Standardni model elementarnih delcev za telebane. Onkraj standardnega modela: česa ne vemo o vesolju. Standardni model in elektromagnetizem

Svet osnovnih delcev je podrejen kvantnim zakonom in še vedno ni povsem razumljen. Definicijski koncept pri izdelavi različnih modelov interakcije osnovnih delcev je koncept simetrije, ki se razume kot matematična lastnost invariantnosti interakcijskih procesov pri različnih transformacijah koordinat ali notranjih parametrov modela. Takšne transformacije tvorijo skupine, imenovane simetrične skupine.

Standardni model je zgrajen na podlagi koncepta simetrije. Prvič, ima prostorsko-časovno simetrijo glede na rotacije in premike v prostoru-času. Ustrezna simetrična skupina se imenuje Lorentzova (ali Poincaréjeva) skupina. Ta simetrija ustreza neodvisnosti napovedi od izbire referenčnega okvira. Poleg tega obstajajo skupine notranje simetrije - simetrije glede na rotacije v "izospinskem" in "barvnem" prostoru (v primeru šibkih in močnih interakcij). Obstaja tudi skupina faznih rotacij, povezanih z elektromagnetnimi interakcijami. Te simetrije ustrezajo zakonom o ohranitvi električnega naboja, "barvnega" naboja itd. Popolna skupina notranje simetrije Standardni model, dobljen na podlagi analize številnih eksperimentalnih podatkov, je produkt unitarnih skupin SU(3) x SU(2) x U(1). Vsi delci standardnega modela pripadajo različnim predstavitvam simetričnih skupin in delci različnih spinov se nikoli ne mešajo.

Standardni model– sodobna teorija zgradbe in interakcij osnovnih delcev, teorija temelji na zelo majhnem številu postulatov in omogoča teoretično napovedovanje lastnosti različnih procesov v svetu osnovnih delcev. Za opis lastnosti in interakcij osnovnih delcev se uporablja koncept fizikalnega polja, ki je pridruženo vsakemu delcu: elektronu, mionu, kvarku itd. Polje je posebna oblika razporeditve snovi v prostoru. Polja, povezana z osnovnimi delci, imajo kvantna narava. Elementarni delci so kvanti ustreznih polj. Delovno orodje standardnega modela je kvantna teorija polja. Kvantna teorija polja (QFT) je teoretična osnova opisi mikrodelcev, njihovih interakcij in medsebojnih pretvorb. Matematični aparat kvantna teorija polje (QFT) nam omogoča, da opišemo rojstvo in uničenje delca v vsaki prostorsko-časovni točki.

Standardni model opisuje tri vrste interakcij: elektromagnetne, šibke in močne. Gravitacijska interakcija ni del standardnega modela.

Glavno vprašanje za opis dinamike osnovnih delcev je vprašanje izbire sistema primarnih polj, tj. o izbiri delcev (in temu primerno polj), ki naj bi veljali za najbolj temeljne (elementarne) pri opisovanju opazovanih delcev snovi. Standardni model kot temeljne delce izbere brezstrukturne delce s spinom ½: tri pare leptonov ( , ( in tri pare kvarkov, ki so običajno združeni v tri generacije.

Vso snov sestavljajo kvarki, leptoni in delci – nosilci interakcij.

Danes standardni model imenujemo teorija, ki najbolje odraža naše predstave o izvorni material, iz katerega je bilo prvotno zgrajeno Vesolje. Opisuje tudi, kako natanko snov nastane iz teh osnovnih komponent ter sile in mehanizme interakcije med njimi.

S strukturnega vidika so osnovni delci, ki sestavljajo atomska jedra ( nukleoni), in na splošno vsi težki delci - hadroni (barioni in mezoni) - sestavljajo še enostavnejši delci, ki jih običajno imenujemo fundamentalni. To vlogo resnično temeljnih primarnih elementov materije igra kvarki, katerega električni naboj je enak 2/3 ali –1/3 enote pozitivnega naboja protona. Najpogostejši in najlažji kvarki se imenujejo vrh in nižje in označujeta oz. u(iz angleščine gor) In d(navzdol). Včasih se imenujejo tudi proton in nevtron kvark zaradi dejstva, da je proton sestavljen iz kombinacije uud, in nevtron - udd. Top kvark ima naboj 2/3; spodaj - negativni naboj –1/3. Ker je proton sestavljen iz dveh zgornjih kvarkov in enega spodnjega kvarka, nevtron pa iz enega gornjega in dveh spodnjih kvarkov, lahko neodvisno preverite, ali je skupni naboj protona in nevtrona strogo enak 1 in 0, in se prepričajte, da Standardni model ustrezno opisuje realnost. Druga dva para kvarkov sta del bolj eksotičnih delcev. Kvarki iz drugega para se imenujejo očaran - c(iz očaran) In čudno - s(iz čudno). Tretji par je res - t(iz resnica, ali v angleščini tradicije vrh) In lepa - b(iz lepota, ali v angleščini tradicije dno) kvarkov. Skoraj vsi delci, predvideni s standardnim modelom in sestavljeni iz različnih kombinacij kvarkov, so bili že eksperimentalno odkriti.

