Стандартная модель: Стандартная модель • Физика элементарных частиц • LHC на «Элементах» |

Содержание

Стандартная модель • Физика элементарных частиц • LHC на «Элементах»

Стандартная модель — это современная теория строения и взаимодействий элементарных частиц, многократно проверенная экспериментально. Эта теория базируется на очень небольшом количестве постулатов и позволяет теоретически предсказывать свойства тысяч различных процессов в мире элементарных частиц. В подавляющем большинстве случаев эти предсказания подтверждаются экспериментом, иногда с исключительно высокой точностью, а те редкие случаи, когда предсказания Стандартной модели расходятся с опытом, становятся предметом жарких споров.

Стандартная модель — это та граница, которая отделяет достоверно известное от гипотетического в мире элементарных частиц. Несмотря на впечатляющий успех в описании экспериментов, Стандартная модель не может считаться окончательной теорией элементарных частиц. Физики уверены, что она должна быть частью некоторой более глубокой теории строения микромира. Что это за теория — достоверно пока неизвестно. Теоретики разработали большое число кандидатов на такую теорию, но только эксперимент должен показать, что из них отвечает реальной ситуации, сложившейся в нашей Вселенной. Именно поэтому физики настойчиво ищут любые отклонения от Стандартной модели, любые частицы, силы или эффекты, которые Стандартной моделью не предсказываются. Все эти явления ученые обобщенно называют «Новая физика»; именно поиск Новой физики и составляет главную задачу Большого адронного коллайдера.

(Подробнее про физику за пределами Стандартной модели)

Основные компоненты Стандартной модели

Рабочим инструментом Стандартной модели является квантовая теория поля — теория, приходящая на смену квантовой механике при скоростях, близких к скорости света. Ключевые объекты в ней не частицы, как в классической механике, и не «частицы-волны», как в квантовой механике, а квантовые поля: электронное, мюонное, электромагнитное, кварковое и т. д. — по одному для каждого сорта «сущностей микромира».

И вакуум, и то, что мы воспринимаем как отдельные частицы, и более сложные образования, которые нельзя свести к отдельным частицам, — всё это описывается как разные состояния полей. Когда физики употребляют слово «частица», они на самом деле имеют в виду именно эти состояния полей, а не отдельные точечные объекты.

Стандартная модель включает в себя следующие основные ингредиенты:

Набор фундаментальных «кирпичиков» материи — шесть сортов лептонов и шесть сортов кварков. Все эти частицы являются фермионами со спином 1/2 и очень естественным образом организуются в три поколения. Многочисленные адроны — составные частицы, участвующие в сильном взаимодействии, — составлены из кварков в разных комбинациях.
Три типа сил, действующих между фундаментальными фермионами, — электромагнитные, слабые и сильные. Слабое и электромагнитное взаимодействия являются двумя сторонами единого электрослабого взаимодействия. Сильное взаимодействие стоит отдельно, и именно оно связывает кварки в адроны.
Все эти силы описываются на основе калибровочного принципа — они не вводятся в теорию «насильно», а словно возникают сами собой в результате требования симметричности теории относительно определенных преобразований. Отдельные виды симметричности порождают сильное и электрослабое взаимодействия.
Несмотря на то что в самой теории имеется электрослабая симметрия, в нашем мире она самопроизвольно нарушается. Спонтанное нарушение электрослабой симметрии — необходимый элемент теории, и в рамках Стандартной модели нарушение происходит за счет хиггсовского механизма.
Численные значения для примерно двух десятков констант: это массы фундаментальных фермионов, численные значения констант связи взаимодействий, которые характеризуют их силу, и некоторые другие величины. Все они раз и навсегда извлекаются из сравнения с опытом и при дальнейших вычислениях уже не подгоняются.

Кроме того, Стандартная модель — перенормируемая теория, то есть все эти элементы вводятся в нее таким самосогласованным способом, который, в принципе, позволяет проводить вычисления с нужной степенью точности. Впрочем, зачастую вычисления с желаемой степенью точностью оказываются неподъемно сложными, но это проблема не самой теории, а, скорее, наших вычислительных способностей.

Что может и чего не может Стандартная модель

Стандартная модель — это, во многом, описательная теория. Она не дает ответы на многие вопросы, начинающиеся с «почему»: почему частиц именно столько и именно таких? откуда взялись именно эти взаимодействия и именно с такими свойствами? зачем природе понадобилось создавать три поколения фермионов? почему численные значения параметров именно такие? Кроме того, Стандартная модель не способна описать некоторые явления, наблюдаемые в природе. В частности, в ней нет места массам нейтрино и частицам темной материи. Стандартная модель не учитывает гравитацию и неизвестно, что с этой теорией происходит на планковском масштабе энергий, когда гравитация становится чрезвычайно важной.

(Подробнее про трудности Стандартной модели)

Если же использовать Стандартную модель по своему назначению, для предсказания результатов столкновений элементарных частиц, то она позволяет, в зависимости от конкретного процесса, выполнять вычисления с разной степенью точности.

Для электромагнитных явлений (рассеяние электронов, энергетические уровни) точность может достигать миллионных долей и даже лучше. Рекорд тут держит аномальный магнитный момент электрона, который вычислен с точностью лучше одной миллиардной.
Многие высокоэнергетические процессы, которые протекают за счет электрослабых взаимодействий, вычисляются с точностью лучше процента.
Хуже всего поддается расчету сильное взаимодействие при не слишком высоких энергиях. Точность расчета таких процессов сильно варьируется: в одних случаях она может достигать процентов, в других случаях разные теоретические подходы могут давать ответы, различающиеся в несколько раз.

Стоит подчеркнуть, что тот факт, что некоторые процессы тяжело рассчитать с нужной точностью, не означает, что «теория плохая». Просто она очень сложная, и нынешних математических приемов пока не хватает, чтоб проследить все ее следствия. В частности, одна из знаменитых математических Задач тысячелетия касается проблемы конфайнмента в квантовой теории с неабелевым калибровочным взаимодействием.

Дополнительная литература:

Базовые сведения о хиггсовском механизме можно найти в книге Л. Б. Окуня «Физика элементарных частиц» (на уровне слов и картинок) и «Лептоны и кварки» (на серьезном, но доступном уровне).

Стандартная модель • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания»

Стандартной моделью сегодня принято называть теорию, наилучшим образом отражающую наши представления об исходном материале, из которого изначально построена Вселенная. Она же описывает, как именно материя образуется из этих базовых компонентов, и силы и механизмы взаимодействия между ними (см. также Кварки и восьмеричный путь, Универсальные теории и Элементарные частицы).

Со структурной точки зрения элементарные частицы, из которых состоят атомные ядра (нуклоны), и вообще все тяжелые частицы — адроны (барионы и мезоны) — состоят из еще более простых частиц, которые принято называть фундаментальными. В этой роли по-настоящему фундаментальных первичных элементов материи выступают кварки, электрический заряд которых равен 2/3 или –1/3 единичного положительного заряда протона. Самые распространенные и легкие кварки называют верхним и нижним и обозначают, соответственно, u (от английского up) и d (down). Иногда их же называют протонным и нейтронным кварком по причине того, что протон состоит из комбинации uud, а нейтрон — udd. Верхний кварк имеет заряд 2/3; нижний — отрицательный заряд –1/3. Поскольку протон состоит из двух верхних и одного нижнего, а нейтрон — из одного верхнего и двух нижних кварков, вы можете самостоятельно убедиться, что суммарный заряд протона и нейтрона получается строго равным 1 и 0, и удостовериться, что в этом Стандартная модель адекватно описывает реальность. Две другие пары кварков входят в состав более экзотических частиц. Кварки из второй пары называют очарованным — c (от charmed) и странным — s (от strange). Третью пару составляют истинный — t (от truth, или в англ. традиции top) и красивый — b (от beauty, или в англ. традиции bottom) кварки. Практически все частицы, предсказываемые Стандартной моделью и состоящие из различных комбинаций кварков, уже открыты экспериментально.

