Стандартна модель елементарних частинок для чайників. За межами Стандартної моделі: чого ми не знаємо про Всесвіт. Стандартна модель і електромагнетизм

Світ елементарних частинок підпорядковується квантовим законам і все ще не до кінця пізнаний. Визначальним поняттям при побудові різних моделей взаємодії елементарних частинок є поняття симетрії, що розуміється як математичне властивість незмінності процесів взаємодії при різних перетвореннях координат або внутрішніх параметрів моделі. Такі перетворення утворюють групи називаються групами симетрії.

Саме на основі поняття симетрії будується і Стандартна модель. Перш за все, вона має просторово-часової симетрією щодо обертань і зрушень в просторі-часі. Відповідна група симетрії носить назву групи Лоренца (або Пуанкаре). Цією симетрії відповідає незалежність пророкувань від вибору системи відліку. Крім того, є групи внутрішньої симетрії - симетрії щодо обертань в просторі «ізоспіна» і «кольору» (в разі слабких і сильних взаємодій відповідно). Також ще є група фазових обертань, пов'язана з електромагнітними взаємодіями. Цим симетрія відповідають закони збереження електричного заряду, «кольорового» заряду і т.д. Повна група внутрішньої симетрії Стандартної моделі, отримана на основі аналізу численних експериментальних даних, є твір унітарних груп SU (3) x SU (2) x U (1). Всі частинки Стандартної моделі належать різним уявленням групсиметрії, причому частинки різного спина ніколи не перемішуються.

стандартна модель - сучасна теорія будови і взаємодій елементарних частинок, теорія базується на дуже невеликій кількості постулатів і дозволяє теоретично передбачати властивості різних процесів у світі елементарних частинок. Для опису властивостей і взаємодій елементарних частинок використовується поняття фізичного поля, яке ставиться у відповідність кожній частинці: електронне, мюонне, кваркову і т.д. Поле є специфічна форма розподілу матерії в просторі. Поля, зіставляються елементарних частинок, мають квантову природу. Елементарні частинки є квантами відповідних полів. Робочим інструментом Стандартної моделі є квантова теорія поля. Квантова теорія поля (КТП) є теоретичною основою опису мікрочастинок, їх взаємодій і взаємоперетворення. Maтематіческій апарат квантової теорії поля (КТП) дозволяє описати народження і знищення частинки в кожній просторово-часової точці.

Стандартна модель описує три типи взаємодії: електромагнітну, слабку і сильну. Гравітаційна взаємодія Не заходь в Стандартну модель.

Основним питанням для опису динаміки елементарних частинок є питання про вибір системи первинних полів, тобто про вибір частинок (і відповідно полів), які слід вважати найбільш фундаментальними (елементарними) при описі спостережуваних частинок матерії. Стандартна модель відбирає в якості фундаментальних частинок безструктурні частинки зі спіном ½: три пари лептонів (, (і три пари кварків зазвичай групуються в три покоління.

Вся матерія складається з кварків, лептонів і частинок - переносників взаємодій.

Стандартною моделлю сьогодні прийнято називати теорію, найкращим чином відображає наші уявлення про вихідний матеріал, з якого спочатку побудована Всесвіт. Вона ж описує, як саме матерія утворюється з цих базових компонентів, і сили і механізми взаємодії між ними.

Зі структурної точки зору елементарні частинки, з яких складаються атомні ядра ( нуклони), І взагалі все важкі частинки - адрони (баріони і мезони) - складаються з ще більш простих частинок, які прийнято називати фундаментальними. У цій ролі по-справжньому фундаментальних первинних елементів матерії виступають кварки, Електричний заряд яких дорівнює 2/3 або -1/3 одиничного позитивного заряду протона. Найпоширеніші і легкі кварки називають верхнім і нижнім і позначають, відповідно, u (Від англійського up) і d(down). Іноді їх же називають протонним і нейтронним кварком через те, що протон складається з комбінації uud, А нейтрон - udd. Верхній кварк має заряд 2/3; нижній - негативний заряд -1/3. Оскільки протон складається з двох верхніх і одного нижнього, а нейтрон - з одного верхнього і двох нижніх кварків, ви можете самостійно переконатися, що сумарний заряд протона і нейтрона виходить строго рівним 1 і 0, і упевнитися, що в цьому Стандартна модель адекватно описує реальність . Дві інші пари кварків входять до складу більш екзотичних частинок. Кварки з другої пари називають зачарованим - c(від charmed) і дивним - s (від strange). Третю пару складають істинний - t (від truth, Або в англ. традиції top) і вродливий - b (від beauty, Або в англ. традиції bottom) Кварки. Практично всі частинки, що передбачаються Стандартною моделлю і складаються з різних комбінацій кварків, вже відкриті експериментально.

