Kaj opisuje standardni model osnovnih delcev? Standardni model fizike delcev. Kaj je spin

Sodobno razumevanje fizike delcev je vsebovano v t.i Standardni model . Standardni model (SM) fizike delcev temelji na kvantni elektrodinamiki, kvantni kromodinamiki in modelu kvark-parton.
Kvantna elektrodinamika (QED), teorija visoke natančnosti, opisuje procese, ki se odvijajo pod vplivom elektromagnetnih sil, ki so bile raziskane z visoko stopnjo natančnosti.
Kvantna kromodinamika (QCD), ki opisuje procese močnih interakcij, je zgrajena po analogiji s QED, vendar je v večji meri polempirični model.
Kvark-partonski model združuje teoretične in eksperimentalne rezultate študij lastnosti delcev in njihovih interakcij.
Do danes niso odkrili nobenih odstopanj od standardnega modela.
Glavne vsebine standardnega modela so predstavljene v tabelah 1, 2, 3. Sestavine snovi so tri generacije osnovnih fermionov (I, II, III), katerih lastnosti so navedene v tabeli. 1. Fundamentalni bozoni so nosilci interakcij (tabela 2), ki jih lahko predstavimo s Feynmanovim diagramom (slika 1).

Tabela 1: Fermioni - (polceli spin v enotah ћ) sestavine snovi

	Leptoni, spin = 1/2			Kvarki, spin = 1/2
	Aroma	teža, GeV/s 2	Električni polnjenje, e	Aroma	teža, GeV/s 2	Električni polnjenje, e
jaz	ν e	< 7·10 -9	0	u, gor	0.005	2/3
	e, elektron	0.000511	-1	d, navzdol	0.01	-1/3
II	ν μ	< 0.0003	0	s, čar	1.5	2/3
	μ, mion	0.106	-1	s, čudno	0.2	-1/3
III	ν τ	< 0.03	0	t, vrh	170	2/3
	τ, tau	1.7771	-1	b, spodaj	4.7	-1/3

Tabela 2: Bozoni - nosilci interakcij (spin = 0, 1, 2 ... v enotah ћ)

Vektorji interakcije	teža, GeV/c2	Električni polnjenje, e
Elektrošibka interakcija
γ, foton, vrtenje = 1	0	0
W - , vrtenje = 1	80.22	-1
W+, vrtenje = 1	80.22	+1
Z 0, vrtenje = 1	91.187	0
Močna (barvna) interakcija
5, gluoni, spin = 1	0	0
Neodkriti bozoni
H 0 , Higgs, vrtenje = 0	> 100	0
G, graviton, vrtenje = 2	?	0

Tabela 3: Primerjalne značilnosti temeljne interakcije

Moč interakcije je navedena glede na močno.

riž. 1: Feynmanov diagram: A + B = C + D, a je interakcijska konstanta, Q 2 = -t - 4-impulz, ki ga delec A prenese na delec B kot rezultat ene od štirih vrst interakcij.

1.1 Osnove standardnega modela

• Hadroni so sestavljeni iz kvarkov in gluonov (partonov). Kvarki so fermioni s spinom 1/2 in maso m 0; gluoni so bozoni s spinom 1 in maso m = 0.
• Kvarke razvrščamo glede na dve značilnosti: okus in barvo. Obstaja 6 znanih okusov kvarkov in 3 barve za vsak kvark.
• Aroma je značilnost, ki vztraja pri močnih interakcijah.
• Gluon je sestavljen iz dveh barv – barve in protibarve ter vseh ostalih kvantna števila njegovi so enaki nič. Ko se odda gluon, kvark spremeni barvo, ne pa tudi okusa. Skupaj je 8 gluonov.
• Elementarni procesi v QCD so zgrajeni po analogiji s QED: zavorno sevanje gluona s kvarkom, produkcija parov kvark-antikvark s strani gluona. Proces proizvodnje gluona z gluonom nima analogov v QED.
• Statično polje gluona v neskončnosti ne teži k ničli, tj. skupna energija tako polje je neskončno. Tako kvarki ne morejo pobegniti iz hadronov, pride do zaprtja.
• Med kvarki obstajajo privlačne sile, ki imajo dve neobičajni lastnosti: a) asimptotično svobodo na zelo majhnih razdaljah in b) infrardeče lovljenje - zaprtje, zaradi dejstva, da potencialna energija interakcije V(r) neomejeno narašča z večanjem razdalje med kvarki r , V(r ) = -α s /r + ær, α s in æ sta konstanti.
• Interakcija kvark-kvark ni aditivna.
• Samo barvni singleti lahko obstajajo v obliki prostih delcev:
  mezon singlet, za katerega je valovna funkcija določena z razmerjem