Другой строительный набор состоит из кирпичиков, называемых лептонами. Самый распространенный из лептонов — давно нам знакомый электрон, входящий в структуру атомов, но не участвующий в ядерных взаимодействиях, ограничиваясь межатомными. Помимо него (и парной ему античастицы под названием позитрон) к лептонам относятся более тяжелые частицы — мюон и тау-лептон с их античастицами. Кроме того, каждому лептону сопоставлена своя незаряженная частица с нулевой (или практически нулевой) массой покоя; такие частицы называются, соответственно, электронное, мюонное или таонное нейтрино.

Итак, лептоны, подобно кваркам, также образуют три «семейных пары». Такая симметрия не ускользнула от наблюдательных глаз теоретиков, однако убедительного объяснения ей до сих пор не предложено. Как бы то ни было, кварки и лептоны представляют собой основной строительный материал Вселенной.

Чтобы понять оборотную сторону медали — характер сил взаимодействия между кварками и лептонами, — нужно понять, как современные физики-теоретики интерпретируют само понятие силы. В этом нам поможет аналогия. Представьте себе двух лодочников, гребущих на встречных курсах по реке Кэм в Кэмбридже. Один гребец от щедрости душевной решил угостить коллегу шампанским и, когда они проплывали друг мимо друга, кинул ему полную бутылку шампанского. В результате действия закона сохранения импульса, когда первый гребец кинул бутылку, курс его лодки отклонился от прямолинейного в противоположную сторону, а когда второй гребец поймал бутылку, ее импульс передался ему, и вторая лодка также отклонилась от прямолинейного курса, но уже в противоположную сторону. Таким образом, в результате обмена шампанским обе лодки изменили направление. Согласно законам механики Ньютона это означает, что между лодками произошло силовое взаимодействие. Но ведь лодки не вступали между собой в прямое соприкосновение? Здесь мы и видим наглядно, и понимаем интуитивно, что сила взаимодействия между лодками была передана носителем импульса — бутылкой шампанского. Физики назвали бы ее переносчиком взаимодействия.

В точности так же и силовые взаимодействия между частицами происходят посредством обмена частицами-переносчиками этих взаимодействий. Фактически, различие между фундаментальными силами взаимодействия между частицами мы и проводим лишь постольку, поскольку в роли переносчиков этих взаимодействий выступают разные частицы. Таких взаимодействий четыре: сильное (именно оно удерживает кварки внутри частиц), электромагнитное, слабое (именно оно приводит к некоторым формам радиоактивного распада) и гравитационное. Переносчиками сильного цветового взаимодействия являются глюоны, не обладающие ни массой, ни электрическим зарядом. Этот тип взаимодействия описывается квантовой хромодинамикой. Электромагнитное взаимодействие происходит посредством обмена квантами электромагнитного излучения, которые называются фотонами и также лишены массы. Слабое взаимодействие, напротив, передается массивными векторными или калибровочными бозонами, которые «весят» в 80-90 раз больше протона, — в лабораторных условиях их впервые удалось обнаружить лишь в начале 1980-х годов. Наконец, гравитационное взаимодействие передается посредством обмена не обладающими собственной массой гравитонами — этих посредников пока что экспериментально обнаружить не удалось.

В рамках Стандартной модели первые три типа фундаментальных взаимодействий удалось объединить, и они более не рассматриваются по отдельности, а считаются тремя различными проявлениями силы единой природы. Возвращаясь к аналогии, предположим, что другая пара гребцов, проплывая друг мимо друга по реке Кэм, обменялась не бутылкой шампанского, а всего лишь стаканчиком мороженого. От этого лодки также отклонятся от курса в противоположные стороны, но значительно слабее. Стороннему наблюдателю может показаться, что в этих двух случаях между лодками действовали разные силы: в первом случае произошел обмен жидкостью (бутылку я предлагаю во внимание не принимать, поскольку большинству из нас интересно ее содержимое), а во втором — твердым телом (мороженым). А теперь представьте, что в Кембридже в тот день стояла редкостная для северных мест летняя жара, и мороженое в полете растаяло. То есть, достаточно некоторого повышения температуры, чтобы понять, что, фактически, взаимодействие не зависит от того, жидкое или твердое тело выступает в роли его переносчика. Единственная причина, по которой нам представлялось, что между лодками действуют различные силы, состояла во внешнем отличии переносчика-мороженого, вызванном недостаточной для его плавления температурой. Поднимите температуру — и силы взаимодействия предстанут наглядно едиными.

Силы, действующие во Вселенной, также сплавляются воедино при высоких энергиях (температурах) взаимодействия, после чего различить их невозможно. Первыми объединяются (именно так это принято называть) слабое ядерное и электромагнитное взаимодействия. В результате мы получаем так называемое электрослабое взаимодействие, наблюдаемое даже лабораторно при энергиях, развиваемых современными ускорителями элементарных частиц. В ранней Вселенной энергии были столь высоки, что в первые 10^–10 секунды после Большого взрыва не было грани между слабыми ядерными и электромагнитными силами. Лишь после того, как средняя температура Вселенной понизилась до 10¹⁴ K, все четыре наблюдаемые сегодня силовые взаимодействия разделились и приняли современный вид. Пока температура была выше этой отметки, действовали лишь три фундаментальные силы: сильного, объединенного электрослабого и гравитационного взаимодействий.

Объединение электрослабого и сильного ядерного взаимодействия происходит при температурах порядка 10²⁷К. В лабораторных условиях такие энергии сегодня недостижимы. Самый мощный современный ускоритель — строящийся в настоящее время на границе Франции и Швейцарии Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider) — сможет разгонять частицы до энергий, которые составляют всего 0,000000001% от необходимой для объединения электрослабого и сильного ядерного взаимодействий. Так что, вероятно, экспериментального подтверждения этого объединения ждать нам придется долго. Таких энергий нет и в современной Вселенной, однако в первые 10^–35 с ее существования температура Вселенной была выше 10²⁷ К, и во Вселенной действовало всего две силы — электросильного и гравитационного взаимодействия. Теории, описывающие эти процессы, называют «теориями Великого объединения» (ТВО). Напрямую проверить ТВО нельзя, но они дают определенные прогнозы и относительно процессов, протекающих при более низких энергиях. На сегодняшний день все предсказания ТВО для относительно низких температур и энергий подтверждаются экспериментально.

Итак, Стандартная модель, в обобщенном виде, представляет собой теорию строения Вселенной, в которой материя состоит из кварков и лептонов, а сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия между ними описываются теориями великого объединения. Такая модель, очевидно, не полна, поскольку не включает гравитацию. Предположительно, более полная теория со временем все-таки будет разработана (см. Универсальные теории), а на сегодня Стандартная модель — это лучшее из того, что мы имеем.

