Какво описва стандартният модел на елементарни частици. Стандартен модел на физиката на частиците. Какво е спин

Съвременното разбиране за физиката на частиците се съдържа в т.нар Стандартен модел ... Стандартният модел (SM) на физиката на частиците се основава на квантова електродинамика, квантова хромодинамика и модел на кварк-партон.
Квантовата електродинамика (QED) - високо точна теория - описва процесите, протичащи под въздействието на електромагнитни сили, които са изследвани с висока степен на точност.
Квантовата хромодинамика (QCD), която описва процесите на силни взаимодействия, е конструирана по аналогия с QED, но в по-голяма степен това е полу-емпиричен модел.
Моделът на кварк-партон съчетава теоретични и експериментални резултати от изучаването на свойствата на частиците и техните взаимодействия.
Досега не са открити отклонения от Стандартния модел.
Основното съдържание на Стандартния модел е представено в таблици 1, 2, 3. Съставките на материята са три поколения фундаментални фермиони (I, II, III), чиито свойства са изброени в таблица. 1. Основни бозони - носители на взаимодействия (Таблица 2), които могат да бъдат представени с помощта на диаграмата на Фейнман (Фиг. 1).

Таблица 1: Фермиони - (полуцело въртене в единици ћ) съставки на материята

	Лептони, завъртане = 1/2			Кварки, спин = 1/2
	Аромат	Тегло, GeV / c 2	Електрически такса, напр	Аромат	Тегло, GeV / c 2	Електрически такса, напр
Аз	ν e	< 7·10 -9	0	у, нагоре	0.005	2/3
	д, електрон	0.000511	-1	d, надолу	0.01	-1/3
II	ν μ	< 0.0003	0	s, чар	1.5	2/3
	μ, муон	0.106	-1	s, странно	0.2	-1/3
III	ν τ	< 0.03	0	t, отгоре	170	2/3
	τ, тау	1.7771	-1	б, отдолу	4.7	-1/3

Таблица 2: Бозони - носители на взаимодействия (спин = 0, 1, 2 ... в единици на æ)

Превозвачи взаимодействия	Тегло, GeV / s2	Електрически такса, напр
Електрослабо взаимодействие
γ, фотон, спин = 1	0	0
W -, въртене = 1	80.22	-1
W +, въртене = 1	80.22	+1
Z 0, спин = 1	91.187	0
Силно (цветно) взаимодействие
5, глюони, спин = 1	0	0
Неоткрити бозони
H 0, Хигс, спин = 0	> 100	0
G, гравитон, спин = 2	?	0

Таблица 3: Сравнителни характеристикифундаментални взаимодействия

Силата на взаимодействието е посочена спрямо силното.

Ориз. 1: Диаграма на Фейнман: A + B = C + D, a е константата на взаимодействие, Q 2 = -t е 4 -импулсът, който частицата А прехвърля на частица В в резултат на един от четирите типа взаимодействия.

1.1 Основи на стандартния модел

• Адроните са изградени от кварки и глуони (партони). Кварките са фермиони със спин 1/2 и маса m 0; глуоните са бозони със спин 1 и маса m = 0.
• Кварките се класифицират според две характеристики: аромат и цвят. Има 6 вкуса на кварки и 3 цвята за всеки кварк.
• Ароматът е характеристика, която продължава при силни взаимодействия.
• Глуонът е съставен от два цвята - цветен и антицветен, а всички останали квантови числа са равни на нула. Когато глюонът се излъчва, кваркът променя цвета си, но не и аромата. Общо има 8 глюона.
• Елементарните процеси в QCD са конструирани по аналогия с QED: емисия на тормозно излъчване на глюон от кварк, производство на кварк-антикваркови двойки от глуон. Производството на глуони от глуон няма аналог в QED.
• Статичното глуонно поле не се стреми към нула в безкрайността, т.е. общата енергия на такова поле е безкрайна. По този начин кварците не могат да избягат от адроните; настъпва затваряне.
• Силите на привличане действат между кварките, които имат две необичайни свойства: а) асимптотична свобода на много малки разстояния и б) инфрачервено улавяне - ограничаване, поради факта, че потенциалната енергия на взаимодействие V (r) нараства неопределено с увеличаване на разстоянието между кварци r, V (r) = -α s / r + ær, α s и æ са константи.
• Взаимодействието кварк-кварк не е адитивно.
• Само цветни сингъли могат да съществуват като свободни частици:
  мезонов синглет, за който вълновата функция се определя от съотношението

и барион синглет с вълнова функция

където R е червено, B е синьо, G е зелено.

