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.

бозоны, фермионы, кварки и другие элементарные составляющие Вселенной — T&P

Из-за обширной терминологии большинство популярных книг и статей по физике элементарных частиц не углубляются дальше самого факта существования кварков.

Сложно что-либо обсуждать, если широкой аудитории не до конца понятны основные термины. Студент МФТИ и сотрудник лаборатории фундаментальных взаимодействий Владислав Лялин взял на себя функцию путеводителя в то, что называется Стандартной моделью, — главенствующую физическую теорию, объясняющую все известные науке частицы и их взаимодействие между собой, то есть устройство Вселенной на самом глубоком уровне.

Строение вещества

Владислав Лялин

Итак, все состоит из молекул, а молекулы состоят из атомов. Атом состоит из ядра и облаков электронов вокруг него, которые совершают куда более сложные движения, чем просто вращение. Ядро примерно в 10 тысяч раз меньше размера атома, хотя это и есть почти вся его масса, и состоит из протонов и нейтронов. Как правило, на этом большинство школьных курсов физики заканчиваются, но на этом не заканчивается физика. В 50-х годах прошлого века ученые знали о существовании пяти частиц, которые они называли элементарными. Это были протон, нейтрон, электрон, фотон и электронное нейтрино. Уже через несколько десятков лет (с появлением первых коллайдеров) частиц, которые стоило бы причислить к элементарным, стало несколько десятков, и это число только росло. Термин «элементарная частица» пришлось пересматривать — и заодно придумывать новую теорию, еще сильнее углубляться в строение вещества. Со временем была создана теория, названная Стандартной моделью, описывающая все известные взаимодействия (кроме гравитации).

Еще с древних времен материя и силы (взаимодействия) в физике были отделены. Эта идея присутствует и в Стандартной модели. Все элементарные частицы в ней делятся на «кирпичики материи» — фермионы и переносчики взаимодействия — бозоны. Эти классы частиц сильно отличаются друг от друга, одним из самых ярких отличий является отсутствие принципа запрета Паули у бозонов. Грубо говоря, в одной точке пространства может быть не более одного фермиона, но сколько угодно бозонов.

Бозоны

В Стандартной модели всего шесть элементарных бозонов. Фотон не обладает электрическим зарядом, он передает электромагнитное взаимодействие — то самое, которое связывает атомы в молекулы. Глюон передает сильное взаимодействие и обладает своим видом заряда (об этом еще будет сказано). Именно сильное взаимодействие отвечает за ядерные силы, скрепляющие протоны и нейтроны в ядрах. W+, W- и Z0 означает, что бозоны заряжены соответственно положительно, отрицательно и нейтрально (не заряжены). Они отвечают за так называемое слабое взаимодействие, которое умеет превращать одни частицы в другие. Самый простой пример слабого взаимодействия — распад нейтрона: один из кварков, составляющих нейтрон, излучает W-бозон и превращается в другой кварк, а W-бозон распадается на электрон и нейтрино.

Остается последний бозон — бозон Хиггса. Теоретически он был предсказан еще в 60-х годах прошлого века, но экспериментально его существование было доказано только в 2013 году. Он отвечает за инертную массу элементарных частиц — именно массу, ответственную за эффекты инерции, а не притяжения. Квантовой теории, которая связала бы и инерцию, и гравитацию, пока что нет.

Фермионы

Элементарных фермионов гораздо больше, чем элементарных бозонов. Их делят на два класса: лептоны и кварки. Они отличаются тем, что кварки участвуют в сильном взаимодействии, а лептоны — нет.

Лептоны

Лептоны бывают трех поколений, в каждом поколении два лептона — один заряженный и один нейтральный. Первое поколение: электрон и электронное нейтрино, второе — мюон и мюонное нейтрино, третье — тау-лептон и тау-нейтрино. Лептоны очень похожи друг на друга, мюоны и тау-лептоны (так же как и электроны) могут образовывать атомы, заменяя на орбиталях электроны. Главное их отличие — в массе: мюон в 207 раз тяжелее электрона, а тау-лептон в 17 раз тяжелее мюона. С нейтрино должна быть похожая история, но их массы настолько малы, что до сих пор не измерены. Эти массы точно ненулевые, доказательство этого факта было отмечено Нобелевской премией в 2015 году. Мюон и тау-лептон нестабильны: время жизни мюона примерно 0,2 миллисекунды (что на самом деле довольно долго), тау-лептон распадается примерно в 17 раз быстрее. Особенности нейтрино состоят в том, что они участвуют только в слабом взаимодействии, из-за этого их очень трудно засечь. Также они могут произвольно менять свой сорт: к примеру, электронное нейтрино может внезапно превратиться в мюонное, или наоборот. В отличие от бозонов, у лептонов существуют античастицы. Таким образом, всего лептонов не 6, а 12.