Стандартная модель

msimagelist>

	Адроны
	Альфа-распад
	Альфа-частица
	Аннигиляция
	Антивещество
	Антинейтрон
	Антипротон
	Античастицы
	Атом
	Атомная единица массы
	Атомная электростанция
	Барионное число
	Барионы
	Бета-распад
	Бетатрон
	Бета-частицы
	Бозе – Эйнштейна статистика
	Бозоны
	Большой адронный коллайдер
	Большой Взрыв
	Боттом. Боттомоний
	Брейта-Вигнера формула
	Быстрота
	Векторная доминантность
	Великое объединение
	Взаимодействие частиц
	Вильсона камера
	Виртуальные частицы
	Водорода атом
	Возбуждённые состояния ядер
	Волновая функция
	Волновое уравнение
	Волны де Бройля
	Встречные пучки
	Гамильтониан
	Гамма-излучение
	Гамма-квант
	Гамма-спектрометр
	Гамма-спектроскопия
	Гаусса распределение
	Гейгера счётчик
	Гигантский дипольный резонанс
	Гиперядра
	Глюоны
	Годоскоп
	Гравитационное взаимодействие
	Дейтрон
	Деление атомных ядер
	Детекторы частиц
	Дирака уравнение
	Дифракция частиц
	Доза излучения
	Дозиметр
	Доплера эффект
	Единая теория поля
	Зарядовое сопряжение
	Зеркальные ядра
	Избыток массы (дефект массы)
	Изобары
	Изомерия ядерная
	Изоспин
	Изоспиновый мультиплет
	Изотопов разделение
	Изотопы
	Ионизирующее излучение
	Искровая камера
	Квантовая механика
	Квантовая теория поля
	Квантовые операторы
	Квантовые числа
	Квантовый переход
	Квант света
	Кварк-глюонная плазма
	Кварки
	Коллайдер
	Комбинированная инверсия
	Комптона эффект
	Комптоновская длина волны
	Конверсия внутренняя
	Константы связи
	Конфайнмент
	Корпускулярно волновой дуализм
	Космические лучи
	Критическая масса
	Лептоны
	Линейные ускорители
	Лоренца преобразования
	Лоренца сила
	Магические ядра
	Магнитный дипольный момент ядра
	Магнитный спектрометр
	Максвелла уравнения
	Масса частицы
	Масс-спектрометр
	Массовое число
	Масштабная инвариантность
	Мезоны
	Мессбауэра эффект
	Меченые атомы
	Микротрон
	Нейтрино
	Нейтрон
	Нейтронная звезда
	Нейтронная физика
	Неопределённостей соотношения
	Нормы радиационной безопасности
	Нуклеосинтез
	Нуклид
	Нуклон
	Обращение времени
	Орбитальный момент
	Осциллятор
	Отбора правила
	Пар образование
	Период полураспада
	Планка постоянная
	Планка формула
	Позитрон
	Поляризация
	Поляризация вакуума
	Потенциальная яма
	Потенциальный барьер
	Принцип Паули
	Принцип суперпозиции
	Промежуточные W-, Z-бозоны
	Пропагатор
	Пропорциональный счётчик
	Пространственная инверсия
	Пространственная четность
	Протон
	Пуассона распределение
	Пузырьковая камера
	Радиационный фон
	Радиоактивность
	Радиоактивные семейства
	Радиометрия
	Расходимости
	Резерфорда опыт
	Резонансы (резонансные частицы)
	Реликтовое микроволновое излучение
	Светимость ускорителя
	Сечение эффективное
	Сильное взаимодействие
	Синтеза реакции
	Синхротрон
	Синхрофазотрон
	Синхроциклотрон
	Система единиц измерений
	Слабое взаимодействие
	Солнечные нейтрино
	Сохранения законы
	Спаривания эффект
	Спин
	Спин-орбитальное взаимодействие
	Спиральность
	Стандартная модель
	Статистика
	Странные частицы
	Струи адронные
	Субатомные частицы
	Суперсимметрия
	Сферическая система координат
	Тёмная материя
	Термоядерные реакции
	Термоядерный реактор
	Тормозное излучение
	Трансурановые элементы
	Трек
	Туннельный эффект
	Ускорители заряженных частиц
	Фазотрон
	Фейнмана диаграммы
	Фермионы
	Формфактор
	Фотон
	Фотоэффект
	Фундаментальная длина
	Хиггса бозон
	Цвет
	Цепные ядерные реакции
	Цикл CNO
	Циклические ускорители
	Циклотрон
	Чарм. Чармоний
	Черенковский счётчик
	Черенковсое излучение
	Черные дыры
	Шредингера уравнение
	Электрический квадрупольный момент ядра
	Электромагнитное взаимодействие
	Электрон
	Электрослабое взаимодействие
	Элементарные частицы
	Ядерная физика
	Ядерная энергия
	Ядерные модели
	Ядерные реакции
	Ядерный взрыв
	Ядерный реактор
	Ядра энергия связи
	Ядро атомное
	Ядерный магнитный резонанс (ЯМР)

msimagelist>

СТАНДАРТНАЯ МОДЕЛЬ

_{Standard Model}

Стандартная модель
— современная теория сильного и электрослабого взаимодействий фундаментальных
фермионов (лептонов и кварков), основанная на принципах локальной калибровочной
инвариантности, т. е. инвариантности уравнений движения к произвольным изменениям
координат пространства-времени.

В основе Стандартной модели лежат две теории:

Теория (или модель) электрослабого взаимодействия (ЭСМ), описывающая
электромагнитные и слабые взаимодействия лептонов и кварков.
Квантовая хромодинамика (КХД), описывающая цветное взаимодействие
кварков.

Фундаментальными частицами Стандартной модели являются
6 лептонов (e^—, μ^—, τ^—, ν_e,
ν_μ, ν_τ) и 6 кварков (u, d, c, s, t, b), объединенных
в три поколения (см. табл. 1). Каждый из 6 типов кварков может находиться
в трёх цветовых состояниях (например: красный, зеленый, синий). Кварки и
лептоны являются фермионами и имеют спин J = 1/2. 12-ти фундаментальным
фермионам соответствуют 12 антифермионов.

Таблица 1

Фундаментальные фермионы
Взаимодействия		Поколения			Заряд Q/e
Взаимодействия		1	2	3	Заряд Q/e
	лептоны	ν_е	ν_μ	ν_τ	0
	лептоны	e			-1
	кварки	u	c	t	+2/3
	кварки	d	s	b	-1/3

Взаимодействия фундаментальных фермионов осуществляются
за счет обмена переносчиками взаимодействия — фундаментальными (или калибровочными)
бозонами. Взаимодействие частиц, имеющих электрический заряд, происходит
посредством обмена квантами электромагнитного поля — фотонами. Фотон электрически
нейтрален. Сильное взаимодействие осуществляется за счет обмена глюонами
(g) — электрически нейтральными безмассовыми переносчиками сильного взаимодействия.
Глюоны переносят цветовой заряд. В слабом взаимодействии принимают участие
все лептоны и все кварки. Переносчиками слабого взаимодействия являются
массивные W- и Z-бозоны. Существуют положительные W⁺-бозоны и
отрицательные W^—-бозоны, являющиеся античастицами по отношению
друг к другу. Z-бозон электрически нейтрален.
Гравитационные силы в физике частиц практически не проявляются.
Например, интенсивность гравитационного взаимодействия двух протонов составляет
около
10^-36 интенсивности их электромагнитного взаимодействия. Порядок
величин констант взаимодействий, приведенных в таблице 2, и характеризующих
их относительную силу, соответствует энергии взаимодействия E < 1 ГэВ. В
области более высоких энергий величины констант взаимодействия зависят от
энергии.

Таблица 2. Фундаментальные взаимодействия

Взаимодействие	Квант поля	Радиус, см	Константа взаимодействия (порядок величины)	Пример проявления
сильное	глюон	10^-13	1	ядро, адроны
электромагнитное	γ-квант	∞	10^-2	атом
слабое	W^±, Z	10^-16	10^-6	β-распад
гравитационное	гравитон	∞	10^-38	сила тяжести

См. также

Стандартная Модель физики частиц
Описание появления масс
нейтрино в рамках стандартной модели
Единая теория электрослабых
взаимодействий
Стандартная космологическая модель
Большого Взрыва
Бозон Хиггса
ФИЗИКА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ
Общие свойства фундаментальных
взаимодействий
Объединение взаимодействий
Число
поколений фундаментальных фермионов
Фундаментальные частицы и
фундаментальные взаимодействия
В поисках суперсимметрии
Исследования суперсимметрии
Что же дальше?
Проблемы физики высоких энергий XXI
века

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 существуют 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.

Стандартная модель – Гиперучебник по физике

[закрыть]

введение

Стандартная модель — это название, данное в 1970-х годах теории элементарных частиц и их взаимодействию. Он включил в себя все, что было известно о субатомных частицах в то время, а также предсказал существование дополнительных частиц.

В стандартной модели есть семнадцать именованных частиц, организованных в диаграмму, показанную ниже. Последними обнаруженными частицами были бозоны W и Z в 1983, топ-кварк в 1995 г., тау-нейтрино в 2000 г. и бозон Хиггса в 2012 г.