Інший будівельний набір складається з цеглинок, званих лептонами.Найпоширеніший з лептонів - давно нам знайомий електрон, Що входить в структуру атомів, але не бере участь в ядерних взаємодіях, обмежуючись міжатомними. Крім нього (і парної йому античастинки під назвою позитрон) До лептонам відносяться більш важкі частинки - мюон і тау-лептон з їх античастинками. Крім того, кожному лептонного сопоставлена \u200b\u200bсвоя незаряджена частинка з нульовою (або практично нульовий) масою спокою; такі частинки називаються, відповідно, електронне, мюонне або Таон нейтрино.

Отже, лептони, подібно кваркам, також утворюють три «сімейних пари». Така симетрія не вислизнула від наглядових очей теоретиків, однак переконливого пояснення їй досі не запропоновано. Як би там не було, кварки і лептони є основний будівельний матеріал Всесвіту.

Щоб зрозуміти зворотний бік медалі - характер сил взаємодії між кварками і лептонами, - потрібно зрозуміти, як сучасні фізики-теоретики інтерпретують саме поняття сили. У цьому нам допоможе аналогія. Уявіть собі двох човнярів, гребущіх на зустрічних курсах по річці Кем в Кембриджі. Один весляр від щедрості душевної вирішив пригостити колегу шампанським і, коли вони пропливали один повз одного, кинув йому повну пляшку шампанського. В результаті дії закону збереження імпульсу, коли перший весляр кинув пляшку, курс його човна відхилився від прямолінійного в протилежну сторону, а коли другий весляр зловив пляшку, її імпульс передався йому, і другий човен також відхилилася від прямолінійного курсу, але вже в протилежну сторону. Таким чином, в результаті обміну шампанським обидва човни змінили напрямок. Відповідно до законів механіки Ньютона це означає, що між човнами відбулося силове взаємодія. Але ж човна не вступали між собою в пряме зіткнення? Тут ми і бачимо наочно, і розуміємо інтуїтивно, що сила взаємодії між човнами була передана носієм імпульсу - пляшкою шампанського. Фізики назвали б її переносником взаємодії.

У точності так само і силові взаємодії між частками відбуваються за допомогою обміну частинками-переносниками цих взаємодій. Фактично, відмінність між фундаментальними силами взаємодії між частинками ми і проводимо лише остільки, оскільки в ролі переносників цих взаємодій виступають різні частки. Таких взаємодій чотири: сильне(Саме воно утримує кварки всередині частинок), електромагнітне, слабке(Саме воно призводить до деяких форм радіоактивного розпаду) і гравітаційне. Переносниками сильного колірного взаємодії є глюони, Що не володіють ні масою, ні електричним зарядом. Цей тип взаємодії описується квантовою хромодинаміки. Електромагнітна взаємодія відбувається за допомогою обміну квантами електромагнітного випромінювання, які називаються фотонами і також позбавлені маси . Слабка взаємодія, навпаки, передається масивними векторними або калібрувальними бозонами, Які «важать» в 80-90 разів більше протона, - в лабораторних умовах їх вперше вдалося виявити лише на початку 1980-х років. Нарешті, гравітаційна взаємодія передається за допомогою обміну що не володіють власною масою гравітонами - цих посередників поки що експериментально виявити не вдалося.

В рамках Стандартної моделі перші три типи фундаментальних взаємодій вдалося об'єднати, і вони більш не розглядаються окремо, а вважаються трьома різними проявами сили єдиної природи. Повертаючись до аналогії, припустимо, що інша пара горобців, пропливаючи один повз одного по річці Кем, обмінялася НЕ пляшкою шампанського, а всього лише стаканчиком морозива. Від цього човна також відхиляться від курсу в протилежні сторони, але значно слабше. Сторонньому спостерігачеві може здатися, що в цих двох випадках між човнами діяли різні сили: в першому випадку відбувся обмін рідиною (пляшку я пропоную до уваги не брати, оскільки більшості з нас цікаво її вміст), а в другому - твердим тілом (морозивом). А тепер уявіть, що в Кембриджі в той день стояла рідкісна для північних місць літня спека, і морозиво в польоті розтануло. Тобто, досить деякого підвищення температури, щоб зрозуміти, що, фактично, взаємодія не залежить від того, рідке або тверде тіло виступає в ролі його переносника. Єдина причина, по якій нам уявлялося, що між човнами діють різні сили, полягала в зовнішньому відміну переносника-морозива, викликаному недостатньою для його плавлення температурою. Підніміть температуру - і сили взаємодії постануть наочно єдиними.