• Правете разлика между настоящи и съставни кварки, които имат различни маси.
• Напречните сечения на процеса A + B = C + X с обмена на един глуон между кварките, които са част от адроните, се изписват под формата:

ŝ = x a x b s, = x a t / x c.

Символите a, b, c, d означават кварките и свързаните с тях променливи, символите A, B, C - адрони, ŝ ,,, - количества, свързани с кварки, - функция за разпределение на кварки и в адрон A (или съответно - кварки b в адрон В), е функцията на фрагментация на кварк c в адрони C, d / dt е елементарното напречно сечение qq на взаимодействието.

1.2 Откриване на отклонения от стандартния модел

При съществуващите енергии на ускорените частици всички разпоредби на QCD и още повече QED са добре изпълнени. В планираните експерименти с по -висока енергия на частиците една от основните задачи е да се намерят отклонения от стандартния модел.
По-нататъчно развитиефизиката на високите енергии е свързана с решаването на следните проблеми:

1. Търсете екзотични частици със структура, различна от тази, приета в Стандартния модел.
2. Търсене на неутринни трептения ν μ ↔ ν τ и свързания с тях проблем с масата на неутрино (ν m ≠ 0).
3. Търсене на разпадане на протон, чийто живот се оценява на τ exp> 10 33 години.
4. Търсете структурата на фундаменталните частици (струни, преони на разстояния d< 10 -16 см).
5. Откриване на деконфинирана адронна материя (кварк-глуонова плазма).
6. Изследване на нарушение на CP-инвариантността при разпадане на неутрални К-мезони, D-мезони и В-частици.
7. Изследване на природата на тъмната материя.
8. Изследване на състава на вакуума.
9. Търсете бозона на Хигс.
10. Търсете суперсиметрични частици.

1.3 Нерешени проблеми в стандартния модел

Фундаменталната физическа теория, Стандартният модел на електромагнитни, слаби и силни взаимодействия на елементарни частици (кварки и лептони) е общопризнато постижение на физиката през 20 век. Той обяснява всички известни експериментални факти във физиката на микросвета. Съществуват обаче редица въпроси, на които стандартният модел не дава отговор.

1. Естеството на механизма на спонтанно счупване на електрослаба инвариантност на габарита е неизвестно.

• Обясняването на съществуването на маси за W ± - и Z 0 -бозони изисква въвеждането в теорията на скаларните полета със основно състояние, което е неинвариантно по отношение на калибровочните преобразувания - вакуум.
• Последицата от това е появата на нова скаларна частица - бозонът на Хигс.

1. CM не обяснява естеството на квантовите числа.

• Какво представляват зарядите (електрически; барионни; лептон: Le, L μ, L τ: цвят: син, червен, зелен) и защо се квантуват?
• Защо има 3 поколения фундаментални фермиони (I, II, III)?

1. SM не включва гравитацията, следователно начинът за включване на гравитацията в SM - Нова хипотеза за съществуването на допълнителни измерения в пространството на микросвета.
2. Няма обяснение защо основният мащаб на Планк (M ~ 10 19 GeV) е толкова далеч от основния мащаб на електрослабите взаимодействия (M ~ 10 2 GeV).

Понастоящем е очертан начин за решаване на тези проблеми. Състои се в разработването на ново разбиране за структурата на фундаменталните частици. Предполага се, че фундаменталните частици са обекти, обикновено наричани „струни“. Свойствата на струните са разгледани в бързо развиващия се модел на суперструни, който твърди, че установява връзка между явления, възникващи във физиката на частиците и астрофизиката. Тази връзка доведе до формулирането на нова дисциплина - космологията на елементарните частици.

Разпоредбите

Стандартният модел се състои от следните разпоредби:

• Цялата материя се състои от 24 фундаментални квантови полета със спин ½, чиито кванти са фундаментални частици - фермиони, които могат да бъдат комбинирани в три поколения фермиони: 6 лептона (електрон, муон, тау лептон, електронно неутрино, мюонно неутрино и тау неутрино ), 6 кварка (u, d, s, c, b, t) и 12 съответни им античастици.
• Кварките участват в силни, слаби и електромагнитни взаимодействия; заредени лептони (електрон, мюон, тау лептон) - в слабия и електромагнитния; неутрино - само при слаби взаимодействия.
• И трите вида взаимодействия възникват вследствие на постулата, че нашият свят е симетричен по отношение на три типа габаритни трансформации. Частиците-носители на взаимодействия са бозони:

8 глуона за силно взаимодействие (група за симетрия SU (3)); 3 бозона с тежки габарити (W +, W -, Z 0) за слабо взаимодействие (група за симетрия SU (2)); един фотон за електромагнитно взаимодействие (група симетрия U (1)).

