แบบจำลองมาตรฐานของอนุภาคมูลฐานอธิบายอะไร แบบจำลองมาตรฐานฟิสิกส์อนุภาค สปินคืออะไร

ความเข้าใจสมัยใหม่เกี่ยวกับฟิสิกส์ของอนุภาคมีอยู่ในสิ่งที่เรียกว่า รุ่นมาตรฐาน - แบบจำลองมาตรฐาน (SM) ของฟิสิกส์อนุภาคมีพื้นฐานมาจากพลศาสตร์ไฟฟ้าควอนตัม โครโมไดนามิกส์ควอนตัม และแบบจำลองควาร์ก-พาร์ตัน
Quantum Electrodynamics (QED) ซึ่งเป็นทฤษฎีที่มีความแม่นยำสูง อธิบายกระบวนการที่เกิดขึ้นภายใต้อิทธิพลของแรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่ได้รับการศึกษาด้วยความแม่นยำสูง
โครโมไดนามิกส์ควอนตัม (QCD) ซึ่งอธิบายกระบวนการอันตรกิริยาที่รุนแรง ถูกสร้างขึ้นโดยการเปรียบเทียบกับ QED แต่ในระดับที่มากกว่านั้นคือแบบจำลองกึ่งเชิงประจักษ์
แบบจำลองควาร์ก-พาร์ตันผสมผสานผลลัพธ์ทางทฤษฎีและการทดลองจากการศึกษาคุณสมบัติของอนุภาคและปฏิกิริยาระหว่างกัน
จนถึงขณะนี้ยังไม่มีการค้นพบความเบี่ยงเบนไปจากแบบจำลองมาตรฐาน
เนื้อหาหลักของแบบจำลองมาตรฐานแสดงไว้ในตารางที่ 1, 2, 3 องค์ประกอบของสสารคือเฟอร์มิออนพื้นฐานสามรุ่น (I, II, III) ซึ่งมีคุณสมบัติแสดงอยู่ในตาราง 1. โบซอนพื้นฐานเป็นพาหะของการโต้ตอบ (ตารางที่ 2) ซึ่งสามารถแสดงได้โดยใช้แผนภาพไฟน์แมน (รูปที่ 1)

ตารางที่ 1: เฟอร์มิออน - (การหมุนครึ่งจำนวนเต็มในหน่วยของћ) องค์ประกอบของสสาร

	เลปตัน หมุน = 1/2			ควาร์ก สปิน = 1/2
	อโรมา	น้ำหนัก, GeV/วินาที 2	ไฟฟ้า ค่าใช้จ่ายเช่น	อโรมา	น้ำหนัก, GeV/วินาที 2	ไฟฟ้า ค่าใช้จ่ายเช่น
ฉัน	ν อี	< 7·10 -9	0	คุณขึ้น	0.005	2/3
	อีอิเล็กตรอน	0.000511	-1	ง ลง	0.01	-1/3
ครั้งที่สอง	ν μ	< 0.0003	0	มีเสน่ห์	1.5	2/3
	μ, มูออน	0.106	-1	ส แปลก	0.2	-1/3
III	ν τ	< 0.03	0	ที, ด้านบน	170	2/3
	τ, เทา	1.7771	-1	ข ด้านล่าง	4.7	-1/3

ตารางที่ 2: โบซอน - พาหะของการโต้ตอบ (สปิน = 0, 1, 2 ... ในหน่วยของћ)

เวกเตอร์ การโต้ตอบ	น้ำหนัก, GeV/c2	ไฟฟ้า ค่าใช้จ่ายเช่น
ปฏิสัมพันธ์ทางไฟฟ้าอ่อน
γ, โฟตอน, สปิน = 1	0	0
W - , หมุน = 1	80.22	-1
W+ หมุน = 1	80.22	+1
Z 0 หมุน = 1	91.187	0
ปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่ง (สี)
5 กลูออน สปิน = 1	0	0
โบซอนที่ยังไม่ถูกค้นพบ
H 0 , ฮิกส์ , สปิน = 0	> 100	0
G, กราวิตัน, สปิน = 2	?	0

ตารางที่ 3: ลักษณะเปรียบเทียบปฏิสัมพันธ์พื้นฐาน

ความแรงของการโต้ตอบจะถูกระบุโดยสัมพันธ์กับความแรง

ข้าว. 1: แผนภาพไฟน์แมน: A + B = C + D, a คือค่าคงที่ปฏิสัมพันธ์, Q 2 = -t - 4-โมเมนตัม ซึ่งอนุภาค A ถ่ายโอนไปยังอนุภาค B อันเป็นผลมาจากปฏิสัมพันธ์หนึ่งในสี่ประเภท

1.1 พื้นฐานของแบบจำลองมาตรฐาน

• ฮาดรอนประกอบด้วยควาร์กและกลูออน (พาร์ตอน) ควาร์กเป็นเฟอร์มิออนที่มีการหมุน 1/2 และมวล m 0; กลูออนคือโบซอนที่มีสปิน 1 และมวล m = 0
• ควาร์กแบ่งตามลักษณะ 2 ประการ คือ กลิ่นและสี ควาร์กแต่ละชนิดมี 6 รสชาติ และ 3 สีสำหรับแต่ละควาร์ก
• อโรมาเป็นคุณลักษณะที่ยังคงมีอยู่ในปฏิกิริยาที่รุนแรง
• กลูออนประกอบด้วยสองสี - สีและสีตรงข้าม และสีที่เหลือทั้งหมด ตัวเลขควอนตัมเขามีค่าเท่ากับศูนย์ เมื่อปล่อยกลูออน ควาร์กจะเปลี่ยนสี แต่ไม่เปลี่ยนรสชาติ มีกลูออนทั้งหมด 8 ตัว
• กระบวนการเบื้องต้นใน QCD สร้างขึ้นโดยการเปรียบเทียบกับ QED: การปลดปล่อยกลูออนของ bremsstrahlung ด้วยควาร์ก การผลิตคู่ควาร์ก-แอนติควาร์กด้วยกลูออน กระบวนการผลิตกลูออนด้วยกลูออนไม่มีความคล้ายคลึงใน QED
• สนามกลูออนคงที่ไม่มีแนวโน้มที่จะเป็นศูนย์ที่ระยะอนันต์ กล่าวคือ พลังงานทั้งหมดสนามดังกล่าวไม่มีที่สิ้นสุด ดังนั้นควาร์กจึงไม่สามารถหนีจากฮาดรอนได้ จึงเกิดการกักขัง
• มีแรงดึงดูดระหว่างควาร์กที่มีคุณสมบัติผิดปกติสองประการ: ก) อิสระเชิงเส้นกำกับในระยะทางที่เล็กมาก และ ข) การดักจับอินฟราเรด - การกักขัง เนื่องจากข้อเท็จจริงที่ว่าพลังงานอันตรกิริยาศักย์ V(r) เพิ่มขึ้นอย่างไม่จำกัดเมื่อระยะห่างระหว่างควาร์กเพิ่มขึ้น r , V(r ) = -α s /r + ær, α s และ æ เป็นค่าคงที่
• ปฏิกิริยาระหว่างควาร์ก-ควาร์กไม่ใช่การเติมแต่ง
• เฉพาะเสื้อกล้ามสีเท่านั้นที่สามารถมีอยู่ในรูปของอนุภาคอิสระ:
  มีซอนเสื้อกล้าม ซึ่งฟังก์ชันคลื่นถูกกำหนดโดยความสัมพันธ์

และเสื้อกล้าม baryon พร้อมฟังก์ชันคลื่น

โดยที่ R คือสีแดง B คือสีน้ำเงิน G คือสีเขียว

• มีควาร์กปัจจุบันและควาร์กส่วนประกอบซึ่งมีมวลต่างกัน
• ภาพตัดขวางของกระบวนการ A + B = C + X โดยมีการแลกเปลี่ยนกลูออนหนึ่งตัวระหว่างควาร์กที่รวมอยู่ในแฮดรอนจะถูกเขียนในรูปแบบ:

ŝ = x a x b s, = x a t/x c

สัญลักษณ์ a, b, c, d หมายถึงควาร์กและตัวแปรที่เกี่ยวข้องกับควาร์ก สัญลักษณ์ A, B, C คือฮาดรอน ŝ, , , เป็นปริมาณที่เกี่ยวข้องกับควาร์ก, ฟังก์ชันการกระจายของควาร์ก a ในฮาดรอน A (หรือ ตามลำดับ - ควาร์ก b ในฮาดรอน B) คือฟังก์ชันการกระจายตัวของควาร์ก c เป็นฮาดรอน C, d/dt คือภาคตัดขวางเบื้องต้นของปฏิสัมพันธ์ qq

1.2 ค้นหาความเบี่ยงเบนไปจากแบบจำลองมาตรฐาน

ด้วยพลังงานที่มีอยู่ของอนุภาคเร่ง ข้อกำหนดทั้งหมดของ QCD และยิ่งไปกว่านั้น QED ก็พอใจเช่นกัน ในการทดลองตามแผนที่มีพลังงานอนุภาคสูงกว่า ภารกิจหลักประการหนึ่งคือการค้นหาความเบี่ยงเบนไปจากแบบจำลองมาตรฐาน
การพัฒนาต่อไปฟิสิกส์พลังงานสูงเกี่ยวข้องกับการแก้ปัญหาต่อไปนี้:

1. ค้นหาอนุภาคแปลกใหม่ที่มีโครงสร้างแตกต่างจากที่ยอมรับในแบบจำลองมาตรฐาน
2. ค้นหาการแกว่งของนิวตริโน ν μ ↔ ν τ และปัญหาที่เกี่ยวข้องของมวลนิวตริโน (ν m ≠ 0)
3. ค้นหาการสลายโปรตอน ซึ่งมีอายุการใช้งานประมาณ τ exp > 10 33 ปี
4. ค้นหาโครงสร้างของอนุภาคพื้นฐาน (สตริง, พรีออนที่ระยะ d< 10 -16 см).
5. การตรวจหาสสารฮาโดรนิกที่แยกส่วนแล้ว (พลาสมาควาร์ก-กลูออน)
6. ศึกษาการละเมิดค่าคงที่ของ CP ในระหว่างการสลายตัวของ K-meson, D-meson และอนุภาค B ที่เป็นกลาง
7. ศึกษาธรรมชาติของสสารมืด
8. ศึกษาองค์ประกอบของสุญญากาศ
9. ค้นหาฮิกส์โบซอน
10. ค้นหาอนุภาคสมมาตรยิ่งยวด

1.3 คำถามที่ยังไม่ได้รับการแก้ไขของแบบจำลองมาตรฐาน

ทฤษฎีฟิสิกส์พื้นฐาน ซึ่งเป็นแบบจำลองมาตรฐานของปฏิกิริยาแม่เหล็กไฟฟ้า ปฏิกิริยาที่อ่อนแอและรุนแรงของอนุภาคมูลฐาน (ควาร์กและเลปตัน) ถือเป็นความสำเร็จทางฟิสิกส์ที่เป็นที่ยอมรับโดยทั่วไปแห่งศตวรรษที่ 20 มันอธิบายข้อเท็จจริงการทดลองที่ทราบทั้งหมดในฟิสิกส์ของไมโครเวิลด์ อย่างไรก็ตาม มีคำถามจำนวนหนึ่งที่ไม่ได้รับคำตอบในโมเดลมาตรฐาน

1. ไม่ทราบลักษณะของกลไกการละเมิดที่เกิดขึ้นเองของค่าคงที่ของเกจอิเล็กโทรอ่อนแอ

• การอธิบายการมีอยู่ของมวลสำหรับ W ± - และ Z 0 -โบซอน จำเป็นต้องมีการแนะนำทฤษฎีสนามสเกลาร์ที่มีสถานะพื้น - สุญญากาศ - ซึ่งไม่แปรเปลี่ยนภายใต้การแปลงเกจ
• ผลที่ตามมาคือการเกิดขึ้นของอนุภาคสเกลาร์ใหม่ - ฮิกส์โบซอน

1. SM ไม่ได้อธิบายธรรมชาติของตัวเลขควอนตัม

• ประจุคืออะไร (ไฟฟ้า; แบริออน; เลปตัน: Le, L μ, L τ: สี: น้ำเงิน, แดง, เขียว) และเหตุใดจึงถูกหาปริมาณ
• เหตุใดเฟอร์มิออนพื้นฐานจึงมี 3 รุ่น (I, II, III)

1. SM ไม่รวมแรงโน้มถ่วง ดังนั้นวิธีการรวมแรงโน้มถ่วงไว้ใน SM - สมมติฐานใหม่เกี่ยวกับการดำรงอยู่ของมิติเพิ่มเติมในอวกาศของไมโครเวิลด์
2. ไม่มีคำอธิบายว่าทำไมมาตราส่วนพลังค์พื้นฐาน (M ~ 10 19 GeV) จึงอยู่ไกลจากมาตราส่วนพื้นฐานของปฏิสัมพันธ์ทางไฟฟ้าอ่อน (M ~ 10 2 GeV)

ปัจจุบันได้มีการวางแนวทางในการแก้ไขปัญหาเหล่านี้แล้ว ประกอบด้วยการพัฒนาความเข้าใจใหม่เกี่ยวกับโครงสร้างของอนุภาคพื้นฐาน สันนิษฐานว่าอนุภาคมูลฐานคือวัตถุที่เรียกกันทั่วไปว่า "สตริง" คุณสมบัติของสตริงได้รับการกล่าวถึงในแบบจำลอง Superstring Model ที่มีการพัฒนาอย่างรวดเร็ว ซึ่งมีวัตถุประสงค์เพื่อสร้างความเชื่อมโยงระหว่างปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในฟิสิกส์อนุภาคและฟิสิกส์ดาราศาสตร์ การเชื่อมต่อนี้นำไปสู่การกำหนดวินัยใหม่ - จักรวาลวิทยาของอนุภาคมูลฐาน

บทบัญญัติ

รุ่นมาตรฐานประกอบด้วยข้อกำหนดดังต่อไปนี้:

• สสารทั้งหมดประกอบด้วยสนามควอนตัมพื้นฐาน 24 สนามของสปิน ½ ซึ่งควอนตัมเป็นอนุภาคพื้นฐาน - เฟอร์มิออน ซึ่งสามารถรวมกันเป็นเฟอร์มิออนได้สามรุ่น: เลปตัน 6 ตัว (อิเล็กตรอน, มิวออน, เทาเลปตัน, อิเล็กตรอนนิวตริโน, มิวออนนิวตริโน และเทานิวตริโน ), 6 ควาร์ก (u, d, s, c, b, t) และปฏิภาคที่สอดคล้องกัน 12 อัน
• ควาร์กมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาที่รุนแรง อ่อนแอ และแม่เหล็กไฟฟ้า leptons ที่มีประจุ (อิเล็กตรอน, muon, tau-lepton) - ในวัตถุที่อ่อนแอและเป็นแม่เหล็กไฟฟ้า นิวตริโน - เฉพาะในปฏิกิริยาที่อ่อนแอเท่านั้น
• ปฏิสัมพันธ์ทั้งสามประเภทเกิดขึ้นจากสมมุติฐานที่ว่าโลกของเรามีความสมมาตรด้วยความเคารพต่อการเปลี่ยนแปลงเกจทั้งสามประเภท อนุภาคที่มีปฏิสัมพันธ์คือโบซอน:

8 กลูออนสำหรับปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่ง (กลุ่มสมมาตร SU (3));