Частицы стандартной модели (нуклоны включены для сравнения)
семейство			частица	предсказано/ обнаружено		спин номер	заряд (е)	цвет	масса (МэВ/c ² )
f e r m i o n s	q u a r k s	и	ап-кварк	1964	1968	½	+⅔+	р, г, б	2,16
		д	нижний кварк	1964	1968	½	−⅓−	р, г, б	4,67
		с	очарование кварка	1970	1974	½	+⅔+	р, г, б	1 270
		с	странный кварк	1964	1968	½	−⅓−	р, г, б	93,4
		т	высший кварк	1973	1995	½	+⅔+	р, г, б	172 690
		б	низший кварк	1973	1977	½	−⅓−	р, г, б	4 180
	л е р т о н с	и	электрон	1874	1897	½	−1−	нет	5109989461″> 0,510998950
		мкм	мюон	0000	1936	½	−1−	нет	105.6583755
		т	тау	0000	1975	½	−1−	нет	1 776,86
		ν _и	электронное нейтрино	1930	1956	½	0	нет	<0,0000008
		ν _μ	мюонное нейтрино	s1940-е	1962	½	0	нет	?
		ν _τ	тау нейтрино	s1970-е	2000	½	0	нет	?
	†	р	протон	1815	1917	½	+1+	нет	00727646688 u»> 938.2720882
	†	нет	нейтрон	1920	1932	½	0	нет	939,5654205
б о с о н с	‡	Х	Бозон Хиггса	1964	2012	0	0	нет	125 250
	v e c t o r	г	глюон	1962	1978	1	0	8 цветов	0
		γ	фотон	0000	1899	1	0	нет	0
		Вт	W бозон	1968	1983	1	±1±	нет	80 377
		З	Z бозон	1968	1983	1	0	нет	91 187,6

семейства частиц

Фундаментальные частицы являются либо строительными блоками материи, называемыми фермионами , либо посредниками взаимодействий, называемыми бозонов . В стандартной модели двенадцать именованных фермионов и пять именованных бозонов.

фермиона подчиняются статистическому правилу, описанному Энрико Ферми (1901–1954) из Италии, Полем Дираком (1902–1984) из Англии и Вольфгангом Паули (1900–1958) из Австрии, называемому принципом исключения . Проще говоря, фермионы не могут занимать одно и то же место в одно и то же время. (Говоря более формально, никакие два фермиона не могут быть описаны одними и теми же квантовыми числами.) Лептоны и кварки — это фермионы, но то же самое можно сказать и о вещах, состоящих из них, таких как протоны, нейтроны, атомы, молекулы, люди и стены. Это согласуется с нашими макроскопическими наблюдениями материи в повседневной жизни. Люди не могут проходить сквозь стены, если стена не убирается с их пути.

Бозоны, напротив, без проблем занимают одно и то же место в одно и то же время. (Более формально, два или более бозона могут быть описаны одними и теми же квантовыми числами.) Статистические правила, которым подчиняются бозоны, были впервые описаны Сатьендрой Бозе (1894–1974) из Индии и Альбертом Эйнштейном (1879–1955) из Германии. Глюоны, фотоны, а также W, Z и Хиггс — все это бозоны. Как частицы, из которых состоит свет и другие формы электромагнитного излучения, фотоны — это бозоны, с которыми мы имеем самый непосредственный опыт. В нашем повседневном опыте мы никогда не видим, как лучи света сталкиваются друг с другом. Фотоны подобны фантомам. Они проходят друг через друга без какого-либо эффекта.

Элементарные частицы имеют собственный спиновый угловой момент S . Прилагательное внутренний означает врожденный или существенный для самой вещи. Элементарные частицы не имеют вращения, потому что их кто-то крутит. Они просто вращаются — точнее, у них просто есть измеримая величина в тех же единицах, что и угловой момент. В современной физике элементарные частицы безлики — как математическая точка. Чтобы что-то воспринималось как вращающееся, вращающемуся предмету нужно что-то вроде «спереди» и «сзади». Безликие, точечные частицы не имеют ничего подобного. Физика элементарных частиц лучше всего описывается математикой. Спин — это удобный ярлык для измеримого качества, а не описание реальности.

С каждой элементарной частицей связано спиновое квантовое число s (часто называемое спиновым числом или просто спином ), где s — любое целое число, кратное половине. Фермионы имеют полуцелые спиновые квантовые числа (½, 1½, 2½ и т. д.), а бозоны имеют целые спиновые квантовые числа (0, 1, 2 и т. д.). Между ними невозможны никакие числа вращения. Спин – это квантованная величина.

Элементарные фермионы имеют спин ½. Частицы, состоящие из комбинаций фермионов, будут иметь общий спин, представляющий собой комбинацию отдельных спинов. Барион, состоящий из трех кварков, будет иметь общий спин ½ или 1½, поскольку это единственные возможные неотрицательные комбинации ½ ± ½ ± ½. Это показывает, что все барионы (например, протоны и нейтроны) также являются фермионами. Точно так же мезон, состоящий из кварка и антикварка, будет иметь общий спин 0 или 1, поскольку это единственные возможные неотрицательные комбинации ½ ± ½. Это показывает, что все мезоны (например, пион остаточного сильного взаимодействия) также являются бозонами.

Бозоны стандартной модели (глюоны, фотоны, а также W и Z) имеют спин 1, поскольку они связаны с векторными полями. Бозон Хиггса соответствует скалярному полю, поэтому он имеет спин 0. Если частица гравитационного поля когда-либо будет обнаружена, она будет называться гравитоном и будет иметь спин 2, поскольку она соответствует тензорному полю. Тензор — это математический объект, более сложный, чем вектор, который, в свою очередь, более сложный, чем скаляр. Видите тенденцию? Скалярное поле с нет направления получает частицу со спином 0 . Векторное поле с направлением получает частицу со спином 1 . Тензорное поле, растягивающее и сжимающее пространство вдоль двух направлений , получает частицу со спином 2 .

Все элементарные и составные частицы имеют спиновое квантовое число s (строчные буквы). Это связано со спиновым угловым моментом S (верхний регистр). Единицей углового момента в системе СИ является килограмм-метр в квадрате в секунду [кг м ² /с] или, что то же самое, джоулей в секунду [Дж с], что слишком велико для элементарных частиц. Вместо этого используется ℏ ( ч бар ), также известная как приведенная постоянная Планка (ℏ = ч / 2π ). По причинам, которые выходят за рамки этой книги, спиновое квантовое число s (что является просто числом) и спиновый угловой момент s (что является числом с единицей) численно не совпадают. Вместо этого они связаны неочевидным уравнением.

С =	⎡ ⎣	с	⎛ ⎝	с	+ 1	⎞ ⎠	⎤ ^½ ⎦	ℏ

Для частиц с квантовым числом спина, равным 0, решение представляет собой реальный угловой момент вращения, равный 0 ℏ.

S (0) =	⎡ ⎣	0	⎛ ⎝	0	+ 1	⎞ ⎠	⎤ ^½ ⎦	ℏ = 0 ℏ

Для более высоких квантовых чисел спина угловой момент вращения увеличивается, но кроме этого, просто сказать больше нечего.

S (½) =	⎡ ⎣	¹ ₂	⎛ ⎝	¹ ₂	+ 1	⎞ ⎠	⎤ ^½ ⎦	ℏ =	^√3 ₂	ℏ

S (1) =	⎡ ⎣	1	⎛ ⎝	1	+ 1	⎞ ⎠	⎤ ^½ ⎦	ℏ =	√2	ℏ

S (1½) =	⎡ ⎣	³ ₂	⎛ ⎝	³ ₂	+ 1	⎞ ⎠	⎤ ^½ ⎦	ℏ =	^√15 ₂	ℏ

S (2) =	⎡ ⎣	2	⎛ ⎝	2	+ 1	⎞ ⎠	⎤ ^½ ⎦	ℏ =	√6	ℏ

Фермионы делятся на две группы по шесть: те, которые должны связываться друг с другом, называются кварками , а те, которые могут существовать независимо, называются лептонов .