Drug gradbeni sklop sestavljajo opeke, imenovane leptoni. Najpogostejši od leptonov - že dolgo poznan elektron, vključeni v strukturo atomov, vendar ne sodelujejo v jedrskih interakcijah, saj so omejeni na medatomske. Poleg njega (in njegovega dvojnika antidelca, imenovanega pozitron) leptoni vključujejo težje delce - mion in tau lepton s svojimi antidelci. Poleg tega je vsak lepton povezan z lastnim nenabitim delcem z nič (ali skoraj nič) maso mirovanja; takšni delci se imenujejo elektron, mion ali taon nevtrino.

Tako tudi leptoni, tako kot kvarki, tvorijo tri "družinske pare". Ta simetrija ni ušla pozornim očem teoretikov, vendar zanjo še ni bila ponujena nobena prepričljiva razlaga. Kakor koli že, kvarki in leptoni predstavljajo osnovni gradbeni material vesolja.

Da bi razumeli drugo plat medalje - naravo interakcijskih sil med kvarki in leptoni - morate razumeti, kako sodobni teoretični fiziki razlagajo sam koncept sile. Pri tem nam bo pomagala analogija. Predstavljajte si dva čolnara, ki veslata v nasprotnih smereh na reki Cam v Cambridgeu. En veslač se je iz velikodušnosti odločil svojega kolega pogostiti s šampanjcem in mu, ko sta plula drug mimo drugega, vrgel polno steklenico šampanjca. Zaradi zakona o ohranitvi gibalne količine, ko je prvi veslač vrgel steklenico, se je smer njegovega čolna oddaljila od ravne smeri v nasprotno smer, in ko je drugi veslač ujel steklenico, se je njena gibalna količina prenesla nanj, in drugi čoln je prav tako skrenil z ravne smeri, vendar v nasprotni smeri. Tako sta zaradi izmenjave šampanjca oba čolna spremenila smer. Po Newtonovih zakonih mehanike to pomeni, da je med čolni prišlo do interakcije sil. Toda čolni niso prišli v neposreden stik drug z drugim? Tu oba jasno vidimo in intuitivno razumemo, da je silo interakcije med čolni prenašal nosilec impulza - steklenica šampanjca. Fiziki bi temu rekli nosilec interakcije.

Na popolnoma enak način se meddelci med delci pojavljajo medsebojno delovanje sil z izmenjavo delcev, ki te interakcije prenašajo. Pravzaprav ločimo temeljne sile interakcije med delci le toliko, kolikor različni delci delujejo kot nosilci teh interakcij. Obstajajo štiri takšne interakcije: močan(to je tisto, kar zadržuje kvarke znotraj delcev), elektromagnetni, šibka(prav to vodi do nekaterih oblik radioaktivnega razpada) in gravitacijski. Nosilci močne barvne interakcije so gluoni ki nimajo niti mase niti električnega naboja. To vrsto interakcije opisuje kvantna kromodinamika. Do elektromagnetne interakcije pride z izmenjavo kvantov elektromagnetnega sevanja, ki se imenujejo fotoni in tudi brez mase . Šibka interakcija se, nasprotno, prenaša z masivnostjo vektor oz merilni bozoni, ki »tehtajo« 80-90-krat več kot proton, so v laboratorijskih pogojih prvič odkrili šele v zgodnjih osemdesetih letih prejšnjega stoletja. Končno se gravitacijska interakcija prenaša z izmenjavo predmetov, ki nimajo lastne mase gravitoni- ti posredniki še niso bili eksperimentalno odkriti.

V okviru standardnega modela so prve tri vrste temeljnih interakcij združene in jih ne obravnavamo več ločeno, ampak obravnavamo kot tri različne manifestacije sile ene same narave. Če se vrnemo k analogiji, predpostavimo, da si drug par veslačev, ki gre mimo drugega na reki Cam, ni izmenjal steklenice šampanjca, ampak samo kozarec sladoleda. Od tega bosta čolna tudi odstopala od smeri v nasprotnih smereh, vendar veliko šibkeje. Zunanjemu opazovalcu se lahko zdi, da so v teh dveh primerih med čolni delovale različne sile: v prvem primeru je prišlo do izmenjave tekočine (predlagam, da zanemarimo steklenico, saj nas večino zanima njena vsebina), v drugem pa trdno telo (sladoled). Zdaj pa si predstavljajte, da je bila tistega dne v Cambridgeu za severne kraje redka poletna vročina in se je sladoled med letom stopil. To pomeni, da je rahlo zvišanje temperature dovolj, da razumemo, da interakcija dejansko ni odvisna od tega, ali je nosilec tekoče ali trdno telo. Edini razlog, zakaj se nam je zdelo, da med čolni delujejo različne sile, je bila zunanja razlika nosilca sladoleda, ki je nastala zaradi nezadostne temperature za njegovo taljenje. Povišajte temperaturo - in interakcijske sile bodo očitno enotne.