• โบซอนเกจหนัก 3 อัน (W + , W − , Z 0) สำหรับปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอ (กลุ่มสมมาตร SU (2) );
• โฟตอนหนึ่งตัวสำหรับปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (กลุ่มสมมาตร U (1))
  • แรงอ่อนสามารถผสมเฟอร์มิออนจากรุ่นต่างๆ ต่างจากปฏิกิริยาแม่เหล็กไฟฟ้าและแรง ทำให้เกิดความไม่เสถียรของอนุภาคทั้งหมดยกเว้นอนุภาคที่เบาที่สุด และผลกระทบ เช่น การละเมิด CP และการสั่นของนิวตริโน
  • พารามิเตอร์ภายนอกของรุ่นมาตรฐานคือ:
  • มวลของเลปตัน (3 พารามิเตอร์ นิวตริโนถือว่าไม่มีมวล) และควาร์ก (6 พารามิเตอร์) ตีความว่าเป็นค่าคงที่ของการโต้ตอบของสนามของพวกมันกับสนามของฮิกส์โบซอน
  • พารามิเตอร์ของเมทริกซ์การผสมควาร์ก CKM - มุมการผสมสามมุมและเฟสที่ซับซ้อนหนึ่งเฟสที่ละเมิดสมมาตร CP - ค่าคงที่ปฏิสัมพันธ์ของควาร์กกับสนามไฟฟ้าอ่อน

เนื่องจากข้อเท็จจริงที่มีการค้นพบการแกว่งของนิวตริโน แบบจำลองมาตรฐานจึงจำเป็นต้องมีส่วนขยายที่แนะนำมวลนิวตริโนเพิ่มเติม 3 ตัว และพารามิเตอร์อย่างน้อย 4 ตัวของเมทริกซ์ผสมนิวตริโน PMNS ซึ่งคล้ายกับเมทริกซ์ผสมควาร์ก CKM และอาจมีพารามิเตอร์การผสมอีก 2 ตัว ถ้านิวทริโนเป็นอนุภาคของ Majorana นอกจากนี้ มุมสุญญากาศของโครโมไดนามิกส์ควอนตัมยังรวมอยู่ในพารามิเตอร์ของแบบจำลองมาตรฐานด้วย เป็นที่น่าสังเกตว่าแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่มีชุดตัวเลขคี่ 20 คี่สามารถอธิบายผลลัพธ์ของการทดลองนับล้านครั้งในวิชาฟิสิกส์จนถึงปัจจุบัน

เหนือกว่ารุ่นมาตรฐาน

ดูเพิ่มเติม

หมายเหตุ

วรรณกรรม

• เอเมลยานอฟ วี.เอ็ม.รุ่นมาตรฐานและส่วนขยาย - ม.: Fizmatlit, 2550. - 584 หน้า - (ฟิสิกส์พื้นฐานและฟิสิกส์ประยุกต์) - ไอ 978-5-922108-30-0

ลิงค์

มูลนิธิวิกิมีเดีย

2010.

ดูว่า "แบบจำลองมาตรฐาน" ในพจนานุกรมอื่น ๆ คืออะไร: STANDARD MODEL แบบจำลองของอนุภาคมูลฐานและการโต้ตอบซึ่งเป็นตัวแทนมากที่สุดคำอธิบายแบบเต็ม ปรากฏการณ์ทางกายภาพที่เกี่ยวข้องกับไฟฟ้า อนุภาคแบ่งออกเป็นแฮดรอน (ภายใต้อิทธิพลของพลังนิวเคลียร์ที่กลายเป็นควาร์ก)... ...

พจนานุกรมสารานุกรมวิทยาศาสตร์และเทคนิค ในวิชาฟิสิกส์อนุภาค ทฤษฎี ตามหลักการพื้นฐาน (พื้นฐาน) อนุภาคมูลฐาน ได้แก่ ควาร์กและเลปตัน อันตรกิริยารุนแรงซึ่งควาร์กผูกเข้ากับแฮดรอนเกิดขึ้นผ่านการแลกเปลี่ยนกลูออน อิเล็กโทรอ่อนแอ...... วิทยาศาสตร์ธรรมชาติ

พจนานุกรมสารานุกรม

- ... วิกิพีเดียรูปแบบมาตรฐานการค้าระหว่างประเทศ - รูปแบบการค้าระหว่างประเทศที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบันเผยให้เห็นผลกระทบการค้าต่างประเทศ ไปที่หลักเครื่องชี้เศรษฐกิจมหภาค ประเทศการค้า : การผลิต การบริโภค สวัสดิการสังคม...

เศรษฐศาสตร์: อภิธานศัพท์ - (แบบจำลอง Heckscher Ohlin) แบบจำลองมาตรฐานของการค้าต่างประเทศระหว่างประเทศ (การค้าภายในอุตสาหกรรม) ที่มีโครงสร้างอุตสาหกรรมที่แตกต่างกัน ตั้งชื่อตามชื่อของผู้สร้างชาวสวีเดน ตามโมเดลนี้ประเทศต่างๆก็มีการผลิตเท่ากัน... ...

พจนานุกรมเศรษฐศาสตร์ ภาพทางวิทยาศาสตร์ของโลก (SPW) (หนึ่งในแนวคิดพื้นฐานในวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ) เป็นรูปแบบพิเศษของการจัดระบบความรู้ ภาพรวมเชิงคุณภาพ และการสังเคราะห์อุดมการณ์ต่างๆทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์

ไลบรารีมาตรฐานของภาษาการเขียนโปรแกรม 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 ... วิกิพีเดีย

แนวคิดมาตรฐานของวิทยาศาสตร์ในรูปแบบตรรกะ การวิเคราะห์ระเบียบวิธีทฤษฎีวิทยาศาสตร์ธรรมชาติที่พัฒนาขึ้นภายใต้อิทธิพลสำคัญของปรัชญาวิทยาศาสตร์แนวนีโอโพซิติวิสต์ ภายในแนวคิดมาตรฐานของวิทยาศาสตร์ คุณสมบัติของทฤษฎี (ตีความว่า... ... สารานุกรมปรัชญา

รูปแบบของการวิเคราะห์เชิงตรรกะและระเบียบวิธีของทฤษฎีวิทยาศาสตร์ธรรมชาติที่พัฒนาขึ้นภายใต้อิทธิพลที่สำคัญของปรัชญาวิทยาศาสตร์แนวนีโอโพซิติวิสต์ ภายในกรอบแนวคิดมาตรฐานทางวิทยาศาสตร์ คุณสมบัติของทฤษฎี (ตีความว่าเป็นชุดที่มีความหมายทางวิทยาศาสตร์... ... สารานุกรมปรัชญา

หนังสือ

• ฟิสิกส์ของอนุภาค - 2013 ไฟฟ้าพลศาสตร์ควอนตัมและแบบจำลองมาตรฐาน, O. M. Boyarkin, G. G. Boyarkina ในเล่มที่สองของซีรีส์สองเล่ม ซึ่งมีหลักสูตรสมัยใหม่ในฟิสิกส์ของอนุภาคมูลฐาน พลศาสตร์ไฟฟ้าควอนตัมถือเป็นตัวอย่างแรกของทฤษฎีปฏิสัมพันธ์จริง...