Слово «кварк» изначально появилось в одной строке романа «Поминки по Финнегану », написанного ирландским писателем Джеймсом Джойсом (1882–1941). Главный герой книги — трактирщик по имени Хамфри Чимпден Эрвикер, которому снится, что он подает пиво пьяной чайке (это не шутка). Вместо того, чтобы просить «три кварки для Мастера Марка», пьяная птица говорит «три кварка для Мастера Марка». Поскольку достандартная модельная теория состояла всего из трех кварков, название имело определенный смысл. Полная стандартная модель сегодня нуждается в шести кварках. Это не сделало это слово менее забавным. Кварк! Шесть вкусов творога вверх , вниз , странный , очарование , верх и низ . Названия ароматов по сути бессмысленны.

Известно, что кварки

связываются в триплеты и дублеты. Триплеты называются барионами , термин происходит от греческого слова βαρύς ( варьируется от ), что означает «тяжелый». Дублеты называются мезонов , термин происходит от греческого слова μέσος ( мезонов ), что означает «среда». В совокупности барионы (тяжелые триплеты), мезоны (дуплеты среднего веса) и кварки (фундаментальные частицы) известны как адронов , от греческого слова αδρός ( adros ), означающего толстый, прочный, массивный или большой. Это название намекает на способность точечных кварков связываться друг с другом и образовывать «плотные» в определенном смысле частицы.

Остальные шесть фермионов называются лептонами, это название происходит от греческого слова λεπτός ( лептос ), означающего тонкий, нежный, легкий или маленький. Этим частицам не нужно связываться друг с другом, что делает их «тонкими» в определенном смысле. Первоначально лептоны считались «легкими» частицами, а адроны — «тяжелыми» частицами, но открытие тау-лептона в 1975 нарушил это правило. Тау (самый тяжелый лептон) почти в два раза массивнее протона (самого легкого адрона).

бариона, обнаруженные в ядре (протон и нейтрон), называются нуклонами . Латинское слово для ядра ядро . Нуклоны находятся в метафорическом «ядре» атома. Барионы, которые содержат хотя бы один странный кварк, но не содержат шармовых, нижних или верхних кварков, называются гиперонами . Греческое слово, обозначающее запредельное, — υπέρ ( yper ), которое превратилось в английскую приставку 9.0486 гипер -. Гипероны — это частицы, которые в определенном смысле являются «выходом».

нейтрино являются важной подгруппой внутри лептонов. Они бывают трех видов, названных в честь лептонов-партнеров. электронов , мюонов и тау соответствуют электронным нейтрино , мюонных нейтрино и тау нейтрино . Нейтрино имеют очень маленькую массу (даже для лептонов) и так слабо взаимодействуют с остальными частицами, что их исключительно трудно обнаружить. Название — игра слов. Итальянское слово для нейтрона ( neutro ) звучит как слово нейтральный ( neutro ) с добавочным суффиксом (- one ) на конце. То есть для итальянского уха это звучит как «большой нейтрал». Замените увеличивающий суффикс — на один на уменьшительный суффикс — ино , и вы получите «немного нейтрального», что является хорошим описанием того, что такое нейтрино — уменьшительно-ласкательная нейтральная частица. Аааааа, такой маленький и нейтральный.

фермиона принадлежат одному из трех известных поколений от обычных (I), до экзотических (II), до очень экзотических (III). (Это прилагательные, которые я выбрал для описания поколений). Частицы поколения II всегда образуют нестабильные адроны. Самым долгоживущим адроном, содержащим кварк поколения II, является лямбда-частица (состоящая из верхнего, нижнего и странного кварков). Его среднее время жизни составляет менее одной миллиардной доли секунды, что считается долгоживущим для нестабильного адрона. Поколение III частиц различаются по своему поведению. Нижний кварк не намного более странный, чем странный кварк, но верхний кварк настолько недолговечен, что существует недостаточно долго, чтобы что-то делать. Он разваливается еще до того, как мир узнает о его существовании. Топ-кварки известны только по продуктам их распада.

взаимодействия частиц

Три из четырех основных сил природы включены в стандартную модель физики элементарных частиц — электромагнетизм, сильное взаимодействие и слабое взаимодействие. (Гравитация не включена в стандартную модель.) Каждая сила действует между частицами из-за некоторого свойства этой частицы — заряда для электромагнетизма, цвета для сильного взаимодействия и аромата для слабого взаимодействия. Бозоны, связанные с каждой силой, называются калибровочные бозоны — фотон для электромагнетизма, глюоны для сильного взаимодействия и бозоны W и Z для слабого взаимодействия.

Заряд — это свойство материи, которое вызывает электрические и магнитные явления (известные под общим названием электромагнетизм ). Заряд квантуется, что означает, что он может существовать только в дискретных количествах с ограниченными значениями — кратными и дробными числами элементарных зарядов (e = 1,6 × 10 ⁻¹⁹ Кл). Частицы, которые существуют независимо (электрон, мюон и тау), несут заряд, кратный элементарному (-1 e), в то время как кварки несут доли элементарного заряда (+⅔ e или -⅓ e). Кварки всегда объединяются в группы, общий заряд которых является целым кратным элементарного заряда, поэтому никто никогда не измерял дробный заряд напрямую. Кроме того, поскольку противоположные заряды притягиваются, электроны имеют тенденцию связываться с протонами, образуя в целом нейтральные атомы. Из-за этого мы обычно не замечаем электрическую природу материи.

Заряженные частицы взаимодействуют путем обмена фотонами — носителями электромагнитной силы. Всякий раз, когда один электрон отталкивает другой или какой-либо электрон вращается вокруг ядра, в этом виноват фотон. Фотоны не имеют массы, не заряжены и имеют неограниченный радиус действия. Математическая модель, используемая для описания взаимодействия заряженных частиц посредством обмена фотонами , известна как квантовая электродинамика (КЭД).

Кварки прилипают к другим кваркам, потому что они обладают характеристикой, известной как цвет (или цветной заряд ). Кварки бывают одного из трех цветов: красного, зеленого и синего. Не позволяйте словам ввести вас в заблуждение. Кварки слишком малы, чтобы их можно было увидеть, и поэтому у них никогда не может быть такого перцептивного свойства, как цвет. Имена были выбраны из-за удобной аналогии. Цвета кварков в стандартной модели сочетаются так же, как цвета света в человеческом зрении.

Красный свет плюс зеленый свет плюс синий свет кажутся нам, людям, «бесцветным» белым светом. Барион представляет собой триплет из одного красного, одного зеленого и одного синего кварков. Соедините их вместе, и вы получите нейтральную по цвету частицу. Цвет плюс его противоположный цвет также дает белый свет. Красный свет в сочетании с голубым светом выглядит для человека так же, как, например, белый свет. Мезон — это дублет одного цветного кварка и одного антицветного антикварка. Соедините их вместе, и вы получите нейтральную по цвету частицу.

В цвете есть что-то такое, что заставляет его прятаться от чего-то большего, чем ядро. Кварки не могут находиться отдельно друг от друга. Им просто нужно объединиться и всегда делать это таким образом, чтобы скрыть свой цвет от внешнего мира. Когда кварки собираются вместе, один цвет никогда не отдается предпочтение перед другим. Материя нейтральна по цвету вплоть до очень мелкого масштаба.

Окрашенные частицы связаны друг с другом глюонами с соответствующим названием . Глюоны тоже окрашены, но более сложным образом, чем кварки. Шесть из восьми глюонов имеют два цвета, один — четыре, а третий — шесть. Глюоны склеивают кварки вместе, но они также прилипают друг к другу. Одним из следствий этого является то, что они не могут протянуть руку и сделать многое за пределами ядра.

Математическая модель, используемая для описания взаимодействия цветных частиц посредством обмена глюонами , известна как квантовая хромодинамика (КХД). Весь этот липкий беспорядок называется сильным взаимодействием или сильным взаимодействием , поскольку оно приводит к возникновению сил в ядре, которые сильнее, чем электромагнитное взаимодействие. Без сильной силы каждое ядро разорвало бы себя вдребезги.

