Що описує стандартна модель елементарних частинок. Стандартна модель фізики частинок. Що таке спін

Сучасне уявлення про фізику частинок міститься в так званій стандартної Моделі . Стандартна Модель (СМ) фізики частинок базується на квантової електродинаміки, квантової хромодинамике і кварк-Партон моделі.
Квантова електродинаміка (КЕД) - високоточна теорія - описує процеси, що відбуваються під дією електромагнітних сил, які вивчені з високим ступенем точності.
Квантова хромодинамика (КХД), що описує процеси сильних взаємодій, будується за аналогією з КЕД, але в більшій мірі є напівемпіричної моделлю.
Кварк-Партон модель об'єднує теоретичні та експериментальні результати досліджень властивостей частинок і їх взаємодій.
До цих пір не виявлено відхилень від Стандартної Моделі.
Основний зміст Стандартної Моделі представлено в таблицях 1, 2, 3. конституентов матерії є три покоління фундаментальних ферми онов (I, II, III), властивості яких перераховані в табл. 1. Фундаментальні бозони - переносники взаємодій (табл. 2), які можна представити за допомогою діаграми Фейнмана (рис. 1).

Таблиця 1: Ферміони - (спін напівцілий в одиницях ћ) констітуенти матерії

	Лептони, спін = 1/2			Кварки, спін = 1/2
	аромат	маса, ГеВ / с 2	електричний заряд, е	аромат	маса, ГеВ / с 2	електричний заряд, е
I	ν e	< 7·10 -9	0	u, up	0.005	2/3
	е, електрон	0.000511	-1	d, down	0.01	-1/3
II	ν μ	< 0.0003	0	с, charm	1.5	2/3
	μ, мюон	0.106	-1	s, strange	0.2	-1/3
III	ν τ	< 0.03	0	t, top	170	2/3
	τ, тау	1.7771	-1	b, bottom	4.7	-1/3

Таблиця 2: Бозони - переносники взаємодій (спін = 0, 1, 2 ... в одиницях ћ)

переносники взаємодії	маса, ГеВ / с 2	електричний заряд, е
електрослабка взаємодія
γ, фотон, спін = 1	0	0
W -, спін = 1	80.22	-1
W +, спін = 1	80.22	+1
Z 0, спін = 1	91.187	0
Сильне (колірне) взаємодія
5, глюони, спін = 1	0	0
невідкриті бозони
H 0, Хіггс, спін = 0	> 100	0
G, гравітон, спін = 2	?	0

Таблиця 3: порівняльні характеристикифундаментальних взаємодій

Сила взаємодії вказана щодо сильного.

Мал. 1: Діаграма Фейнмана: А + В = С + D, а - константа взаємодії, Q 2 = -t - 4-імпульс, який частка А передає частинці В в результаті одного з чотирьох типів взаємодій.

1.1 Основні положення Стандартної Моделі

• Адрони складаються з кварків і глюонів (партонов). Кварки - ферміони зі спіном 1/2 і масою m 0; глюони - бозони зі спіном 1 і масою m = 0.
• Кварки класифікуються за двома ознаками: аромат і колір. Відомо 6 ароматів кварків і 3 кольори для кожного кварка.
• Аромат - характеристика, що зберігається в сильних взаємодіях.
• Глюон складений з двох кольорів - кольору і антіцвета, а всі інші квантові числа у нього дорівнюють нулю. При випущенні глюони кварк змінює колір, але не аромат. Всього працює 8 глюонів.
• Елементарні процеси в КХД будуються за аналогією з КЕД: гальмівне випускання глюони кварком, народження кварк-антикваркових пар глюонів. Процес народження глюонів глюонів не має аналога в КЕД.
• Статична глюонної поле не прагне до нуля на нескінченності, тобто повна енергія такого поля нескінченна. Таким чином, кварки не можуть вилітати з адронів, має місце конфайнмент.
• Між кварками діють сили тяжіння, які мають два незвичайних властивості: а) асимптотическую свободу на дуже малих відстанях і б) інфрачервоне полон - конфайнмент, завдяки тому, що потенційна енергія взаємодії V (r) необмежено зростає зі збільшенням відстані між кварками r, V (r ) = -α s / r + ær, α s і æ - константи.
• Кварк-кваркову взаємодія не адитивно.
• У вигляді вільних частинок можуть існувати тільки колірні синглет:
  мезонний синглет, для якого хвильова функція визначається співвідношенням

і баріонів синглет з хвильової функцією

де R - червоний, В - синій, G - зелений.

