Amit az elemi részecskék standard modellje leír. A részecskefizika standard modellje. Mi a spin

A részecskefizika modern megértését tartalmazza az ún Standard modell ... A részecskefizika standard modellje (SM) a kvantum-elektrodinamikán, a kvantum-kromodinamikán és a kvark-parton-modellen alapul.
A kvantum -elektrodinamika (QED) - rendkívül pontos elmélet - az elektromágneses erők hatására bekövetkező folyamatokat írja le, amelyeket nagy pontossággal vizsgáltak.
Az erős kölcsönhatások folyamatait leíró kvantum-kromodinamika (QCD) a QED-hez hasonlóan épül fel, de nagyobb mértékben félig empirikus modell.
A kvark-parton modell ötvözi a részecskék tulajdonságainak és kölcsönhatásainak tanulmányozásának elméleti és kísérleti eredményeit.
Eddig nem találtak eltéréseket a standard modelltől.
A standard modell fő tartalmát az 1., 2., 3. táblázat tartalmazza. Az anyag alkotórészei az alapvető fermionok három generációja (I, II, III), amelyek tulajdonságait a táblázat tartalmazza. 1. Alapvető bozonok - kölcsönhatások hordozói (2. táblázat), amelyek a Feynman -diagram segítségével ábrázolhatók (1. ábra).

1. táblázat: Fermionok - (fél egész pörgés units egységben) az anyag összetevői

	Leptonok, spin = 1/2			Kvarkok, spin = 1/2
	Illat	Súly, GeV / c 2	Elektromos töltés, pl	Illat	Súly, GeV / c 2	Elektromos töltés, pl
én	ν e	< 7·10 -9	0	u, fel	0.005	2/3
	e, elektron	0.000511	-1	d, le	0.01	-1/3
II	ν μ	< 0.0003	0	s, báj	1.5	2/3
	μ, muon	0.106	-1	s, furcsa	0.2	-1/3
III	ν τ	< 0.03	0	t, felül	170	2/3
	τ, tau	1.7771	-1	b, alul	4.7	-1/3

2. táblázat: Bosonok - kölcsönhatások hordozói (spin = 0, 1, 2 ... units egységben)

Fuvarozók kölcsönhatások	Súly, GeV / s2	Elektromos töltés, pl
Elektromos gyenge kölcsönhatás
γ, foton, spin = 1	0	0
W -, spin = 1	80.22	-1
W +, centrifugálás = 1	80.22	+1
Z 0, centrifugálás = 1	91.187	0
Erős (színes) kölcsönhatás
5, gluonok, spin = 1	0	0
Felfedezetlen bozonok
H 0, Higgs, spin = 0	> 100	0
G, graviton, spin = 2	?	0

3. táblázat: Összehasonlító jellemzők alapvető kölcsönhatások

Az interakció erősségét az erőshöz viszonyítva jelezzük.

Rizs. 1: Feynman -diagram: A + B = C + D, a a kölcsönhatási állandó, Q 2 = -t az a 4 momentum, amelyet az A részecske a B részecskébe továbbít a négyféle interakció egyikének eredményeként.

1.1 A standard modell alapjai

• A hadronok kvarkokból és gluonokból (partonok) állnak. A kvarkok fermionok, amelyek spin 1/2 és tömege m 0; A gluonok olyan bozonok, amelyek spinje 1 és tömege m = 0.
• A kvarkokat két tulajdonság szerint osztályozzák: aroma és szín. Minden kvarknak 6 ízű kvarkja és 3 színe van.
• Az aroma olyan tulajdonság, amely erős kölcsönhatásban marad.
• A gluon két színből áll - színes és színellenes, és az összes többi kvantumszám nulla. A gluon kibocsátásakor a kvark színe megváltozik, de az íze nem. Összesen 8 gluon van.
• A QCD elemi folyamatait a QED-hez hasonlóan építik fel: a gluon töréskibocsátása kvark által, kvark-antikark párok előállítása gluon segítségével. A gluonok gluon általi előállításának nincs analógja a QED -ben.
• A statikus gluon mező nem hajlamos a nullára a végtelenben, azaz egy ilyen mező teljes energiája végtelen. Így a kvarkok nem tudnak elmenekülni a hadronok elől; a bezártság történik.
• A vonzóerők a kvarkok között hatnak, amelyek két szokatlan tulajdonsággal rendelkeznek: a) aszimptotikus szabadság nagyon kis távolságokban és b) infravörös csapdázás - bezártság, mivel a potenciális V (r) kölcsönhatási energia a végtelenségig növekszik az r kvarkok közötti távolság növekedésével, V (r) = -α s / r + ær, α s és æ állandók.
• A kvark-kvark kölcsönhatás nem additív.
• Csak színes szinglik létezhetnek szabad részecskékként:
  meson szingulett, amelynél a hullámfüggvényt a reláció határozza meg

és baryon szingulett hullámfunkcióval

ahol R piros, B kék, G zöld.

• Különbséget kell tenni a jelenlegi és az alkotó kvarkok között, amelyek tömege eltérő.
• Az A + B = C + X folyamat keresztmetszetei egy gluon cseréjével a hadronokat alkotó kvarkok között a következő formában íródnak:

ŝ = x a x b s, = x a t / x c.