รุ่นมาตรฐานเป็นทฤษฎีสมัยใหม่เกี่ยวกับโครงสร้างและอันตรกิริยาของอนุภาคมูลฐานที่ได้รับการทดสอบซ้ำแล้วซ้ำอีก ทฤษฎีนี้มีพื้นฐานมาจากสมมุติฐานจำนวนน้อยมาก และทำให้สามารถทำนายคุณสมบัติของกระบวนการต่างๆ หลายพันกระบวนการในโลกของอนุภาคมูลฐานในทางทฤษฎีได้ ในกรณีส่วนใหญ่อย่างท่วมท้น การคาดการณ์เหล่านี้ได้รับการยืนยันโดยการทดลอง ซึ่งบางครั้งก็มีความแม่นยำสูงมาก และเช่นนั้น กรณีที่หายากเมื่อการคาดการณ์ของแบบจำลองมาตรฐานแตกต่างไปจากประสบการณ์ สิ่งเหล่านี้ก็กลายเป็นประเด็นถกเถียงอย่างเผ็ดร้อน

แบบจำลองมาตรฐานคือขอบเขตที่แยกสิ่งที่รู้ได้อย่างน่าเชื่อถือออกจากสิ่งที่สมมุติในโลกของอนุภาคมูลฐาน แม้จะประสบความสำเร็จอย่างน่าประทับใจในการอธิบายการทดลอง แต่แบบจำลองมาตรฐานก็ไม่ถือเป็นทฤษฎีขั้นสุดท้ายของอนุภาคมูลฐาน นักฟิสิกส์มั่นใจว่า มันจะต้องเป็นส่วนหนึ่งของทฤษฎีเชิงลึกเกี่ยวกับโครงสร้างของโลกใบเล็ก- ทฤษฎีประเภทนี้ยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัด นักทฤษฎีได้พัฒนา จำนวนมากผู้สมัครรับทฤษฎีดังกล่าว แต่มีเพียงการทดลองเท่านั้นที่ควรแสดงให้เห็นว่าข้อใดสอดคล้องกับสถานการณ์จริงที่พัฒนาขึ้นในจักรวาลของเรา นี่คือเหตุผลว่าทำไมนักฟิสิกส์จึงมองหาความเบี่ยงเบนไปจากแบบจำลองมาตรฐาน อนุภาค แรง หรือผลกระทบใดๆ ที่แบบจำลองมาตรฐานไม่ได้คาดการณ์ไว้ นักวิทยาศาสตร์เรียกปรากฏการณ์เหล่านี้รวมกันว่า "ฟิสิกส์ใหม่"; อย่างแน่นอน การค้นหาฟิสิกส์ใหม่เป็นภารกิจหลักของ Large Hadron Collider.

ส่วนประกอบพื้นฐานของรุ่นมาตรฐาน

เครื่องมือในการทำงานของแบบจำลองมาตรฐานคือทฤษฎีสนามควอนตัม ซึ่งเป็นทฤษฎีที่มาแทนที่ กลศาสตร์ควอนตัมด้วยความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วแสง วัตถุสำคัญในนั้นไม่ใช่อนุภาคเหมือนใน กลศาสตร์คลาสสิกและไม่ใช่ "คลื่นอนุภาค" เช่นเดียวกับในกลศาสตร์ควอนตัม แต่ สนามควอนตัม: อิเล็กตรอน, มิวออน, แม่เหล็กไฟฟ้า, ควาร์ก ฯลฯ - หนึ่งอันสำหรับ "เอนทิตีของไมโครเวิลด์" แต่ละประเภท

ทั้งสุญญากาศและสิ่งที่เรารับรู้ว่าเป็นอนุภาคแต่ละตัว และการก่อตัวที่ซับซ้อนมากขึ้นซึ่งไม่สามารถลดเหลือเป็นอนุภาคเดี่ยว ๆ ได้ ทั้งหมดนี้ถูกอธิบายว่าเป็นสถานะของสนามข้อมูลที่แตกต่างกัน เมื่อนักฟิสิกส์ใช้คำว่า "อนุภาค" จริงๆ แล้วหมายถึงสถานะของสนามข้อมูล ไม่ใช่วัตถุแต่ละจุด

รุ่นมาตรฐานประกอบด้วยส่วนผสมหลักดังต่อไปนี้:

• ชุดของ "องค์ประกอบพื้นฐาน" ของสสาร - เลปตันหกประเภทและควาร์กหกประเภท- อนุภาคทั้งหมดนี้เป็นสปิน 1/2 เฟอร์มิออน และจัดตัวเองเป็นสามชั่วอายุคนอย่างเป็นธรรมชาติ ฮาดรอนจำนวนมากซึ่งเป็นอนุภาคที่เป็นส่วนประกอบของแรงอย่างสูง ประกอบขึ้นจากควาร์กที่มีส่วนผสมต่างกัน
• กองกำลังสามประเภททำหน้าที่ระหว่างเฟอร์มิออนพื้นฐาน - แม่เหล็กไฟฟ้า, อ่อนแอและแข็งแกร่ง ปฏิกิริยาที่อ่อนแอและแม่เหล็กไฟฟ้านั้นเป็นสองด้านของอันเดียว ปฏิสัมพันธ์ทางไฟฟ้าอ่อน- ปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงนั้นยืนอยู่คนเดียว และนั่นคือสิ่งที่ผูกควาร์กเข้ากับฮาดรอน
• กองกำลังทั้งหมดนี้อธิบายไว้บนพื้นฐาน หลักการวัด- สิ่งเหล่านี้ไม่ได้ถูกแนะนำเข้าสู่ทฤษฎีแบบ "บังคับ" แต่ดูเหมือนว่าจะเกิดขึ้นเองอันเป็นผลมาจากข้อกำหนดของความสมมาตรของทฤษฎีที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงบางอย่าง ความสมมาตรบางประเภททำให้เกิดปฏิกิริยารุนแรงและอ่อนแอทางไฟฟ้า
• แม้ว่าทฤษฎีนี้จะมีความสมมาตรทางไฟฟ้าที่อ่อนแอ แต่ในโลกของเรามันก็ถูกทำลายไปโดยธรรมชาติ การทำลายสมมาตรของอิเล็กโตรอ่อนแอโดยธรรมชาติเป็นองค์ประกอบที่จำเป็นของทฤษฎี และภายในแบบจำลองมาตรฐาน การละเมิดเกิดขึ้นเนื่องจากกลไกของฮิกส์
• ค่าตัวเลขสำหรับ ค่าคงที่ประมาณสองโหล: สิ่งเหล่านี้คือมวลของเฟอร์มิออนพื้นฐาน ค่าตัวเลขของการมีเพศสัมพันธ์ค่าคงที่ของการโต้ตอบที่แสดงถึงความแข็งแกร่งของพวกมัน และปริมาณอื่น ๆ ทั้งหมดจะถูกดึงออกมาเพียงครั้งเดียวและทั้งหมดจากการเปรียบเทียบกับประสบการณ์ และจะไม่ถูกปรับเปลี่ยนในการคำนวณเพิ่มเติมอีกต่อไป

นอกจากนี้ โมเดลมาตรฐานยังเป็นทฤษฎีที่ทำให้เป็นมาตรฐานได้ กล่าวคือ องค์ประกอบทั้งหมดเหล่านี้ถูกนำมาใช้ในลักษณะที่สอดคล้องกันในตัวเอง ซึ่งโดยหลักการแล้ว ช่วยให้การคำนวณสามารถดำเนินการได้ด้วยระดับความแม่นยำที่ต้องการ อย่างไรก็ตาม การคำนวณที่มีระดับความแม่นยำตามที่ต้องการมักจะมีความซับซ้อนอย่างมาก แต่นี่ไม่ใช่ปัญหากับตัวทฤษฎีเอง แต่เป็นปัญหากับความสามารถในการคำนวณของเรา

สิ่งที่ Standard Model ทำได้และทำไม่ได้

โมเดลมาตรฐานส่วนใหญ่เป็นทฤษฎีเชิงพรรณนา ไม่ได้ให้คำตอบสำหรับคำถามมากมายที่ขึ้นต้นด้วย "ทำไม": เหตุใดจึงมีอนุภาคมากมายและมีเพียงอนุภาคที่ถูกต้อง? การโต้ตอบเหล่านี้มาจากไหนและด้วยคุณสมบัติเหล่านี้กันแน่? เหตุใดธรรมชาติจึงต้องสร้างเฟอร์มิออนสามชั่วอายุคน? เหตุใดค่าตัวเลขของพารามิเตอร์จึงเป็นค่าที่แน่นอน? นอกจากนี้แบบจำลองมาตรฐานไม่สามารถอธิบายปรากฏการณ์บางอย่างที่พบในธรรมชาติได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ไม่มีที่สำหรับมวลนิวตริโนและอนุภาคสสารมืด แบบจำลองมาตรฐานไม่ได้คำนึงถึงแรงโน้มถ่วง และไม่ทราบว่าเกิดอะไรขึ้นกับทฤษฎีนี้ในระดับพลังงานพลังค์ เมื่อแรงโน้มถ่วงมีความสำคัญอย่างยิ่ง