Существует двенадцать названных элементарных фермионов. Разница между ними одна из вкус . Слово «аромат» используется здесь для обозначения «типа» и относится только к фермионам. Не позволяйте этому слову ввести вас в заблуждение. Субатомные частицы слишком малы, чтобы иметь какие-либо характеристики, которые можно было бы непосредственно наблюдать человеческими органами чувств.

Ароматизированные частицы слабо взаимодействуют посредством обмена бозонами W или Z — носителями слабого взаимодействия (также известны как промежуточные векторные бозоны ). Когда нейтрон распадается на протон, ответственным за это является бозон W ⁻ . Математическая модель, используемая для описания взаимодействия ароматизированных частиц посредством обмена бозонами W и Z иногда называют квантовой ароматной динамикой (QFD), но этот термин не используется работающими физиками частиц. При более высоких энергиях слабые и электромагнитные взаимодействия начинают выглядеть все более и более похожими. Математическая модель, описывающая эти взаимодействия вместе, известна как электрослабая теория (EWT). Это условное название теории слабого взаимодействия.

масса и гравитация

Считается, что все фермионы имеют ненулевую массу покоя. Частицы поколения I менее массивны, чем частицы поколения II, которые менее массивны, чем частицы поколения III. В поколениях кварки более массивны, чем лептоны, а нейтрино менее массивны, чем другие лептоны. Бозоны делятся, когда дело доходит до массы. Глюоны и фотоны не имеют массы. Бозоны W, Z и Хиггса массивны.

Масса – это энергия. Движущаяся частица более массивна, чем неподвижная, потому что она обладает кинетической энергией. Логически тогда неподвижная частица не должна иметь массы. Если бы мы могли остановить фотон (чего мы не можем), он бы ничего не весил. Наша логика, кажется, работает. Если бы мы могли остановить электрон (что мы можем), он бы что-то весил. Наша логика нарушена. Почему одни частицы в состоянии покоя что-то весят, а другие ничего не весят?

Масса – это энергия, а энергия бывает двух видов: кинетическая энергия (энергия движения) и потенциальная энергия (энергия расположения). Вклад кинетической энергии в массу незначителен. Большая часть массы вокруг нас происходит от какой-то потенциальной энергии. Например, протон состоит из двух верхних и нижнего кварков. Массы этих трех кварков не составляют в сумме массу протона.

м _р	≠	2 м _у +1 м _д
938,272 МэВ/с ²	≠	2(2,3 МэВ/c ² ) + 1(4,8 МэВ/c ² )
938,272 МэВ/с ²	≠	9,4 МэВ/c ²

Масса частей составляет всего 1% от массы целого. Остальные 99% приходятся на потенциальную энергию сильного взаимодействия, удерживающего протон вместе. Частицы, передающие сильное взаимодействие, — это глюоны. Энергия взаимодействия этих безмассовых частиц дает протону большую часть его массы.

Так почему же у кварков есть масса, а у глюонов нет? Или, как исторически ставился вопрос, почему бозоны W и Z имеют массу, а фотон — нет? Возможно, есть другой вид потенциальной энергии. Возможно, существует другое взаимодействие — взаимодействие, которое одни частицы ощущают, а другие — нет. Если есть взаимодействие, есть частица — частица, которая придает массу другим частицам, когда они просто сидят и ничего не делают. Взаимодействие, придающее массу элементарным частицам, было предложено в 1964 учеными в трех независимых местах.

Франсуа Энглер и Роберт Броут, L’Université Libre de Bruxelles в Бельгии
Питер Хиггс из Эдинбургского университета в Шотландии
Джеральд Гуральник, Карл Хаген и Том Киббл в Имперском колледже, Лондон

Его следовало бы назвать механизмом Энглерта-Браута-Хиггса-Гуральника-Хагена-Киббла, но это не так. По какой-то причине взаимодействие, придающее массу элементарным частицам, называется 9Механизм 0029 Хиггса и частица, которая опосредует взаимодействие, называются бозоном Хиггса , частицей Хиггса или (реже) хиггсоном .

Предполагается, что все пространство заполнено полем Хиггса — фоновым морем виртуальных бозонов Хиггса, которые появляются и исчезают. Кварки, лептоны и бозоны W и Z, движущиеся в пространстве, взаимодействуют с этим полем, поэтому эти частицы имеют массу. Фотоны и глюоны не взаимодействуют с полем Хиггса, поэтому эти частицы не имеют массы. Даже сам бозон Хиггса взаимодействует с полем Хиггса. Он дает массу! Бозон Хиггса отличается от других бозонов (глюонов, фотонов, W- и Z-бозонов) тем, что механизм Хиггса не приводит к чему-либо, напоминающему взаимодействие (например, сильное, электромагнитное и слабое взаимодействие). Поле Хиггса — скалярное поле, а бозон Хиггса — частица с нулевым спином.

Гравитация — это сила между объектами из-за их массы. Математическая модель, описывающая гравитацию на уровне частиц, иногда называется квантовой геометродинамикой (КГД), но чаще упоминается как квантовая гравитация . Стандартная модель физики элементарных частиц не включает гравитацию (и никогда не сможет), и в настоящее время не существует квантовой теории гравитации. Если бы это было так, то оно должно было бы включать в себя частицу, переносящую силу. Предлагаемое название для этой частицы — гравитон . Общая теория относительности описывает гравитационных волн как тензорное возмущение, которое распространяется — сдвигает пространство-время по двум чередующимся перпендикулярным направлениям. Это двумерное поведение приводит физиков-теоретиков к мысли, что гравитон должен иметь два спина.

Есть надежда, что гравитация будет учтена в теории, выходящей за рамки стандартной модели. В крайнем случае чрезмерной самоуверенности некоторые теоретики предполагают, что такая теория была бы теория всего . Учитывая историю науки (и жизни в целом), все, что претендует на то, чтобы быть окончательным представлением реальности (научное, экономическое, культурное или религиозное), безусловно, обречено на то, чтобы быть вытесненным чем-то большим и лучшим — или, по крайней мере, , что-то менее неправильно.

имена, имена, имена

Тема этой темы, кажется, «имена, имена, имена».

Группы частиц имени физика
группа	статистика	одноименный корень
фермионы	ферми- дирак	Энрико Ферми (1901–1954) Италия	Поль Дирак (1902–1984) Англия
бозоны	Бозе- Эйнштейн	Сатьендра Бозе (1894–1974) Индия	Альберт Эйнштейн (1879–1955) Германия
классический частицы	максвелл- болтцманн	Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) Шотландия	Людвиг Больцман (1844–1906) Австрия
Бозон Хиггса	Механизм Хиггса	Питер Хиггс (1929–0000) Англия

Группы частиц с названиями греческого происхождения
группа	греческий корень		означает
адроны	αδρός	( адрес )	толстый
лептонов	λεπτός	( лептос )	тонкий
барионы	βαρύς	( варьируется от )	тяжелый
мезонов	μέσος	( мезо )	средний
гипероны	υπέρ	( ипер )	за

ядро

Группы частиц с названиями латинского происхождения
группа	латинский корень	означает
нуклонов	ядро

Группы частиц с названиями различного происхождения
группа	источник	объяснение
нейтрино	Энрико Ферми (1901–1954) Италия	Итальянская уменьшительная форма нейтрона ( neutrone ). Neutrino можно перевести как «маленький нейтральный», чтобы противопоставить его neutrino , который является «большим нейтральным».
кварков	Мюррей Гелл-Манн (1929–2019) США	Произвольное высказывание, позднее связанное с отрывком из «Поминок по Финнегану» — романа ирландского писателя-модерниста Джеймса Джойса. Это должно звучать как пьяная чайка, заказывающая «кварт» пива.