Сили, що діють у Всесвіті, також сплавляються воєдино при високих енергіях (температурах) взаємодії, після чого розрізнити їх неможливо. першими об'єднуються(Саме так це прийнято називати) слабке ядерне і електромагнітне взаємодії. В результаті ми отримуємо так зване електрослабкої взаємодія, Що спостерігається навіть лабораторно при енергіях, що розвиваються сучасними прискорювачами елементарних частинок. У ранньому Всесвіті енергії були настільки високі, що в перші 10 -10 секунди після Великого вибуху не було межі між слабкими ядерними і електромагнітними силами. Лише після того, як середня температура Всесвіту знизилася до 10 14 K, всі чотири спостерігаються сьогодні силові взаємодії розділилися і прийняли сучасний вигляд. Поки температура була вище цієї позначки, діяли лише три фундаментальні сили: сильного, об'єднаного електрослабкої і гравітаційного взаємодій.

Об'єднання електрослабкої і сильної ядерної взаємодії відбувається при температурах близько 10 27 К. У лабораторних умовах такі енергії сьогодні недосяжні. Найпотужніший сучасний прискорювач - будується в даний час на кордоні Франції та Швейцарії Великий адронний коллайдер (Large Hadron Collider) - зможе розганяти частинки до енергій, які складають всього 0,000000001% від необхідної для об'єднання електрослабкої і сильної ядерного взаємодій. Так що, ймовірно, експериментального підтвердження цього об'єднання чекати нам доведеться довго. Таких енергій немає і в сучасному Всесвіті, проте в перші 10 -35 з її існування температура Всесвіту була вище 10 27 Між, і у Всесвіті діяло всього дві сили - електросільногоі гравітаційної взаємодії. Теорії, що описують ці процеси, називають «теоріями Великого об'єднання» (ТВО). Безпосередньо перевірити ТВО можна, але вони дають певні прогнози і щодо процесів, що протікають при більш низьких енергіях. На сьогоднішній день всі прогнози ТВО для відносно низьких температур і енергій підтверджуються експериментально.

Отже, Стандартна модель, в узагальненому вигляді, являє собою теорію будови Всесвіту, в якій матерія складається з кварків і лептонів, а сильні, електромагнітні і слабкі взаємодії між ними описуються теоріями великого об'єднання. Така модель, очевидно, не повна, оскільки не включає гравітацію. Імовірно, більш повна теорія з часом все-таки буде розроблена ( см. Універсальні теорії), а на сьогодні Стандартна модель - це найкраще з того, що ми маємо.

«Елементи»

Нещодавнє відкриття групи вчених на чолі з Жоакима Матіасом вперше серйозно похитнуло основу сучасної фізики частинок, а саме - Стандартну модель. Дослідникам вдалося передбачити нестандартний варіант розпаду частинки B-мезона, який дана модель не враховує. Більш того, практично відразу їх здогади були підтверджені експериментально.

Слід зауважити, що останнім часом фізики, що займаються вивченням елементарних частинок, все частіше говорять про те, що цій дисципліні вже стало затісно в рамках звичної всім Стандартної моделі. Дійсно, вже зареєстровано багато явищ, які в її рамках пояснити складно. Наприклад, ця модель не може передбачити, які частки можуть становити темну матерію, а також не дає відповіді на питання, який вже давно мучить учених - чому в нашому Всесвіті речовини більше, ніж антиречовини (баріонів асиметрія). Та й ерзіонная інтерпретація процесу холодної трансмутації ядер, про яку ми не так давно писали, теж виходить за межі "дії" тієї самої Стандартної моделі.

Проте, все-так більшість фізиків досі дотримуються саме цього способу пояснення загадкового життя елементарних частинок. Частково через те, що поки нічого кращого ніхто не створив, почасти ж тому, що велика частина пророкувань Стандартної моделі все-таки має експериментальне підтвердження (чого не можна сказати про альтернативні гіпотези). Більш того, до останнього часу знайти в експериментах серйозні відхилення від цієї моделі все-таки не вдавалося. Втім, схоже не так давно це все-таки сталося. Подібне може означати народження абсолютно нової теорії фізики частинок, згідно з якою нинішня Стандартна модель буде виглядати окремим випадком - так само, як ньютонівська теорія всесвітнього тяжіння виглядає окремим випадком гравітації в рамках загальної теорії відносності.