in barionski singlet z valovno funkcijo

kjer je R rdeča, B modra, G zelena.

• Obstajajo trenutni in sestavni kvarki, ki imajo različne mase.
• Prerezi za proces A + B = C + X z izmenjavo enega gluona med kvarki, vključenimi v hadrone, so zapisani v obliki:

ŝ = x a x b s, = x a t/x c.

Simboli a, b, c, d označujejo kvarke in z njimi povezane spremenljivke, simboli A, B, C so hadroni, ŝ, , , so količine, povezane s kvarki, porazdelitveno funkcijo kvarkov a v hadronu A (oz. v tem zaporedju, - kvarkov b v hadronu B), je funkcija fragmentacije kvarka c v hadrone C, d/dt je elementarni presek interakcije qq.

1.2 Iskanje odstopanj od standardnega modela

Pri obstoječih energijah pospešenih delcev so vse določbe QCD in še bolj QED dobro izpolnjene. Pri načrtovanih poskusih z višjimi energijami delcev je ena glavnih nalog iskanje odstopanj od standardnega modela.
Nadaljnji razvoj Fizika visokih energij je povezana z reševanjem naslednjih problemov:

1. Iskanje eksotičnih delcev s strukturo, ki se razlikuje od tiste, ki je sprejeta v standardnem modelu.
2. Iskanje oscilacij nevtrinov ν μ ↔ ν τ in s tem povezanih problemov mase nevtrinov (ν m ≠ 0).
3. Iskanje protonskega razpada, katerega življenjska doba je ocenjena na τ exp > 10 33 let.
4. Iskanje strukture osnovnih delcev (strune, preoni na razdaljah d< 10 -16 см).
5. Detekcija dekonfinirane hadronske snovi (kvark-gluonska plazma).
6. Študija kršitve CP invariantnosti med razpadom nevtralnih K-mezonov, D-mezonov in B-delcev.
7. Preučevanje narave temne snovi.
8. Študij sestave vakuuma.
9. Iskanje Higgsovega bozona.
10. Iskanje supersimetričnih delcev.

1.3 Nerešena vprašanja standardnega modela

Temeljna fizikalna teorija, standardni model elektromagnetnih, šibkih in močnih interakcij osnovnih delcev (kvarkov in leptonov) je splošno priznan dosežek fizike 20. stoletja. Pojasnjuje vsa znana eksperimentalna dejstva v fiziki mikrosveta. Vendar pa obstajajo številna vprašanja, na katera standardni model ne odgovori.

1. Narava mehanizma spontane kršitve elektrošibke invariance ni znana.

• Razlaga obstoja mas za W ± - in Z 0 -bozone zahteva uvod v teorijo skalarnih polj z osnovnim stanjem - vakuumom - ki je neinvariantno glede na merilne transformacije.
• Posledica tega je nastanek novega skalarnega delca - Higgsovega bozona.

1. SM ne pojasnjuje narave kvantnih števil.

• Kaj so naboji (električni; barionski; leptonski: Le, L μ, L τ: barva: modra, rdeča, zelena) in zakaj so kvantizirani?
• Zakaj obstajajo 3 generacije osnovnih fermionov (I, II, III)?

1. SM ne vključuje gravitacije, od tod tudi način vključitve gravitacije v SM - nova hipoteza o obstoju dodatnih dimenzij v prostoru mikrosveta.
2. Ni razlage, zakaj je osnovna Planckova lestvica (M ~ 10 19 GeV) tako daleč od temeljne lestvice elektrošibkih interakcij (M ~ 10 2 GeV).