• За разлика от електромагнитното и силно, слабото взаимодействие може да смесва фермиони от различни поколения, което води до нестабилност на всички частици, с изключение на най -леките, и до такива ефекти като нарушение на CP и неутринни трептения.
• Външните параметри на стандартния модел са:
  • маси лептони (3 параметъра, неутрино се приемат за безмасови) и кварки (6 параметъра), интерпретирани като константи на взаимодействие на техните полета с бозоновото поле на Хигс,
  • параметри на CKM кваркова смесителна матрица - три ъгъла на смесване и една сложна фазова нарушаваща CP симетрия - константи на взаимодействие на кварките с електрослабо поле,
  • два параметъра на полето на Хигс, които са уникално свързани със средната стойност на вакуума и масата на бозона на Хигс,
  • три константи на свързване, свързани съответно с измервателните групи U (1), SU (2) и SU (3) и характеризиращи относителните интензитети на електромагнитните, слабите и силните взаимодействия.

Поради факта, че са открити неутринни трептения, Стандартният модел се нуждае от разширение, което въвежда допълнителни 3 неутринни маси и най -малко 4 параметъра на матрицата за смесване на неутрино PMNS, подобна на матрицата за смесване на кварков CKM, и евентуално още 2 параметри на смесване ако неутрино са майорски частици. Също така вакуумният ъгъл на квантовата хромодинамика понякога е включен в броя на параметрите на стандартния модел. Трябва да се отбележи, че математически модел с набор от 20 плюс числа е в състояние да опише резултатите от милиони експерименти, проведени във физиката досега.

Извън стандартния модел

Вижте също

Бележки (редактиране)

Литература

• Емелянов В.М.Стандартен модел и неговите разширения. - Москва: Fizmatlit, 2007.- 584 с. - (Основна и приложна физика). -ISBN 978-5-922108-30-0

Връзки

Фондация Уикимедия. 2010 г.

Вижте какво представлява „Стандартният модел“ в други речници:

СТАНДАРТЕН МОДЕЛ, моделът на ЕЛЕМЕНТРНИ ЧАСТИЦИ и техните взаимодействия, който е най -много Пълно описаниефизически явления, свързани с електричеството. Частиците се разделят на ХАДРОНИ (под влиянието на ЯДРЕНИ СИЛИ, превръщащи се в ЧЕТВЕРИ), ... ... Научно -технически енциклопедичен речник

Във физиката на частиците, теорията, според рояк от DOS. (фундамент.) елементарни частици са кварки и лептони. Силното взаимодействие, чрез което кварките са свързани в адрони, се осъществява чрез обмен на глуони. Електрослаб ....... Естествени науки. енциклопедичен речник

- ... Уикипедия

Стандартен модел за международна търговия- най -широко използваният модел на международна търговия, който разкрива влиянието на външната търговия върху основните макроикономически показатели на една търговска страна: производство, потребление, социално подпомагане ... Икономика: речник

- (Модел на Heckscher Ohlin) Стандартен вътрешно индустриален търговски модел с различна индустриална структура, кръстен на своите шведски създатели. Според този модел страните имат едно и също производство ... ... Икономически речник

Научната картина на света (НКМ) (едно от основните понятия в естествената наука) е специална форма на систематизиране на знанието, качествено обобщение и идеологически синтез на различни научни теории... Като цялостна система от идеи за обща ... ... Уикипедия

C стандартна библиотека assert.h complex.h ctype.h errno.h fenv.h float.h inttypes.h iso646.h limits.h locale.h math.h setjmp.h signal.h stdarg.h stdbool.h stddef. з ... Уикипедия

СТАНДАРТНА КОНЦЕПЦИЯ НА НАУКАТА form logico методологически анализприродонаучни теории, разработени под значителното влияние на неопозитивистката философия на науката. В рамките на стандартната научна концепция свойствата на теорията (тълкувани като ... ... Философска енциклопедия

Форма на логически методологичен анализ на природонаучните теории, развита под значителното влияние на неопозитивистката философия на науката. В рамките на стандартната научна концепция, свойствата на теорията (интерпретирана като съвкупност от научно значими ... ... Философска енциклопедия

Книги

• Физика на частиците - 2013. Квантова електродинамика и стандартният модел, О. М. Бояркин, Г. Г. Бояркина. Във втория том на двутомна книга, съдържаща модерен курс по физика на елементарните частици, квантовата електродинамика се счита за първия пример за теорията на реалните взаимодействия. ...