А почалося все з того, що міжнародна група фізиків на чолі з Жоакима Матіасом зробили кілька прогнозів про те, які саме відхилення по ймовірності розпаду B-мезона можуть розходитися зі Стандартною моделлю і свідчити про нову фізики. Нагадаю, що B-мезонів називають частку, що складається з b-кварка і d-антікварка. Згідно з положеннями Стандартної моделі, ця частка може розпадатися на мюон (негативно заряджена частинка, по суті справи - дуже важкий електрон) і антимюонів, хоча ймовірність подібного події не надто велика. Проте, в минулому році на конференції в Кіото фізики, що працюють на Великому адронному колайдері повідомили, що їм вдалося зафіксувати сліди подібного розпаду (причому з тієї ймовірністю, що і була передбачена теоретично).

Група Матіаса ж порахувала, що цей мезон повинен розпадатися трохи інакше - на пару мюонів і невідому поки що частку K *, яка майже відразу розпадається на каона і півонія (два легших мезона). Примітно, що про результати своїх досліджень вчені доповіли 19 липня на зборах Європейського фізичного товариства і наступний же доповідач з тих, хто виступав на даному заході (це був фізик Ніколя Серра з колаборації LHCb з Великого адронного коллайдера) повідомив, що його групі вдалося зафіксувати сліди таких розпадів. Більш того, експериментальні результати групи Серра практично повністю співпали з відхиленнями, передбаченими в доповіді доктора Матіаса і його співавторів!

Цікаво, що фізики оцінюють ці результати зі статистичною значущістю в 4,5σ, а це означає, що достовірність описаного події вельми і вельми велика. Нагадаю, що експериментальні свідоцтва в три σ розглядаються як результати істотної значущості, а п'ять σ вважаються цілком собі таким, що відбувся відкриттям - саме таке значення достовірності було присвоєно результатами минулорічних експериментів, які нарешті виявили сліди існування бозона Хіггса.

Проте, сам доктор Матіас вважає, що поки не варто поспішати з висновками. "Для підтвердження цих результатів будуть потрібні додаткові теоретичні дослідження, так само як і нові виміри. Однак якщо наші висновки дійсно вірні, ми опинимося перед обличчям першого прямого підтвердження існування нової фізики - теорії більш загальної, ніж загальноприйнята Стандартна модель. Якщо бозон Хіггса дозволив нарешті скласти пазл Стандартної моделі, то ці результати можуть бути першим шматочком нового пазла - куди більшого розміру "- говорить вчений.

У фізиці елементарними частинками називали фізичні об'єкти в масштабах ядра атома, які неможливо розділити на складові частини. Однак, на сьогодні, вченим все ж таки вдалося розщепити деякі з них. Структуру і властивості цих найдрібніших об'єктів вивчає фізика елементарних частинок.

Про найменших частинках, складових всю матерію, було відомо ще в давнину. Однак, основоположниками так званого «атомізму» прийнято вважати філософа Стародавньої Греції Левкіппа і його більш відомого учня - Демокріта. Передбачається, що другий і ввів термін «атом». З давньогрецького «atomos» перекладається як «неподільний», що визначає погляди древніх філософів.

Пізніше стало відомо, що атом все ж можна розділити на дві фізичні об'єкта - ядро \u200b\u200bі електрон. Останній згодом і став першою елементарною частинкою, коли в 1897-му році англієць Джозеф Томсон провів експеримент з катодними променями і виявив, що вони являють собою потік однакових часток з однаковими масою і зарядом.

Паралельно з роботами Томсона, який займається дослідженням рентгенівського випромінювання Анрі Беккерель проводить досліди з ураном і відкриває новий вид випромінювання. У 1898 році французька пара фізиків - Марія і П'єр Кюрі вивчають різні радіоактивні речовини, виявляючи те ж саме радіоактивне випромінювання. Пізніше буде встановлено, що воно складається з альфа (2 протона і 2 нейтрона) і бета-частинок (електрони), а Беккерель і Кюрі отримають Нобелівську премію. Проводячи свої дослідження з такими елементами як уран, радій і полоній, Марія Склодовська-Кюрі не робила ніяких заходів безпеки, в тому числі не використовувала навіть рукавички. Як наслідок в 1934 році її наздогнала лейкемія. На згадку про досягнення великого вченого, відкритий парою Кюрі елемент, полоній, був названий на честь батьківщини Марії - Polonia, з латинської - Польща.

Фотографія з V Сольвеєвський конгресу 1927 рік. Спробуйте знайди всіх вчених з цієї статті на даному фото.

Починаючи з 1905-го року, Альберт Ейнштейн присвячує свої публікації недосконалості хвильової теорії світла, постулати якої розходилися з результатами експериментів. Що згодом призвело видатного фізика до ідеї про «світловому квант» - порції світла. Пізніше, в 1926-му році, він був названий як «фотон», в перекладі з грецького «phos» ( «світло»), американським фізіохіміком - Гилбертом Н. Льюїсом.