Trenutno je začrtana pot za rešitev teh težav. Sestoji iz razvoja novega razumevanja strukture osnovnih delcev. Predpostavlja se, da so osnovni delci objekti, ki jih običajno imenujemo "strune". Lastnosti strun so obravnavane v hitro razvijajočem se modelu superstrun, katerega namen je vzpostaviti povezave med pojavi, ki se pojavljajo v fiziki delcev in astrofiziki. Ta povezava je vodila do oblikovanja nove discipline - kozmologije osnovnih delcev.

Določbe

Standardni model je sestavljen iz naslednjih določb:

• Vsa snov je sestavljena iz 24 temeljnih kvantnih polj s spinom ½, katerih kvanti so temeljni delci - fermioni, ki jih lahko združimo v tri generacije fermionov: 6 leptonov (elektron, mion, tau lepton, elektronski nevtrino, mionski nevtrino in tau nevtrino ), 6 kvarkov (u, d, s, c, b, t) in 12 ustreznih antidelcev.
• Kvarki sodelujejo pri močnih, šibkih in elektromagnetnih interakcijah; nabiti leptoni (elektron, mion, tau-lepton) - v šibkih in elektromagnetnih; nevtrini - samo v šibkih interakcijah.
• Vse tri vrste interakcij nastanejo kot posledica postulata, da je naš svet simetričen glede na tri vrste merilnih transformacij. Delci, ki prenašajo interakcije, so bozoni:

8 gluonov za močno interakcijo (simetrična skupina SU(3));

• 3 težki merilni bozoni (W +, W −, Z 0) za šibko interakcijo (SI(2) skupina simetrije);
• en foton za elektromagnetno interakcijo (simetrična skupina U(1)).
  • Za razliko od elektromagnetnih in močnih interakcij lahko šibka sila meša fermione iz različnih generacij, kar vodi do nestabilnosti vseh razen najlažjih delcev in do učinkov, kot so kršitev CP in nevtrinske oscilacije.
  • Zunanji parametri standardnega modela so:
  • mase leptonov (3 parametri, nevtrini so predpostavljeni kot brezmasni) in kvarkov (6 parametrov), ki jih interpretiramo kot konstante interakcije njihovih polj s poljem Higgsovega bozona,
  • parametri mešalne matrike kvarkov CKM - trije mešalni koti in ena kompleksna faza, ki krši CP simetrijo - interakcijske konstante kvarkov z elektrošibkim poljem,

Zaradi dejstva, da so bile odkrite nevtrinske oscilacije, standardni model potrebuje razširitev, ki uvaja dodatne 3 mase nevtrinov in vsaj 4 parametre mešalne matrike nevtrinov PMNS, podobno kot mešalna matrika kvarkov CKM, in morda še 2 mešalna parametra če so nevtrini delci Majorana. Tudi vakuumski kot kvantne kromodinamike je včasih vključen med parametre standardnega modela. Omeniti velja, da je matematični model z naborom 20 lihih števil sposoben opisati rezultate milijonov eksperimentov, izvedenih v fiziki do danes.

Onkraj standardnega modela

Glej tudi

Opombe

Literatura

• Emelyanov V. M. Standardni model in njegove razširitve. - M.: Fizmatlit, 2007. - 584 str. - (Fundamentalna in uporabna fizika). - ISBN 978-5-922108-30-0

Povezave

Fundacija Wikimedia.

2010.

Oglejte si, kaj je "Standardni model" v drugih slovarjih: STANDARDNI MODEL, model ELEMENTARNIH DELCEV in njihovih interakcij, ki predstavlja največ popoln opis fizikalni pojavi, povezani z elektriko. Delci se delijo na HADRONE (pod vplivom JEDRSKE SILE se spremenijo v KVARKE),... ...

Znanstveni in tehnični enciklopedični slovar V fiziki delcev, teorija, glede na osnovna načela. (temeljni) osnovni delci so kvarki in leptoni. Močna interakcija, s katero se kvarki vežejo v hadrone, se zgodi z izmenjavo gluonov. Elektrošibek...... Naravoslovje.