Кварки

В английском слово funny может иметь значения «забавный» и «странный». Вот кварки как раз и есть funny. Они забавно называются: верхний, нижний, странный, очарованный, прелестный и истинный. И они очень странно себя ведут. Существует три поколения кварков, по два кварка в каждом, и точно так же у них у всех существуют античастицы. Кварки участвуют как в электромагнитном и слабом взаимодействиях, так и в сильном. Для заметки: фермионы, участвующие в сильном взаимодействии, называются адронами; таким образом, адроны — это частицы, состоящие из кварков. Поэтому Большой адронный коллайдер, собственно, называется адронным: там сталкивают протоны или ядра атомов (адроны), но не электроны. Кварки любят образовываться в частицы из трех и двух кварков, но никогда не появляются по одному. В этом и заключается их странность. Частицы из трех кварков называют барионами, а из двух — мезонами.

© iStock

Почему они так делают? Это происходит из-за особенностей сильного взаимодействия, которое удерживает кварки в адронах. Сильное взаимодействие очень интересно: вместо одного заряда, как в электромагнитном, у сильного их бывает три. И оказывается, что существуют только нейтральные частицы, а нейтральной частица может быть, только если в ней есть либо три разных заряда одного знака, либо два одинаковых заряда разного знака. Из-за этой особенности (и для удобства) заряды начали называть красным, зеленым и синим, а соответствующие отрицательные заряды — антикрасным, антизеленым и антисиним. Получается, что если взять красный, зеленый и синий, мы получим белый, то есть нейтральный; если взять красный и антикрасный, мы тоже получим белый. Это легко запоминается, но стоит подчеркнуть, что это не имеет никакого отношения к цветам, к которым мы привыкли в жизни. Это просто красивая и удобная аналогия со смешиванием. В Стандартной модели каждый кварк может быть любого из трех цветов, а антикварк — любого из трех «антицветов». Получается, что ни один из кварков не может быть непосредственно зарегистрирован, ведь свободно существовать могут только бесцветные частицы, а кварки «раскрашены». Эта особенность их поведения называется конфайнментом, что с английского дословно переводится как «заточение».

Конфайнмент

Хорошо — допустим, что кварки не могут существовать свободно. Но что если просто взять мезон, состоящий из двух кварков, и разорвать его на две части? Не получим ли мы два кварка? (На самом деле нет.) Представьте, что мезон очень сильно растягивают. В отличие от электромагнитного, сильное взаимодействие тем сильнее до определенного предела, чем взаимодействующие частицы дальше друг от друга. Это похоже на пружину: чем сильнее ее растягивать, тем сильнее она будет сжиматься и тем больше у нее будет энергии. Чтобы сильнее стягивать кварки, сильное взаимодействие создает новые глюоны. И чем дальше мы их растягиваем, тем больше глюонов создается. Но в какой-то момент энергия этих созданных глюонов становится настолько большой, что выгоднее становится создать новую пару кварк-антикварк, чем продолжать плодить глюоны. Много глюонов исчезает, вместо них появляются кварк и антикварк. В момент появления кварк-антикварковой пары из четырех кварков создаются два мезона, каждый из которых бесцветен.

Может показаться, что теория замкнута сама на себе и что кварков на самом деле не существует, а конфайнмент, по сути, костыль, который придумали только для того, чтобы прекратить поиски кварков; что это просто удобная модель, которая не имеет под собой физического обоснования. Долгое время в научных кругах ходила такая мысль. Однако поздние теоретические исследования и недавние экспериментальные показывают, что при определенных условиях кварки могут покидать адроны. Более того, это состояние материи существовало практически сразу после большого взрыва, и только после сильного охлаждения кварки связались в адроны. Такое состояние материи сейчас исследуют на Большом адронном коллайдере в эксперименте ALICE. Для его получения нужна температура в два триллиона градусов. Это состояние материи называется кварк-глюонной плазмой.