Az a, b, c, d szimbólumok a kvarkokat és a hozzájuk kapcsolódó változókat jelölik, az A, B, C szimbólumok - hadronok, ŝ ,,, - a kvarkokhoz kapcsolódó mennyiségek, - a kvarkeloszlás függvénye és az A hadronban (ill. hadron B), a c kvark fragmentációs függvénye C hadronokká, d / dt az interakció qq elemi keresztmetszete.

1.2 A standard modelltől való eltérések megállapítása

A felgyorsult részecskék meglévő energiáinál a QCD, és még inkább a QED minden rendelkezése kielégítő. A nagyobb részecskeenergiával tervezett kísérletekben az egyik fő feladat a standard modelltől való eltérések megtalálása.
További fejlődés A nagy energiájú fizika a következő problémák megoldásához kapcsolódik:

1. Keressen egzotikus részecskéket, amelyek szerkezete eltér a standard modellben elfogadottaktól.
2. Keresse meg a ν μ ↔ ν τ neutrínó oszcillációkat és a kapcsolódó neutrínótömeg problémáját (ν m ≠ 0).
3. Keressen egy proton bomlását, amelynek élettartama τ exp> 10 33 év.
4. Az alapvető részecskék szerkezetének keresése (karakterláncok, előtagok távolságban d< 10 -16 см).
5. A nem meghatározott hadron anyag (kvark-gluon plazma) kimutatása.
6. A CP-invariancia megsértésének vizsgálata semleges K-mezonok, D-mezonok és B-részecskék bomlásakor.
7. A sötét anyag természetének tanulmányozása.
8. A vákuum összetételének tanulmányozása.
9. Keresse meg a Higgs -bozont.
10. Szuperszimmetrikus részecskék keresése.

1.3 Megoldatlan problémák a standard modellben

Az alapvető fizikai elmélet, az elemi részecskék (kvarkok és leptonok) elektromágneses, gyenge és erős kölcsönhatásainak standard modellje a fizika általánosan elismert eredménye a 20. században. Megmagyarázza az összes ismert kísérleti tényt a mikrovilág fizikájában. Van azonban számos kérdés, amelyekre a standard modell nem ad választ.

1. Az elektromosan gyenge szelvény invariancia spontán megtörésének mechanizmusa nem ismert.

• A W ± - és Z 0 -boszonok tömegeinek megmagyarázásához be kell vezetni a skaláris mezők elméletébe, amelynek alapállapota nem invariáns a mérőátalakítások tekintetében - vákuum.
• Ennek következménye egy új skaláris részecske - a Higgs -bozon - megjelenése.

1. A CM nem magyarázza a kvantumszámok természetét.

• Mik azok a töltések (elektromos; barionikus; lepton: Le, L μ, L τ: szín: kék, piros, zöld) és miért vannak kvantálva?
• Miért van három generációs alapvető fermion (I, II, III)?

1. Az SM nem foglalja magában a gravitációt, ezért a gravitációt az SM -be is bele lehet foglalni - Új hipotézis a mikrovilág terében további dimenziók létezéséről.
2. Nincs magyarázat arra, hogy Planck alapvető skálája (M ~ 10 19 GeV) miért olyan messze van az elektromos gyenge kölcsönhatások alapvető skálájától (M ~ 10 2 GeV).

Jelenleg e problémák megoldásának módját vázolták fel. Ez az alapvető részecskék szerkezetének új megértésének kialakításából áll. Az alapvető részecskéket feltételezzük olyan tárgyaknak, amelyeket általában "húroknak" neveznek. A karakterláncok tulajdonságaival a gyorsan fejlődő Superstring modell foglalkozik, amely azt állítja, hogy kapcsolatot teremt a részecskefizika és az asztrofizika jelenségei között. Ez az összefüggés egy új tudományág - az elemi részecskék kozmológiája - megfogalmazásához vezetett.

A rendelkezések

A standard modell a következő rendelkezésekből áll:

• Minden anyag 24 alapvető kvantumos spin ½ -ből áll, amelyek kvantumai alapvető részecskék - fermionok, amelyek a fermionok három generációjába összevonhatók: 6 lepton (elektron, muon, tau lepton, elektron neutrino, muonic neutrino és tau neutrino) ), 6 kvark (u, d, s, c, b, t) és 12 megfelelő részecske.
• A kvarkok erős, gyenge és elektromágneses kölcsönhatásokban vesznek részt; töltött leptonok (elektron, muon, tau lepton) - gyengén és elektromágnesesen; neutrínók - csak gyenge kölcsönhatásokban.
• Mindhárom típusú kölcsönhatás annak a posztulátumnak a következménye, hogy világunk szimmetrikus háromféle mérőeszköz -transzformáció tekintetében. A kölcsönhatások részecskék-hordozói a bozonok:

8 gluon az erős kölcsönhatáshoz (SU (3) szimmetriacsoport); 3 nehézméretű bozon (W +, W -, Z 0) a gyenge kölcsönhatáshoz (SU (2) szimmetriacsoport); egy foton az elektromágneses kölcsönhatáshoz (szimmetriacsoport U (1)).

