مدل استاندارد ذرات بنیادی چه چیزی را توصیف می کند؟ مدل استاندارد فیزیک ذرات. اسپین چیست

درک مدرن از فیزیک ذرات در به اصطلاح موجود است مدل استاندارد . مدل استاندارد (SM) فیزیک ذرات مبتنی بر الکترودینامیک کوانتومی، کرومودینامیک کوانتومی و مدل کوارک-پارتون است.
الکترودینامیک کوانتومی (QED)، یک نظریه با دقت بالا، فرآیندهایی را توصیف می‌کند که تحت تأثیر نیروهای الکترومغناطیسی اتفاق می‌افتند و با درجه بالایی از دقت مطالعه شده‌اند.
کرومودینامیک کوانتومی (QCD)، که فرآیندهای برهمکنش های قوی را توصیف می کند، با قیاس با QED ساخته شده است، اما تا حد زیادی یک مدل نیمه تجربی است.
مدل کوارک-پارتون نتایج نظری و تجربی حاصل از مطالعات خواص ذرات و برهمکنش‌های آنها را ترکیب می‌کند.
تا به امروز هیچ انحرافی از مدل استاندارد کشف نشده است.
محتویات اصلی مدل استاندارد در جداول 1، 2، 3 ارائه شده است. اجزای تشکیل دهنده ماده سه نسل فرمیون های بنیادی (I, II, III) هستند که خواص آنها در جدول ذکر شده است. 1. بوزون های بنیادی حامل برهمکنش ها هستند (جدول 2)، که می تواند با استفاده از نمودار فاینمن نمایش داده شود (شکل 1).

جدول 1: فرمیون ها - (اسپین نصف عدد صحیح در واحد ћ) اجزای تشکیل دهنده ماده

	لپتون، اسپین = 1/2			کوارک ها، اسپین = 1/2
	عطر	وزن، GeV/s 2	برقی شارژ، ه	عطر	وزن، GeV/s 2	برقی شارژ، ه
من	ν e	< 7·10 -9	0	تو، بالا	0.005	2/3
	e، الکترون	0.000511	-1	د، پایین	0.01	-1/3
II	ν μ	< 0.0003	0	با جذابیت	1.5	2/3
	μ، میون	0.106	-1	اس، عجیب	0.2	-1/3
III	ν τ	< 0.03	0	تی، بالا	170	2/3
	τ، تاو	1.7771	-1	ب، پایین	4.7	-1/3

جدول 2: بوزون ها - حامل برهمکنش ها (اسپین = 0، 1، 2 ... به واحد ћ)

بردارها تعاملات	وزن، GeV/c2	برقی شارژ، ه
برهمکنش ضعیف الکتریسیته
γ، فوتون، اسپین = 1	0	0
W - ، چرخش = 1	80.22	-1
W+، اسپین = 1	80.22	+1
Z 0، چرخش = 1	91.187	0
تعامل قوی (رنگی).
5، گلوئون، اسپین = 1	0	0
بوزون های کشف نشده
H 0، هیگز، اسپین = 0	> 100	0
G، گراویتون، اسپین = 2	?	0

جدول 3: ویژگی های مقایسه ایتعاملات اساسی

قدرت تعامل نسبت به قوی نشان داده شده است.

برنج. 1: نمودار فاینمن: A + B = C + D، a ثابت برهمکنش است، Q 2 = -t - 4- تکانه، که ذره A در نتیجه یکی از چهار نوع برهمکنش به ذره B منتقل می کند.

1.1 مبانی مدل استاندارد

• هادرون ها از کوارک ها و گلوئون ها (پارتون ها) تشکیل شده اند. کوارک ها فرمیون هایی با اسپین 1/2 و جرم m 0 هستند. گلوئون ها بوزون هایی با اسپین 1 و جرم m = 0 هستند.
• کوارک ها بر اساس دو ویژگی طبقه بندی می شوند: طعم و رنگ. 6 طعم شناخته شده کوارک و 3 رنگ برای هر کوارک وجود دارد.
• عطر مشخصه ای است که در فعل و انفعالات قوی باقی می ماند.
• گلوئون از دو رنگ تشکیل شده است - رنگ و ضد رنگ و بقیه اعداد کوانتومیاو برابر با صفر است. هنگامی که یک گلوئون گسیل می شود، کوارک تغییر رنگ می دهد، اما طعم آن تغییر نمی کند. در مجموع 8 گلوئون وجود دارد.
• فرآیندهای ابتدایی در QCD بر اساس قیاس با QED ساخته می شوند: گسیل bremsstrahlung یک گلوئون توسط یک کوارک، تولید جفت کوارک-آنتی کوارک توسط یک گلوئون. فرآیند تولید گلوئون توسط یک گلوئون در QED مشابهی ندارد.
• میدان گلوئون ایستا در بی نهایت به صفر تمایل ندارد، یعنی. انرژی کلچنین میدانی بی نهایت است. بنابراین، کوارک ها نمی توانند از هادرون ها فرار کنند، محصور شدن اتفاق می افتد.
• نیروهای جذابی بین کوارک ها وجود دارد که دو ویژگی غیرمعمول دارند: الف) آزادی مجانبی در فواصل بسیار کوچک و ب) به دام انداختن مادون قرمز - محصور شدن، به این دلیل که انرژی برهمکنش پتانسیل V(r) با افزایش فاصله بین کوارک ها به طور نامحدود افزایش می یابد. ، V(r ) = -α s /r + ær، α s و æ ثابت هستند.
• برهم کنش کوارک-کوارک افزایشی نیست.
• فقط تک رنگ ها می توانند به شکل ذرات آزاد وجود داشته باشند:
  مزون تک، که تابع موج برای آن با رابطه تعیین می شود

و منفرد باریون با تابع موج

که در آن R قرمز، B آبی، G سبز است.