теория групп

Для тех, кто любит причудливую математику, стандартная модель описывается с использованием обозначений теории групп как…

SU(3) × SU(2) × U(1)

, где калибровочная группа сильных взаимодействий равна…

Номер единицы(3)

, а калибровочная группа электрослабых взаимодействий равна…

SU(2) × U(1)

Примечания…

SU(3)
- Особая унитарная группа 3-го порядка
- множество всех унитарных матриц 3 × 3 с единичным определителем
СУ(2)
- Особая унитарная группа 2-го порядка
- множество всех унитарных матриц 2 × 2 с единичным определителем
- изоморфны группе кватернионов абсолютного значения 1, { x ∈ ℍ: | х | =1}
- диффеоморфен гиперсфере (3-сфере)
- гомоморфна группе вращений SO(3), множеству всех вращений вокруг начала координат в обычном трехмерном евклидовом пространстве
У(1)
- Единая группа 1-го порядка
- набор всех унитарных матриц 1 × 1
- изоморфна группе кругов, мультипликативной группе комплексных чисел с абсолютным значением 1, T = { x ∈ ℂ: | х | =1}
- изоморфна SO(2), специальной ортогональной группе второго порядка

лагранжев

Что это? Лагранжиан стандартной модели. Что это говорит? Я дам тебе знать, когда разберусь.

ℒ = −¼ F _μν F ^μν + i ψ̄ D̸ ψ 48 + 90,0 с . + ψ _i y _ij ψ _j φ + ч . с . + | D _μ φ| ² — В (φ)

Что такое стандартная модель?

Стандартная модель физики — это теория частиц, полей и фундаментальных сил, которые ими управляют. Иллюстрация структуры внутри атома.
(Изображение предоставлено KTSDesign/SCIENCEPHOTOLIBRARY/Getty Images)

Стандартная модель физики — это теория частиц, полей и фундаментальных сил, которые ими управляют.

Он рассказывает нам о том, как семейства элементарных частиц группируются вместе, образуя более крупные составные частицы, и как одна частица может взаимодействовать с другой, и как частицы реагируют на фундаментальные силы природы. Он сделал успешные предсказания, такие как существование бозона Хиггса, и служит краеугольным камнем теоретической физики.

Стандартную модель можно рассматривать как генеалогическое древо частиц. Например, Стандартная модель говорит нам, как атомы, из которых состоят наши тела, состоят из протонов и нейтронов, которые, в свою очередь, состоят из элементарных частиц, называемых 9.1436 кварков .

Связанный: Что такое бозоны?

Научный журналист

Кит Купер — независимый научный журналист и редактор из Соединенного Королевства, имеет степень по физике и астрофизике Манчестерского университета. Он является автором книги «Парадокс контакта: вызов нашим предположениям в поисках внеземного разума» (Bloomsbury Sigma, 2020) и написал статьи по астрономии, космосу, физике и астробиологии для множества журналов и веб-сайтов.

Стандартная модель считается физиками, такими как Гленн Старкман из Университета Кейс Вестерн Резерв, одной из самых успешных научных теорий всех времен, но, с другой стороны, ученые также признал, что она неполна, точно так же, как теория всемирного тяготения Исаака Ньютона выведенная из его законов движения , хотя и была замечательно успешной, не представляла собой целостной картины и требовала 1436 Альберт Эйнштейн Общая теория относительности , чтобы заполнить недостающие пробелы.

История Стандартной модели

Стандартная модель была составлена в 1960-х и начале 1970-х годов на основе работы группы ученых-первопроходцев, но на самом деле ее происхождение восходит почти на 100 лет назад. К 1880-м годам стало очевидно, что при ионизации газов образуются положительно и отрицательно заряженные частицы, и что эти частицы должны быть меньше атомов, которые в то время были самыми маленькими из известных структур. Первая идентифицированная субатомная частица в катодных лучей (открывается в новой вкладке), был отрицательным электроном в 1897 году британским физиком и последующим лауреатом Нобелевской премии Дж. Дж. Томсоном (открывается в новой вкладке).

Затем, в 1911 году, Ганс Гейгер и Эрнест Мэдсен под руководством лауреата Нобелевской премии Эрнеста Резерфорда в Манчестерском университете провели свой знаменитый эксперимент с «золотой фольгой» , в котором альфа-частицы (ядра гелия) обстреливали тонкую золотую фольгу. Некоторые из альфа-частиц прошли прямо сквозь атомы в фольге, в то время как другие были рассеяны влево и вправо, а небольшая часть отскочила назад.

Иллюстрация эксперимента с золотой фольгой. (Изображение предоставлено Wikimedia Commons/Kurzon)

Резерфорд интерпретировал это как означающее, что атомы содержат много пустого пространства, через которое проходят альфа-частицы, но их положительный заряд сосредоточен в ядре на их центр, и в тех случаях, когда альфа-частица попадала прямо в это ядро, оно рассеивалось. Дальнейшие эксперименты Резерфорда в 1919–1920 годах показали, что альфа-частица, выпущенная в воздух, может выбить положительно заряженную частицу из атома азота в воздухе, превратив его в углерод в процессе. Этой частицей был протон , который придает ядру атома положительный заряд. Нейтрально заряженный партнер протона, нейтрон , был идентифицирован в 1932 году Джеймсом Чедвиком в Кембридже, который также получил Нобелевскую премию.

Итак, картина физики элементарных частиц в начале 1930-х казалась относительно простой — атомы состояли из двух видов «нуклонов» в облике протонов и нейтронов, и вокруг них вращалось электронов .

Но все уже быстро начало усложняться. Существование фотона было уже известно, так что технически это была четвертая частица. В 1932 году американский физик Карл Андерсон открыл позитрон , который является эквивалентом электрона в антиматерии . Мюон был идентифицирован в 1936 году Андерсоном и Сетом Неддермейерами , а затем пион был открыт в 1936 году.47 (откроется в новой вкладке) Сесил Пауэлл. К 1960-м годам, с появлением первых ускорителей частиц, были открыты сотни частиц, и научная картина стала действительно очень сложной. Ученым нужен был способ организовать и упорядочить все это, и их ответом на это было создание Стандартной модели, которая является венцом совокупной работы физического сообщества той эпохи.

Поколения частиц

Согласно Стандартной модели существует три семейства элементарных частиц. Когда мы говорим «элементарные», ученые имеют в виду частицы, которые нельзя разбить на еще более мелкие частицы. Это мельчайшие частицы, которые вместе составляют любую другую частицу.

Три семейства — лептоны, кварки и бозоны. Лептоны и кварки известны как фермионы, потому что они имеют полуцелое число спин . Бозоны, с другой стороны, имеют целочисленный спин. Что это значит?

Спин в контексте квантовой физики относится к угловому моменту вращения. Это отличается от орбитального углового момента, который описывает вращение Земли вокруг солнца , вращение Земли вокруг своей оси вращения и даже вращение волчка. С другой стороны, угловой момент вращения является квантовым свойством, присущим каждой частице, даже если эта частица неподвижна. Частицы с полуцелым спином имеют полуцелые значения спина, то есть 1/2, 3/2 и т. д. Бозоны имеют целые целые значения спина, например 1, 2, 3 и т. д.

Лептоны включают электроны, мюоны, частицы тау и связанные с ними нейтрино. Кварки — это крошечные частицы, которые при соединении образуют составные частицы, такие как протоны и нейтроны. Частицы, состоящие из кварков, называются адронами (отсюда и Большой адронный коллайдер ), составные частицы, состоящие из нечетного числа кварков, обычно трех, называются барионами, а частицы, состоящие из двух кварков, называются мезонами. Бозоны являются переносчиками силы — они передают электромагнитную силу (фотоны), слабую силу (Z и бозонов W ), сильное ядерное взаимодействие (глюонов) и взаимодействие Хиггса (бозон Хиггса ).

Каждое «семейство» состоит из шести известных частиц (за исключением бозонов, о которых мы расскажем позже), которые образуют пары, называемые «поколениями». Наиболее стабильные и наименее массивные частицы семейства образуют первое поколение. Из-за их стабильности, а это означает, что они не распадаются быстро, вся стабильная материя во вселенной состоит из элементарных частиц первого поколения. Например, протоны состоят из двух «верхних» и одного «нижнего» кварков, которые являются двумя наиболее стабильными кварками.