Enciklopedični slovar

- ... Wikipedia Standardni model mednarodne trgovine - najbolj razširjen model mednarodne trgovine danes, ki razkriva vpliv zunanjo trgovino na glavno makroekonomski kazalci država trgovanja: proizvodnja, potrošnja, socialna blaginja...

Ekonomija: glosar - (model Heckscher Ohlin) Standardni model zunanje trgovine med državami (intraindustrijska trgovina) z različnimi industrijskimi strukturami, poimenovan po imenih svojih švedskih ustvarjalcev. Po tem modelu imajo države enako proizvodnjo... ...

Ekonomski slovar Znanstvena slika sveta (ZSS) (eden temeljnih pojmov v naravoslovju) je posebna oblika sistematizacije znanja, kvalitativnega posploševanja in ideološke sinteze različnih znanstvene teorije

Standardna knjižnica programskega jezika 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 ... Wikipedia

STANDARDNI POJEM ZNANOSTI oblika logična metodološka analiza naravoslovnih teorij, ki so se razvile pod znatnim vplivom neopozitivistične filozofije znanosti. Znotraj standardnega pojma znanosti so lastnosti teorije (razlagane kot... ... Filozofska enciklopedija

Oblika logične in metodološke analize naravoslovnih teorij, ki se je razvila pod pomembnim vplivom neopozitivistične filozofije znanosti. V okviru standardnega koncepta znanosti so lastnosti teorije (razlagane kot skupek znanstveno pomembnih... ... Filozofska enciklopedija

knjige

• Fizika delcev - 2013. Kvantna elektrodinamika in standardni model, O. M. Boyarkin, G. G. Boyarkina. V drugem zvezku dvodelne serije, ki vsebuje sodoben tečaj fizike osnovnih delcev, je kvantna elektrodinamika obravnavana kot prvi primer teorije resničnih interakcij.…

Standardni model je sodobna teorija zgradbe in interakcij osnovnih delcev, večkrat eksperimentalno preverjena. Ta teorija temelji na zelo majhnem številu postulatov in omogoča teoretično predvidevanje lastnosti na tisoče različnih procesov v svetu osnovnih delcev. V veliki večini primerov so te napovedi potrjene s poskusi, včasih z izjemno visoko natančnostjo, in tiste redki primeri Ko se napovedi standardnega modela razlikujejo od izkušenj, postanejo predmet burne razprave.

Standardni model je meja, ki ločuje zanesljivo znano od hipotetičnega v svetu osnovnih delcev. Kljub izjemnemu uspehu pri opisovanju eksperimentov standardnega modela ni mogoče šteti za dokončno teorijo osnovnih delcev. Fiziki so prepričani, da mora biti del neke globlje teorije zgradbe mikrosveta. Kakšna teorija je to, še ni zagotovo znano. Teoretiki so se razvili veliko število kandidatov za takšno teorijo, vendar naj bi šele poskus pokazal, kateri od njih ustreza resničnemu stanju, ki se je razvilo v našem Vesolju. Zato fiziki vztrajno iščejo odstopanja od standardnega modela, delce, sile ali učinke, ki jih standardni model ne predvideva. Znanstveniki vse te pojave skupaj imenujejo »nova fizika«; točno iskanje nove fizike je glavna naloga velikega hadronskega trkalnika.

Osnovne komponente standardnega modela

Delovno orodje standardnega modela je kvantna teorija polja – teorija, ki nadomešča kvantna mehanika s hitrostjo blizu svetlobne hitrosti. Ključni predmeti v njem niso delci, kot pri klasična mehanika, in ne "valovi delcev", kot v kvantni mehaniki, ampak kvantna polja: elektron, mion, elektromagnet, kvark itd. - eden za vsako vrsto "entitete mikrosveta".

Tako vakuum, kot tisto, kar zaznavamo kot posamezne delce, in kompleksnejše tvorbe, ki jih ni mogoče reducirati na posamezne delce – vse to opisujemo kot različna stanja polj. Ko fiziki uporabljajo besedo »delec«, dejansko mislijo na ta stanja polja, ne na posamezne točkaste objekte.