หากคุณใช้แบบจำลองมาตรฐานตามวัตถุประสงค์ที่ต้องการเพื่อทำนายผลลัพธ์ของการชนของอนุภาคมูลฐาน แบบจำลองนั้นจะช่วยให้ทำการคำนวณด้วยระดับความแม่นยำที่แตกต่างกันไป ขึ้นอยู่กับกระบวนการเฉพาะ

• สำหรับปรากฏการณ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (การกระเจิงของอิเล็กตรอน ระดับพลังงาน) ความแม่นยำสามารถเข้าถึงส่วนต่อล้านหรือดีกว่านั้นก็ได้ บันทึกที่นี่ถูกครอบครองโดยคนผิดปกติ ช่วงเวลาแม่เหล็กอิเล็กตรอนซึ่งคำนวณด้วยความแม่นยำมากกว่าหนึ่งพันล้าน
• กระบวนการพลังงานสูงจำนวนมากที่เกิดขึ้นเนื่องจากการโต้ตอบทางไฟฟ้าที่อ่อนแอได้รับการคำนวณด้วยความแม่นยำที่ดีกว่าหนึ่งเปอร์เซ็นต์
• การโต้ตอบที่แย่ที่สุดในการคำนวณคือการโต้ตอบที่รุนแรงเมื่อไม่เป็นเช่นนั้น พลังงานสูง- ความแม่นยำของการคำนวณกระบวนการดังกล่าวแตกต่างกันอย่างมาก: ในบางกรณีอาจสูงถึงเปอร์เซ็นต์ ในกรณีอื่น ๆ วิธีการทางทฤษฎีที่แตกต่างกันสามารถให้คำตอบที่แตกต่างกันหลายครั้ง

เป็นเรื่องที่ควรเน้นว่าความจริงที่ว่ากระบวนการบางอย่างยากต่อการคำนวณด้วยความแม่นยำที่ต้องการไม่ได้หมายความว่า "ทฤษฎีไม่ดี" เพียงแต่ว่ามันซับซ้อนมากและเทคนิคทางคณิตศาสตร์ในปัจจุบันยังไม่เพียงพอที่จะติดตามผลที่ตามมาทั้งหมด โดยเฉพาะอย่างยิ่งปัญหาทางคณิตศาสตร์แห่งสหัสวรรษอันโด่งดังข้อหนึ่งเกี่ยวข้องกับปัญหาการถูกคุมขัง ทฤษฎีควอนตัมด้วยการโต้ตอบเกจที่ไม่ใช่ Abelian

อ่านเพิ่มเติม:

• ข้อมูลพื้นฐานเกี่ยวกับกลไกฮิกส์สามารถพบได้ในหนังสือของ L. B. Okun “ฟิสิกส์ของอนุภาคมูลฐาน” (ในระดับคำและรูปภาพ) และ “เลปตันและควาร์ก” (ในระดับร้ายแรงแต่เข้าถึงได้)

สสารทั้งหมดประกอบด้วยควาร์ก เลปตัน และอนุภาค ซึ่งเป็นพาหะของปฏิกิริยา

ปัจจุบันแบบจำลองมาตรฐานเรียกว่าทฤษฎีที่สะท้อนความคิดของเราได้ดีที่สุด แหล่งที่มาของวัสดุซึ่งจักรวาลได้ถูกสร้างขึ้นตั้งแต่แรก นอกจากนี้ยังอธิบายว่าสสารเกิดขึ้นจากองค์ประกอบพื้นฐานเหล่านี้ได้อย่างไร รวมถึงแรงและกลไกของการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างกัน

จากมุมมองเชิงโครงสร้าง อนุภาคมูลฐานที่ประกอบเป็นนิวเคลียสของอะตอม ( นิวคลีออน) และโดยทั่วไปแล้วอนุภาคหนักทั้งหมด - ฮาดรอน (แบริออนและ มีซอน) - ประกอบด้วยอนุภาคที่เรียบง่ายกว่าซึ่งมักเรียกว่าพื้นฐาน บทบาทขององค์ประกอบปฐมภูมิพื้นฐานของสสารอย่างแท้จริงนี้มีบทบาทโดย ควาร์กซึ่งมีประจุไฟฟ้าเท่ากับ 2/3 หรือ –1/3 ของหน่วยประจุบวกของโปรตอน ควาร์กที่พบมากที่สุดและเบาที่สุดเรียกว่าควาร์ก สูงสุดและ ต่ำกว่าและแสดงถึงตามลำดับ คุณ(จากภาษาอังกฤษ ขึ้น) และ ง(ลง- บางครั้งก็เรียกว่า โปรตอนและ นิวตรอนควาร์กเนื่องจากโปรตอนประกอบด้วยสารผสม อุ๊ยและนิวตรอน- อุ๊ดท็อปควาร์กมีประจุ 2/3; ด้านล่าง - ประจุลบ –1/3 เนื่องจากโปรตอนประกอบด้วยอัพควาร์ก 2 ตัวและดาวน์ควาร์ก 1 ตัว และนิวตรอนประกอบด้วยควาร์กขึ้น 1 ตัวและดาวน์ 2 ตัว คุณจึงสามารถตรวจสอบได้อย่างอิสระว่าประจุรวมของโปรตอนและนิวตรอนเท่ากับ 1 และ 0 อย่างเคร่งครัด และตรวจดูให้แน่ใจว่า โมเดลมาตรฐานอธิบายความเป็นจริงได้อย่างเพียงพอ ควาร์กอีกสองคู่เป็นส่วนหนึ่งของอนุภาคที่แปลกกว่า ควาร์กจากคู่ที่สองเรียกว่า หลงเสน่ห์ - ค(จาก มีเสน่ห์) และ แปลก - ส(จาก แปลก- คู่ที่ 3 คือ จริง - ที(จาก ความจริงหรือเป็นภาษาอังกฤษ ประเพณี สูงสุด) และ สวย - ข(จาก ความงามหรือเป็นภาษาอังกฤษ ประเพณี ด้านล่าง) ควาร์ก อนุภาคเกือบทั้งหมดที่แบบจำลองมาตรฐานทำนายไว้และประกอบด้วยควาร์กหลายตัวรวมกันได้ถูกค้นพบจากการทดลองแล้ว

อาคารอีกชุดประกอบด้วยอิฐที่เรียกว่า เลปตันเลปตันที่พบมากที่สุด - คุ้นเคยกับเรามานานแล้ว อิเล็กตรอนรวมอยู่ในโครงสร้างของอะตอม แต่ไม่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยานิวเคลียร์ โดยถูกจำกัดอยู่แค่ระหว่างอะตอมเท่านั้น นอกจากนี้ (และคู่ปฏิปักษ์ของมันเรียกว่า โพซิตรอน) เลปตอนประกอบด้วยอนุภาคที่หนักกว่า - มิวออนและเทาเลปตันที่มีปฏิปักษ์ นอกจากนี้ เลปตันแต่ละตัวยังสัมพันธ์กับอนุภาคไม่มีประจุของมันเองซึ่งมีมวลนิ่งเป็นศูนย์ (หรือเกือบเป็นศูนย์) อนุภาคดังกล่าวเรียกว่าอิเล็กตรอน มิวออน หรือเทาออนตามลำดับ นิวตริโน.

ดังนั้นเลปตันก็เหมือนกับควาร์กที่รวมตัวกันเป็น "คู่ครอบครัว" สามคู่เช่นกัน ความสมมาตรนี้ไม่ได้หลุดพ้นจากสายตาของผู้สังเกตการณ์ของนักทฤษฎี แต่ยังไม่มีการเสนอคำอธิบายที่น่าเชื่อถือ อย่างไรก็ตาม ควาร์กและเลปตันเป็นตัวแทนขององค์ประกอบหลัก วัสดุก่อสร้างจักรวาล.