• کوارک های فعلی و جزئی وجود دارند که جرم های متفاوتی دارند.
• سطح مقطع فرآیند A + B = C + X با تبادل یک گلوئون بین کوارک های موجود در هادرون ها به شکل زیر نوشته می شود:

ŝ = x a x b s، = x a t/x c.

نمادهای a، b، c، d نشان‌دهنده کوارک‌ها و متغیرهای مربوط به آنها هستند، نمادهای A، B، C هادرون هستند، ŝ،،، کمیت‌های مربوط به کوارک‌ها، تابع توزیع کوارک‌های a در هادرون A هستند (یا به ترتیب، - کوارک b در هادرون B)، تابع تکه تکه شدن کوارک c به هادرون C است، d/dt مقطع ابتدایی برهمکنش qq است.

1.2 جستجوی انحرافات از مدل استاندارد

در انرژی های موجود ذرات شتاب، تمام مفاد QCD و حتی بیشتر از آن، QED به خوبی برآورده می شوند. در آزمایشات برنامه ریزی شده با انرژی ذرات بالاتر، یکی از وظایف اصلی جستجو برای انحرافات از مدل استاندارد است.
توسعه بیشترفیزیک انرژی بالا با حل مسائل زیر همراه است:

1. ذرات عجیب و غریب با ساختاری متفاوت از آنچه در مدل استاندارد پذیرفته شده است را جستجو کنید.
2. جستجو برای نوسانات نوترینو ν μ↔ ν τ و مسئله مرتبط با جرم نوترینو (ν m≠ 0).
3. جستجو برای واپاشی پروتون، که طول عمر آن ت exp> 10 33 سال تخمین زده می شود.
4. جستجوی ساختار ذرات بنیادی (رشته ها، پریون ها در فواصل d< 10 -16 см).
5. تشخیص ماده هادرونیک محدود شده (پلاسمای کوارک-گلئون).
6. بررسی نقض تغییرناپذیری CP در هنگام فروپاشی مزون های خنثی K، مزون های D و B-ذرات.
7. مطالعه ماهیت ماده تاریک
8. مطالعه ترکیب خلاء.
9. جستجو برای بوزون هیگز
10. جستجو برای ذرات فوق متقارن

1.3 سوالات حل نشده مدل استاندارد

نظریه فیزیکی بنیادی، مدل استاندارد برهمکنش های الکترومغناطیسی، ضعیف و قوی ذرات بنیادی (کوارک ها و لپتون ها) یک دستاورد عمومی شناخته شده فیزیک قرن بیستم است. تمام حقایق تجربی شناخته شده در فیزیک ریزجهان را توضیح می دهد. با این حال، تعدادی از سوالات وجود دارد که در مدل استاندارد پاسخ داده نشده است.

1. ماهیت مکانیسم نقض خودبخودی عدم تغییر گیج الکتروضعیف ناشناخته است.

• توضیح وجود جرم‌ها برای بوزون‌های W ± - و Z 0 مستلزم ورود به تئوری میدان‌های اسکالر با حالت پایه - خلاء - است که تحت تبدیل‌های گیج تغییر ناپذیر است.
• پیامد این امر ظهور یک ذره اسکالر جدید - بوزون هیگز است.

1. SM ماهیت اعداد کوانتومی را توضیح نمی دهد.

• بارها (الکتریک، باریون، لپتون: Le، L μ، L τ: رنگ: آبی، قرمز، سبز) چیست و چرا کوانتیزه می شوند؟
• چرا 3 نسل فرمیون های بنیادی (I، II، III) وجود دارد؟

1. SM شامل گرانش نمی شود، از این رو راهی برای گنجاندن گرانش در SM - یک فرضیه جدید در مورد وجود ابعاد اضافی در فضای ریز جهان است.
2. هیچ توضیحی وجود ندارد که چرا مقیاس پلانک (M ~ 10 19 GeV) تا این حد از مقیاس بنیادی برهمکنش های الکتروضعیف (M ~ 10 2 GeV) فاصله دارد.

در حال حاضر مسیری برای حل این مشکلات ترسیم شده است. این شامل ایجاد درک جدیدی از ساختار ذرات بنیادی است. فرض بر این است که ذرات بنیادی اجسامی هستند که معمولاً "رشته" نامیده می شوند. ویژگی‌های ریسمان‌ها در مدل فوق‌رشته‌ای که به سرعت در حال توسعه است، مورد توجه قرار می‌گیرد، که مدعی ایجاد ارتباط بین پدیده‌هایی است که در فیزیک ذرات و اخترفیزیک رخ می‌دهند. این ارتباط منجر به تدوین یک رشته جدید - کیهان شناسی ذرات بنیادی شد.

مفاد

مدل استاندارد شامل موارد زیر است:

• همه مواد از 24 میدان کوانتومی بنیادی اسپین ½ تشکیل شده اند که کوانتوم های آن ذرات بنیادی هستند - فرمیون ها که می توانند در سه نسل فرمیون ترکیب شوند: 6 لپتون (الکترون، میون، تاو لپتون، الکترون نوترینو، میون نوترینو و نوترینو تاو). 6 کوارک (u، d، s، c، b، t) و 12 پادذره مربوطه.
• کوارک ها در برهمکنش های قوی، ضعیف و الکترومغناطیسی شرکت می کنند. لپتون های باردار (الکترون، میون، تاو لپتون) - در موارد ضعیف و الکترومغناطیسی؛ نوترینوها - فقط در فعل و انفعالات ضعیف.
• هر سه نوع برهمکنش در نتیجه این فرضیه که جهان ما با توجه به سه نوع تبدیل سنج متقارن است بوجود می آیند. ذرات حامل فعل و انفعالات بوزون هستند:

8 گلوئون برای برهمکنش قوی (گروه تقارن SU(3)).