Известно 17 элементарных частиц — 6 лептонов, 6 кварков, но только 5 бозонов. (Изображение предоставлено IkonStudio/Getty Images)

(открывается в новой вкладке)

Известно 17 элементарных частиц — 6 лептонов, 6 кварков, но только 5 бозонов. Не хватает одного носителя силы — гравитона. Стандартная модель предсказывает, что гравитация должна иметь переносящий силу бозон в облике гравитона. Гравитационные волны теоретически образуются из гравитонов. Однако обнаружение гравитона будет немалым подвигом. Гравитация — самая слабая из четырех фундаментальных сил . Вы можете так не думать, в конце концов, она удерживает ваши ноги на земле, но если учесть, что требуется вся масса планеты, чтобы создать достаточную гравитацию, чтобы удержать ваши ноги на земле, у вас может возникнуть ощущение, что гравитация не Он настолько силен, насколько, скажем, может быть магнетизм, который может поднять скрепку против гравитационного притяжения Земли. Следовательно, отдельные гравитоны не так легко взаимодействуют с веществом — говорят, что у них низкая сечение взаимодействия (откроется в новой вкладке). Гравитоны, возможно, пока останутся гипотетическими.

За рамками Стандартной модели

Как ни прекрасна Стандартная модель, она описывает лишь небольшую часть Вселенной. Космический аппарат Planck Европейского космического агентства подтвердил, что все, что мы можем видеть в космосе — планеты, звезд и галактик — составляет всего 4,9% всей массы и энергии в космосе. вселенная (откроется в новой вкладке). Остальное — темной материи (26,8%) и темной энергии (68,3%), природа которых совершенно неизвестна и которые точно не предсказываются Стандартной моделью.

Неизвестно не только это. Один большой вопрос в физике заключается в том, действительно ли элементарные частицы являются элементарными или в их основе лежит скрытая физика. Например, Теория струн утверждает, что элементарные частицы состоят из крошечных вибрирующих струн. Тогда возникает вопрос об антиматерии — равных количеств материи и антиматерии должны были быть созданы в Большом Взрыве, но это означало бы, что нас вообще не должно было быть здесь, потому что вся материя и антиматерия должны были аннигилировать друг друга. Сегодня мы видим, что Вселенная состоит в основном из материи и очень мало антиматерии. Почему такая асимметрия?

Эта трехмерная карта иллюстрирует крупномасштабное распределение темной материи, реконструированное на основе измерений слабого гравитационного линзирования с помощью космического телескопа Хаббл. (Изображение предоставлено: Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса)

Тогда возникает вопрос, почему частицы имеют такие массы, и почему силы имеют такую же силу, и почему частицы делятся на три семейства лептонов, кварков и бозонов. . То, что они просто есть, — недостаточно хороший ответ для физиков — они хотят понять, почему, а Стандартная модель не говорит им об этом.

Суперсимметрия

Стремясь привести Стандартную модель в соответствие с этими проблемами, ученые представили идею суперсимметрия . Если это правда, то суперсимметрия будет означать, что у каждой частицы в Стандартной модели есть суперсимметричный партнер с гораздо большей массой и спином, который наполовину отличается от их партнеров по Стандартной модели. Это объединит фермионы с бозонами, поскольку у фермионов с целым спином будут суперпартнеры с полуцелым спином, а у бозонов с полуцелым спином будут суперпартнеры с целочисленным спином. Наименее массивные и наиболее стабильные суперсимметричные частицы также не будут иметь электрического заряда и очень слабо взаимодействуют с нормальной материей, что очень похоже на свойства темной материи.

Между тем, при самых высоких энергиях, аналогичных тем, которые существовали в первый момент после Большого Взрыва , суперсимметрия предсказывает, что слабое взаимодействие, сильное взаимодействие и электромагнитное взаимодействие будут иметь одинаковую силу и, по существу, будут такая же сила. Ученые называют такую концепцию «Великой объединенной теорией».

Согласно веб-сайту CERN, суперсимметрия может также помочь объяснить удивительно малую массу бозона Хиггса , которая составляет 125 ГэВ (125 миллиардов электронвольт). Хотя это относительно высокий показатель, он не так высок, как ожидалось. Существование чрезвычайно массивных суперсимметричных партнеров могло бы уравновесить ситуацию. И они должны быть чрезвычайно массивными, потому что Большой адронный коллайдер (БАК) и любой другой ускоритель частиц до сих пор не нашли доказательств существования суперсимметричных партнеров, что заставило некоторых ученых усомниться в реальности суперсимметрии. Если суперсимметричные частицы существуют, то они должны быть более массивными, чем может обнаружить БАК; например, масса глюино , который является суперсимметричным партнером глюона, который обеспечивает сильное взаимодействие, связывающее кварки вместе внутри протонов и нейтронов, была исключена до 2 триллионов эВ.

Большой адронный коллайдер ЦЕРН (Изображение предоставлено Shutterstock)

(открывается в новой вкладке)

Таким образом, суперсимметрия находится в опасности , и физики сейчас пытаются найти замену теории , которая могла бы развить Стандартную модель и объяснить масса бозона Хиггса, а также темная материя, теории Великого объединения и все остальное. Сильных кандидатов на замену суперсимметрии пока нет, и суперсимметрия все еще может победить, но пока физикам придется довольствоваться несовершенным миром Стандартной модели.

Дополнительное чтение

Узнайте больше о стандартной модели с помощью этих полезных ресурсов от CERN и Министерства энергетики . Узнайте, почему мы должны праздновать обнаружение крошечной элементарной частицы с Институтом физики .

Подписывайтесь на Кита Купера в Твиттере @21stCenturySETI (открывается в новой вкладке) . Подпишитесь на нас в Твиттере @Spacedotcom (откроется в новой вкладке) и на Facebook (откроется в новой вкладке) .

Библиография

Андерсон и Неддермейер открывают мюон. ЦЕРН ускоряет науку. Получено 22 сентября 2022 г. с https://timeline.web.cern.ch/anderson-and-neddermeyer-discover-muon

Ball, P. (2003, 5 декабря). Столетие пионера частиц. Новости природы. Получено 22 сентября 2022 г. с https://www.nature.com/articles/news031201-7

Карл Д. Андерсон. Нобелевская премия.org. Получено 22 сентября 2022 г. с https://www.nobelprize.org/prizes/physics/19.36/anderson/biographical/

Электронно-лучевая трубка. Электронно-лучевая трубка | Физический факультет Оксфордского университета. (н.д.). Получено 22 сентября 2022 г. с https://www2.physics.ox.ac.uk/accelerate/resources/demonstrations/cathode-ray-tube

Ernest Rutherford. Нобелевская премия.org. Получено 22 сентября 2022 г. с https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1908/rutherford/biographical/

J.J. Томсон. Нобелевская премия.org. Получено 22 сентября 2022 г. с https://www.nobelprize.org/prizes/physics/19.06/thomson/facts/

Джеймс Чедвик. Нобелевская премия.org. Получено 22 сентября 2022 г. с https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1935/chadwick/biographical/

Проблема асимметрии материи и антиматерии. ЦЕРН. Получено 22 сентября 2022 г. с https://home.cern/science/physics/matter-antimatter-asymmetry-problem

Planck. ЕСА. Получено 22 сентября 2022 г. с https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Planck

Новый космический рецепт Планка. Наука и технологии ЕКА. Получено 22 сентября 2022 г. с https://sci.esa.int/web/planck/-/51557-planck-new-cosmic-recipe 9.0005

Резерфорд, трансмутация и протон. ЦЕРН Курьер. (2019, 8 мая). Получено 22 сентября 2022 г. с https://cerncourier.com/a/rutherford-transmutation-and-the-proton/

Старкман. Гленн Старкман — друг разговора.