• Ellentétben az elektromágneses és erős, a gyenge kölcsönhatással különböző generációk fermionjai keveredhetnek, ami a részecskék instabilitásához vezet, kivéve a legkönnyebbeket, és olyan hatásokhoz, mint a CP megsértése és a neutrínó -rezgések.
• A standard modell külső paraméterei a következők:
  • leptonok tömege (3 paraméter, a neutrínókat tömegetlennek tekintjük) és kvarkok (6 paraméter), amelyeket a mezőik és a Higgs -bozon mező közötti kölcsönhatás konstansaként értelmeznek,
  • a CKM kvarkkeverő mátrix paraméterei - három keverési szög és egy komplex fázistörő CP szimmetria - a kvarkok és az elektromos gyenge mező közötti kölcsönhatás állandói,
  • a Higgs -mező két paramétere, amelyek egyedileg kapcsolódnak a vákuum átlagához és a Higgs -bozon tömegéhez,
  • három kapcsolási állandót rendre az U (1), SU (2) és SU (3) szelvénycsoportokhoz társítanak, és jellemzik az elektromágneses, gyenge és erős kölcsönhatások relatív intenzitását.

Annak a ténynek köszönhetően, hogy neutrínó -oszcillációkat észleltek, a standard modellnek szüksége van egy kiterjesztésre, amely további 3 neutrínótömeget és a PMNS neutrínó keverőmátrix legalább 4 paraméterét vezeti be, hasonlóan a CKM kvarkkeverési mátrixhoz, és esetleg további 2 keverési paramétert ha a neutrínók Majorana részecskék. Ezenkívül a kvantum -kromodinamika vákuumszögét néha a standard modell paramétereinek száma tartalmazza. Figyelemre méltó, hogy egy 20 plusz számhalmazt tartalmazó matematikai modell képes leírni a fizikában eddig végzett millió kísérlet eredményeit.

A standard modellen kívül

Lásd még

Jegyzetek (szerkesztés)

Irodalom

• Emelyanov V.M. Standard modell és bővítményei. - Moszkva: Fizmatlit, 2007 .-- 584 p. - (Alapvető és alkalmazott fizika). -ISBN 978-5-922108-30-0

Linkek

Wikimédia Alapítvány. 2010.

Nézze meg, mi a "standard modell" más szótárakban:

A STANDARD MODEL, a ELEMENTARY PARTICLES modellje és kölcsönhatásuk, amely a legtöbb Teljes leírás az elektromos áramhoz kapcsolódó fizikai jelenségek. A részecskék HADRON -okra oszlanak (a QUARK -okká változó NUKLEÁRIS ERŐK hatására), ... ... Tudományos és műszaki enciklopédikus szótár

A részecskefizikában elmélet, DOS raj szerint. (alap.) elemi részecskék kvarkok és leptonok. Az erős kölcsönhatás, amelynek segítségével kvarkokat kötnek hadronokká, a gluonok cseréjén keresztül valósul meg. Elektromosság ....... Természettudomány. enciklopédikus szótár

- ... Wikipédia

Standard nemzetközi kereskedelmi modell- a nemzetközi kereskedelem legszélesebb körben használt modellje, amely feltárja a külkereskedelem hatását a kereskedő ország főbb makrogazdasági mutatóira: a termelésre, a fogyasztásra, a szociális jólétre ... Közgazdaságtan: szószedet

- (Heckscher Ohlin modell) Egy szabványos, iparágon belüli kereskedelmi modell, más iparági struktúrával, amelyet svéd alkotóiról neveztek el. E modell szerint az országokban azonos a termelés ....... Gazdasági szótár

A világ tudományos képe (NKM) (a természettudomány egyik alapfogalma) a tudás rendszerezésének, a minőségi általánosításnak és a különböző ideológiai szintéziseknek egy speciális formája tudományos elméletek... Holisztikus elképzelési rendszer lévén a közös ... ... Wikipédia

C Standard Library 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 ... Wikipédia

SZABVÁNY TUDOMÁNYI FOGALOM logico módszertani elemzés természettudományi elméletek, amelyek a neopozitivista tudományfilozófia jelentős hatása alatt fejlődtek ki. A szabványos tudománykoncepció keretein belül egy elmélet tulajdonságai (értelmezve ... ... Filozófiai enciklopédia

A természettudományi elméletek logikai módszertani elemzésének egyik formája, amelyet a neopozitivista tudományfilozófia jelentős hatása alatt fejlesztettek ki. A szabványos tudománykoncepció keretein belül az elmélet tulajdonságai (tudományosan értelmes halmazként értelmezve ... ... Filozófiai enciklopédia

Könyvek

• Részecskefizika - 2013. Quantum Electrodynamics and the Standard Model, O. M. Boyarkin, G. G. Boyarkina. Az elemi részecskefizika modern tanfolyamát tartalmazó kétkötetes könyv második kötetében a kvantum-elektrodinamikát tekintik a valós kölcsönhatások elméletének első példájának.