Standardni model vključuje naslednje glavne sestavine:

• Niz temeljnih "gradnikov" snovi - šest vrst leptonov in šest vrst kvarkov. Vsi ti delci so fermioni s spinom 1/2 in se zelo naravno organizirajo v tri generacije. Številni hadroni, sestavni delci, ki sodelujejo pri močni sili, so sestavljeni iz kvarkov v različnih kombinacijah.
• Tri vrste sil, ki delujejo med osnovnimi fermioni - elektromagnetnimi, šibkimi in močnimi. Šibke in elektromagnetne interakcije sta dve strani enega samega elektrošibka interakcija. Močna interakcija je samostojna in je tisto, kar povezuje kvarke v hadrone.
• Vse te sile so opisane na podlagi merilni princip- v teorijo niso vnesene "na silo", ampak se zdi, da nastanejo same od sebe kot posledica zahteve po simetriji teorije glede na določene transformacije. Nekatere vrste simetrije povzročajo močne in elektrošibke interakcije.
• Kljub dejstvu, da ima sama teorija elektrošibko simetrijo, je v našem svetu spontano porušena. Spontana kršitev elektrošibke simetrije je nujen element teorije, znotraj standardnega modela pa do kršitve pride zaradi Higgsovega mehanizma.
• Številčne vrednosti za približno dva ducata konstant: to so mase osnovnih fermionov, numerične vrednosti sklopitvenih konstant interakcij, ki označujejo njihovo moč, in nekatere druge količine. Vsi so enkrat za vselej izluščeni iz primerjave z izkušnjami in se v nadaljnjih izračunih ne prilagajajo več.

Poleg tega je standardni model renormalizacijska teorija, to pomeni, da so vsi ti elementi vneseni vanj na tako samoskladen način, ki načeloma omogoča izvedbo izračunov z zahtevano stopnjo natančnosti. Pogosto pa se izračuni z želeno stopnjo natančnosti izkažejo za pretirano zapletene, vendar to ni težava same teorije, temveč naše računalniške sposobnosti.

Kaj standardni model lahko in česa ne

Standardni model je v veliki meri opisna teorija. Ne daje odgovorov na mnoga vprašanja, ki se začnejo z "zakaj": zakaj je delcev ravno toliko in ravno pravi? Od kod prihajajo te posebne interakcije in s točno temi lastnostmi? Zakaj je narava morala ustvariti tri generacije fermionov? Zakaj so številčne vrednosti parametrov točno takšne, kot so? Poleg tega standardni model ne more opisati nekaterih pojavov, ki jih opazimo v naravi. Zlasti ni prostora za mase nevtrinov in delce temne snovi. Standardni model ne upošteva gravitacije in ni znano, kaj se zgodi s to teorijo na Planckovi energijski lestvici, ko gravitacija postane izjemno pomembna.

Če standardni model uporabljate za predvideni namen, za napovedovanje rezultatov trkov osnovnih delcev, potem omogoča, odvisno od specifičnega procesa, izvajanje izračunov z različnimi stopnjami natančnosti.

• Za elektromagnetne pojave (sipanje elektronov, ravni energije) natančnost lahko doseže delce na milijon ali celo več. Rekord tukaj drži anomalija magnetni moment elektrona, ki je izračunan z natančnostjo, boljšo od milijarde.
• Številni visokoenergijski procesi, ki nastanejo zaradi elektrošibkih interakcij, so izračunani z natančnostjo, boljšo od enega odstotka.
• Najslabša interakcija za izračun je močna interakcija, če ni preveč visoke energije. Natančnost izračuna takih procesov je zelo različna: v nekaterih primerih lahko doseže odstotke, v drugih primerih lahko različni teoretični pristopi dajo večkrat različne odgovore.

Pri tem velja poudariti, da dejstvo, da je nekatere procese težko izračunati z zahtevano natančnostjo, ne pomeni, da je »teorija slaba«. Je le zelo zapleteno in trenutne matematične tehnike še niso dovolj, da bi izsledili vse njegove posledice. Zlasti eden od znanih matematičnih problemov tisočletja se nanaša na problem zaprtja v kvantna teorija z neabelsko merilno interakcijo.