У 1913 році Ернест Резерфорд, британський фізик, грунтуючись на результатах вже проведених на той час експериментів, зазначив, що маси ядер багатьох хімічних елементів кратні масі ядра водню. Тому він припустив, що ядро \u200b\u200bводню є складовою ядер інших елементів. У своєму експерименті Резерфорд опромінював альфа-частками атом азоту, який в результаті випромінюючи якусь частку, названу Ернестом як «протон», з ін. Грецького «протос» (перший, основний). Пізніше було експериментально доведено, що протон - це ядро \u200b\u200bводню.

Очевидно, протон, не єдина складова частина ядер хімічних елементів. До такої думки наводить той факт, що два протона в ядрі відштовхувалися б, і атом миттєво розпадався. Тому Резерфорд висунув гіпотезу про наявність ще однієї частки, яка має масу, рівну масі протона, але є незарядженою. Деякі досліди вчених із взаємодії радіоактивних і більш легких елементів, привели їх до відкриття ще одного нового випромінювання. У 1932-му році Джеймс Чедвік визначив, що воно складається з тих самих нейтральних частинок, які назвав нейтронами.

Таким чином, були відкриті найбільш відомі частинки: фотон, електрон, протон і нейтрон.

Далі відкриття нових суб'ядерних об'єктів ставали все більш частим подією, і на даний момент відомо близько 350 частинок, які прийнято вважати «елементарними». Ті з них, які до сих пір не вдалося розщепити, вважаються безструктурними і називаються «фундаментальними».

Що таке спін?

Перш ніж переходити до подальших інновацій в галузі фізики, слід визначитися з характеристиками всіх частинок. До найбільш відомих, не рахуючи маси і електричного заряду, відноситься також і спин. Дана величина називається інакше як «власний момент імпульсу» і жодним чином не пов'язана з переміщенням суб'ядерними об'єкта як цілого. Вченим вдалося виявити частинки зі спіном 0, ½, 1, 3/2 і 2. Щоб уявити наочно, хоч і спрощено, спин, як властивість об'єкта, розглянемо наступний приклад.

Нехай у предмета є спін рівний 1. Тоді такий об'єкт при повороті на 360 градусів повернеться в початкове положення. На площині цим предметом може бути олівець, який після розвороту на 360 градусів виявиться в початковому положенні. У випадку з нульовим спіном, при будь-якому обертанні об'єкта він буде виглядати завжди однаково, наприклад, одноколірний м'ячик.

Для спина ½ потрібно предмет, який зберігає свій вигляд при розвороті на 180 градусів. Їм може бути все той же олівець, тільки симетрично наточеними з обох сторін. Спін рівний 2 зажадає збереження форми при повороті на 720 градусів, а 3/2 - 540.

Дана характеристика має дуже велике значення для фізики елементарних частинок.

Стандартна модель частинок і взаємодій

Маючи значний набір мікрооб'єктів, що становлять навколишній світ, вчені вирішили їх структурувати, так утворилася відома всім теоретична конструкція під назвою «Стандартна модель». Вона описує три взаємодії і 61 частку за допомогою 17-ти фундаментальних, деякі з яких були нею передбачені задовго до відкриття.

Три взаємодії такі:

• Електромагнітне. Воно відбувається між електрично зарядженими частинками. У простому випадку, відомому зі школи, - разноименно заряджені об'єкти притягуються, а однойменно - відштовхуються. Відбувається це за допомогою, так званого переносника електромагнітної взаємодії - фотона.
• Сильне, інакше - ядерна взаємодія. Як зрозуміло з назви, його дія поширюється на об'єкти порядку ядра атома, воно відповідає за притягання протонів, нейтронів і інших часток, також складаються з кварків. Сильна взаємодія переноситься за допомогою глюонів.
• Слабке. Діє на відстанях в тисячу менших розміру ядра. У такій взаємодії беруть участі лептони і кварки, а також їх античастинки. При цьому в разі слабкої взаємодії вони можуть перевтілюватися один в одного. Переносниками є бозони W +, W- і Z0.

Так Стандартна модель сформувалася в такий спосіб. Вона включає шість кварків, з яких складаються всі адрони (частки, схильні до сильному взаємодії):

• Верхній (u);
• Зачарований (c);
• Істинний (t);
• Нижній (d);
• Дивний (s);
• Чарівний (b).

Видно, що епітетів фізикам не позичати. Інші 6 частинок - лептони. Це фундаментальні частинки зі спіном ½, які не беруть участі в сильній взаємодії.

• електрон;
• Електронне нейтрино;
• мюон;
• Мюонне нейтрино;
• Тау-лептон;
• Тау-нейтрино.