Standard modell az elemi részecskék szerkezetének és kölcsönhatásainak modern elmélete, amelyet többször kísérleteztek. Ez az elmélet nagyon kevés posztulátumon alapul, és elméletileg megjósolhatja az elemi részecskék világában zajló folyamatok ezreinek tulajdonságait. Az esetek túlnyomó többségében ezeket a jóslatokat kísérletek igazolják, néha rendkívül nagy pontossággal, és azok ritka esetek amikor a standard modell jóslatai ellentmondanak a tapasztalatoknak, heves vita tárgyává válnak.

A standard modell az a határ, amely elválasztja a megbízhatóan ismertet az elemi részecskék világában feltételezettől. A kísérletek leírásának lenyűgöző sikere ellenére a standard modell nem tekinthető az elemi részecskék végleges elméletének. A fizikusok ebben bíznak a mikrovilág szerkezetének valamilyen mélyebb elméletének kell lennie... Hogy miféle elméletről van szó, egyelőre nem tudni biztosan. A teoretikusok fejlődtek nagy szám egy ilyen elmélet jelöltjei, de csak egy kísérletnek kell megmutatnia, hogy melyikük felel meg világegyetemünk valós helyzetének. Ezért a fizikusok agresszíven keresik a standard modelltől való eltéréseket, olyan részecskéket, erőket vagy hatásokat, amelyeket a standard modell nem jósol meg. A tudósok együttesen ezeket a jelenségeket új fizikának nevezik; pontosan az Új fizika keresése a Nagy Hadronütköztető fő feladata.

A standard modell fő alkotóelemei

A standard modell munkaeszköze a kvantumtér -elmélet - egy elmélet, amely helyettesíti kvantummechanika fénysebességhez közeli sebességgel. A kulcsfontosságú tárgyak nem részecskék, mint például klasszikus mechanika, és nem "részecske-hullámok", mint a kvantummechanikában, hanem kvantumos mezők: elektronikus, muonikus, elektromágneses, kvark stb. - egy a "mikrovilág entitások" minden típusához.

Mind a vákuum, mind az, amit különálló részecskéknek fogunk fel, és a bonyolultabb képződmények, amelyek nem redukálhatók külön részecskékre, mind a mezők különböző állapotai. Amikor a fizikusok a "részecske" szót használják, valójában a mezők ezen állapotait értik, nem pedig az egyes pontobjektumokat.

A standard modell a következő fő összetevőket tartalmazza:

• Az anyagok alapvető "építőkövei" - hatféle lepton és hatféle kvark... Mindezek a részecskék 1/2 fermionok, és nagyon természetes módon szerveződnek három generáció alatt. Számos hadron - vegyes részecskék, amelyek erős kölcsönhatásokban vesznek részt - különböző kombinációkban kvarkokból állnak.
• Háromféle erő Az alapvető fermionok közötti hatás elektromágneses, gyenge és erős. A gyenge és az elektromágneses kölcsönhatás ugyanannak a két oldala elektromos gyenge kölcsönhatás... Az erős kölcsönhatás elkülönül, és ez köti a kvarkokat hadronokká.
• Mindezeket az erőket az alapján írjuk le kalibrálási elv- nem „erőszakkal” vezetik be őket az elméletbe, hanem mintha önmagukban keletkeznének az elmélet bizonyos átalakulásokkal kapcsolatos szimmetriájának követelménye következtében. A szimmetria bizonyos típusai erős és gyenge kölcsönhatásokat eredményeznek.
• Annak ellenére, hogy maga az elmélet elektromosan gyenge szimmetriát tartalmaz, világunkban ez spontán megszakad. Az elektromos gyenge szimmetria spontán megszakadása- az elmélet szükséges eleme, és a standard modell keretében a jogsértés a Higgs -mechanizmus miatt következik be.
• Számértékek a következőhöz: körülbelül két tucat állandót: ezek az alapvető fermionok tömegei, az erősségüket jellemző kölcsönhatások csatolási állandóinak számértékei és néhány más mennyiség. Mindegyiket egyszer és mindenkorra a tapasztalattal való összehasonlításból nyerik ki, és a további számítások során már nem módosítják.

Ezenkívül a standard modell egy újraformázható elmélet, vagyis mindezeket az elemeket olyan önálló módon vezetik be, hogy elvileg lehetővé teszi a számítások elvégzését a szükséges pontossággal. A kívánt pontosságú számítások azonban gyakran megnehezítően bonyolultak, de ez nem maga az elmélet, hanem inkább számítási képességeink problémája.

Mit tud és mit nem a standard modell

A standard modell sok tekintetben leíró elmélet. Nem ad választ sok kérdésre, amelyek a "miért" -vel kezdődnek: miért van pontosan ennyi részecske és éppen ilyen? honnan jöttek ezek a kölcsönhatások és éppen ilyen tulajdonságokkal? Miért kellett a természetnek három fermiongenerációt létrehoznia? miért azonosak a paraméterek számértékei? Ezenkívül a standard modell nem képes leírni a természetben megfigyelt jelenségeket. Különösen nincs helye benne a neutrínó tömegeknek és a sötét anyag részecskéknek. A standard modell figyelmen kívül hagyja a gravitációt, és nem tudni, mi történik ezzel az elmélettel a Planck -energia skálán, amikor a gravitáció rendkívül fontossá válik.