• 3 بوزون گیج سنگین (W +، W -، Z 0) برای برهمکنش ضعیف (گروه تقارن SU(2).
• یک فوتون برای برهمکنش الکترومغناطیسی (گروه تقارن U(1)).
  • برخلاف برهمکنش‌های الکترومغناطیسی و قوی، نیروی ضعیف می‌تواند فرمیون‌های نسل‌های مختلف را مخلوط کند و منجر به ناپایداری همه ذرات به جز سبک‌ترین ذرات و اثراتی مانند نقض CP و نوسانات نوترینو شود.
  • پارامترهای خارجی مدل استاندارد عبارتند از:
  • جرم لپتون ها (3 پارامتر، نوترینوها بدون جرم فرض می شوند) و کوارک ها (6 پارامتر) که به عنوان ثابت های برهمکنش میدان های آنها با میدان بوزون هیگز تفسیر می شوند.
  • پارامترهای ماتریس اختلاط کوارک CKM - سه زاویه اختلاط و یک فاز پیچیده که تقارن CP را نقض می کند - ثابت های برهمکنش کوارک ها با میدان الکتریکی ضعیف،

با توجه به این واقعیت که نوسانات نوترینو کشف شده است، مدل استاندارد نیاز به توسعه ای دارد که 3 جرم نوترینو اضافی و حداقل 4 پارامتر از ماتریس اختلاط نوترینو PMNS، مشابه ماتریس اختلاط کوارک CKM، و احتمالاً 2 پارامتر اختلاط دیگر را معرفی کند. اگر نوترینوها ذرات مایورانا باشند. همچنین زاویه خلاء کرومودینامیک کوانتومی گاهی اوقات در بین پارامترهای مدل استاندارد گنجانده می شود. قابل ذکر است که یک مدل ریاضی با مجموعه ای از اعداد 20 فرد قادر به توصیف نتایج میلیون ها آزمایش انجام شده در فیزیک تا به امروز است.

فراتر از مدل استاندارد

همچنین ببینید

یادداشت ها

ادبیات

• املیانوف V. M.مدل استاندارد و الحاقات آن - م.: فیزمتلیت، 2007. - 584 ص. - (فیزیک بنیادی و کاربردی). - شابک 978-5-922108-30-0

پیوندها

بنیاد ویکی مدیا

2010.

ببینید «مدل استاندارد» در فرهنگ‌های دیگر چیست: مدل استاندارد، مدلی از ذرات ریز و برهمکنش‌های آنها، که بیشترینتوضیحات کامل پدیده های فیزیکی مرتبط با برق ذرات به هادرون تقسیم می شوند (تحت تاثیر نیروهای هسته ای که به کوارک تبدیل می شوند)،... ...

فرهنگ دانشنامه علمی و فنی در فیزیک ذرات، تئوری، طبق اصول اولیه. ذرات بنیادی (بنیادی) کوارک ها و لپتون ها هستند. برهم کنش قوی، که از طریق آن کوارک ها به هادرون ها متصل می شوند، از طریق تبادل گلوئون ها رخ می دهد. ضعیف الکتریسیته...... علوم طبیعی.

فرهنگ لغت دایره المعارفی

- ... ویکی پدیامدل استاندارد تجارت بین الملل - پرکاربردترین مدل تجارت بین‌الملل امروزی که تأثیر آن را آشکار می‌کندتجارت خارجی به اصلیشاخص های کلان اقتصادی کشور تجاری: تولید، مصرف، رفاه اجتماعی...

اقتصاد: واژه نامه - (مدل Heckscher Ohlin) یک مدل استاندارد از تجارت خارجی بین کشورها (تجارت درون صنعتی) با ساختارهای مختلف صنعتی که به نام سازندگان سوئدی آن نامگذاری شده است. بر اساس این مدل، کشورها تولید یکسانی دارند... ...

فرهنگ لغت اقتصادی تصویر علمی جهان (SPW) (یکی از مفاهیم بنیادی در علوم طبیعی) شکل خاصی از نظام‌بندی دانش، تعمیم کیفی و ترکیب ایدئولوژیک انواع مختلف است.نظریه های علمی

کتابخانه استاندارد زبان برنامه نویسی C 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.h ... ویکی پدیا

مفهوم استاندارد علم شکل منطقی است تحلیل روش شناختینظریه های علوم طبیعی، تحت تأثیر قابل توجه فلسفه علم نئو پوزیتیویستی توسعه یافته اند. در مفهوم استاندارد علم، ویژگی های یک نظریه (به عنوان... ... دایره المعارف فلسفی

شکلی از تحلیل منطقی و روش‌شناختی نظریه‌های علوم طبیعی که تحت تأثیر قابل توجه فلسفه علم نئو پوزیتیویستی توسعه یافته است. در چارچوب مفهوم استاندارد علم، ویژگی های یک نظریه (به عنوان مجموعه ای از علمی معنادار... ... دایره المعارف فلسفی

کتاب ها

• فیزیک ذرات - 2013. الکترودینامیک کوانتومی و مدل استاندارد، O. M. Boyarkin، G. G. Boyarkina. در جلد دوم از مجموعه دو جلدی که شامل یک درس مدرن در فیزیک ذرات بنیادی است، الکترودینامیک کوانتومی به عنوان اولین نمونه از نظریه برهمکنش های واقعی در نظر گرفته شده است.

مدل استانداردیک نظریه مدرن در مورد ساختار و برهمکنش ذرات بنیادی است که بارها و بارها به صورت تجربی آزمایش شده است. این نظریه بر اساس تعداد بسیار کمی از فرضیه ها استوار است و امکان پیش بینی تئوری خواص هزاران فرآیند مختلف در دنیای ذرات بنیادی را فراهم می کند. در اکثریت قریب به اتفاق موارد، این پیش‌بینی‌ها با آزمایش، گاهی با دقت بسیار بالا تأیید می‌شوند و موارد نادرزمانی که پیش‌بینی‌های مدل استاندارد از تجربه فاصله می‌گیرد، موضوع بحث‌های داغ می‌شود.