А третьою групою Стандартної моделі є калібровані бозони, які мають спін рівний 1 і представляються переносниками взаємодій:

• Глюон - сильне;
• Фотон - електромагнітне;
• Z-бозон - слабке;
• W-бозон - слабке.

До них також відноситься і недавно виявлений, частка зі спіном 0, яка, спрощено кажучи, наділяє всі інші суб'ядерними об'єкти інертною масою.

В результаті, згідно зі Стандартною моделлю, наш світ виглядає таким чином: вся речовина складається з 6 кварків, що утворюють адрони, і 6 лептонів; всі ці частинки можуть брати участь в трьох взаємодіях, переносниками яких є калібровані бозони.

Недоліки Стандартної моделі

Однак, ще до відкриття бозона Хіггса - останній частки, передбачали Стандартною моделлю, вчені вийшли за її межі. Яскравим прикладом тому є т.зв. «Гравітаційна взаємодія», яке сьогодні знаходиться на рівні з іншими. Імовірно, переносником його є частка зі спіном 2, яка не має маси, і яку фізикам ще не вдалося виявити - «гравітон».

Мало того, Стандартна модель описує 61 частку, а на сьогоднішній день людству відомо вже більше 350 частинок. Це означає, що на досягнутому робота фізиків-теоретиків не закінчено.

Класифікація частинок

Щоб спростити собі життя, фізики згрупували всі частинки в залежності від особливостей їх будови та інших характеристик. Класифікація буває за такими ознаками:

• Час життя.
  1. Стабільні. У їх числі протон і антипротон, електрон і позитрон, фотон, а також гравітон. Існування стабільних частинок не обмежена часом, до тих пір, поки вони знаходяться у вільному стані, тобто не взаємодіють з чим-небудь.
  2. Нестабільні. Всі інші частинки через деякий час розпадаються на свої складові частини, тому називаються нестабільними. Наприклад, мюон живе всього лише 2,2 мікросекунди, а протон - 2,9.10 * 29 років, після чого може розпастися на позитрон і нейтральний півонія.
• Маса.
  1. Безмасові елементарні частинки, яких всього три: фотон, глюон і гравітон.
  2. Масивні частки - всі інші.
• Значення спина.
  1. Цілий спин, в т.ч. нульовий, мають частки, які називаються бозони.
  2. Частинки з напівцілим спіном - ферміони.
• Участь у взаємодіях.
  1. Адрони (структурні частинки) - суб'ядерними об'єкти, що беруть участь у всіх чотирьох типах взаємодій. Раніше згадувалося, що вони складаються з кварків. Адрони діляться на два підтипи: мезони (цілий спін, є бозонами) і баріони (напівцілий спин - ферміони).
  2. Фундаментальні (безструктурні частинки). До них відносяться лептони, кварки і калібрувальні бозони (читайте раніше - «Стандартна модель ..»).

Ознайомившись з класифікацією всіх частинок, можна, наприклад, точно визначити деякі з них. Так нейтрон є ферміоном, адроном, а точніше баріонів, і нуклоном, тобто має напівцілий спин, складається з кварків і бере участь в 4-х взаємодіях. Нуклон ж - це загальна назва для протонів і нейтронів.

• Цікаво, що противники атомізму Демокріта, який передбачав існування атомів, заявляли, що будь-яка речовина в світі ділиться до нескінченності. В якійсь мірі вони можуть виявитися правими, так як вченим вже вдалося розділити атом на ядро \u200b\u200bі електрон, ядро \u200b\u200bна протон і нейтрон, а їх в свою чергу на кварки.
• Демокріт припускав, що атоми мають чітку геометричну форму, і тому «гострі» атоми вогню - обпалюють, шорсткі атоми твердих тіл міцно скріплюються своїми виступами, а гладкі атоми води прослизають при взаємодії, інакше - течуть.
• Джозеф Томсон написав свою модель атома, який був для нього як позитивно заряджене тіло, в яке як би «встромлені» електрони. Його модель отримала назву «пудинг з родзинками» (Plum pudding model).
• Кварки отримали свою назву завдяки американському фізику Мюррею Гелл-Манна. Вчений хотів використовувати слово, схоже на звук крякання качки (kwork). Але в романі Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану» зустрів слово «quark», в рядку «Три кварка для містера Марка!», Сенс якого точно не визначений і можливо, що Джойс використовував його просто для рими. Мюррей вирішив назвати частки цим словом, так як на той час було відомо лише три кварка.
• Хоча фотони, частинки світла, є безмасовими, поблизу чорної діри, здається, що вони змінюють свою траєкторію, притягаючи до неї за допомогою гравітаційної взаємодії. Насправді ж надмасивних тіло викривляє простір-час, через що будь-які частинки, в тому числі і не мають маси, змінюють свою траєкторію в сторону чорної діри (див.).
• Великий адронний коллайдер саме тому «адронний», що зіштовхує два спрямованих пучка адронів, частинок розмірами порядку ядра атома, які беруть участь у всіх взаємодіях.