Ha a szabványos modellt a rendeltetésének megfelelően használja, hogy megjósolja az elemi részecskék ütközésének eredményeit, akkor az adott eljárástól függően lehetővé teszi a számítások különböző fokú elvégzését.

• Elektromágneses jelenségek esetén (elektronszórás, energiaszintek) pontossága akár ppm vagy nagyobb is lehet. A rekordot itt tartja az elektron anomális mágneses momentuma, amelyet egy milliárdos pontossággal számolnak ki.
• Sok nagy energiájú folyamatot, amelyek az elektromos gyenge kölcsönhatások miatt következnek be, százalékosnál pontosabban számítják ki.
• A legrosszabb dolog az erős kölcsönhatás kiszámítása, ha nem is az nagy energiák... Az ilyen folyamatok kiszámításának pontossága nagymértékben változik: egyes esetekben elérheti a százalékot, más esetekben a különböző elméleti megközelítések többször is eltérő válaszokat adhatnak.

Érdemes hangsúlyozni, hogy az a tény, hogy egyes folyamatokat nehéz a szükséges pontossággal kiszámítani, nem jelenti azt, hogy az "elmélet rossz". Csak nagyon bonyolult, és a jelenlegi matematikai technikák még mindig nem elegendőek minden következmény nyomon követéséhez. Különösen az egyik híres matematikai millenniumi probléma foglalkozik a bezárkózás problémájával kvantum elmélet nem abeli mérőműszer kölcsönhatással.

További irodalom:

• A Higgs -mechanizmussal kapcsolatos alapvető információk megtalálhatók LB Okun könyvében "Az elemi részecskék fizikája" (a szavak és képek szintjén) és a "Leptonok és kvarkok" (komoly, de hozzáférhető szinten) könyvében.

Minden anyag kvarkokból, leptonokból és részecskékből áll - kölcsönhatások hordozói.

Ma már szokás a standard modellt annak az elméletnek nevezni, amely a legjobban tükrözi elképzeléseinket forrás anyag amelyből az univerzum eredetileg épült. Azt is leírja, hogy az anyag hogyan épül fel ezekből az alapvető összetevőkből, valamint a kölcsönhatás erőit és mechanizmusait.

Szerkezeti szempontból az atommagokat alkotó elemi részecskék ( nukleonok), és általában minden nehéz részecske - hadronok (barionokés mesonok) - még egyszerűbb részecskékből állnak, amelyeket általában alapvetőnek neveznek. Ebben a szerepben az anyag valóban alapvető elsődleges elemei kvarkok, amelynek elektromos töltése a proton egységnyi pozitív töltésének 2/3 -a vagy -1/3 -a. A leggyakoribb és legkönnyebb kvarkokat hívják tetejénés Alsóés jelölik, ill. u(angolról fel) és d(le-). Néha őket is hívják protonés neutron kvark, mivel a proton kombinációból áll uudés a neutron - udd. A felső kvark 2/3 töltéssel rendelkezik; alsó - negatív töltés –1/3. Mivel egy proton kettő felfelé és egy lefelé, a neutron pedig egy felfelé és két lefelé irányuló kvarkból áll, önállóan ellenőrizheti, hogy egy proton és egy neutron teljes töltése szigorúan 1 -nek és 0 -nak bizonyul -e, és győződjön meg arról, hogy ebben a standard modell megfelelően leírja a valóságot ... A másik két pár kvark az egzotikusabb részecskék része. A második pár kvarkjait hívjuk elvarázsolt - c(tól től elbűvölt) és furcsa - s(tól től furcsa). A harmadik pár az igaz - t(tól től igazság, vagy angolul. hagyományok tetején) és szép - b(tól től szépség, vagy angolul. hagyományok alsó) kvarkok. Szinte minden részecskét, amelyet a standard modell előre jelez, és különböző kvarkkombinációkból áll, már kísérletileg felfedezték.

Egy másik épületkészlet téglából áll leptonok. A leptonok közül a leggyakoribb már régóta ismerős számunkra elektron, amely része az atomok szerkezetének, de nem vesz részt a nukleáris kölcsönhatásokban, csak az atomközi interakciókra korlátozódik. Rajta kívül (és párosított antirészecskéje hívott pozitron) A leptonok közé tartoznak a nehezebb részecskék - a muon és a tau lepton részecskéikkel együtt. Ezenkívül minden leptonnak saját töltetlen részecskéje van, nulla (vagy gyakorlatilag nulla) nyugalmi tömeggel; az ilyen részecskéket elektronnak, muonnak vagy taonnak nevezik neutrino.

Tehát a leptonok, akárcsak a kvarkok, szintén három „családpárt” alkotnak. Ez a szimmetria nem kerülte el a teoretikusok figyelmes szemeit, de meggyőző magyarázatot még nem javasoltak rá. Akárhogy is legyen, a kvarkok és a leptonok jelentik a főt építőanyag Az Univerzum.