Для понимания, что есть кварк-глюонная плазма, стоит провести аналогию. Представьте себе воду в невесомости. Она находится в жидком агрегатном состоянии, и из-за сил поверхностного натяжения она имеет вид шара — можно сказать, что она заточена в этот шар. Начнем повышать температуру. Когда она достигнет 100 градусов, вода начнет кипеть, активно испаряться и со временем полностью станет паром, у которого уже не будет силы поверхностного натяжения. Явление превращения воды в пар называется фазовым переходом. Если продолжить нагревать пар, то примерно при 1 400 градусах молекулы воды разделятся на водород и кислород — сдиссоциируют, — и вода станет смесью кислородной и водородной плазм. Это еще один фазовый переход. Теперь возьмем газ — но не из молекул воды, а из адронов — и начнем его нагревать. Придется нагревать весьма сильно, потому что для фазового перехода нужна температура примерно в два триллиона градусов. При такой температуре адроны как бы «диссоциируют» в свободные кварки и глюоны. Таким образом, адрон совершит фазовый переход в состояние кварк-глюонной плазмы. Это явление называется деконфайнментом, то есть процессом освобождения кварков из адронов.

В поисках теории всего

Последнего экспериментального подтверждения Стандартная модель ждала около 50 лет, но теперь бозон Хиггса найден — что дальше? Можно ли думать, что великие открытия закончились? Конечно, нет. Стандартная модель изначально не претендовала на звание теории всего (ведь она не включает в себя описание гравитации). Более того, в декабре прошлого года ATLAS и CMS в коллаборации опубликовали статьи о возможном обнаружении новой тяжелой частицы, не вписывающейся в Стандартную модель. И физики не грустят, а, наоборот, рады, ведь сам Большой адронный коллайдер строили не для того, чтобы подтверждать уже известное, а чтобы открывать новое. И так же «новая физика» не говорит о том, что Стандартная модель будет вычеркнута и предана анафеме. Мы ученые, и если что-то точно работает (а Стандартная модель это доказала), то оно должно быть частным случаем любой новой теории, иначе новая теория будет противоречить старым экспериментам. Для примера: механика Ньютона является прекрасной моделью для описания движения с низкими (значительно меньше скорости света) скоростями — несмотря на то, что сейчас мы знаем специальную теорию относительности. Точно так же, когда появятся новые модели (или модификации Стандартной), будут существовать условия, при которых будет верно то, что мы знаем сейчас.

Не пропустите следующую лекцию:

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 должны парить в воздухе и попадать 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.

Однако есть еще несколько недочетов, 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 существуют 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 фундаментальных 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 благодаря слабому взаимодействию, 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 вместе 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.

Точно 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 обнаружен, 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.

Ознакомьтесь с последними исследованиями Стандартной модели физики элементарных частиц:

• Еще один вызов Стандартной модели: странные W-бозоны
• Аномальный результат эксперимента предполагает, что физикам, возможно, придется переосмыслить скромное нейтрино
• Могут ли мюоны переписать законы физики?

Как Стандартная модель физики элементарных частиц объясняет наш мир

Со стороны может показаться, что высокоскоростные столкновения атомных ядер в ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРН, имеют очень мало общего с более мирские предметы, такие как ваш утренний кофе или пушистые тапочки. Однако на субатомном уровне ваша любимая кружка состоит точно из того же материала, который разбивается на БАК, и все это может вписаться в четкую структуру, которую физики называют Стандартной моделью физики элементарных частиц.

Стандартная модель, утвержденная в 1970-х годах, состоит из 17 фундаментальных частиц, составляющих большую часть (но не всю) материи во Вселенной. Эти 17 частиц можно разделить на два основных лагеря: «фермионы» и «бозоны». Грубо говоря, вы можете думать о фермионах как о «веществе» материи, а о бозонах — как о силах, перемещающих это вещество. В семействе фермионов есть шесть «лептонов», включая электроны, и шесть частиц, называемых «кварками».

Концептуальная иллюстрация, показывающая частицы Стандартной модели с их более тяжелыми суперпартнерами, представленными принципом суперсимметрии (SUSY). В суперсимметрии сила и материя трактуются одинаково. Используя суперсимметрию, физики могут найти решения множества проблем, таких как слабость гравитации, малая масса бозона Хиггса, объединение сил или даже темная материя.

MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY//Getty Images

Хотя в школе нас учат, что материя состоит из протонов, нейтронов и электронов, только одна из этих частиц считается «фундаментальной», то есть ее нельзя разбить на части. более мелкие кусочки. Из-за этого только электроны могут быть классифицированы как фундаментальные лептонные частицы, а протоны и нейтроны вместо этого представлены соответствующими кварками. В частности, протоны и нейтроны представляют собой смесь «верхних» и «нижних» кварков.

В дикой природе физики чаще всего наблюдают именно эти верхние и нижние кварки, но есть также четыре других разновидности этих кварков, которые становятся все более тяжелыми и менее стабильными. Что касается верха, у вас также есть «очаровательные» и «верхние» кварки, а для нижнего — «странные» и «нижние» кварки.

Семейство лептонов также включает своего рода «сверхлегкие» частицы, называемые «нейтрино», которые бывают трех разновидностей, связанных с другими некварковыми лептонами: тау-нейтрино, мюонное нейтрино и электронное нейтрино. («Аромат» — это название, которое физики дают разным версиям частиц одного и того же типа.) Нейтрино часто называют частицей-призраком, потому что они редко взаимодействуют с другим веществом и могут быть обнаружены только по следам, которые они оставляют после себя. .

Вместе лептоны и кварки составляют всю материю, с которой мы взаимодействуем в нашей Вселенной. Однако эти частицы были бы ничем без бозонов, которые перемещали бы их или скрепляли вместе. Для всех 12 фермионов существует только пять известных бозонов:

• Фотоны , которые переносят электромагнитное взаимодействие
• Глюоны , которые удерживают кварки друг с другом с сильным взаимодействием, помогающим создавать атомы
• W и Z бозоны , ответственные за слабое взаимодействие и радиоактивный распад
• Хиггс , последнее дополнение к группе, которое придает массу другим частицам

В целом, эти бозоны создают четыре из пяти фундаментальных сил, за исключением гравитации. Поскольку эффект гравитации на субатомном уровне настолько мал, что он не может легко вписаться в рамки Стандартной модели, несмотря на все усилия физиков.

Исключение гравитации из этой семейной картины — лишь одна из нескольких проблем Стандартной модели, заставляющих все больше и больше физиков полагать, что ее господство в качестве окончательной физической теории, возможно, ослабевает. В дополнение к тому, что Стандартная модель не учитывает гравитацию, она также не предлагает объяснения огромного количества темной энергии и темной материи, составляющих 95 процентов Вселенной , по данным НАСА.

🤯 Еще одна умопомрачительная физика

• Информация может быть пятым состоянием материи, доказывающим, что мы живем в симуляции
• Ученые говорят, что Вселенная может изменить законы физики сама по себе Некоторые ученые говорят, что существуют вообще
• Ученые говорят, что существует «антивселенная», которая движется назад во времени
• Черные дыры — доказательство того, что мы живем в голографической Вселенной

В других областях физики элементарных частиц, таких как исследование нейтрино , ходят слухи о наблюдениях за поведением частиц, которые не совсем совпадают с предсказаниями Стандартной модели. Означает ли это, что всю модель следует выбросить? Возможно нет. Однако это означает, что физики все больше заинтересованы в том, чтобы выйти за рамки физики Стандартной модели, то есть в поисках того, какие виды неизвестных сил также могут влиять на эти частицы. В ходе третьего запуска, начавшегося ранее в этом месяце, БАК искать некоторые из этих несоответствий.

В зависимости от того, что обнаружат физики в ближайшие годы, наше понимание субатомного мира и самой Вселенной может измениться навсегда.

Сара Уэллс

Сара — журналист, работающий в области науки и технологий, из Бостона, интересуется тем, как инновации и исследования пересекаются с нашей повседневной жизнью. Она писала для ряда национальных изданий и освещала новости инноваций по адресу Inverse 9.0146 .

Что такое Стандартная модель физики элементарных частиц?

К середине 20-го века физики начали понимать фундаментальную структуру материи до такой степени, что понадобилась теория, описывающая частицы Вселенной, взаимодействия между ними и силы, управляющие этими взаимодействиями. Эта теория была Стандартной моделью физики элементарных частиц или просто Стандартной моделью для краткости.