Sile, ki delujejo v vesolju, se zlivajo tudi pri visokih energijah (temperaturah) interakcije, po kateri jih je nemogoče razlikovati. najprej združiti(tako se običajno imenuje) šibke jedrske in elektromagnetne interakcije. Posledično dobimo t.i elektrošibka interakcija, opaženo celo v laboratoriju pri energijah, ki jih razvijejo sodobni pospeševalci delcev. V zgodnjem vesolju so bile energije tako visoke, da so v prvih 10–10 sekundah po veliki pok ni bilo ločnice med šibkimi jedrskimi in elektromagnetnimi silami. Šele potem, ko je povprečna temperatura vesolja padla na 10 14 K, so se vse štiri danes opažene interakcije sil ločile in prevzele sodobno obliko. Medtem ko je bila temperatura nad to oznako, so delovale samo tri temeljne sile: močna, kombinirana elektrošibka in gravitacijska interakcija.

Združitev elektrošibkih in močnih jedrskih interakcij se zgodi pri temperaturah reda 10 27 K. V laboratorijskih pogojih so takšne energije danes nedosegljive. Najmočnejši sodobni pospeševalnik - Veliki hadronski trkalnik, ki je trenutno v izgradnji na meji med Francijo in Švico - bo lahko pospešil delce do energij, ki so le 0,000000001 % tistih, ki so potrebne za kombinacijo elektrošibke in močne jedrske sile. Na eksperimentalno potrditev tega poenotenja bomo torej morali verjetno še dolgo čakati. V sodobnem vesolju teh energij ni, vendar je bila v prvih 10–35 sekundah njegovega obstoja temperatura vesolja nad 10 27 K in v vesolju sta delovali le dve sili - elektromočna in gravitacijsko interakcijo. Teorije, ki opisujejo te procese, se imenujejo »Grand Unified Theories« (GUT). GUT ni mogoče neposredno preveriti, vendar dajejo tudi določene napovedi glede procesov, ki potekajo pri nižjih energijah. Do danes so vse napovedi TVO za relativno nizke temperature in energije so eksperimentalno potrjene.

Standardni model je torej v posplošeni obliki teorija zgradbe vesolja, v kateri materijo sestavljajo kvarki in leptoni, močne, elektromagnetne in šibke interakcije med njimi pa opisujejo teorije velikega združevanja. Takšen model je očitno nepopoln, saj ne vključuje gravitacije. Verjetno bo sčasoma razvita popolnejša teorija ( cm. univerzalne teorije), danes pa je standardni model najboljše, kar imamo.

"Elementi"

Nedavno odkritje skupine znanstvenikov pod vodstvom Joaquima Mathiasa je prvič resno zamajalo temelj sodobne fizike delcev, namreč standardni model. Raziskovalci so lahko napovedali nestandardno različico razpada delca B-mezona, ki je ta model ne upošteva. Še več, skoraj takoj so bila njihova ugibanja eksperimentalno potrjena.

Opozoriti je treba, da v v zadnjem času Fiziki, ki se ukvarjajo s proučevanjem osnovnih delcev, vse pogosteje trdijo, da je ta veda postala že preveč utesnjena v okvir znanega Standardnega modela. Zabeleženih je namreč že veliko pojavov, ki jih je v njegovem okviru težko razložiti. Ta model na primer ne more predvideti, kateri delci bi lahko sestavljali temno snov, in tudi ne odgovori na vprašanje, ki že dolgo muči znanstvenike - zakaj je v našem vesolju več snovi kot antimaterije (barionska asimetrija). In tudi erzijska interpretacija procesa hladne transmutacije jeder, o kateri smo pisali nedolgo nazaj, presega »delovanje« prav tega standardnega modela.

Kljub temu se večina fizikov še vedno drži te metode razlage skrivnostnega življenja osnovnih delcev. Delno zato, ker še nihče ni ustvaril nič boljšega, delno zato, ker ima večina napovedi standardnega modela še vedno eksperimentalno potrditev (česar ne moremo reči za alternativne hipoteze). Poleg tega do nedavnega v poskusih ni bilo mogoče najti resnih odstopanj od tega modela. Vendar se zdi, da se je to zgodilo ne tako dolgo nazaj. To bi lahko pomenilo popolno rojstvo nova teorija fizike delcev, po kateri bo sedanji standardni model videti kot poseben primer – tako kot Newtonova teorija univerzalna gravitacija izgleda kot poseben primer gravitacije znotraj okvira splošna teorija relativnost.

Vse se je začelo z dejstvom, da je mednarodna skupina fizikov pod vodstvom Joaquima Mathiasa podala več napovedi o tem, katera odstopanja v verjetnosti razpada B-mezonov bi lahko odstopala od standardnega modela in nakazovala novo fiziko. Naj vas spomnim, da je B-mezon delec, sestavljen iz b-kvarka in d-antikvarka. Po standardnem modelu lahko ta delec razpade na mion (negativno nabit delec, v bistvu zelo težak elektron) in antimuon, čeprav verjetnost takega dogodka ni zelo velika. Vendar so lani na konferenci v Kjotu fiziki, ki delajo na velikem hadronskem trkalniku, poročali, da jim je uspelo zaznati sledi takšnega razpada (in to z verjetnostjo, ki je bila teoretično predvidena).