Стандартен моделе съвременна теория за структурата и взаимодействията на елементарните частици, която е многократно тествана експериментално. Тази теория се основава на много малък брой постулати и позволява теоретично да се предскажат свойствата на хиляди различни процеси в света на елементарните частици. В по -голямата част от случаите тези прогнози се потвърждават от експеримент, понякога с изключително висока точност, и такива редки случаикогато прогнозите на Стандартния модел са в противоречие с опита, те стават обект на разгорещен дебат.

Стандартният модел е границата, която разделя надеждно известните от хипотетичните в света на елементарните частици. Въпреки впечатляващия успех в описанието на експериментите, Стандартният модел не може да се счита за окончателна теория на елементарните частици. Физиците са уверени в това тя трябва да бъде част от някаква по -дълбока теория за структурата на микросвета... За каква теория все още не е известно със сигурност. Теоретиците са се развили голямо числокандидати за такава теория, но само експеримент трябва да покаже кой от тях отговаря на реалната ситуация в нашата Вселена. Ето защо физиците агресивно търсят отклонения от Стандартния модел, всякакви частици, сили или ефекти, които Стандартният модел не предвижда. Учените заедно наричат ​​всички тези явления „Нова физика“; точно търсенето на нова физика е основната задача на Големия адронен колайдер.

Основни компоненти на стандартния модел

Работният инструмент на Стандартния модел е квантовата теория на полето - теория, която замества квантова механикасъс скорости, близки до скоростта на светлината. Ключовите обекти в него не са частици, както в класическа механика, а не "частични вълни", както в квантовата механика, но квантови полета: електронни, мюонни, електромагнитни, кваркови и др. - по един за всеки тип "микросвета".

И вакуумът, и това, което възприемаме като отделни частици, и по -сложни образувания, които не могат да бъдат сведени до отделни частици - всичко това се описва като различни състояния на полетата. Когато физиците използват думата „частица“, те наистина имат предвид тези състояния на полетата, а не отделни точкови обекти.

Стандартният модел включва следните основни съставки:

• Набор от основни "градивни елементи" на материята - шест вида лептони и шест вида кварки... Всички тези частици са спин 1/2 фермиони и се организират по много естествен начин в три поколения. Многобройни адрони - сложни частици, участващи в силни взаимодействия - са изградени от кварки в различни комбинации.
• Три вида силидействащи между основните фермиони са електромагнитни, слаби и силни. Слабите и електромагнитните взаимодействия са две страни на едно и също електрослабо взаимодействие... Силното взаимодействие стои отделно и именно това свързва кварките в адрони.
• Всички тези сили са описани въз основа на принцип на калибриране- те не са въведени в теорията „насила“, а сякаш възникват сами в резултат на изискването за симетрия на теорията по отношение на определени трансформации. Някои видове симетрия пораждат силни и слабо слаби взаимодействия.
• Въпреки факта, че самата теория съдържа електрослаба симетрия, в нашия свят тя спонтанно се нарушава. Спонтанно нарушаване на електрослабата симетрия- необходим елемент от теорията, а в рамките на Стандартния модел настъпва нарушение поради механизма на Хигс.
• Числови стойности за около две дузини константи: това са масите на фундаменталните фермиони, числените стойности на константата на свързване на взаимодействията, характеризиращи тяхната сила, и някои други величини. Всички те са извлечени веднъж завинаги от сравнение с опита и вече не се коригират при по -нататъшни изчисления.

Освен това Стандартният модел е теория за пренормиране, тоест всички тези елементи са въведени в него по такъв самосъвместим начин, че по принцип позволява изчисленията да се извършват с необходимата степен на точност. Изчисленията с желаната степен на точност обаче често са прекалено трудни, но това не е проблем на самата теория, а по -скоро на нашите изчислителни способности.