เพื่อทำความเข้าใจอีกด้านหนึ่งของเหรียญ - ธรรมชาติของแรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างควาร์กและเลปตัน - คุณต้องเข้าใจว่านักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีสมัยใหม่ตีความแนวคิดเรื่องแรงอย่างไร การเปรียบเทียบจะช่วยเราในเรื่องนี้ ลองนึกภาพคนพายเรือสองคนพายเรือไปในทิศทางตรงกันข้ามในแม่น้ำแคมในเคมบริดจ์ ด้วยความเอื้ออาทรนักพายเรือคนหนึ่งจึงตัดสินใจเลี้ยงแชมเปญแก่เพื่อนร่วมงานและเมื่อพวกเขาแล่นผ่านกันและกันก็โยนแชมเปญเต็มขวดให้เขา ตามกฎการอนุรักษ์โมเมนตัม เมื่อนักพายเรือคนแรกขว้างขวด วิถีเรือของเขาเบี่ยงเบนไปจากแนวตรงไปในทิศทางตรงกันข้าม และเมื่อคนพายที่สองจับขวดได้ โมเมนตัมของเรือก็โอนไปยังเขา และเรือลำที่สองก็เบี่ยงเบนไปจากเส้นทางตรงแต่ไปในทิศทางตรงกันข้าม ดังนั้นผลจากการแลกเปลี่ยนแชมเปญ เรือทั้งสองลำจึงเปลี่ยนทิศทาง ตามกฎกลศาสตร์ของนิวตัน นั่นหมายความว่าปฏิกิริยาโต้ตอบของแรงเกิดขึ้นระหว่างเรือ แต่เรือไม่ได้สัมผัสกันโดยตรงเหรอ? ที่นี่เราทั้งสองมองเห็นได้ชัดเจนและเข้าใจโดยสัญชาตญาณว่าพลังแห่งปฏิสัมพันธ์ระหว่างเรือถูกส่งโดยผู้ส่งแรงกระตุ้น - ขวดแชมเปญ นักฟิสิกส์จะเรียกมันว่า ผู้ให้บริการปฏิสัมพันธ์

ในทำนองเดียวกัน ปฏิกิริยาระหว่างแรงระหว่างอนุภาคเกิดขึ้นผ่านการแลกเปลี่ยนอนุภาคที่มีปฏิสัมพันธ์เหล่านี้ ในความเป็นจริง เราสร้างความแตกต่างระหว่างแรงพื้นฐานของปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคตราบเท่าที่อนุภาคที่แตกต่างกันทำหน้าที่เป็นพาหะของปฏิกิริยาเหล่านี้ การโต้ตอบดังกล่าวมีสี่ประการ: แข็งแกร่ง(นี่คือสิ่งที่กักเก็บควาร์กไว้ภายในอนุภาค) แม่เหล็กไฟฟ้า, อ่อนแอ(นี่คือสิ่งที่นำไปสู่การสลายกัมมันตภาพรังสีบางรูปแบบ) และ แรงโน้มถ่วงพาหะของการโต้ตอบของสีที่รุนแรงคือ กลูออนที่ไม่มีมวลหรือประจุไฟฟ้า ปฏิกิริยาประเภทนี้อธิบายได้ด้วยโครโมไดนามิกส์ควอนตัม ปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดขึ้นผ่านการแลกเปลี่ยนควอนตัมของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งเรียกว่า โฟตอนและไม่มีมวลด้วย . ในทางกลับกัน ปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอนั้นถูกส่งผ่านโดยมวลมหาศาล เวกเตอร์หรือ เกจโบซอนซึ่ง "มีน้ำหนัก" มากกว่าโปรตอน 80-90 เท่า ถูกค้นพบครั้งแรกในสภาพห้องปฏิบัติการในช่วงต้นทศวรรษ 1980 เท่านั้น ในที่สุด ปฏิกิริยาโน้มถ่วงจะถูกส่งผ่านการแลกเปลี่ยนวัตถุที่ไม่มีมวลของตัวเอง กราวิตอน- ตัวกลางเหล่านี้ยังไม่ถูกตรวจพบการทดลอง

ภายในกรอบของแบบจำลองมาตรฐาน ปฏิสัมพันธ์พื้นฐานสามประเภทแรกได้ถูกรวมเข้าด้วยกัน และไม่ได้รับการพิจารณาแยกกันอีกต่อไป แต่จะถือว่าเป็นการแสดงพลังที่แตกต่างกันสามลักษณะที่แตกต่างกัน เมื่อกลับไปสู่การเปรียบเทียบ สมมติว่านักพายอีกคู่หนึ่งเดินผ่านกันในแม่น้ำแคม โดยไม่ได้แลกแชมเปญหนึ่งขวด แต่เป็นเพียงไอศกรีมหนึ่งแก้วเท่านั้น จากนี้เรือก็จะเบี่ยงเบนไปจากเส้นทางไปในทิศทางตรงกันข้าม แต่จะอ่อนแอกว่ามาก สำหรับผู้สังเกตการณ์ภายนอกอาจดูเหมือนว่าในทั้งสองกรณีนี้แรงที่แตกต่างกันเกิดขึ้นระหว่างเรือ: ในกรณีแรกมีการแลกเปลี่ยนของเหลว (ฉันเสนอให้เพิกเฉยต่อขวดเนื่องจากพวกเราส่วนใหญ่สนใจในเนื้อหาของมัน) และอย่างที่สองคือร่างกายที่มั่นคง (ไอศกรีม) ทีนี้ลองจินตนาการว่าวันนั้นในเคมบริดจ์มีความร้อนในฤดูร้อนที่หาได้ยากสำหรับพื้นที่ทางตอนเหนือ และไอศกรีมก็ละลายไปในอากาศ นั่นคืออุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นเล็กน้อยก็เพียงพอที่จะเข้าใจว่าอันที่จริงปฏิสัมพันธ์ไม่ได้ขึ้นอยู่กับว่าวัตถุของเหลวหรือของแข็งทำหน้าที่เป็นพาหะของมันหรือไม่ เหตุผลเดียวที่ทำให้เราเห็นว่าแรงที่แตกต่างกันทำหน้าที่ระหว่างเรือก็คือความแตกต่างภายนอกของภาชนะใส่ไอศกรีม ซึ่งเกิดจากอุณหภูมิไม่เพียงพอต่อการละลาย เพิ่มอุณหภูมิ - และแรงปฏิสัมพันธ์จะปรากฏเป็นอันหนึ่งอันเดียวกันอย่างชัดเจน

พลังที่กระทำในจักรวาลยังหลอมรวมเข้าด้วยกันที่ปฏิสัมพันธ์ที่มีพลังงานสูง (อุณหภูมิ) หลังจากนั้นจึงไม่สามารถแยกแยะได้ อันดับแรก รวมกัน(นั่นคือสิ่งที่เรียกกันทั่วไปว่า) ปฏิกิริยานิวเคลียร์และแม่เหล็กไฟฟ้าที่อ่อนแอ เป็นผลให้เราได้รับสิ่งที่เรียกว่า ปฏิสัมพันธ์ทางไฟฟ้าอ่อนซึ่งสังเกตได้แม้กระทั่งในห้องปฏิบัติการที่พลังงานที่พัฒนาโดยเครื่องเร่งอนุภาคสมัยใหม่ ในจักรวาลยุคแรกเริ่ม พลังงานมีสูงมากจนในช่วง 10-10 วินาทีแรกหลังจากนั้น บิ๊กแบงไม่มีเส้นแบ่งระหว่างแรงนิวเคลียร์และแรงแม่เหล็กไฟฟ้าอ่อน หลังจากที่อุณหภูมิเฉลี่ยของเอกภพลดลงเหลือ 10 14 K เท่านั้น ปฏิกิริยาระหว่างแรงทั้งสี่ที่สังเกตพบในปัจจุบันก็แยกจากกันและเข้าสู่รูปแบบสมัยใหม่ ในขณะที่อุณหภูมิสูงกว่าเครื่องหมายนี้ มีเพียง 3 แรงพื้นฐานเท่านั้นที่ทำงานอยู่ ได้แก่ แรงที่แรง แรงไฟฟ้าอ่อน และปฏิกิริยาแรงโน้มถ่วงรวมกัน