Ahhoz, hogy megértsük az érem másik oldalát - a kvarkok és a leptonok közötti kölcsönhatás erőinek jellegét - meg kell értened, hogy a modern elméleti fizikusok hogyan értelmezik az erő fogalmát. Egy analógia segít nekünk ebben. Képzeljünk el két csónakost, akik egy ütközési pályán eveznek a Cam folyón, Cambridge -ben. Az egyik evező, lelke nagylelkűségéből úgy döntött, hogy pezsgővel kedveskedik egy kollégájának, és amikor elhajóztak egymás mellett, egy üveg pezsgőt dobott neki. A lendületmegmaradás törvényének eredményeként, amikor az első evezős eldobta a palackot, csónakja iránya eltért az egyenes irányból az ellenkező irányba, és amikor a második evező elkapta az üveget, impulzusát továbbították neki, és a második csónak is letért az egyenes pályáról, de az ellenkező irányba. Így a pezsgőcsere hatására mindkét hajó irányt váltott. Newton mechanikai törvényei szerint ez azt jelenti, hogy erő kölcsönhatás lépett fel a hajók között. De a hajók nem kerültek közvetlen kapcsolatba egymással, nem? Itt tisztán látjuk és intuitív módon megértjük, hogy a csónakok közötti kölcsönhatás erejét az impulzus hordozója - egy üveg pezsgő - közvetítette. A fizikusok hívnák interakció hordozója.

Pontosan ugyanígy, a részecskék közötti erő kölcsönhatások ezen kölcsönhatások részecskék-hordozói cseréjén keresztül zajlanak. Valójában csak akkor teszünk különbséget a részecskék közötti kölcsönhatás alapvető erői között, ha a különböző részecskék ezen kölcsönhatások hordozóiként működnek. Négy ilyen kölcsönhatás létezik: erős(ez tartja meg a kvarkokat a részecskékben), elektromágneses, gyenge(ez vezet a radioaktív bomlás bizonyos formáihoz) és gravitációs. Az erős szín kölcsönhatás hordozói gluonok amelyeknek nincs sem tömegük, sem elektromos töltésük. Ezt a fajta kölcsönhatást a kvantum -kromodinamika írja le. Az elektromágneses kölcsönhatás az elektromágneses sugárzás kvantumainak cseréjén keresztül következik be, amelyeket ún fotonokés tömeges is . A gyenge kölcsönhatásokat viszont masszív módon továbbítják vektor vagy mérő bozonok, amelyek 80-90-szer nagyobb tömegűek, mint egy proton, először csak az 1980-as évek elején fedezték fel laboratóriumi körülmények között. Végül a gravitációs kölcsönhatás a nem önmassza cseréjén keresztül terjed gravitonok- ezeket a közvetítőket még nem sikerült kísérletileg kimutatni.

A standard modell keretein belül az alapvető három kölcsönhatás első három típusát sikeresen ötvözték, és már nem tekintik külön -külön, hanem az egyetlen természet erejének három különböző megnyilvánulásának tekintik. Visszatérve az analógiához, tegyük fel, hogy egy másik evezőspár, akik egymás mellett vitorláztak a Cam folyón, nem egy üveg pezsgőt cseréltek, hanem csak egy pohár fagylaltot. A hajók szintén ellentétes irányban térnek el erről a pályáról, de sokkal gyengébben. Egy külső szemlélő számára úgy tűnhet, hogy ebben a két esetben különböző erők hatottak a hajók között: az első esetben folyadékcsere történt (azt javaslom, ne vegye figyelembe az üveget, mivel a legtöbben érdeklődünk a tartalma miatt ), és a másodikban - szilárd anyaggal (fagylalt). Most képzeljük el, hogy aznap Cambridge -ben olyan nyári hőség uralkodott, ami ritka az északi helyeken, és a jégkrém repülés közben megolvadt. Vagyis a hőmérséklet enyhe emelkedése elegendő annak megértéséhez, hogy valójában a kölcsönhatás nem attól függ, hogy folyadék vagy szilárd anyag viszi -e hordozójává. Az egyetlen ok, amiért azt hittük, hogy a csónakok között különböző erők hatnak, a fagylalttartó külső különbsége volt, amelyet az olvadáshoz szükséges elégtelen hőmérséklet okozott. Emelje a hőmérsékletet, és a kölcsönhatás erői vizuálisan egységesnek tűnnek.

A Világegyetemben ható erők is összeolvadnak a kölcsönhatás nagy energiáin (hőmérsékletein), utána lehetetlen megkülönböztetni őket. Az első egyesül(így szokták nevezni) gyenge nukleáris és elektromágneses kölcsönhatások. Ennek eredményeként kapjuk az ún elektromos gyenge kölcsönhatás még laboratóriumban is megfigyelhető a modern részecskegyorsítók által kifejlesztett energiáknál. A korai univerzumban az energiák olyan magasak voltak, hogy az ősrobbanás utáni első 10–10 másodpercben nem volt határ a gyenge nukleáris és elektromágneses erők között. Csak azután, hogy az Univerzum átlaghőmérséklete 10 14 K -ra csökkent, ma mind a négy megfigyelt erő kölcsönhatás kettévált és modern formát öltött. Míg a hőmérséklet e határ felett volt, csak három alapvető erő működött: erős, kombinált elektromos gyengeség és gravitációs kölcsönhatások.