Впервые разработанная в 1970-х годах, Стандартная модель будет использоваться для предсказания широкого спектра явлений, решения различных экспериментальных задач, прежде чем будет подтверждена открытием бозона Хиггса в 2012 году. Тем не менее, столь же успешная и плодотворная теория, как и Стандартная модель не может объяснить всего. Гравитация все еще избегает ограничений Стандартной модели, и физики уловили дразнящие проблески физики за пределами теории.

Прежде чем эти проблески могут быть подтверждены и откроется новая глава в физике, давайте совершим путешествие по зоопарку частиц и откроем чудеса Стандартной модели.

Реклама

Содержание

• 1 Материалы вещества
• 2 Силовые носители
• 3 За пределами стандартной модели
• 4 Источники и дальнейшее чтение

Партия

9000 2

.

ВОПРОСА

9000 2

. строительные блоки, называемые элементарными частицами. Из этих строительных блоков есть два основных семейства; фермионы и бозоны.

Два основных класса фермионов — это лептоны и кварки. В каждой из этих групп есть шесть частиц, которые группируются в три пары, которые физики называют поколениями.

Лептоны и кварки первого поколения состоят из самых легких и стабильных частиц. Это частицы, ответственные за формирование наиболее знакомых нам элементов Вселенной — звезд, планет, лун и нас самих. Второе и третье поколения состоят из все более массивных и менее стабильных частиц. Чем больше масса этих частиц, тем быстрее они распадаются на своих более легких собратьев.

Начать с кварков — это простой способ представить некоторые качества и значения, связанные с частицами в Стандартной модели. Одна вещь, которую вы заметите, это интересное соглашение об именах для этих качеств. Они отражают вещи, с которыми мы обычно сталкиваемся в повседневном макроскопическом мире, такие как вкус, цвет и вращение, но на самом деле их не следует путать с этими вещами.

Итак, давайте сделаем кварки первой остановкой в ​​нашей прогулке по зоопарку частиц.

РЕКЛАМА

Кварки

Шесть кварков, составляющих это семейство частиц, известны как верхние и нижние кварки, которые составляют первое поколение кварков, второе состоит из более массивных очаровательных и странных кварков. А третье поколение содержит самые массивные частицы, известные как верхний и нижний кварки.

Они широко известны как «ароматы» кварков, каждый из которых имеет свой собственный антикварк. Конечно, я дала вам понять, что это название не имеет ничего общего со вкусом этих кварков!

Из четырех фундаментальных взаимодействий кварки «чувствуют» электромагнетизм, сильное и слабое ядерное взаимодействие и гравитацию, но последняя слишком слаба, чтобы влиять на крошечную массу кварков.

Сильное ядерное взаимодействие связывает кварки в нуклоны, в то время как слабое ядерное взаимодействие может фактически заставить кварки менять ароматы, что мы рассмотрим далее, когда доберемся до переносящих взаимодействие частиц.

Но эти элементарные частицы бывают не только вкусовыми, но и «цветными».0003

Именно это качество — опять же, не имеет ничего общего с длиной световой волны, кварки достаточно велики, чтобы отражать свет таким образом, чтобы иметь обычный цвет — определяет, как кварки собираются вместе, образуя другие, более массивные частицы.

Incnis Mrsi/CC-by-SA 3.0

Кварки объединяются в частицы, называемые барионами, наиболее распространенными из которых являются протоны и нейтроны, образующие элементы и материю, с которыми мы взаимодействуем в повседневной жизни.

Протоны состоят из одного нижнего кварка и двух верхних кварков, а нейтроны состоят из двух нижних кварков и одного верхнего кварка.

Диаграмма показывает, как кварки обычно вписываются в наше понимание крошечных частиц. (udaix/Shutterstock)

Принимая во внимание эти схемы и тот факт, что каждый аромат кварка имеет свой собственный заряд, легко понять, почему протон имеет положительный заряд, а нейтрон нейтрален. Также должно быть очевидно, что когда слабое ядерное взаимодействие заставляет верхний кварк переключаться на нижний кварк, оно также заряжает нуклон, частью которого он является, с протона на нейтрон.

Существует множество других экзотических структур кварков, таких как мезоны, состоящие из кварка и его антикварка, а также тетра- и пентакварки, состоящие из трех и пяти кварков соответственно.