Dodatno branje:

• Osnovne informacije o Higgsovem mehanizmu najdete v knjigi L. B. Okuna “Fizika elementarnih delcev” (na nivoju besed in slik) ter “Leptoni in kvarki” (na resnem, a dostopnem nivoju).

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 glavno gradbeni material Vesolje.

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"

Standardni model je danes eden najpomembnejših teoretičnih konstruktov v fiziki delcev, ki opisuje elektromagnetne, šibke in močne interakcije vseh osnovnih delcev. Glavne določbe in komponente te teorije opisuje fizik, dopisni član Ruske akademije znanosti Mihail Danilov

1

Zdaj je na podlagi eksperimentalnih podatkov ustvarjena zelo popolna teorija, ki opisuje skoraj vse pojave, ki jih opazujemo. Ta teorija se skromno imenuje "standardni model osnovnih delcev". Ima tri generacije fermionov: kvarke in leptone. To je tako rekoč gradbeni material. Vse, kar vidimo okoli sebe, je zgrajeno od prve generacije. Vključuje u- in d-kvarke, elektron in elektronski nevtrino. Protoni in nevtroni so sestavljeni iz treh kvarkov: uud oziroma udd. Obstajata pa še dve generaciji kvarkov in leptonov, ki do neke mere ponavljajo prvo, vendar so težji in na koncu razpadejo na delce prve generacije. Vsi delci imajo antidelce, ki imajo nasprotne naboje.

2

Standardni model vključuje tri interakcije. Elektromagnetna sila drži elektrone znotraj atoma in atome znotraj molekul. Nosilec elektromagnetne interakcije je foton. Močna interakcija zadržuje protone in nevtrone znotraj atomskega jedra ter kvarke znotraj protonov, nevtronov in drugih hadronov (kot je L. B. Okun predlagal, da poimenujemo delce, ki sodelujejo v močni interakciji). V močni interakciji sodelujejo kvarki in iz njih zgrajeni hadroni ter nosilci same interakcije – gluoni (iz angleškega glue – lepilo). Hadroni so sestavljeni iz treh kvarkov, kot sta proton in nevtron, ali iz kvarka in antikvarka, kot je recimo π± mezon, ki je sestavljen iz u- in anti-d-kvarkov. Šibka interakcija vodi do redkih razpadov, kot je razpad nevtrona v proton, elektron in elektronski antinevtrino. Nosilca šibke interakcije sta W- in Z-bozon. V šibki interakciji sodelujejo tako kvarki kot leptoni, vendar je pri naših energijah zelo majhna. To pa je preprosto razloženo z veliko maso bozonov W in Z, ki so za dva reda velikosti težji od protonov. Pri energijah, večjih od mase W- in Z-bozonov, postaneta sili elektromagnetne in šibke interakcije primerljivi in ​​se združita v eno elektrošibko interakcijo. Predpostavlja se, da je pri veliko b O višje energije in močna interakcija se bodo združile z ostalim. Poleg elektrošibke in močne interakcije obstaja še gravitacijska interakcija, ki je v standardnem modelu ni.

W, Z bozoni

g - gluoni

H0 je Higgsov bozon.

3

Standardni model je mogoče oblikovati samo za brezmasne osnovne delce, tj. kvarke, leptone, W in Z bozone. Da bi pridobili maso, se običajno uvede Higgsovo polje, poimenovano po enem od znanstvenikov, ki je predlagal ta mehanizem. V tem primeru bi moral obstajati še en osnovni delec v standardnem modelu - Higgsov bozon. Iskanje te zadnje opeke v vitki stavbi standardnega modela aktivno poteka v največjem trkalniku na svetu - velikem hadronskem trkalniku (LHC). Prejeti so že bili znaki obstoja Higgsovega bozona z maso približno 133 protonskih mas. Vendar pa je statistična zanesljivost teh indikacij še vedno nezadostna. Do konca leta 2012 naj bi se situacija razjasnila.