Mathiasova skupina je verjela, da bi moral ta mezon razpasti na nekoliko drugačen način - na par mionov in še neznani delec K*, ki skoraj takoj razpade na kaon in pion (dva lažja mezona). Omeniti velja, da so znanstveniki poročali o rezultatih svojih raziskav 19. julija na srečanju Evropskega fizikalnega društva, naslednji govornik od tistih, ki so govorili na tem dogodku (to je bil fizik Nicolas Serra iz kolaboracije LHCb iz Large Hadron Collider) je poročal, da je njegovi skupini uspelo zabeležiti sledi takšnih razpadov. Poleg tega so eksperimentalni rezultati Serra-jeve skupine skoraj popolnoma sovpadali z odstopanji, predvidenimi v poročilu dr. Mathiasa in njegovih soavtorjev!

Zanimivo je, da fiziki te rezultate ocenjujejo s statistično pomembnostjo 4,5σ, kar pomeni, da je zanesljivost opisanega dogodka zelo, zelo visoka. Naj vas spomnim, da se eksperimentalni dokaz treh σ šteje za rezultate pomembnega pomena, pet σ pa velja za popolnoma opravljeno odkritje – to je vrednost zanesljivosti, ki je bila pripisana rezultatom lanskih poskusov, ki so končno odkrili sledi obstoj Higgsovega bozona.

Sam dr. Matthias pa meni, da še ni treba hiteti s sklepi. "Za potrditev teh rezultatov bodo potrebni dodatni podatki. teoretično raziskovanje, pa tudi nove meritve. Če pa so naši sklepi res pravilni, se bomo soočili s prvo neposredno potrditvijo obstoja nove fizike – teorije, ki je splošnejša od splošno sprejetega standardnega modela. Če je Higgsov bozon končno sestavil sestavljanko standardnega modela, potem so lahko ti rezultati prvi delček nove sestavljanke – veliko večje,« pravi znanstvenik.

V fiziki so bili osnovni delci fizični objekti v obsegu atomskega jedra, ki jih ni mogoče razdeliti na sestavne dele. Vendar pa je danes znanstvenikom uspelo nekatere od njih razdeliti. Strukturo in lastnosti teh drobnih predmetov preučuje fizika delcev.

Najmanjši delci, ki sestavljajo vso snov, so znani že od antičnih časov. Vendar pa se za ustanovitelje tako imenovanega "atomizma" štejejo filozofi Stara Grčija Levkipa in njegovega bolj znanega učenca Demokrita. Predvideva se, da je slednji skoval izraz "atom". Iz starogrščine je "atomos" preveden kot "nedeljiv", kar določa poglede starodavnih filozofov.

Kasneje je postalo znano, da je atom še vedno mogoče razdeliti na dva fizična objekta - jedro in elektron. Slednji je pozneje postal prvi osnovni delec, ko je leta 1897 Anglež Joseph Thomson izvedel poskus s katodnimi žarki in ugotovil, da gre za tok enakih delcev z enako maso in nabojem.

Vzporedno s Thomsonovim delom Henri Becquerel, ki preučuje rentgensko sevanje, izvaja poskuse z uranom in odkriva nov videz sevanje. Leta 1898 je francoski par fizikov, Marie in Pierre Curie, proučeval različne radioaktivne snovi in ​​odkril isto stvar. radioaktivno sevanje. Kasneje bo ugotovljeno, da je sestavljen iz alfa (2 protona in 2 nevtrona) in beta delcev (elektronov), Becquerel in Curie pa bosta prejela Nobelova nagrada. Marie Sklodowska-Curie pri svojih raziskavah z elementi, kot so uran, radij in polonij, ni upoštevala nobenih varnostnih ukrepov, vključno z uporabo rokavic. Zaradi tega jo je leta 1934 prehitela levkemija. V spomin na dosežke velikega znanstvenika je bil element, ki sta ga odkrila zakonca Curie, polonij, poimenovan v čast Marijine domovine - Polonia, iz latinščine - Poljska.

Fotografija s V. kongresa Solvay 1927. Poskusite najti vse znanstvenike iz tega članka na tej fotografiji.

Od leta 1905 Albert Einstein svoje publikacije posveča nepopolnosti valovna teorija svetlobe, katere postulati so bili v nasprotju z eksperimentalnimi rezultati. Kar je izjemnega fizika kasneje pripeljalo do ideje o "svetlobnem kvantu" - delu svetlobe. Kasneje, leta 1926, ga je ameriški fizikalni kemik Gilbert N. Lewis poimenoval "foton", preveden iz grškega "phos" ("svetloba").