Az elektromos gyengeség és az erős nukleáris kölcsönhatások egyesülése 10 27 K nagyságú hőmérsékleten történik. Laboratóriumi körülmények között az ilyen energiák ma nem érhetők el. A legerősebb modern gyorsító - amelyet jelenleg Franciaország és Svájc határán építenek, a Nagy Hadronütköztető - képes lesz felgyorsítani a részecskéket olyan energiákká, amelyek csak 0,000000001% -át teszik ki annak, ami az elektromos gyenge és az erős nukleáris kölcsönhatások kombinálásához szükséges. Tehát valószínűleg sokáig kell várnunk az egyesülés kísérleti megerősítésére. A modern világegyetemben sincsenek ilyen energiák, azonban létezése első 10–35 között az Univerzum hőmérséklete 10 27 K felett volt, és csak két erő hatott az Univerzumban - elektrosztatikusés gravitációs kölcsönhatás. Az ezeket a folyamatokat leíró elméleteket „a nagy egyesülés elméleteinek” (TVO) nevezik. Lehetetlen közvetlenül ellenőrizni a TVO -t, de bizonyos előrejelzéseket adnak az alacsonyabb energiával zajló folyamatokról. A mai napig minden TVO előrejelzés viszonylag alacsony hőmérsékletés az energiákat kísérletileg megerősítik.

Tehát a standard modell általánosított formájában a világegyetem felépítésének elmélete, amelyben az anyag kvarkokból és leptonokból áll, és a közöttük lévő erős, elektromágneses és gyenge kölcsönhatásokat a nagyegyesítés elméletei írják le. Ez a modell nyilvánvalóan hiányos, mert nem tartalmazza a gravitációt. Feltehetően végül egy teljesebb elméletet dolgoznak ki ( cm. Univerzális elméletek), és ma a standard modell a legjobb.

"Elemek"

Ma a standard modell a részecskefizika egyik legfontosabb elméleti konstrukciója, amely leírja az összes elemi részecske elektromágneses, gyenge és erős kölcsönhatását. Ennek az elméletnek a főbb rendelkezéseit és összetevőit a fizikus, az Orosz Tudományos Akadémia levelező tagja, Mihail Danilov írja le

1

Most a kísérleti adatok alapján egy nagyon tökéletes elméletet hoztak létre, amely leírja szinte az összes jelenséget, amelyet megfigyelünk. Ezt az elméletet szerényen "az elemi részecskék standard modelljének" nevezik. Három fermiongenerációja van: kvarkok, leptonok. Úgyszólván építőanyag. Minden, amit látunk magunk körül, az első generációból épül fel. U- és d -kvarkokat, egy elektronot és egy elektron -neutrínót tartalmaz. A protonok és a neutronok három kvarkból állnak: uud és udd. De van még két kvark- és leptongeneráció, amelyek bizonyos mértékig megismétlik az első, de nehezebbet, és végül az első generáció részecskéivé bomlanak. Minden részecske ellentétes töltésű antirészecskékkel rendelkezik.

2

A standard modell három interakciót tartalmaz. Az elektromágneses kölcsönhatás az elektronokat az atomon belül, az atomokat a molekulákon belül tartja. Az elektromágneses kölcsönhatás hordozója a foton. Az erős kölcsönhatás protonokat és neutronokat tart az atommagban, kvarkokat pedig protonokban, neutronokban és más hadronokban (LB Okun így javasolta az erős kölcsönhatásban résztvevő részecskék megnevezését). Az erős kölcsönhatás magában foglalja a kvarkokat és a belőlük épített hadronokat, valamint magának az interakciónak a hordozóit - gluonokat (az angol ragasztóból - ragasztó). A hadronok vagy három kvarkból állnak, mint egy proton és egy neutron, vagy egy kvark és egy antikark, például mondjuk egy π ± mezon, amely u és anti-d kvarkokból áll. A gyenge kölcsönhatások ritka bomláshoz vezetnek, mint például a neutron bomlásához proton, elektron és antineutrino. A gyenge kölcsönhatás hordozói a W és Z bozonok. Mind a kvarkok, mind a leptonok részt vesznek a gyenge kölcsönhatásban, de ez nagyon kicsi az energiánkban. Ez azonban egyszerűen a W és Z bozon nagy tömegének köszönhető, amelyek két nagyságrenddel nehezebbek, mint a protonok. A W- és Z-bozonok tömegénél nagyobb energiák esetén az elektromágneses és gyenge kölcsönhatások erői összehasonlíthatóvá válnak, és egyetlen elektromos gyenge kölcsönhatássá egyesülnek. Feltételezik, hogy sok b O magasabb energiák és erős kölcsönhatások egyesülnek a többiekkel. Az elektromos gyengeség és az erős kölcsönhatások mellett létezik olyan gravitációs kölcsönhatás is, amely nem szerepel a standard modellben.

W, Z-bozonok

g - gluonok

H0 a Higgs -bozon.