«Ми задаємося питанням, чому група талановитих і відданих своїй справі людей готова присвятить життя гонитві за такими малесенькими об'єктами, які навіть неможливо побачити? Насправді, в заняттях фізиків елементарних частинок проявляється людська цікавість і бажання дізнатися, як влаштований світ, в якому ми живемо »Шон Керролл

Якщо ви все ще боїтеся фрази квантова механіка і до сих пір не знаєте, що таке стандартна модель - ласкаво просимо під кат. У своїй публікації я спробую максимально просто і наочно пояснити ази квантового світу, а так само фізики елементарних частинок. Ми спробуємо розібратися, в чому основні відмінності фермионов і бозонів, чому кварки мають такі дивні назви, і нарешті, чому все так хотіли знайти Бозон Хіггса.

З чого ми складаємося?

Ну що ж, наша подорож в мікросвіт ми почнемо з простого питання: з чого складаються навколишні нас предмети? Наш світ, як будинок, складається з безлічі невеликих цеглинок, які особливим чином поєднуючись, створюють щось нове, не тільки за зовнішнім виглядом, але ще й за своїми властивостями. На ділі, якщо сильно до них придивитися, то можна виявити, що різних видів блоків не так вже й багато, просто кожен раз вони з'єднуються один з одним по-різному, утворюючи нові форми і явища. Кожен блок - це неподільна елементарна частинка, про яку і піде мова в моєму оповіданні.

Для прикладу, візьмемо будь-яке речовина, нехай у нас це буде другий елемент періодичної системи Менделєєва, інертний газ, гелій. Як і інші речовини у Всесвіті, гелій складається з молекул, які в свою чергу утворені зв'язками між атомами. Але в даному випадку, для нас, гелій трохи особливий, тому що він складається всього з одного атома.

З чого складається атом?

Атом гелію, в свою чергу, складається з двох нейтронів і двох протонів, складових атомне ядро, навколо якого обертаються два електрони. Найцікавіше, що абсолютно неподільним тут є лише електрон.

Цікавий момент квантового світу

чим менше маса елементарної частинки, тим більше місця вона займає. Саме з цієї причини електрони, які в 2000 разів легше протона, займають набагато більше місця в порівнянні з ядром атома.

Нейтрони і протони відносяться до групи так званих адронів (Часток, що піддаються сильному взаємодії), а якщо бути ще точніше, баріонів.

Адрони можна розділити на групи

• Баріонів, які складаються з трьох кварків
• Мезонів, які складаються з пари: частка-античастинка

Нейтрон, як зрозуміло з його назви, є нейтрально зарядженим, і може бути поділений на два нижніх кварка і один верхній кварк. Протон, позитивно заряджена частинка, ділиться на один нижній кварк і два верхніх кварка.

Так, так, я не жартую, вони дійсно називаються верхній і нижній. Здавалося б, якщо ми відкрили верхній і нижній кварк, та ще електрон, то зможемо з їх допомогою описати весь Всесвіт. Але це твердження було б дуже далеко від істини.

Головна проблема - частинки повинні якось між собою взаємодіяти. Якби світ складався лише з цієї трійці (нейтрон, протон і електрон), то частинки б просто літали по безкрайніх просторах космосу і ніколи б не збиралися в більші утворення, начебто адронів.

Ферміони і Бозони

Досить давно вченими була придумана зручна і лаконічна форма подання елементарних частинок, названа стандартною моделлю. Виявляється, все елементарні частинки діляться на ферміони, З яких і складається вся матерія, і бозони, Які переносять різні види взаємодій між фермионами.

Різниця між цими групами дуже наочна. Справа в тому, що ферміонами для виживання за законами квантового світу потрібен певний простір, а для бозонів майже не важлива наявність вільного місця.

ферміони

Група фермионов, як було вже сказано, створює видиму матерію навколо нас. Що б ми і де ні побачили, створено фермионами. Ферміони діляться на кварки, Сильно взаємодіючі між собою і замкнені всередині більш складних частинок на зразок адронів, і лептони, Які вільно існують в просторі незалежно від своїх побратимів.

кварки діляться на дві групи.