مدل استاندارد مرزی است که آنچه را که به طور قابل اعتماد شناخته شده است از آنچه در دنیای ذرات بنیادی فرضی است جدا می کند. با وجود موفقیت چشمگیر آن در توصیف آزمایش ها، مدل استاندارد را نمی توان نظریه قطعی ذرات بنیادی در نظر گرفت. فیزیکدانان مطمئن هستند که این باید بخشی از برخی نظریه های عمیق تر در مورد ساختار جهان خرد باشد. این چه نوع نظریه ای است که هنوز به طور قطع مشخص نیست. نظریه پردازان توسعه یافته اند تعداد زیادینامزد چنین نظریه ای است، اما فقط یک آزمایش باید نشان دهد که کدام یک از آنها با وضعیت واقعی که در جهان ما ایجاد شده است مطابقت دارد. به همین دلیل است که فیزیکدانان دائماً به دنبال هرگونه انحراف از مدل استاندارد، هر ذره، نیرو یا اثری هستند که مدل استاندارد پیش‌بینی نمی‌کند. دانشمندان مجموعاً همه این پدیده ها را "فیزیک جدید" می نامند. دقیقا جستجوی فیزیک جدید وظیفه اصلی برخورد دهنده بزرگ هادرونی است.

اجزای اصلی مدل استاندارد

ابزار کار مدل استاندارد، نظریه میدان کوانتومی است - نظریه ای که جایگزین می شود مکانیک کوانتومیبا سرعتی نزدیک به سرعت نور. اشیاء کلیدی در آن ذرات نیستند، همانطور که در مکانیک کلاسیکو نه "امواج ذرات"، مانند مکانیک کوانتومی، اما میدان های کوانتومی: الکترون، میون، الکترومغناطیسی، کوارک، و غیره - یکی برای هر نوع "موجودات ریزجهان".

هم خلاء، و هم آنچه ما به عنوان ذرات منفرد درک می کنیم، و هم تشکیلات پیچیده تر که نمی توان آنها را به ذرات منفرد تقلیل داد - همه اینها به عنوان حالت های مختلف میدان توصیف می شود. وقتی فیزیکدانان از کلمه "ذره" استفاده می کنند، در واقع به این حالت های میدانی اشاره می کنند، نه اشیاء نقطه ای منفرد.

مدل استاندارد شامل اجزای اصلی زیر است:

• مجموعه ای از "بلوک های سازنده" اساسی ماده - شش نوع لپتون و شش نوع کوارک. همه این ذرات فرمیون های اسپین 1/2 هستند و به طور طبیعی خود را در سه نسل سازماندهی می کنند. هادرون های متعدد، ذرات تشکیل دهنده درگیر در نیروی قوی، از کوارک ها در ترکیب های مختلف ساخته شده اند.
• سه نوع نیرو، بین فرمیون های اساسی - الکترومغناطیسی، ضعیف و قوی عمل می کند. برهم کنش ضعیف و الکترومغناطیسی دو طرف یک واحد هستند تعامل الکتریکی ضعیف. برهم کنش قوی به تنهایی وجود دارد و این همان چیزی است که کوارک ها را به هادرون متصل می کند.
• همه این نیروها بر اساس توصیف شده اند اصل سنج- آنها "به اجبار" وارد نظریه نشده اند، بلکه به نظر می رسد که خود به خود در نتیجه نیاز به تقارن نظریه با توجه به تبدیل های خاص بوجود می آیند. انواع خاصی از تقارن منجر به برهمکنش های قوی و ضعیف می شود.
• علیرغم این واقعیت که این نظریه خود تقارن الکتریکی ضعیفی دارد، در دنیای ما به طور خود به خود شکسته شده است. شکستن خود به خودی تقارن ضعیف الکتریکیعنصر ضروری نظریه است و در مدل استاندارد نقض به دلیل مکانیسم هیگز رخ می دهد.
• مقادیر عددی برای حدود دوجین ثابت: اینها انبوه فرمیونهای اساسی، مقادیر عددی ثابتهای جفت کننده برهمکنشها هستند که قدرت آنها را مشخص می کند، و برخی کمیتهای دیگر. همه آنها یک بار و برای همیشه از مقایسه با تجربه استخراج می شوند و دیگر در محاسبات بعدی تنظیم نمی شوند.

علاوه بر این، مدل استاندارد یک نظریه قابل عادی سازی مجدد است، یعنی همه این عناصر به گونه ای خودسازگار در آن وارد می شوند که در اصل اجازه می دهد محاسبات با درجه دقت مورد نیاز انجام شود. با این حال، اغلب محاسبات با درجه دقت مورد نظر بسیار پیچیده هستند، اما این مشکل با خود نظریه نیست، بلکه با توانایی‌های محاسباتی ما ارتباط دارد.

آنچه مدل استاندارد می تواند و نمی تواند انجام دهد

مدل استاندارد تا حد زیادی یک نظریه توصیفی است. پاسخی برای بسیاری از سؤالاتی که با «چرا» شروع می‌شوند، ارائه نمی‌کند: چرا ذرات بسیار زیاد و درست آن‌ها وجود دارد؟ این فعل و انفعالات دقیقاً از کجا و دقیقاً با این ویژگی ها ایجاد شده است؟ چرا طبیعت نیاز به ایجاد سه نسل فرمیون داشت؟ چرا مقادیر عددی پارامترها دقیقاً همان هستند؟ علاوه بر این، مدل استاندارد قادر به توصیف برخی از پدیده های مشاهده شده در طبیعت نیست. به ویژه، جایی برای توده های نوترینو و ذرات ماده تاریک وجود ندارد. مدل استاندارد گرانش را در نظر نمی گیرد، و معلوم نیست چه اتفاقی برای این نظریه در مقیاس انرژی پلانک می افتد، زمانی که گرانش بسیار مهم می شود.