Какво може и не може стандартният модел

Стандартният модел е в много отношения описателна теория. Той не дава отговори на много въпроси, започващи с "защо": защо има точно толкова много частици и точно такива? откъде са дошли тези взаимодействия и с точно такива свойства? Защо природата трябваше да създаде три поколения фермиони? защо числовите стойности на параметрите са абсолютно еднакви? Освен това Стандартният модел не е в състояние да опише някои от явленията, наблюдавани в природата. По -специално, в него няма място за неутринни маси и частици тъмна материя. Стандартният модел пренебрегва гравитацията и не е известно какво се случва с тази теория на енергийната скала на Планк, когато гравитацията стане изключително важна.

Ако използвате стандартния модел по предназначение, за да предвидите резултатите от сблъсъци на елементарни частици, той позволява, в зависимост от конкретния процес, да се извършват изчисления с различна степен на точност.

• За електромагнитни явления (електронно разсейване, енергийни нива) точността може да достигне до ppm или по -добра. Рекордът се държи тук от аномалния магнитен момент на електрона, който се изчислява с точност по -добра от една милиардна.
• Много високоенергийни процеси, които възникват поради електрослаби взаимодействия, се изчисляват с по-добра от процент точност.
• Най -лошото нещо за изчисляване е силното взаимодействие, когато не е твърде високи енергии... Точността на изчисляване на такива процеси варира значително: в някои случаи може да достигне процент, в други случаи различни теоретични подходи могат да дадат отговори, които се различават няколко пъти.

Струва си да се подчертае, че фактът, че някои процеси са трудни за изчисляване с необходимата точност, не означава, че „теорията е лоша“. Просто той е много сложен и сегашните математически техники все още не са достатъчни, за да се проследят всичките му последици. По -специално, един от известните математически проблеми на хилядолетието се занимава с проблема за задържане в квантова теорияс неабелово габаритно взаимодействие.

Допълнителна литература:

• Основна информация за механизма на Хигс може да се намери в книгата на Л. Б. Окун „Физика на елементарните частици“ (на ниво думи и картини) и „Лептони и кварки“ (на сериозно, но достъпно ниво).

Цялата материя се състои от кварки, лептони и частици - носители на взаимодействия.

Днес е обичайно да наричаме стандартния модел теорията, която най -добре отразява представите ни за изходен материалот която първоначално е построена Вселената. Тя също така описва как точно се образува материята от тези основни компоненти и силите и механизмите на взаимодействие между тях.

От структурна гледна точка елементарните частици, които изграждат атомни ядра ( нуклони) и като цяло всички тежки частици - адрони (барионии мезони) - се състоят от още по -прости частици, които обикновено се наричат ​​фундаментални. В тази роля са наистина фундаменталните първични елементи на материята кварки, чийто електрически заряд е равен на 2/3 или –1/3 от единичния положителен заряд на протона. Най -често срещаните и леки кварки се наричат Горна части нисъки означават съответно, ти(от английски нагоре) и д(надолу). Понякога те също се наричат протони неутронкварк поради факта, че протонът се състои от комбинация uudи неутрона - udd.Най -горният кварк има 2/3 заряд; отдолу - отрицателен заряд –1/3. Тъй като протонът се състои от два нагоре и един надолу, а неутронът се състои от един нагоре и два надолу кварка, можете независимо да проверите дали общият заряд на протон и неутрон се оказва строго равен на 1 и 0, и да направите сигурен съм, че в този стандартен модел адекватно се описва реалността ... Другите две двойки кварки са част от по -екзотичните частици. Кварките от втората двойка се наричат омагьосан - ° С(от очарован) и странно - с(от странно). Третата двойка са вярно - T(от истинаили на английски. традиции Горна част) и красив - б(от красотаили на английски. традиции дъно) кварки. Почти всички частици, предвидени от стандартния модел и състоящи се от различни комбинации от кварки, вече са открити експериментално.

Друг сграден комплект се състои от тухли, наречени лептони.Най -често срещаният от лептоните ни е познат от дълго време. електрон, който е част от структурата на атомите, но не участва в ядрени взаимодействия, ограничавайки се до междуатомни. В допълнение към него (и неговата двойка античастица се обади позитрон) лептоните включват по -тежки частици - мюон и тау лептон с техните античастици. Освен това всеки лептон има своя собствена незаредена частица с нулева (или практически нулева) маса на покой; такива частици се наричат ​​съответно електрон, мюон или таон неутрино.