การรวมกันของปฏิกิริยาทางไฟฟ้าที่อ่อนแอและปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่รุนแรงเกิดขึ้นที่อุณหภูมิประมาณ 10 27 K ภายใต้สภาวะห้องปฏิบัติการ พลังงานดังกล่าวไม่สามารถบรรลุได้ในปัจจุบัน เครื่องเร่งอนุภาคสมัยใหม่ที่ทรงพลังที่สุด - เครื่องชนแฮดรอนขนาดใหญ่ที่กำลังก่อสร้างอยู่บริเวณชายแดนฝรั่งเศสและสวิตเซอร์แลนด์ - จะสามารถเร่งอนุภาคให้เป็นพลังงานได้เพียง 0.000000001% ของพลังงานที่จำเป็นในการรวมแรงไฟฟ้าที่อ่อนแอและแรงนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่งเข้าด้วยกัน ดังนั้นเราอาจต้องรอเป็นเวลานานเพื่อยืนยันการทดลองของการรวมกันนี้ ไม่มีพลังงานดังกล่าวในจักรวาลสมัยใหม่ อย่างไรก็ตามในช่วง 10–35 วินาทีแรกของการดำรงอยู่ อุณหภูมิของจักรวาลสูงกว่า 10 27 K และมีเพียงสองกองกำลังเท่านั้นที่กระทำในจักรวาล - แรงไฟฟ้าและปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วง ทฤษฎีที่อธิบายกระบวนการเหล่านี้เรียกว่า "ทฤษฎีรวมใหญ่" (GUT) ไม่สามารถตรวจสอบ GUT ได้โดยตรง แต่ยังทำการคาดการณ์บางอย่างเกี่ยวกับกระบวนการที่เกิดขึ้นที่พลังงานต่ำกว่า จนถึงปัจจุบัน TVO คาดการณ์ค่อนข้างมาก อุณหภูมิต่ำและพลังงานได้รับการยืนยันจากการทดลอง

ดังนั้น แบบจำลองมาตรฐานในรูปแบบทั่วไปจึงเป็นทฤษฎีเกี่ยวกับโครงสร้างของจักรวาล ซึ่งสสารประกอบด้วยควาร์กและเลปตัน และปฏิกิริยาระหว่างกันที่รุนแรง แม่เหล็กไฟฟ้า และอ่อนแรงระหว่างพวกมัน อธิบายไว้ในทฤษฎีการรวมชาติอันยิ่งใหญ่ เห็นได้ชัดว่าแบบจำลองดังกล่าวไม่สมบูรณ์ เนื่องจากไม่มีแรงโน้มถ่วง สันนิษฐานว่าในที่สุดทฤษฎีที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้นก็จะได้รับการพัฒนา ( ซม.ทฤษฎีสากล) และในปัจจุบัน Standard Model เป็นสิ่งที่ดีที่สุดที่เรามี

"องค์ประกอบ"

ปัจจุบัน แบบจำลองมาตรฐานเป็นหนึ่งในโครงสร้างทางทฤษฎีที่สำคัญที่สุดในฟิสิกส์ของอนุภาค โดยอธิบายถึงปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้า ความอ่อนแอ และรุนแรงของอนุภาคมูลฐานทั้งหมด บทบัญญัติหลักและส่วนประกอบของทฤษฎีนี้อธิบายโดยนักฟิสิกส์ซึ่งเป็นสมาชิกของ Russian Academy of Sciences Mikhail Danilov

1

จากข้อมูลการทดลอง ในปัจจุบัน มีการสร้างทฤษฎีที่สมบูรณ์แบบมากขึ้น ซึ่งอธิบายปรากฏการณ์เกือบทั้งหมดที่เราสังเกตได้ ทฤษฎีนี้เรียกอย่างสุภาพว่า "แบบจำลองมาตรฐานของอนุภาคมูลฐาน" มีเฟอร์มิออนสามรุ่น: ควาร์กและเลปตัน นี่คือวัสดุก่อสร้าง ทุกสิ่งที่เราเห็นรอบตัวเราถูกสร้างขึ้นตั้งแต่รุ่นแรก ประกอบด้วยยู- และ ดี-ควาร์ก อิเล็กตรอน และอิเล็กตรอนนิวตริโน โปรตอนและนิวตรอนประกอบด้วยควาร์กสามชนิด: uud และ udd ตามลำดับ แต่มีควาร์กและเลปตอนอีกสองเจเนอเรชั่น ซึ่งในขอบเขตหนึ่งเกิดซ้ำกับเจเนอเรชั่นแรก แต่หนักกว่าและสลายตัวเป็นอนุภาคของเจเนอเรชั่นแรกในที่สุด อนุภาคทั้งหมดมีปฏิปักษ์ที่มีประจุตรงกันข้าม

2

โมเดลมาตรฐานประกอบด้วยการโต้ตอบสามแบบ แรงแม่เหล็กไฟฟ้าจับอิเล็กตรอนภายในอะตอมและอะตอมภายในโมเลกุล พาหะของปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าคือโฟตอน ปฏิกิริยารุนแรงจะกักโปรตอนและนิวตรอนไว้ในนิวเคลียสของอะตอม และควาร์กในโปรตอน นิวตรอน และแฮดรอนอื่นๆ (ดังที่แอล. บี. โอคุนเสนอให้เรียกอนุภาคที่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยารุนแรง) ปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งนั้นเกี่ยวข้องกับควาร์กและฮาดรอนที่สร้างขึ้นจากพวกมันรวมถึงพาหะของปฏิกิริยานั้นเอง - กลูออน (จากกาวภาษาอังกฤษ - กาว) แฮดรอนประกอบด้วยควาร์กหนึ่งในสามควาร์ก เช่น โปรตอนและนิวตรอน หรือควาร์กและแอนติควาร์ก เช่น π± มีซอน ซึ่งประกอบด้วย u- และแอนติ-ดี-ควาร์ก ปฏิกิริยาที่อ่อนแอทำให้เกิดการสลายตัวที่หายาก เช่น การสลายนิวตรอนให้เป็นโปรตอน อิเล็กตรอน และแอนตินิวตริโนของอิเล็กตรอน พาหะของอันตรกิริยาที่อ่อนแอคือ W- และ Z-bosons ทั้งควาร์กและเลปตันมีส่วนร่วมในการโต้ตอบที่อ่อนแอ แต่ด้วยพลังงานของเรามันมีขนาดเล็กมาก อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้อธิบายได้ง่ายๆ ด้วยมวลขนาดใหญ่ของโบซอน W และ Z ซึ่งมีขนาดหนักกว่าโปรตอนอยู่ 2 เท่า ที่พลังงานมากกว่ามวลของ W- และ Z-bosons แรงของแม่เหล็กไฟฟ้าและอันตรกิริยาอ่อนจะเทียบเคียงได้ และพวกมันรวมกันเป็นอันตรกิริยาอิเล็กโทรนิกส์เดียว สันนิษฐานว่าที่ b มาก โอพลังงานที่สูงขึ้นและปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งจะรวมเข้ากับส่วนที่เหลือ นอกจากปฏิกิริยาอิเล็กโทรอ่อนแอและปฏิกิริยารุนแรงแล้ว ยังมีปฏิกิริยาแรงโน้มถ่วงด้วย ซึ่งไม่รวมอยู่ในแบบจำลองมาตรฐาน