Leta 1913 je britanski fizik Ernest Rutherford na podlagi rezultatov takrat že izvedenih poskusov ugotovil, da so mase številnih jeder kemični elementi so večkratniki mase vodikovega jedra. Zato je predlagal, da je vodikovo jedro sestavni del jeder drugih elementov. V svojem poskusu je Rutherford obseval dušikov atom z alfa delci, ki so posledično oddali določen delec, ki ga je Ernest poimenoval "proton", iz drugega grškega "protos" (prvi, glavni). Kasneje je bilo eksperimentalno potrjeno, da je proton vodikovo jedro.

Očitno proton ni edina sestavina jeder kemičnih elementov. To idejo vodi dejstvo, da bi se dva protona v jedru odbijala in atom bi takoj razpadel. Zato je Rutherford domneval o prisotnosti drugega delca, ki ima maso enaka masi proton, vendar je nenaelektren. Nekateri poskusi znanstvenikov o interakciji radioaktivnih in lažjih elementov so jih pripeljali do odkritja še enega novega sevanja. Leta 1932 je James Chadwick ugotovil, da je sestavljen iz tistih zelo nevtralnih delcev, ki jih je imenoval nevtroni.

Tako najbolj znani delci: foton, elektron, proton in nevtron.

Poleg tega je odkritje novih podjedrskih objektov postalo vse pogostejši dogodek in v tem trenutku Znanih je približno 350 delcev, ki jih na splošno štejemo za »elementarne«. Tisti od njih, ki še niso bili razdeljeni, veljajo za brezstrukturne in se imenujejo "temeljni".

Kaj je spin?

Preden nadaljujemo z nadaljnjimi inovacijami na področju fizike, je treba določiti značilnosti vseh delcev. Najbolj znana poleg mase in električnega naboja vključuje tudi spin. Ta količina se drugače imenuje "notranji kotni moment" in nikakor ni povezana z gibanjem podjedrskega objekta kot celote. Znanstveniki so lahko zaznali delce s spinom 0, ½, 1, 3/2 in 2. Če želite vizualizirati, čeprav poenostavljeno, vrtenje kot lastnost predmeta, razmislite o naslednjem primeru.

Naj ima predmet vrtenje enako 1. Potem se bo tak predmet, ko se zavrti za 360 stopinj, vrnil v prvotni položaj. Na letalu je ta predmet lahko svinčnik, ki se bo po 360-stopinjskem obratu končal v prvotnem položaju. V primeru ničelnega vrtenja bo ne glede na to, kako se predmet vrti, vedno videti enako, na primer enobarvna krogla.

Za ½ vrtenja boste potrebovali predmet, ki ohrani svoj videz, ko ga zavrtite za 180 stopinj. Lahko je isti svinčnik, le simetrično nabrušen na obeh straneh. Vrtenje 2 bo zahtevalo ohranitev oblike pri vrtenju za 720 stopinj, vrtenje 3/2 pa bo zahtevalo 540.

Ta lastnost je zelo velika vrednost za fiziko delcev.

Standardni model delcev in interakcij

Imeti impresiven nabor mikropredmetov, ki sestavljajo svet okoli nas, so se znanstveniki odločili, da jih strukturirajo in tako je nastala znana teoretična struktura, imenovana »Standardni model«. Opisuje tri interakcije in 61 delcev z uporabo 17 osnovnih delcev, od katerih je nekatere napovedala že dolgo pred odkritjem.

Tri interakcije so:

• Elektromagnetno. Pojavlja se med električno nabitimi delci. V preprostem primeru, znanem iz šole, se nasprotno nabiti predmeti privlačijo, enako nabiti pa odbijajo. To se zgodi preko tako imenovanega nosilca elektromagnetne interakcije - fotona.
• Močna, drugače - jedrska interakcija. Kot pove že ime, se njegovo delovanje razširi na objekte reda atomskega jedra; odgovoren je za privlačnost protonov, nevtronov in drugih delcev, ki so tudi sestavljeni iz kvarkov. Močno interakcijo izvajajo gluoni.
• Šibko. Učinkovito na razdaljah, ki so tisoč manjše od velikosti jedra. V tej interakciji sodelujejo leptoni in kvarki ter njihovi antidelci. Poleg tega se lahko v primeru šibke interakcije spremenijo drug v drugega. Nosilci so bozoni W+, W− in Z0.

Tako je bil standardni model oblikovan na naslednji način. Vključuje šest kvarkov, iz katerih so sestavljeni vsi hadroni (delci, ki so podvrženi močni interakciji):

• zgornji(u);
• Začaran (c);
• res(t);
• Spodnji (d);
• Čudno(i);
• Čudovito (b).

Jasno je, da imajo fiziki veliko epitetov. Ostalih 6 delcev so leptoni. to temeljni delci s spinom ½, ki ne sodelujejo pri močni interakciji.

• elektron;
• elektronski nevtrino;
• mion;
• mionski nevtrino;
• Tau lepton;
• Tau nevtrino.