• Верхнього типу. До кваркам верхнього типу, з зарядом +2 \\ 3, відносять: верхній, зачарований і істинний кварки
• Нижнього типу. До кваркам нижнього типу, з зарядом -1 \\ 3, відносять: нижній, дивний і чарівний кварки

Істинний і чарівний є найбільшими кварками, а верхній і нижній - найменшими. Чому кваркам дали такі незвичайні назви, а кажучи більш правильно, «аромати», до сих пір для вчених предмет суперечок.

лептони також діляться на дві групи.

• Перша група, з зарядом «-1», до неї відносять: електрон, мюон (важчу частку) і тау-частинку (наймасивнішу)
• Друга група, з нейтральним зарядом, містить: електронне нейтрино, мюонне нейтрино і тау-нейтрино

Нейтрино - є мала частка речовини, засікти яку практично неможливо. Її заряд завжди дорівнює 0.

Виникає питання, чи не знайдуть фізики ще кілька поколінь частинок, які будуть ще більш масивними, в порівнянні з попередніми. На нього відповісти важко, проте теоретики вважають, що покоління лептонів і кварків вичерпуються трьома.

Чи не вважаєте ніякої схожості? І кварки, і лептони діляться на дві групи, які відрізняються один від одного зарядом на одиницю? Але про це пізніше ...

бозони

Без них би ферміони суцільним потоком літали по всесвіту. Але обмінюючись бозона, ферміони повідомляють один одному будь-якої вид взаємодії. Самі бозони ж один з одним практично не взаємодіють.
Насправді, деякі бозони все ж взаємодіють один з одним, але про це буде розказано більш докладно в наступних статтях про проблеми мікросвіту

Взаємодія, що передається бозона, буває:

• електромагнітним, Частки - фотони. За допомогою цих безмассових частинок передається світло.
• сильним ядерним, Частки - глюони. З їх допомогою кварки з ядра атома не розпадаються на окремі частки.
• слабким ядерним, Частки - ± W і Z бозони. З їх допомогою ферміони перекидаються масою, енергією, і можуть перетворюватися один в одного.
• гравітаційним , Частки - гравітон. Надзвичайно слабка в масштабах мікросвіту сила. Стає видимою тільки на надмасивних тілах.

Застереження про гравітаційній взаємодії.
Існування гравітонів експериментально ще не підтверджено. Вони існують лише у вигляді теоретичної версії. У стандартній моделі в більшості випадків їх не розглядають.

Ось і все, стандартна модель зібрана.

Проблеми тільки почалися

Незважаючи на дуже гарне уявлення частинок на схемі, залишилося два питання. Звідки частки беруть свою масу і що таке бозон Хіггса, Який виділяється з інших бозонів.

Для того, що б розуміти ідею застосування бозона Хіггса, нам необхідно звернутися до квантової теорії поля. Говорячи простою мовою, можна стверджувати, що весь світ, весь Всесвіт, складається не з найдрібніших частинок, а з безлічі різних полів: глюонного, кваркового, електронного, електромагнітного і.т.д. У всіх цих полях постійно виникають незначні коливання. Але найбільш сильні з них ми сприймаємо як елементарні частинки. Та й цю тезу досить спірне. З точки зору корпускулярно-хвильового дуалізму, один і той же об'єкт мікросвіту в різних ситуаціях поводиться то як хвиля, то як елементарна частинка, це залежить лише від того, як фізику, спостерігає за процесом, зручніше змоделювати ситуацію.

поле Хіггса

Виявляється, існує так зване поле Хіггса, середнє значення якого не хоче прагнути до нуля. В результаті чого, це поле намагається прийняти деяке постійне нульове значення у всьому Всесвіті. Поле складає всюдисущий і постійний фон, в результаті сильних коливань якого і з'являється Бозон Хіггса.
І саме завдяки полю Хіггса, частинки наділяються масою.
Маса елементарної частинки, залежить від того, наскільки сильно вона взаємодіє з полем Хіггса, Постійно пролітаючи усередині нього.
І саме через бозона Хіггса, а точніше через його поля, стандартна модель має так багато схожих груп частинок. Поле Хіггса змусило зробити безліч додаткових частинок, таких, наприклад, як нейтрино.

підсумки

Те, що було розказано мною, це самі поверхневі поняття про природу стандартної моделі і про те, навіщо нам потрібен Бозон Хіггса. Деякі вчені до цих пір в глибині душі сподіваються, що частка, знайдена в 2012 році і схожа на Бозон Хіггса в ВАКу, була просто статистичною похибкою. Адже поле Хіггса порушує багато красивих симетрії природи, роблячи розрахунки фізиків більш заплутаними.
Деякі навіть вважають, що стандартна модель доживає свої останні роки через свою недосконалість. Але експериментально це не доведено, і стандартна модель елементарних частинок залишається чинним зразком генія людської думки.