W, Z โบซอน

กรัม - กลูออน

H0 คือฮิกส์โบซอน

3

แบบจำลองมาตรฐานสามารถกำหนดได้สำหรับอนุภาคมูลฐานไร้มวลเท่านั้น เช่น ควาร์ก เลปตอน โบซอน W และ Z เพื่อให้พวกมันได้รับมวล มักจะแนะนำสนามฮิกส์ซึ่งตั้งชื่อตามนักวิทยาศาสตร์คนหนึ่งที่เสนอกลไกนี้ ในกรณีนี้ ควรมีอนุภาคพื้นฐานอีกตัวหนึ่งในแบบจำลองมาตรฐาน - ฮิกส์โบซอน การค้นหาอิฐก้อนสุดท้ายในอาคารเรียวของโมเดลมาตรฐานกำลังดำเนินการอย่างแข็งขันที่เครื่องชนที่ใหญ่ที่สุดในโลก - Large Hadron Collider (LHC) ได้รับการบ่งชี้ถึงการมีอยู่ของฮิกส์โบซอนซึ่งมีมวลประมาณ 133 โปรตอนแล้ว อย่างไรก็ตาม ความน่าเชื่อถือทางสถิติของข้อบ่งชี้เหล่านี้ยังไม่เพียงพอ คาดว่าภายในสิ้นปี 2555 สถานการณ์จะชัดเจนขึ้น

4

แบบจำลองมาตรฐานอธิบายการทดลองเกือบทั้งหมดในฟิสิกส์ของอนุภาคมูลฐานได้อย่างสมบูรณ์แบบ แม้ว่าการค้นหาปรากฏการณ์ที่อยู่นอกกรอบของแบบจำลองมาตรฐานจะดำเนินการอย่างต่อเนื่องก็ตาม คำแนะนำล่าสุดเกี่ยวกับฟิสิกส์นอกเหนือจาก SM คือการค้นพบในปี 2554 ถึงความแตกต่างอย่างมากอย่างไม่คาดคิดในคุณสมบัติของสิ่งที่เรียกว่ามีซอนที่มีเสน่ห์และปฏิปักษ์ของพวกมันในการทดลอง LHCb ที่ LHC อย่างไรก็ตาม เห็นได้ชัดว่าแม้แต่ความแตกต่างที่ยิ่งใหญ่ก็สามารถอธิบายได้ภายในกรอบของ SM ในทางกลับกัน ในปี 2011 ได้รับการยืนยันอีกครั้งเกี่ยวกับ SM ซึ่งได้รับการแสวงหามานานหลายทศวรรษ ซึ่งทำนายการมีอยู่ของฮาดรอนที่แปลกใหม่ นักฟิสิกส์จากสถาบันฟิสิกส์เชิงทฤษฎีและทดลอง (มอสโก) และสถาบัน ฟิสิกส์นิวเคลียร์(โนโวซีบีร์สค์) ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของการทดลอง BELLE ระหว่างประเทศ มีการค้นพบฮาดรอนที่ประกอบด้วยควาร์กสองตัวและแอนติควาร์กสองตัว เป็นไปได้มากว่าสิ่งเหล่านี้คือโมเลกุลที่เกิดจากมีซอน ซึ่งทำนายโดยนักทฤษฎี ITEP M. B. Voloshin และ L. B. Okun

5

แม้ว่า Standard Model จะประสบความสำเร็จ แต่ก็มีข้อบกพร่องมากมาย จำนวนพารามิเตอร์อิสระของทฤษฎีเกิน 20 ตัว และยังไม่ชัดเจนว่าลำดับชั้นมาจากไหน เหตุใดมวลของทีควาร์กจึงมากกว่ามวลของยูควาร์กถึง 100,000 เท่า เหตุใดค่าคงที่คัปปลิ้งของ t- และ d-ควาร์ก ซึ่งวัดครั้งแรกในการทดลอง ARGUS ระหว่างประเทศโดยมีนักฟิสิกส์ ITEP มีส่วนร่วมอย่างแข็งขัน ซึ่งน้อยกว่าค่าคงที่คัปปลิ้งของ c- และ d-ควาร์ก 40 เท่า SM ไม่ตอบคำถามเหล่านี้ สุดท้ายแล้ว เหตุใดควาร์กและเลปตันถึง 3 รุ่นจึงจำเป็น? นักทฤษฎีชาวญี่ปุ่น M. Kobayashi และ T. Maskawa แสดงให้เห็นในปี 1973 ว่าการมีอยู่ของควาร์ก 3 รุ่นทำให้สามารถอธิบายความแตกต่างในคุณสมบัติของสสารและปฏิสสารได้ สมมติฐานของ M. Kobayashi และ T. Maskawa ได้รับการยืนยันในการทดลอง BELLE และ BaBar โดยมีนักฟิสิกส์จาก BINP และ ITEP มีส่วนร่วมอย่างแข็งขัน ในปี 2008 M. Kobayashi และ T. Maskawa ได้รับรางวัลโนเบลสาขาทฤษฎีของพวกเขา

6

นอกจากนี้ยังมีปัญหาพื้นฐานเพิ่มเติมเกี่ยวกับโมเดลมาตรฐานอีกด้วย เรารู้แล้วว่า SM ยังไม่สมบูรณ์ เป็นที่ทราบกันดีจากการวิจัยทางดาราศาสตร์ว่ามีสสารที่ไม่อยู่ใน SM นี่คือสิ่งที่เรียกว่าสสารมืด มากกว่าเรื่องธรรมดาที่เราสร้างขึ้นประมาณ 5 เท่า บางทีข้อเสียเปรียบหลักของโมเดลมาตรฐานก็คือการขาดความสอดคล้องภายในตนเอง ตัวอย่างเช่น มวลธรรมชาติของฮิกส์โบซอนซึ่งเกิดขึ้นในแบบจำลองมาตรฐานเนื่องจากการแลกเปลี่ยนอนุภาคเสมือน มีขนาดใหญ่กว่ามวลที่จำเป็นในการอธิบายปรากฏการณ์ที่สังเกตได้หลายประการ หนึ่งในทางออกที่เป็นที่นิยมมากที่สุดใน ช่วงเวลาปัจจุบันคือสมมติฐานสมมาตรยิ่งยวด - การสันนิษฐานว่ามีความสมมาตรระหว่างเฟอร์มิออนและโบซอน แนวคิดนี้แสดงออกครั้งแรกในปี 1971 โดย Yu. A. Golfand และ E. P. Likhtman ที่ Lebedev Physical Institute และตอนนี้ก็ได้รับความนิยมอย่างมาก

7

การมีอยู่ของอนุภาคสมมาตรยิ่งยวดไม่เพียงแต่ทำให้พฤติกรรมของ SM มีเสถียรภาพเท่านั้น แต่ยังให้ตัวเลือกที่เป็นธรรมชาติมากสำหรับบทบาทของสสารมืด ซึ่งเป็นอนุภาคสมมาตรยิ่งยวดที่เบาที่สุด แม้ว่าในปัจจุบันยังไม่มีหลักฐานการทดลองที่เชื่อถือได้สำหรับทฤษฎีนี้ แต่ก็สวยงามมากและเป็นวิธีแก้ปัญหาของแบบจำลองมาตรฐานที่สวยงามจนหลายคนเชื่อในทฤษฎีนี้ LHC กำลังค้นหาอนุภาคสมมาตรยิ่งยวดและทางเลือกอื่นนอกเหนือจาก SM อย่างแข็งขัน ตัวอย่างเช่น พวกเขากำลังมองหามิติเพิ่มเติมของพื้นที่ หากมีอยู่ก็จะสามารถแก้ไขปัญหามากมายได้ บางทีแรงโน้มถ่วงอาจแข็งแกร่งในระยะทางที่ค่อนข้างไกล ซึ่งก็น่าประหลาดใจมากเช่นกัน แบบจำลองและกลไกทางเลือกอื่นๆ ของฮิกส์สำหรับการเกิดขึ้นของมวลในอนุภาคมูลฐานก็เป็นไปได้ การค้นหาเอฟเฟกต์ที่อยู่นอกเหนือโมเดลมาตรฐานนั้นมีการใช้งานมาก แต่ก็ยังไม่ประสบผลสำเร็จ หลายๆ อย่างน่าจะชัดเจนขึ้นในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า