In tretja skupina standardnega modela so merilni bozoni, ki imajo spin enak 1 in so predstavljeni kot nosilci interakcij:

• Gluon - močan;
• Foton - elektromagnetni;
• Z-bozon - šibek;
• W bozon je šibek.

Sem sodi tudi nedavno odkriti delec s spinom 0, ki, preprosto povedano, daje inertno maso vsem drugim podjedrskim objektom.

Posledično je po standardnem modelu naš svet videti takole: vsa snov je sestavljena iz 6 kvarkov, ki tvorijo hadrone, in 6 leptonov; vsi ti delci lahko sodelujejo v treh interakcijah, katerih nosilci so merilni bozoni.

Slabosti standardnega modela

Še pred odkritjem Higgsovega bozona, zadnjega delca, ki ga predvideva standardni model, pa so znanstveniki presegli njegove meje. Osupljiv primer tega je tako imenovani. »gravitacijske interakcije«, ki je danes enaka drugim. Verjetno je njegov nosilec delec s spinom 2, ki nima mase in ga fiziki še niso uspeli odkriti - "graviton".

Poleg tega standardni model opisuje 61 delcev, danes pa je človeštvu znanih že več kot 350 delcev. To pomeni, da na doseženo delo teoretični fiziki še ni končan.

Klasifikacija delcev

Da bi jim olajšali življenje, so fiziki vse delce združili glede na njihove strukturne značilnosti in druge značilnosti. Razvrstitev temelji na naslednjih merilih:

• Življenjska doba.
  1. Stabilen. Ti vključujejo proton in antiproton, elektron in pozitron, foton in graviton. Obstoj stabilnih delcev ni časovno omejen, dokler so v prostem stanju, tj. ne komunicirajte z ničemer.
  2. Nestabilen. Vsi drugi delci po določenem času razpadejo na svoje sestavne dele, zato jih imenujemo nestabilni. Na primer, muon živi le 2,2 mikrosekunde, proton pa 2,9.10 * 29 let, po katerem lahko razpade na pozitron in nevtralni pion.
• Teža.
  1. Brezmasni osnovni delci, ki so samo trije: foton, gluon in graviton.
  2. Masivni delci so vse ostalo.
• Pomen vrtenja.
  1. Celoten vrtljaj, vklj. nič, imajo delce, imenovane bozoni.
  2. Delci s polcelim spinom so fermioni.
• Sodelovanje v interakcijah.
  1. Hadroni (strukturni delci) so subnuklearni objekti, ki sodelujejo v vseh štirih vrstah interakcij. Prej je bilo omenjeno, da so sestavljeni iz kvarkov. Hadrone delimo na dve podvrsti: mezone (celoštevilski spin, bozoni) in barione (polceli spin, fermioni).
  2. Fundamentalni (brezstrukturni delci). Ti vključujejo leptone, kvarke in merilne bozone (prej preberite - "Standardni model..").

Ko se seznanite s klasifikacijo vseh delcev, lahko na primer nekatere od njih natančno določite. Nevtron je torej fermion, hadron ali bolje rečeno barion in nukleon, torej ima polcelo število spinov, sestavljen je iz kvarkov in sodeluje v 4 interakcijah. Nukleon je skupno ime za protone in nevtrone.

• Zanimivo je, da so nasprotniki Demokritovega atomizma, ki je napovedal obstoj atomov, trdili, da je vsaka snov na svetu razdeljena za nedoločen čas. Do neke mere se lahko izkaže, da imajo prav, saj je znanstvenikom atom že uspelo razdeliti na jedro in elektron, jedro na proton in nevtron, te pa na kvarke.
• Demokrit je domneval, da imajo atomi jasen vzorec geometrijska oblika, zato "ostri" atomi ognja gorijo, grobi atomi trdne snovi trdno držijo skupaj svoje izbokline in gladki vodni atomi med interakcijo zdrsnejo, sicer tečejo.
• Joseph Thomson je sestavil svoj model atoma, ki ga je videl kot pozitivno nabito telo, v katerega se je zdelo, da so elektroni "zataknjeni". Njegov model se je imenoval »model slivovega pudinga«.
• Kvarki so svoje ime dobili po zaslugi ameriškega fizika Murrayja Gell-Manna. Znanstvenik je želel uporabiti besedo, ki je podobna zvoku račjega kvakanja (kwork). Toda v romanu Jamesa Joycea Finnegans Wake je v vrstici »Trije kvarki za gospoda Marka!« naletel na besedo »quark«, katere pomen ni natančno opredeljen in je možno, da jo je Joyce uporabil zgolj za rimo. Murray se je odločil delce poimenovati s to besedo, saj so takrat poznali samo tri kvarke.
• Čeprav so fotoni, delci svetlobe, brez mase, se zdi, da v bližini črne luknje spremenijo svojo pot, saj jih privlačijo gravitacijske sile. Pravzaprav supermasivno telo ukrivlja prostor-čas, zato delci, tudi tisti brez mase, spremenijo svojo pot proti črni luknji (glej).
• Veliki hadronski trkalnik je »hadronski« prav zato, ker trči dva usmerjena žarka hadronov, delcev z dimenzijami reda atomskega jedra, ki sodelujejo pri vseh interakcijah.