Рассмотрение того, как кварки собираются вместе, чтобы сформировать частицы, важно, потому что, несмотря на то, что они являются фундаментальными частицами, кварки блуждают по зоопарку частиц сами по себе. Они всегда находятся в скоплениях.

Существует еще одно важное качество элементарных частиц, которое необходимо учитывать — и да, так же, как и «вкус» и «цвет» имеют несколько вводящее в заблуждение название — эти частицы также имеют «спин».

Это должно’ t можно рассматривать как представление частицы, постоянно вращающейся. Это скорее описание того, как частица реагирует на взаимодействие с магнитным полем.

Кварки, как и все фермионы, представляют собой частицы со спином 1/2 и описываются как имеющие «верхний» или «нижний» спин. В отличие от вращения макроскопического объекта, скажем, футбольного мяча после удара, вращение элементарных частиц не меняется.

Лептоны

Как и кварки, лептоны — частицы со спином 1/2. Они также бывают шести вкусов и трех поколений. Но, в отличие от кварков, лептоны свободно блуждают по зоопарку частиц в одиночестве. Самый известный лептон, возможно, является и самой известной фундаментальной частицей. Электрон – частица I поколения с зарядом – эл.

Лептоны также можно разделить на две группы; заряженные, которые включают электроны и электроноподобные мюоны, и незаряженные лептоны, такие как нейтрино. Заряженные лептоны также обладают большей массой, чем их незаряженные собратья. Причина, по которой незаряженные лептоны имеют такие меньшие массы, не объясняется Стандартной моделью физики элементарных частиц, и для этого требуется расширение модели.

Отсутствие заряда и практическая нехватка массы нейтрино привели к тому, что их назвали «частицами-призраками», а это означает, что сотни тысяч из них могут ежесекундно проходить через каждый квадратный дюйм вашего тела без малейшего взаимодействия с материей, которая сочиняет тебя.

Как и у кварков, у каждой частицы есть своя античастица, в том числе, пожалуй, самый известный пример такой симметрии – античастица электрона, позитрон. Одна из возможных особенностей этой симметрии заключается в том, что нейтрино могут быть сами по себе античастицами.

Как и кварки, лептоны взаимодействуют с гравитацией и электромагнитным взаимодействием, но в отличие от кварков лептоны не испытывают сильного ядерного взаимодействия.

Лептоны подчиняются принципу запрета Паули. Это означает, что никакие две частицы не могут иметь одинаковые квантовые числа. Это ключ к ряду химических элементов, существующих во Вселенной, поскольку он заставляет электроны занимать все более энергетические оболочки вокруг атомного ядра. Количество валентных электронов во внешней оболочке элемента определяет химические свойства, которыми будет обладать элемент.

Принцип запрета Паули может быть нарушен. Это явление защищает нейтронную звезду от превращения в черную дыру, но когда ее масса превышает определенную массу, она больше не может полагаться на это для защиты от полного гравитационного коллапса.

Носители Силы

Во Вселенной существуют четыре основных взаимодействия, о которых мы знаем в настоящее время: сильное взаимодействие, слабое взаимодействие, электромагнитное взаимодействие и гравитационное взаимодействие. Все эти силы действуют на разных расстояниях с разной силой. Например, гравитация — самая слабая из взаимодействий — хотя на самом деле существует сила, явно называемая «слабой силой», — но она действует на потенциально бесконечном расстоянии. Между тем, электромагнитная сила также работает на больших расстояниях, но она намного мощнее, чем сила гравитации.

Сильные и слабые ядерные взаимодействия действуют на гораздо меньших расстояниях; доминирующие силы для субатомных частиц. Как следует из названия, сильное взаимодействие является самым сильным из всех четырех взаимодействий, в то время как слабое взаимодействие является самым слабым за исключением гравитации.

Мы уверены, что три из четырех фундаментальных взаимодействий — электромагнетизм, сильное и слабое взаимодействие — передаются частицами-носителями, называемыми бозонами. Частицы обмениваются этими бозонами, чтобы передать эти силы.

В отличие от лептонов и кварков, известных под общим названием фермионы, бозоны имеют полный целочисленный спин. Это означает, что они не обязаны подчиняться принципу исключения Паули.

Электромагнитная сила переносится самой знакомой из этих частиц – фотоном. Сильное взаимодействие, которое «склеивает» кварки вместе в протонах и нейтронах, передается глюонами, а слабое взаимодействие, которое влияет на изменение вкуса частиц, передается бозонами W и Z.