4

Standardni model odlično opisuje skoraj vse eksperimente v fiziki osnovnih delcev, čeprav se vztrajno iščejo pojavi izven okvirov standardnega modela. Najnovejši namig na fiziko onkraj SM je bilo odkritje leta 2011 nepričakovano velike razlike v lastnostih tako imenovanih očaranih mezonov in njihovih antidelcev v eksperimentu LHCb na LHC. Vendar pa je očitno tudi tako veliko razliko mogoče pojasniti v okviru SM. Po drugi strani pa je bila leta 2011 pridobljena še ena potrditev več desetletij iskane SM, ki napoveduje obstoj eksotičnih hadronov. Fiziki z Inštituta za teoretično in eksperimentalno fiziko (Moskva) in Inštituta jedrska fizika(Novosibirsk) so v okviru mednarodnega eksperimenta BELLE odkrili hadrone, sestavljene iz dveh kvarkov in dveh antikvarkov. Najverjetneje gre za molekule iz mezonov, ki sta jih predvidela teoretika ITEP M. B. Voloshin in L. B. Okun.

5

Kljub vsem uspehom standardnega modela ima veliko pomanjkljivosti. Število prostih parametrov teorije presega 20 in povsem nejasno je, od kod njihova hierarhija. Zakaj je masa t-kvarka 100 tisočkrat večja od mase u-kvarka? Zakaj je sklopitvena konstanta t- in d-kvarkov, prvič izmerjena v mednarodnem eksperimentu ARGUS z aktivnim sodelovanjem fizikov ITEP, 40-krat manjša od sklopitvene konstante c- in d-kvarkov? SM na ta vprašanja ne odgovarja. Končno, zakaj so potrebne 3 generacije kvarkov in leptonov? Japonska teoretika M. Kobayashi in T. Maskawa sta leta 1973 pokazala, da obstoj 3 generacij kvarkov omogoča razlago razlike v lastnostih snovi in ​​antimaterije. Hipoteza M. Kobayashija in T. Maskawe je bila potrjena v eksperimentih BELLE in BaBar z aktivnim sodelovanjem fizikov iz BINP in ITEP. Leta 2008 sta M. Kobayashi in T. Maskawa prejela Nobelovo nagrado za svojo teorijo

6

Obstajajo tudi temeljnejše težave s standardnim modelom. Že vemo, da SM ni popoln. Iz astrofizikalnih raziskav je znano, da obstaja snov, ki je ni v SM. To je tako imenovana temna snov. Je približno 5-krat več kot običajna snov, iz katere smo sestavljeni. Morda je glavna pomanjkljivost standardnega modela pomanjkanje notranje samoskladnosti. Na primer, naravna masa Higgsovega bozona, ki nastane v standardnem modelu zaradi izmenjave virtualnih delcev, je za veliko velikostnih redov večja od mase, potrebne za razlago opazovanih pojavov. Eden od izhodov, najbolj priljubljenih v sedanji trenutek, je hipoteza o supersimetriji – predpostavka, da obstaja simetrija med fermioni in bozoni. To idejo sta leta 1971 prvič izrazila Yu A. Golfand in E. P. Likhtman na Fizikalnem inštitutu Lebedeva, zdaj pa je izjemno priljubljena.

7

Obstoj supersimetričnih delcev ne le omogoča stabilizacijo obnašanja SM, ampak tudi zagotavlja zelo naravnega kandidata za vlogo temne snovi - najlažjega supersimetričnega delca. Čeprav trenutno ni zanesljivih eksperimentalnih dokazov za to teorijo, je tako lepa in tako elegantno rešuje probleme standardnega modela, da vanjo verjame veliko ljudi. LHC aktivno išče supersimetrične delce in druge alternative za SM. Na primer, iščejo dodatne dimenzije prostora. Če obstajajo, potem je veliko težav mogoče rešiti. Morda postane gravitacija močna na razmeroma velikih razdaljah, kar bi bilo tudi veliko presenečenje. Možni so tudi drugi, alternativni Higgsovi modeli in mehanizmi za nastanek mase v osnovnih delcih. Iskanje učinkov izven standardnega modela je zelo aktivno, a zaenkrat neuspešno. Marsikaj naj bi postalo bolj jasno v prihodnjih letih.