»Sprašujemo se, zakaj bi skupina nadarjenih in predanih ljudi posvetila svoje življenje lovljenju tako majhnih predmetov, da jih sploh ni mogoče videti? Pravzaprav se fiziki delcev ukvarjajo s človeško radovednostjo in željo vedeti, kako deluje svet, v katerem živimo." Sean Carroll

Če se še vedno bojite fraze kvantna mehanika in še vedno ne veste, kaj je standardni model - dobrodošli v cat. V svoji publikaciji bom skušal čim bolj preprosto in nazorno razložiti osnove kvantnega sveta, pa tudi fizike osnovnih delcev. Poskušali bomo ugotoviti, kakšne so glavne razlike med fermioni in bozoni, zakaj imajo kvarki tako čudna imena in nenazadnje, zakaj so si vsi tako želeli najti Higgsov bozon.

Iz česa smo narejeni?

No, naše potovanje v mikrosvet bomo začeli s preprostim vprašanjem: iz česa so sestavljeni predmeti okoli nas? Naš svet je tako kot hiša sestavljen iz številnih majhnih kock, ki na poseben način združene ustvarijo nekaj novega, ne samo po videzu, ampak tudi po svojih lastnostih. Pravzaprav, če jih natančno pogledate, boste ugotovili, da ni toliko različnih vrst blokov, ampak se le povežejo med seboj vsakič na drugačen način in tvorijo nove oblike in pojave. Vsak blok je nedeljiv elementarni delec, o katerem bom govoril v svoji zgodbi.

Na primer, vzemimo neko snov, naj bo drugi element periodni sistem Mendelejev, inertni plin, helij. Tako kot druge snovi v vesolju je tudi helij sestavljen iz molekul, ki so nato oblikovane z vezmi med atomi. Toda v tem primeru je za nas helij malo poseben, saj je sestavljen iz samo enega atoma.

Iz česa je sestavljen atom?

Atom helija pa je sestavljen iz dveh nevtronov in dveh protonov, ki sestavljajo atomsko jedro, okoli katerega se vrtita dva elektrona. Najbolj zanimivo je, da je edina stvar, ki je tukaj popolnoma nedeljiva elektron.

Zanimiv trenutek kvantnega sveta

kako manj maso elementarnega delca, t več ona zavzame prostor. Zaradi tega elektroni, ki so 2000-krat lažji od protona, zasedajo veliko več prostora v primerjavi z jedrom atoma.

Nevtroni in protoni spadajo v skupino ti hadroni(delci, ki so podvrženi močni interakciji), in če smo še bolj natančni, barioni.

Hadrone lahko razdelimo v skupine

• Barioni, ki so sestavljeni iz treh kvarkov
• Mezoni, ki so sestavljeni iz para delec-antidelec

Nevtron je, kot pove že njegovo ime, nevtralno nabit in ga lahko razdelimo na dva navzdol in enega navzgor kvark. Proton, pozitivno nabit delec, se razcepi na en spodnji kvark in dva gornja kvarka.

Ja, ja, ne hecam se, res se jim reče zgornji in spodnji. Zdi se, da če bi odkrili zgornji in spodnji kvark ter celo elektron, bi ju lahko uporabili za opis celotnega vesolja. Toda ta izjava bi bila zelo daleč od resnice.

Glavna težava je v tem, da morajo delci nekako medsebojno delovati. Če bi svet sestavljala samo ta trojica (nevtron, proton in elektron), bi delci preprosto leteli po prostranstvih vesolja in se nikoli ne bi zbrali v večje tvorbe, kot so hadroni.

Fermioni in bozoni

Že dolgo nazaj so znanstveniki iznašli priročno in jedrnato obliko predstavitve osnovnih delcev, imenovano standardni model. Izkazalo se je, da so vsi osnovni delci razdeljeni na fermioni, iz katerega je sestavljena vsa snov, in bozoni ki nosijo različne vrste interakcije med fermioni.

Razlika med tema skupinama je zelo jasna. Dejstvo je, da fermioni potrebujejo nekaj prostora za preživetje po zakonih kvantnega sveta, za bozone pa je prisotnost prostega prostora skoraj nepomembna.

Fermioni

Skupina fermionov, kot že rečeno, ustvarja vidno snov okoli nas. Kar koli vidimo, kjer koli to vidimo, ustvarijo fermioni. Fermione delimo na kvarki, močno medsebojno povezani in bolj zaprti znotraj kompleksni delci kot hadroni, in leptoni, ki prosto obstajajo v prostoru neodvisno od sebi podobnih.

Kvarki so razdeljeni v dve skupini.

• Vrhunski tip. Top kvarki, z nabojem +2\3, vključujejo: top, charm in prave kvarke
• Vrsta dna. Kvarki nižje vrste z nabojem -1\3 vključujejo: bottom, čudne in šarm kvarke.