Така лептоните, подобно на кварките, също образуват три „семейни двойки“. Тази симетрия не е избягала от наблюдателните погледи на теоретиците, но все още не е предложено убедително обяснение за нея. Както и да е, кварките и лептоните представляват основното строителни материалиВселената.

За да разберете другата страна на монетата - естеството на силите на взаимодействие между кварки и лептони - трябва да разберете как съвременните теоретични физици тълкуват самото понятие за сила. Една аналогия ще ни помогне в това. Представете си, че двама лодкари гребят на курс за сблъсък на река Кам в Кеймбридж. Един гребач, от щедростта на душата си, реши да почерпи колега с шампанско и когато те отплаваха един срещу друг, му хвърли пълна бутилка шампанско. В резултат на закона за запазване на инерцията, когато първият гребец хвърли бутилката, курсът на лодката му се отклони от правия курс в обратната посока, а когато вторият гребец хване бутилката, нейният импулс се предава на него, и втората лодка също се отклони от правия курс, но в обратна посока. Така в резултат на размяната на шампанско и двете лодки смениха посоката. Според законите на механиката на Нютон, това означава, че е имало взаимодействие на сила между лодките. Но лодките не са влизали в пряк контакт помежду си, нали? Тук и двамата виждаме ясно и интуитивно разбираме, че силата на взаимодействие между лодките се предава от носителя на импулса - бутилка шампанско. Физиците щяха да й се обадят носител на взаимодействие.

По абсолютно същия начин силовите взаимодействия между частиците възникват чрез обмен на частици-носители на тези взаимодействия. Всъщност правим разграничение между основните сили на взаимодействие между частиците само доколкото различните частици действат като носители на тези взаимодействия. Има четири такива взаимодействия: силен(именно това поддържа кварците вътре в частиците), електромагнитни, слаб(именно това води до някои форми на радиоактивен разпад) и гравитационни.Носители на силно цветово взаимодействие са глюоникоито нямат нито маса, нито електрически заряд. Този тип взаимодействие се описва чрез квантова хромодинамика. Електромагнитното взаимодействие възниква чрез обмен на кванти на електромагнитно излъчване, които се наричат фотонии също така лишени от маса . Слабите взаимодействия, от друга страна, се предават от масивни векторили мерителни бозони, които "тежат" 80-90 пъти повече от протон - в лабораторни условия те са открити за първи път едва в началото на 80 -те години. И накрая, гравитационното взаимодействие се предава чрез обмен на не-собствена маса гравитони- тези посредници все още не са открити експериментално.

В рамките на Стандартния модел първите три типа фундаментални взаимодействия бяха успешно комбинирани и те вече не се разглеждат поотделно, а се разглеждат като три различни проявления на силата от един характер. Връщайки се към аналогията, да предположим, че друг чифт гребци, плаващи един срещу друг по река Кам, са разменили не бутилка шампанско, а само чаша сладолед. От това лодките също ще се отклонят от курса в противоположни посоки, но много по -слаби. На външен наблюдател може да изглежда, че в тези два случая между лодките са действали различни сили: в първия случай е имало размяна на течност (предлагам да не се взема предвид бутилката, тъй като повечето от нас се интересуват от съдържанието й ), а във втория - с твърдо вещество (сладолед). А сега си представете, че в Кеймбридж този ден е имало рядка за северните места лятна жега и сладоледът се е стопил по време на полет. Тоест, леко повишаване на температурата е достатъчно, за да се разбере, че всъщност взаимодействието не зависи от това дали течност или твърдо вещество действа като негов носител. Единствената причина, поради която мислехме, че има различни сили, действащи между лодките, беше външната разлика на носителя за сладолед, причинена от недостатъчната температура, за да го стопи. Повишете температурата и силите на взаимодействие ще изглеждат визуално обединени.

Силите, действащи във Вселената, също се сливат заедно при високи енергии (температури) на взаимодействие, след което е невъзможно да се направи разлика между тях. Първият обединяват(така се нарича обикновено) слаби ядрени и електромагнитни взаимодействия. В резултат на това получаваме т.нар електрослабо взаимодействиенаблюдавани дори в лабораторията при енергии, разработени от съвременните ускорители на частици. В ранната Вселена енергиите бяха толкова високи, че през първите 10-10 секунди след Големия взрив нямаше граница между слабите ядрени и електромагнитните сили. Едва след като средната температура на Вселената спадна до 10 14 K, и четирите наблюдавани силови взаимодействия днес се разделят и придобиват съвременна форма. Докато температурата беше над тази граница, действаха само три основни сили: силни, комбинирани електрослаби и гравитационни взаимодействия.