اگر از مدل استاندارد برای هدف مورد نظر خود، برای پیش‌بینی نتایج برخورد ذرات بنیادی استفاده کنید، بسته به فرآیند خاص، امکان انجام محاسبات با درجات مختلف دقت را فراهم می‌کند.

• برای پدیده های الکترومغناطیسی (پراکندگی الکترون، سطوح انرژی) دقت می تواند به قسمت در میلیون یا حتی بهتر برسد. رکورد در اینجا متعلق به یک ناهنجار است لحظه مغناطیسیالکترونی که با دقتی بهتر از یک میلیاردم محاسبه می شود.
• بسیاری از فرآیندهای پرانرژی که به دلیل فعل و انفعالات ضعیف الکترومغناطیسی رخ می دهند با دقتی بهتر از یک درصد محاسبه می شوند.
• بدترین تعاملی که می توان محاسبه کرد، تعامل قوی است در حالی که اینطور نیست انرژی های بالا. دقت محاسبه چنین فرآیندهایی بسیار متفاوت است: در برخی موارد می تواند به درصد برسد، در موارد دیگر رویکردهای نظری مختلف می توانند پاسخ هایی را ارائه دهند که چندین بار متفاوت است.

شایان ذکر است که این واقعیت که محاسبه برخی از فرآیندها با دقت لازم دشوار است به معنای بد بودن نظریه نیست. فقط این است که بسیار پیچیده است و تکنیک های ریاضی فعلی هنوز برای ردیابی همه پیامدهای آن کافی نیستند. به طور خاص، یکی از مسائل معروف ریاضی هزاره مربوط به مسئله محصور شدن در است نظریه کوانتومیبا اندرکنش سنج غیر آبلی.

مطالعه بیشتر:

• اطلاعات اولیه در مورد مکانیسم هیگز را می توان در کتاب L. B. Okun "فیزیک ذرات بنیادی" (در سطح کلمات و تصاویر) و "لپتون ها و کوارک ها" (در سطح جدی اما قابل دسترس) یافت.

همه مواد از کوارک ها، لپتون ها و ذرات - حامل برهم کنش ها - تشکیل شده اند.

امروزه مدل استاندارد نظریه ای نامیده می شود که ایده های ما را به بهترین نحو منعکس می کند منبع مواد، که جهان در ابتدا از آن ساخته شد. همچنین چگونگی شکل گیری ماده از این اجزای اساسی و نیروها و مکانیسم های تعامل بین آنها را توضیح می دهد.

از نقطه نظر ساختاری، ذرات بنیادی تشکیل دهنده هسته اتم ( نوکلئون هاو به طور کلی تمام ذرات سنگین - هادرون ها (باریون هاو مزون ها) - از ذرات ساده تری تشکیل شده است که معمولاً به آنها بنیادی می گویند. این نقش عناصر اولیه واقعاً اساسی ماده توسط کوارک هاکه بار الکتریکی آن برابر با 2/3 یا 1/3 واحد بار مثبت یک پروتون است. رایج ترین و سبک ترین کوارک ها نامیده می شوند بالاو پایین ترو به ترتیب نشان دهید تو(از انگلیسی بالا) و د(پایین). گاهی اوقات به آنها نیز گفته می شود پروتونو نوترونکوارک به دلیل این واقعیت است که پروتون از ترکیبی تشکیل شده است uudو نوترون - uddکوارک بالا دارای بار 2/3 است. پایین - بار منفی -1/3. از آنجایی که یک پروتون از دو کوارک بالا و یک کوارک پایین تشکیل شده است و یک نوترون از یک کوارک بالا و دو کوارک پایین تشکیل شده است، می توانید به طور مستقل تأیید کنید که بار کل یک پروتون و نوترون کاملاً برابر با 1 و 0 است و مطمئن شوید که مدل استاندارد به اندازه کافی واقعیت را توصیف می کند. دو جفت کوارک دیگر بخشی از ذرات عجیب و غریب تر هستند. کوارک های جفت دوم نامیده می شوند مسحور شده - ج(از افسون شده) و عجیب - س(از عجیب). جفت سوم است درست است - تی(از حقیقت، یا به زبان انگلیسی سنت ها بالا) و زیبا - ب(از زیبایی، یا به زبان انگلیسی سنت ها پایین) کوارک ها تقریباً تمام ذرات پیش‌بینی‌شده توسط مدل استاندارد و متشکل از ترکیب‌های مختلف کوارک‌ها قبلاً به‌طور تجربی کشف شده‌اند.

مجموعه ساختمانی دیگر از آجر تشکیل شده است به نام لپتون هارایج ترین لپتون ها - مدت هاست که برای ما آشناست الکترون، در ساختار اتم ها گنجانده شده است، اما در فعل و انفعالات هسته ای شرکت نمی کند و محدود به فعل و انفعالات بین اتمی است. علاوه بر آن (و پادذره همتای آن به نام پوزیترونلپتون ها شامل ذرات سنگین تری هستند - میون و لپتون تاو با پادذراتشان. علاوه بر این، هر لپتون با ذره بدون بار خود با جرم سکون صفر (یا تقریباً صفر) مرتبط است. چنین ذرات به ترتیب الکترون، میون یا تاون نامیده می شوند نوترینو.

