотоны передают электромагнитную силу, бозон Хиггса передает поле Хиггса.

Бозон Хиггса был теоретической частицей до 2013 года, когда ЦЕРН объявил, что он наконец открыт, хотя ученые все еще не раскрывают его свойства.

Чего не хватает?

Гравитация

Самая большая дыра в Стандартной модели — отсутствие гравитации. Четвертая сила природы просто не вписывается в сложившуюся картину.

Гравитация также невероятно слаба по сравнению с другими силами (например, сильная сила в 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 раз сильнее гравитации).

Некоторые физики считают, что гравитация также передается частицей, называемой гравитоном, но пока нет доказательств существования этой частицы.

Масса нейтрино

Нейтрино настолько мала по сравнению со всеми другими частицами, что действительно требует объяснения. Возможно, нейтрино не получает свою массу от бозона Хиггса, как это делают другие частицы.

Темная материя: При наблюдении за Вселенной кажется, что огромная ее часть состоит из темной материи — нового вида материала, который не взаимодействует с обычной материей и поэтому, вероятно, полностью отсутствует в Стандартной модели.

Суперсимметрия

Некоторые физики ищут расширения Стандартной модели, чтобы объяснить эти загадки. Суперсимметрия — это такое расширение, при котором у каждой частицы есть еще один близнец с большей массой.

Некоторые из этих частиц очень слабо взаимодействуют с обычным веществом и поэтому могут быть хорошими кандидатами на роль темной материи.