А гравитация?

Проще говоря, сила, с которой мы лучше всего знакомы и ощущаем каждый момент каждого дня, не является частью Стандартной модели. Физики думают, что эта посторонняя сила также передается бозоном, которому они дали предварительное название гравитон. Однако пока нет никаких экспериментальных признаков этого гипотетического бозона. Поэтому его пока нельзя увидеть в нашем зоопарке частиц.

Исключение гравитации не является серьезной проблемой для физики элементарных частиц, потому что модель имеет дело с частицами, которые настолько малы, а гравитация настолько слаба, что сила на самом деле не оказывает влияния на этот субатомный мир. .

Но это упущение говорит нам о том, что, несмотря на свою важность и тот факт, что она была экспериментально подтверждена на впечатляющем уровне и теперь может предсказывать результаты широкого круга экспериментов, Стандартная модель ни в коем случае не является полное описание физического мира.

Это означает, что нам нужны расширения этой модели, чтобы получить более точное описание. Проблема в том, что никто не может прийти к единому мнению о том, как должны выглядеть эти расширения.

За пределами Стандартной модели

Сила гравитации — не единственный элемент Вселенной, который физики пока не могут втиснуть в Стандартную модель. Несмотря на то, что эта теория прекрасно описывает субатомные частицы, она не может объяснить темную материю. Поскольку эта таинственная форма материи, которая не состоит из барионов, таких как протоны и нейтроны, составляет около 85% массы известной Вселенной, это существенный недостаток.

Точно так же модель не может объяснить, почему во Вселенной доминирует материя, а не антиматерия. Процессы, при которых рождающиеся частицы производят материю и антиматерию в равных количествах. Если бы Вселенная началась с этих сбалансированных частиц, они, вероятно, встретились бы и аннигилировали друг друга до того, как крупномасштабная структура получила возможность сформироваться. Это означает, что должна быть какая-то причина, выходящая за рамки Стандартной модели, по которой Вселенная изначально благоприятствовала материи и допустила дисбаланс.

Обнаружение бозона Хиггса детектором CMS на БАК должно было завершить Стандартную модель, но частица не совсем такая, как предсказывала теория (ЦЕРН)

Другая потенциальная проблема со Стандартной моделью может возникнуть из-за частицы, которая, как было объявлено, отмечает ее завершение: бозон Хиггса.

Считается, что эта частица возникает из поля Хиггса и придает массу большинству частиц. Но Стандартная модель — не единственная теория, утверждающая существование бозона Хиггса. Частица Хиггса, предложенная этой теорией, является простейшей версией. Частица, измеренная детектором CMS на Большом адронном коллайдере (БАК), безусловно, соответствует описанию, данному Стандартной моделью, но это не идеальное соответствие.

Это означает, что даже если мы создадим больше бозонов Хиггса на БАК и продолжим узнавать больше об этой частице, остается возможность обнаружить, что она лучше соответствует другой теории.

Одним из наиболее хорошо поддерживаемых расширений Стандартной модели является Суперсимметрия (SUSY). Это предполагает связь между фермионами и бозонами и предполагает, что у всех частиц есть суперпартнер — или счастица — с одинаковой массой и квантовыми числами, но со спином, отличающимся на 1/2.

Это означает, что каждая 1/2 лептона является партнером-слептоном с полным целым спином, или, проще говоря, бозоном. Итак, для электрона SUSY постулирует слептон с той же массой, зарядом, но со спином 1, а не 1/2, называемый селектроном. Для кварков есть скварки и так далее.

SUSY может предоставить кандидата на темную материю, поскольку самая легкая частица, предложенная расширением Стандартной модели, если бы она существовала, была бы точной копией темной материи.

К сожалению, несмотря на некоторые дразнящие намеки на физику за пределами Стандартной модели физики элементарных частиц, эксперименты до сих пор не выявили ничего существенного. В частности, для SUSY частицы, которые должны рождаться при столкновениях на LHC, до сих пор не обнаружены.

По крайней мере до тех пор, пока на БАК не будет завершена модернизация с высокой светимостью, что обеспечит больше столкновений и, следовательно, больше шансов обнаружить экзотические явления, Стандартная модель останется нашим лучшим, хотя и неполным, описанием субатомного мира.