بنابراین، لپتون ها مانند کوارک ها نیز سه "جفت خانواده" را تشکیل می دهند. این تقارن از چشم ناظران نظریه پردازان دور نمانده است، اما هنوز توضیح قانع کننده ای برای آن ارائه نشده است. به هر حال، کوارک ها و لپتون ها نشان دهنده اصلی هستند مصالح ساختمانیکیهان

برای درک روی دیگر سکه - ماهیت نیروهای برهمکنش بین کوارک ها و لپتون ها - باید درک کنید که فیزیکدانان نظری مدرن چگونه مفهوم نیرو را تفسیر می کنند. یک قیاس به ما در این امر کمک خواهد کرد. دو قایقران را در حال پارو زدن در جهت مخالف در رودخانه کمبریج تصور کنید. یکی از پاروزنان، از روی سخاوت، تصمیم گرفت از همکارش شامپاین پذیرایی کند و در حالی که از کنار هم عبور می کردند، یک بطری پر از شامپاین را برای او پرتاب کرد. در نتیجه قانون بقای تکانه، هنگامی که پاروزن اول بطری را پرتاب کرد، مسیر قایق او از مسیر مستقیم در جهت مخالف منحرف شد و هنگامی که ردیف دوم بطری را گرفت، حرکت آن به او منتقل شد. و قایق دوم نیز از مسیر مستقیم منحرف شد، اما در جهت مخالف. بنابراین، در نتیجه تبادل شامپاین، هر دو قایق تغییر جهت دادند. طبق قوانین مکانیک نیوتن، این بدان معنی است که برهمکنش نیرو بین قایق ها رخ داده است. اما قایق ها مستقیماً با یکدیگر تماس نداشتند؟ در اینجا ما هم به وضوح می بینیم و هم به طور شهودی درک می کنیم که نیروی تعامل بین قایق ها توسط حامل ضربه - بطری شامپاین - منتقل شده است. فیزیکدانان آن را صدا می کنند حامل تعامل

دقیقاً به همین ترتیب، فعل و انفعالات نیرو بین ذرات از طریق تبادل ذرات حامل این فعل و انفعالات رخ می دهد. در واقع، ما بین نیروهای بنیادی برهمکنش بین ذرات تمایز قائل می شویم تا جایی که ذرات مختلف به عنوان حامل این برهمکنش ها عمل می کنند. چهار چنین تعامل وجود دارد: قوی(این است که کوارک ها را درون ذرات نگه می دارد) الکترومغناطیسی, ضعیف(این است که منجر به برخی از اشکال واپاشی رادیواکتیو می شود) و گرانشیحامل های تعامل رنگ قوی هستند گلوئون هاکه نه جرم دارند و نه بار الکتریکی. این نوع برهمکنش توسط کرومودینامیک کوانتومی توصیف می شود. برهمکنش الکترومغناطیسی از طریق تبادل کوانتوم های تابش الکترومغناطیسی رخ می دهد که به آنها می گویند. فوتون هاو همچنین فاقد جرم است . برعکس، تعامل ضعیف به صورت گسترده منتقل می شود برداریا بوزون های گیجوزن آنها 80 تا 90 برابر بیشتر از یک پروتون است، اولین بار در شرایط آزمایشگاهی تنها در اوایل دهه 1980 کشف شد. در نهایت، فعل و انفعال گرانشی از طریق تبادل اجسامی که جرم خود را ندارند، منتقل می شود گراویتون ها- این واسطه ها هنوز به طور تجربی شناسایی نشده اند.

در چارچوب مدل استاندارد، سه نوع اول از برهمکنش های بنیادی با هم ترکیب شده اند و دیگر به طور جداگانه در نظر گرفته نمی شوند، بلکه سه جلوه متفاوت از نیروی ماهیت واحد در نظر گرفته می شوند. در بازگشت به قیاس، فرض کنید که یک جفت پاروزن دیگر که روی رودخانه کم از کنار هم می گذرند، نه یک بطری شامپاین، بلکه فقط یک لیوان بستنی رد و بدل کردند. از این رو، قایق ها نیز در جهت مخالف، اما بسیار ضعیف تر، از مسیر منحرف می شوند. برای یک ناظر خارجی، ممکن است به نظر برسد که در این دو مورد نیروهای متفاوتی بین قایق ها عمل کرده اند: در مورد اول، تبادل مایع وجود دارد (من پیشنهاد می کنم بطری را نادیده بگیریم، زیرا بیشتر ما به محتویات آن علاقه مند هستیم). و در دومی بدنه جامد (بستنی). حالا تصور کنید که در کمبریج آن روز یک گرمای تابستانی نادر برای مناطق شمالی وجود داشت و بستنی در پرواز آب می شد. یعنی افزایش جزئی دما برای درک این موضوع کافی است که در واقع این برهمکنش بستگی به این ندارد که جسم مایع یا جامد به عنوان حامل آن عمل کند. تنها دلیلی که به نظر ما می رسید که نیروهای مختلف بین قایق ها عمل می کنند، تفاوت خارجی حامل بستنی بود که به دلیل دمای ناکافی برای ذوب شدن آن ایجاد می شد. دما را افزایش دهید - و نیروهای برهمکنش به وضوح یکپارچه به نظر می رسند.

نیروهایی که در کیهان عمل می‌کنند نیز در انرژی‌های (درجه حرارت) بالا تعامل با هم ترکیب می‌شوند و پس از آن تشخیص آنها غیرممکن است. اول متحد شدن(این همان چیزی است که معمولاً به آن می گویند) برهمکنش های هسته ای و الکترومغناطیسی ضعیف. در نتیجه، ما به اصطلاح دریافت می کنیم تعامل الکتریکی ضعیف، حتی در آزمایشگاه در انرژی هایی که توسط شتاب دهنده های ذرات مدرن ایجاد شده است مشاهده می شود. در اوایل کیهان، انرژی ها به حدی بالا بود که در 10 تا 10 ثانیه اول پس از انفجار بزرگهیچ خط جدایی بین نیروهای ضعیف هسته ای و الکترومغناطیسی وجود نداشت. تنها پس از کاهش میانگین دمای کیهان به 10 14 کلوین، هر چهار فعل و انفعال نیرو که امروزه مشاهده می‌شوند از هم جدا شدند و شکل مدرن خود را به خود گرفتند. در حالی که دما بالاتر از این علامت بود، تنها سه نیروی اساسی در کار بودند: نیروی قوی، ترکیبی از برهمکنش های الکتریکی ضعیف و گرانشی.