Kvarki navzgor in navzdol so največji kvarki, kvarki navzgor in navzdol pa so najmanjši. Zakaj so kvarki dobili tako nenavadna imena ali, pravilneje, "okusi", je še vedno predmet razprave znanstvenikov.

Leptoni prav tako razdeljeni v dve skupini.

• V prvo skupino z nabojem “-1” spadajo: elektron, mion (težji delec) in delec tau (najmasivnejši)
• Drugo skupino z nevtralnim nabojem sestavljajo: elektronski nevtrino, mionski nevtrino in tau nevtrino.

Nevtrino je majhen delec snovi, ki ga je skoraj nemogoče zaznati. Njegov naboj je vedno 0.

Postavlja se vprašanje, ali bodo fiziki našli še več generacij delcev, ki bodo še masivnejši od prejšnjih. Težko je odgovoriti, a teoretiki menijo, da so generacije leptonov in kvarkov omejene na tri.

Ali ne vidite nobene podobnosti? Tako kvarke kot leptone delimo v dve skupini, ki se med seboj razlikujeta po naboju za eno? A več o tem kasneje ...

Bozoni

Brez njih bi fermioni leteli po vesolju v neprekinjenem toku. Toda z izmenjavo bozonov fermioni drug drugemu sporočajo neko vrsto interakcije. Sami bozoni med seboj praktično ne delujejo.
Pravzaprav nekateri bozoni med seboj še vedno delujejo, a o tem bomo podrobneje razpravljali v prihodnjih člankih o problemih mikrosveta

Interakcija, ki jo prenašajo bozoni, je:

• Elektromagnetno, delci so fotoni. Svetloba se prenaša s pomočjo teh brezmasnih delcev.
• Močno jedrsko, delci so gluoni. Z njihovo pomočjo kvarki iz atomskega jedra ne razpadejo na posamezne delce.
• Šibko jedrsko, delci - ±W in Z bozoni. Z njihovo pomočjo fermioni prenašajo maso, energijo in se lahko transformirajo drug v drugega.
• Gravitacijski , delci - gravitoni. Izredno šibka sila na mikroskopskem merilu. Postane vidna samo na supermasivnih telesih.

Klavzula o gravitacijski interakciji.
Obstoj gravitonov še ni bil eksperimentalno potrjen. Obstajajo le kot teoretična različica. V večini primerov niso upoštevani v standardnem modelu.

To je to, standardni model je sestavljen.

Težave so se šele začele

Kljub zelo lepi predstavitvi delcev na diagramu ostajata dve vprašanji. Od kod delcem masa in kaj so? Higgsov bozon, ki izstopa od ostalih bozonov.

Da bi razumeli idejo o uporabi Higgsovega bozona, se moramo obrniti na kvantno teorijo polja. Govorjenje v preprostem jeziku, lahko trdimo, da ves svet, celotno vesolje, ni sestavljeno iz najmanjših delcev, temveč iz številnih različnih polj: gluonskega, kvarkovega, elektronskega, elektromagnetnega itd. Na vseh teh področjih se nenehno pojavljajo manjša nihanja. Najmočnejše med njimi pa zaznavamo kot osnovne delce. Da, in ta teza je zelo sporna. Z vidika dualizma delcev in valov je isti objekt mikrosveta v različne situacije se obnaša bodisi kot val ali kot osnovni delec, je odvisno samo od tega, kako je bolj priročno za fizika, ki opazuje proces, da modelira situacijo.

Higgsovo polje

Izkazalo se je, da obstaja tako imenovano Higgsovo polje, katerega povprečna vrednost se noče približati ničli. Kot rezultat, to polje poskuša prevzeti neko konstantno vrednost, ki ni ničelna, v celotnem vesolju. Polje predstavlja vseprisotno in konstantno ozadje, zaradi močnih nihanj katerega se pojavi Higgsov bozon.
In zahvaljujoč Higgsovemu polju so delci obdarjeni z maso.
Masa elementarnega delca je odvisna od tega, kako močno interagira s Higgsovim poljem, nenehno leti v njem.
In prav zaradi Higgsovega bozona, natančneje zaradi njegovega polja, ima standardni model toliko podobnih skupin delcev. Higgsovo polje je povzročilo nastanek številnih dodatnih delcev, kot so nevtrini.

Rezultati

Delil sem najbolj površne koncepte o naravi standardnega modela in zakaj potrebujemo Higgsov bozon. Nekateri znanstveniki globoko v sebi še vedno upajo, da je bil Higgsu podoben delec, najden leta 2012 v LHC, preprosto statistična napaka. Navsezadnje Higgsovo polje poruši številne čudovite simetrije narave, zaradi česar so izračuni fizikov še bolj zmedeni.
Nekateri celo menijo, da se standardni model bliža koncu. zadnja leta zaradi svoje nepopolnosti. Toda to ni bilo eksperimentalno dokazano in standardni model osnovnih delcev ostaja delujoč primer genialnosti človeške misli.