Обединяването на електрослабите и силните ядрени взаимодействия става при температури от порядъка на 10 27 К. В лабораторни условия такива енергии са недостижими днес. Най -мощният съвременен ускорител - в момента в процес на изграждане на границата на Франция и Швейцария, Големият адронен колайдер - ще може да ускори частиците до енергии, които са само 0,000000001% от необходимото за комбиниране на електрослабите и силните ядрени взаимодействия. Така че, вероятно ще трябва да чакаме дълго време за експериментално потвърждение на това обединение. Няма такива енергии и в съвременната Вселена, но през първите 10 -35 от съществуването й температурата на Вселената е била над 10 27 K, а във Вселената са действали само две сили - електростатичени гравитационното взаимодействие. Теориите, описващи тези процеси, се наричат ​​"теории за великото обединение" (TVO). Невъзможно е директно да се провери TVO, но те дават определени прогнози за процесите, протичащи при по -ниски енергии. Към днешна дата всички прогнози на TVO за относително ниски температурии енергиите се потвърждават експериментално.

И така, Стандартният модел в своя обобщен вид е теория за структурата на Вселената, в която материята се състои от кварки и лептони, а силните, електромагнитни и слаби взаимодействия между тях са описани от теориите за великото обединение. Този модел очевидно е непълен, тъй като не включва гравитацията. Вероятно в крайна сметка ще бъде разработена по -пълна теория ( см.Универсални теории) и днес Стандартният модел е най -доброто, което имаме.

"Елементи"

Днес Стандартният модел е една от най -важните теоретични конструкции във физиката на частиците, описваща електромагнитните, слабите и силните взаимодействия на всички елементарни частици. Основните положения и компоненти на тази теория са описани от физика, член -кореспондент на Руската академия на науките Михаил Данилов

1

Сега, въз основа на експериментални данни, е създадена много съвършена теория, която описва почти всички явления, които наблюдаваме. Тази теория е скромно наречена „стандартен модел на елементарни частици“. Той има три поколения фермиони: кварки, лептони. Това е, така да се каже, строителен материал. Всичко, което виждаме около нас, е изградено от първото поколение. Той включва u- и d-кварки, електрон и електронно неутрино. Протоните и неутроните са изградени от три кварка: съответно uud и udd. Но има още две поколения кварки и лептони, които до известна степен повтарят първото, но по -тежко и в крайна сметка се разпадат на частици от първото поколение. Всички частици имат античастици с противоположни заряди.

2

Стандартният модел включва три взаимодействия. Електромагнитното взаимодействие задържа електроните вътре в атома и атомите вътре в молекулите. Носителят на електромагнитното взаимодействие е фотонът. Силното взаимодействие задържа протоните и неутроните вътре в атомното ядро ​​и кварците вътре в протоните, неутроните и други адрони (така LB Okun 'предложи да нарече частиците, участващи в силното взаимодействие). Силното взаимодействие включва кваркове и адрони, изградени от тях, както и носители на самото взаимодействие - глюони (от английския lep - лепило). Хадроните са или съставени от три кварка, като протон и неутрон, или кварк и антикварк, като, да речем, π ± мезон, състоящ се от u и анти-d кварки. Слабите взаимодействия водят до редки разпадания като разпадането на неутрон в протон, електрон и електронно антинейтрино. Носителите на слабото взаимодействие са W и Z бозоните. Кварките и лептоните участват в слабото взаимодействие, но то е много малко при нашите енергии. Това обаче се дължи просто на голямата маса на W и Z бозоните, които са с два порядъка по -тежки от протоните. При енергии, по-големи от масата на W- и Z-бозони, силите на електромагнитните и слабите взаимодействия стават сравними и те се обединяват в едно електрослабо взаимодействие. Предполага се, че за много b Опо -високи енергии и силни взаимодействия ще се обединят с останалите. В допълнение към електрослабите и силни взаимодействия, има и гравитационно взаимодействие, което не е включено в Стандартния модел.

W, Z-бозони

g - глюони

H0 е бозонът на Хигс.