یکپارچگی فعل و انفعالات هسته ای ضعیف و قوی در دماهای حدود 10 27 کلوین رخ می دهد. در شرایط آزمایشگاهی، امروزه چنین انرژی هایی دست نیافتنی هستند. قدرتمندترین شتاب دهنده مدرن - برخورد دهنده بزرگ هادرون که در حال حاضر در مرز فرانسه و سوئیس در حال ساخت است - قادر خواهد بود ذرات را به انرژی هایی شتاب دهد که تنها 0.000000001٪ انرژی مورد نیاز برای ترکیب نیروهای هسته ای ضعیف و قوی هستند. بنابراین، احتمالاً باید مدت طولانی برای تأیید آزمایشی این یکسان سازی صبر کنیم. چنین انرژی هایی در جهان مدرن وجود ندارد، با این حال، در 10-35 ثانیه اول وجود آن، دمای جهان بالاتر از 10 27 K بود و تنها دو نیرو در جهان عمل کردند - الکترواسترانگو برهم کنش گرانشی نظریه هایی که این فرآیندها را توصیف می کنند "نظریه های یکپارچه بزرگ" (GUT) نامیده می شوند. GUT ها را نمی توان مستقیماً تأیید کرد، اما آنها همچنین پیش بینی های خاصی را در مورد فرآیندهایی که در انرژی های پایین تر اتفاق می افتد انجام می دهند. تا به امروز، تمام پیش بینی های TVO برای نسبتا دمای پایینو انرژی ها به صورت تجربی تایید می شوند.

بنابراین، مدل استاندارد، در شکل تعمیم‌یافته‌اش، نظریه‌ای درباره ساختار جهان است که در آن ماده از کوارک‌ها و لپتون‌ها تشکیل شده و برهم‌کنش‌های قوی، الکترومغناطیسی و ضعیف بین آن‌ها توسط نظریه‌های وحدت بزرگ توصیف می‌شود. چنین مدلی بدیهی است که ناقص است، زیرا گرانش را شامل نمی شود. احتمالاً در نهایت یک نظریه کاملتر ایجاد خواهد شد ( سانتی مترنظریه های جهانی)، و امروزه مدل استاندارد بهترین چیزی است که ما داریم.

"عناصر"

امروزه مدل استاندارد یکی از مهم ترین سازه های نظری در فیزیک ذرات است که برهمکنش های الکترومغناطیسی، ضعیف و قوی همه ذرات بنیادی را توصیف می کند. مفاد و اجزای اصلی این نظریه توسط فیزیکدان، عضو مسئول آکادمی علوم روسیه میخائیل دانیلوف شرح داده شده است.

1

اکنون، بر اساس داده های تجربی، یک نظریه بسیار کامل ایجاد شده است که تقریباً تمام پدیده هایی را که مشاهده می کنیم توصیف می کند. این نظریه به طور متوسط ​​"مدل استاندارد ذرات بنیادی" نامیده می شود. دارای سه نسل فرمیون است: کوارک ها و لپتون ها. این، به اصطلاح، مصالح ساختمانی است. هر آنچه در اطراف خود می بینیم از نسل اول ساخته شده است. این شامل کوارک‌های u و d، یک الکترون و یک نوترینو الکترونی است. پروتون ها و نوترون ها به ترتیب از سه کوارک تشکیل شده اند: uud و udd. اما دو نسل دیگر از کوارک ها و لپتون ها وجود دارد که تا حدی نسل اول را تکرار می کنند، اما سنگین تر هستند و در نهایت به ذرات نسل اول تجزیه می شوند. همه ذرات دارای پادذراتی هستند که بارهای مخالف دارند.

2

مدل استاندارد شامل سه تعامل است. نیروی الکترومغناطیسی الکترون ها را درون اتم و اتم ها را درون مولکول ها نگه می دارد. حامل برهمکنش الکترومغناطیسی فوتون است. برهمکنش قوی پروتون ها و نوترون ها را در داخل هسته اتم نگه می دارد و کوارک ها را در داخل پروتون ها، نوترون ها و سایر هادرون ها نگه می دارد (همانطور که L. B. Okun پیشنهاد کرد ذرات شرکت کننده در برهمکنش قوی را نام ببرند). برهم کنش قوی شامل کوارک ها و هادرون های ساخته شده از آنها و همچنین حامل های خود برهمکنش - گلوئون ها (از چسب انگلیسی - چسب) است. هادرون ها یا از سه کوارک، مانند پروتون و نوترون، یا از یک کوارک و یک آنتی کوارک، مانند مثلاً مزون π±، متشکل از کوارک های u- و ضد d تشکیل شده اند. برهمکنش ضعیف منجر به واپاشی های نادری می شود، مانند تجزیه یک نوترون به یک پروتون، یک الکترون و یک پادنوترینوی الکترونی. حامل های اندرکنش ضعیف بوزون های W و Z هستند. هم کوارک ها و هم لپتون ها در برهم کنش ضعیف شرکت می کنند، اما در انرژی ما بسیار کوچک است. با این حال، این به سادگی با جرم بزرگ بوزون های W و Z توضیح داده می شود که دو مرتبه قدر سنگین تر از پروتون هستند. در انرژی‌های بزرگ‌تر از جرم بوزون‌های W و Z، نیروهای برهمکنش‌های الکترومغناطیسی و ضعیف قابل مقایسه می‌شوند و در یک برهم‌کنش الکتروضعیف واحد ترکیب می‌شوند. فرض بر این است که در مقدار b Oانرژی های بالاتر و تعامل قوی با بقیه متحد می شود. علاوه بر برهمکنش های ضعیف و قوی، یک برهمکنش گرانشی نیز وجود دارد که در مدل استاندارد گنجانده نشده است.

بوزون های W، Z

g - گلوئون

H0 بوزون هیگز است.