3

A standard modell csak tömeges alapvető részecskékhez, azaz kvarkokhoz, leptonokhoz, W és Z bozonokhoz használható. Annak érdekében, hogy tömeget szerezzenek, általában bevezetik a Higgs -mezőt, amelyet az egyik tudós nevezett el, aki ezt a mechanizmust javasolta. Ebben az esetben a standard modellben kell lennie egy másik alapvető részecskének - a Higgs -bozonnak. Ennek az utolsó téglának a keresése a Standard Model karcsú épületében aktívan folyik a világ legnagyobb ütközőjén - a Nagy Hadronütköztetőn (LHC). Már kaptak jelzéseket a körülbelül 133 protontömegű Higgs -bozon létezésére. Ezen indikációk statisztikai megbízhatósága azonban még mindig nem elegendő. A helyzet várhatóan 2012 végére tisztul.

4

A standard modell tökéletesen leírja az elemi részecskefizika szinte minden kísérletét, bár a standard modellen túli jelenségek keresése kitartóan folyik. Az utolsó utalás a fizikára a Standard Modellen túl az volt, hogy 2011-ben az LHCb LHCb kísérletében felfedezték, hogy váratlanul nagy különbség van az úgynevezett elbűvölt mezonok és antirészecskéik tulajdonságaiban. Azonban nyilvánvalóan még egy ilyen nagy különbség is megmagyarázható a standard modell keretein belül. Másrészt 2011 -ben újabb megerősítést nyertek az egzotikus hadronok létezését megjósló SM -ről, amelyet több évtizede kerestek. Fizikusok az Elméleti és Kísérleti Fizikai Intézetből (Moszkva) és az Intézetből nukleáris fizika(Novoszibirszk) a nemzetközi BELLE kísérlet keretében fedezett fel két kvarkból és két antikvarból álló hadronokat. Valószínűleg ezek mezonmolekulák, amelyeket az ITEP teoretikusai, MB Voloshin és LB Okun 'jósoltak.

5

A standard modell sikerei ellenére számos hiányossága van. Az elmélet szabad paramétereinek száma meghaladja a 20 -at, és teljesen homályos, hogy honnan ered a hierarchiájuk. Miért a t-kvark tömege 100 ezerszerese az u-kvark tömegének? Miért t és d kvarkok kapcsolási állandója, amelyet először az ITEP fizikusainak aktív részvételével végzett nemzetközi ARGUS kísérletben mértek, 40 -szer kisebb, mint a c és d kvarkok kapcsolási állandója? A KM nem válaszol ezekre a kérdésekre. Végezetül, miért van szükségünk 3 kvark- és leptongenerációra? M. Kobayashi és T. Maskawa japán teoretikusok 1973 -ban kimutatták, hogy a kvarkok 3 generációjának létezése lehetővé teszi az anyag és az antianyag tulajdonságainak különbségét. M. Kobayashi és T. Maskawa hipotézise megerősítést nyert a BELLE és BaBar kísérletekben, az INP és az ITEP fizikusainak aktív részvételével. 2008 -ban M. Kobayashi és T. Maskawa Nobel -díjat kapott elméletükért

6

Alapvetőbb problémák vannak a standard modellel. Már tudjuk, hogy a CM nem teljes. Az asztrofizikai vizsgálatokból ismert, hogy van olyan anyag, amely nem szerepel az SM -ben. Ez az úgynevezett sötét anyag. Körülbelül ötször több, mint a szokásos anyag, amelyből készültünk. A standard modell talán legfőbb hátránya a belső önkonzisztencia hiánya. Például a virtuális részecskék cseréje miatt az SM -ben keletkező Higgs -bozon természetes tömege sok nagyságrenddel nagyobb, mint a megfigyelt jelenségek magyarázatához szükséges tömeg. Az egyik legnépszerűbb megoldás Magyarországon jelenleg, ez a szuperszimmetria hipotézis - a feltételezés, hogy szimmetria van a fermionok és a bozonok között. Ezt az elképzelést először 1971 -ben fejezték ki Yu. A. Golfand és EP Likhtman a FIAN -nál, és most hatalmas népszerűségnek örvend.

7

A szuperszimmetrikus részecskék nemcsak az SM viselkedés stabilizálását teszik lehetővé, hanem egy nagyon természetes jelöltet is jelentenek a sötét anyag szerepére - a legkönnyebb szuperszimmetrikus részecskét. Bár jelenleg nincs megbízható kísérleti bizonyíték erre az elméletre, annyira szép és olyan elegáns a standard modell problémáinak megoldásában, hogy sokan hisznek benne. Az LHC aktívan keresi a szuperszimmetrikus részecskéket és az SM alternatíváit. Például a tér további méreteit keresik. Ha léteznek, sok probléma megoldható. Talán a gravitáció erős lesz viszonylag nagy távolságokon, ami szintén nagy meglepetés lesz. Más, alternatív Higgs -modellek, az alapvető részecskék tömegének eredetének mechanizmusai is lehetségesek. A szabványmodellen kívüli effektek keresése nagyon aktív, de eddig sikertelen. Az elkövetkező években sok mindennek világossá kell válnia.