3

Стандартният модел може да бъде формулиран само за безмасови фундаментални частици, т.е. кварки, лептони, W и Z бозони. За да придобият маса, обикновено се въвежда полето на Хигс, кръстено на един от учените, предложили този механизъм. В този случай трябва да има друга фундаментална частица в Стандартния модел - бозонът на Хигс. Търсенето на тази последна тухла в стройната сграда на Стандартния модел се извършва активно в най -големия колайдер в света - Големия адронен колайдер (LHC). Вече са получени индикации за съществуването на Хигс бозон с маса от около 133 протонни маси. Статистическата надеждност на тези индикации обаче все още е недостатъчна. Очаква се ситуацията да се изясни до края на 2012 г.

4

Стандартният модел перфектно описва почти всички експерименти по физика на елементарните частици, въпреки че търсенето на явления извън Стандартния модел се търси постоянно. Последният намек за физиката извън SM беше откриването през 2011 г. в експеримента с LHCb в LHC на неочаквано голяма разлика в свойствата на така наречените очаровани мезони и техните античастици. Очевидно обаче дори такава голяма разлика може да се обясни в рамките на стандартния модел. От друга страна, през 2011 г. беше получено друго потвърждение на SM, предвиждащо съществуването на екзотични адрони, което се търсеше в продължение на няколко десетилетия. Физици от Института по теоретична и експериментална физика (Москва) и Института ядрена физика(Новосибирск) в рамките на международния експеримент BELLE откриха адрони, състоящи се от два кварка и два антикварка. Най -вероятно това са мезонови молекули, предсказани от теоретиците на ITEP М. Б. Волошин и Л. Б. Окун.

5

Въпреки всички успехи на Стандартния модел, той има много недостатъци. Броят на свободните параметри на теорията надвишава 20 и е напълно неясно откъде идва тяхната йерархия. Защо масата на t-кварка е 100 хиляди пъти по-голяма от масата на u-кварка? Защо константата на свързване на t и d кварки, измерена за първи път в международния експеримент ARGUS с активното участие на физици от ITEP, е 40 пъти по -малка от константата на свързване на c и d кваркове? CM не отговаря на тези въпроси. И накрая, защо имаме нужда от 3 поколения кварки и лептони? Японските теоретици М. Кобаяши и Т. Маскава показаха през 1973 г., че съществуването на 3 поколения кварки дава възможност да се обясни разликата в свойствата на материята и антиматерията. Хипотезата на М. Кобаяши и Т. Маскава беше потвърдена в експериментите BELLE и BaBar с активното участие на физици от INP и ITEP. През 2008 г. М. Кобаяши и Т. Маскава бяха удостоени с Нобелова награда за своята теория

6

Със стандартния модел има по -фундаментални проблеми. Вече знаем, че CM не е завършен. От астрофизичните изследвания е известно, че има материя, която не е в SM. Това е така наречената тъмна материя. Това е около 5 пъти повече от обикновената материя, от която сме направени. Може би основният недостатък на стандартния модел е липсата на вътрешна самосъгласуваност. Например, естествената маса на бозона на Хигс, възникваща в SM поради обмена на виртуални частици, е с много порядъци по -голяма от масата, необходима за обяснение на наблюдаваните явления. Едно от най -популярните решения в понастоящем, е хипотезата за суперсиметрията - предположението, че има симетрия между фермиони и бозони. За първи път тази идея е изразена през 1971 г. от Ю. А. Голфанд и Е. П. Лихтман във ФИАН, а сега се радва на огромна популярност.

7

Наличието на суперсиметрични частици не само дава възможност да се стабилизира поведението на SM, но също така предоставя много естествен кандидат за ролята на тъмната материя - най -леката суперсиметрична частица. Въпреки че понастоящем няма надеждно експериментално потвърждение на тази теория, тя е толкова красива и толкова елегантна при решаването на проблеми от стандартния модел, че много хора вярват в нея. LHC активно търси суперсиметрични частици и други алтернативи на SM. Например, те търсят допълнителни размери на пространството. Ако те съществуват, тогава много проблеми могат да бъдат решени. Може би гравитацията става силна на относително големи разстояния, което също ще бъде голяма изненада. Други, алтернативни модели на Хигс, механизми на произхода на масата в фундаментални частици са възможни. Търсенето на ефекти извън Стандартния модел е много активно, но засега неуспешно. Много трябва да стане ясно през следващите години.