3

مدل استاندارد فقط برای ذرات بنیادی بدون جرم، یعنی کوارک ها، لپتون ها، بوزون های W و Z قابل فرمول بندی است. برای به دست آوردن جرم، میدان هیگز که به نام یکی از دانشمندانی که این مکانیسم را پیشنهاد کرده است، معرفی می شود. در این مورد، باید ذره بنیادی دیگری در مدل استاندارد وجود داشته باشد - بوزون هیگز. جستجو برای این آخرین آجر در ساختمان باریک مدل استاندارد به طور فعال در بزرگترین برخورد دهنده جهان - برخورد دهنده بزرگ هادرون (LHC) در جریان است. در حال حاضر نشانه هایی از وجود بوزون هیگز با جرم حدود 133 جرم پروتون دریافت شده است. با این حال، پایایی آماری این نشانه ها هنوز ناکافی است. انتظار می رود که تا پایان سال 2012 وضعیت روشن تر شود.

4

مدل استاندارد تقریباً تمام آزمایش‌ها در فیزیک ذرات بنیادی را کاملاً توصیف می‌کند، اگرچه جستجو برای پدیده‌هایی فراتر از چارچوب مدل استاندارد به طور مداوم انجام می‌شود. آخرین اشاره به فیزیک فراتر از SM کشف در سال 2011 یک تفاوت غیرمنتظره بزرگ در خواص مزون های به اصطلاح جذاب و ضد ذرات آنها در آزمایش LHCb در LHC بود. با این حال، ظاهرا، حتی چنین تفاوت بزرگی را می توان در چارچوب SM توضیح داد. از سوی دیگر، در سال 2011، تاییدیه دیگری از SM که چندین دهه به دنبال آن بود، به دست آمد که وجود هادرون های عجیب و غریب را پیش بینی می کند. فیزیکدانان موسسه فیزیک نظری و تجربی (مسکو) و موسسه فیزیک هسته ای(نووسیبیرسک)، به عنوان بخشی از آزمایش بین المللی BELLE، هادرون هایی متشکل از دو کوارک و دو آنتی کوارک کشف شد. به احتمال زیاد، اینها مولکول های ساخته شده از مزون هستند که توسط نظریه پردازان ITEP M. B. Voloshin و L. B. Okun پیش بینی شده اند.

5

با وجود تمام موفقیت های مدل استاندارد، کاستی های زیادی دارد. تعداد پارامترهای آزاد این نظریه از 20 فراتر می رود و کاملاً مشخص نیست که سلسله مراتب آنها از کجا آمده است. چرا جرم تی کوارک 100 هزار بار بیشتر از جرم یو کوارک است؟ چرا ثابت جفت کوارک t و d که برای اولین بار در آزمایش بین المللی ARGUS با مشارکت فعال فیزیکدانان ITEP اندازه گیری شد، 40 برابر کمتر از ثابت جفت کوارک های c و d است؟ SM به این سوالات پاسخ نمی دهد. در نهایت، چرا 3 نسل کوارک و لپتون مورد نیاز است؟ نظریه پردازان ژاپنی M. Kobayashi و T. Maskawa در سال 1973 نشان دادند که وجود 3 نسل کوارک ها توضیح تفاوت در خواص ماده و پادماده را ممکن می سازد. فرضیه M. Kobayashi و T. Maskawa در آزمایش‌های BELLE و BaBar با مشارکت فعال فیزیکدانان BINP و ITEP تأیید شد. در سال 2008، M. Kobayashi و T. Maskawa برای نظریه خود جایزه نوبل دریافت کردند.

6

همچنین مشکلات اساسی تری با مدل استاندارد وجود دارد. ما قبلاً می دانیم که SM کامل نیست. از تحقیقات اخترفیزیکی مشخص شده است که ماده ای وجود دارد که در SM نیست. این به اصطلاح ماده تاریک است. این حدود 5 برابر بیشتر از ماده معمولی است که ما از آن ساخته شده ایم. شاید اشکال اصلی مدل استاندارد عدم سازگاری درونی آن باشد. به عنوان مثال، جرم طبیعی بوزون هیگز، که در مدل استاندارد به دلیل تبادل ذرات مجازی به وجود می‌آید، مرتبه‌های بزرگی بیشتر از جرم لازم برای توضیح پدیده‌های مشاهده‌شده است. یکی از خروجی ها، محبوب ترین در لحظه حال، فرضیه ابر تقارن است - این فرض که بین فرمیون ها و بوزون ها تقارن وجود دارد. این ایده برای اولین بار در سال 1971 توسط یو. گلفند و ای.

7

وجود ذرات فوق متقارن نه تنها تثبیت رفتار SM را ممکن می‌سازد، بلکه یک نامزد بسیار طبیعی برای نقش ماده تاریک - سبک‌ترین ذره ابر متقارن - را فراهم می‌کند. اگرچه در حال حاضر هیچ مدرک تجربی معتبری برای این نظریه وجود ندارد، اما آنقدر زیبا است و مشکلات مدل استاندارد را به قدری زیبا حل می کند که بسیاری از مردم به آن اعتقاد دارند. LHC به طور فعال به دنبال ذرات فوق متقارن و جایگزین های دیگر برای SM است. به عنوان مثال، آنها به دنبال ابعاد اضافی فضا هستند. اگر آنها وجود داشته باشند، بسیاری از مشکلات را می توان حل کرد. شاید گرانش در فواصل نسبتاً زیاد قوی می شود، که این نیز شگفتی بزرگی خواهد بود. دیگر مدل‌ها و مکانیسم‌های هیگز جایگزین برای ظهور جرم در ذرات بنیادی امکان‌پذیر است. جستجو برای اثرات فراتر از مدل استاندارد بسیار فعال است، اما تاکنون ناموفق است. خیلی چیزها باید در سال های آینده روشن شود.