• Розрізняють струмові і складові кварки, які мають різні маси.
• Перетину процесу А + В = С + Х з обміном одним глюонів між кварками, що входять до складу адронів, записуються у вигляді:

ŝ = x a x b s, = x a t / x c.

Символами a, b, c, d позначені кварки і пов'язані з ним змінні, символами А, В, С - адрони, ŝ,,, - величини, що відносяться до кварків, - функція розподілу кварків а в адронному А (або, відповідно, - кварків b в адрони в), - функція фрагментації кварка з в адрони с, d / dt - елементарне перетин qq взаємодії.

1.2 Пошук відхилень від Стандартної Моделі

При існуючих енергіях прискорених частинок добре виконуються всі положення КХД і тим більше КЕД. У плануються експериментах з більш високими енергіями частинок однієї з головних завдань вважається пошук відхилень від Стандартної Моделі.
Подальший розвитокфізики високих енергій пов'язане з вирішенням наступних завдань:

1. Пошук екзотичних частинок, що мають структуру, відмінну від прийнятої в Стандартної Моделі.
2. Пошук нейтронних осциляції ν μ ↔ ν τ і пов'язана з цим проблема маси нейтрино (ν m ≠ 0).
3. Пошук розпаду протона, час життя якого оцінюється величиною τ експ> 10 33 років.
4. Пошук структури фундаментальних частинок (струни, преонов при відстанях d< 10 -16 см).
5. Виявлення деконфайнмірованной адронний матерії (кварк-глюонної плазми).
6. Вивчення порушення СР-інваріантності при розпаді нейтральних K-мезонів, D-мезонів і B-частинок.
7. Вивчення природи темної матерії.
8. Вивчення складу вакууму.
9. Пошук Хіггс-бозона.
10. Пошук суперсиметричних частинок.

1.3 Невирішені питання Стандартної Моделі

Фундаментальна фізична теорія, Стандартна Модель електромагнітних, слабких і сильних взаємодій елементарних частинок (кварків і лептонів) є загальновизнаним досягненням фізики XX століття. Вона пояснює всі відомі експериментальні факти у фізиці мікросвіту. Однак існує цілий ряд питань, на які в Стандартної Моделі немає відповіді.

1. Невідома природа механізму спонтанного порушення електрослабкої калібрувальної інваріантності.

• Пояснення існування мас у W ± - і Z 0 -бозонов вимагає введення в теорію скалярних полів з неінваріантни щодо калібрувальних перетворень основним станом -вакуумом.
• Наслідком цього є виникнення нової скалярною частки - бозона Хіггса.

1. СМ не пояснює природу квантових чисел.

• Що таке заряди (електричні; баріонів; лептонні: Le, L μ, L τ: колірні: синій, червоний, зелений) і чому вони квантуються?
• Чому існує 3 покоління фундаментальних ферміонів (I, II, III)?

1. СМ не включає гравітацію, звідси шлях включення гравітації в СМ - Нова гіпотеза про існування додаткових вимірів в просторі мікросвіту.
2. Немає пояснення, чому фундаментальний масштаб Планка (М ~ 10 19 ГеВ) так далекий від фундаментального масштабу електрослабкої взаємодії (М ~ 10 2 ГеВ).

В даний час намітився шлях вирішення цих проблем. Він складається в розвитку нового уявлення про структуру фундаментальних частинок. Передбачається, що фундаментальні частинки є об'єктами, які прийнято називати "струнами". Властивості струн розглядаються в швидко розвивається Моделі суперструн, яка претендує на встановлення зв'язку між явищами, що відбуваються у фізиці елементарних частинок і в астрофізиці. Такий зв'язок привела до формулювання нової дисципліни - космології елементарних частинок.

положення

Стандартна модель складається з наступних положень:

• Все речовина складається з 24 фундаментальних квантових полів спина ½, квантами яких є фундаментальні частинки -ферміони, які можна об'єднати в три покоління фермионов: 6 лептонів (електрон, мюон, тау-лептон, електронне нейтрино, мюонне нейтрино і тау-нейтрино), 6 кварків (u, d, s, c, b, t) і 12 відповідних їм античастинок.
• Кварки беруть участь в сильних, слабких і електромагнітних взаємодіях; заряджені лептони (електрон, мюон, тау-лептон) - в слабких і електромагнітних; нейтрино - тільки в слабких взаємодіях.
• Всі три типи взаємодій виникають як наслідок постулату, що наш світ симетричний щодо трьох типів калібрувальних перетворень. Частинками-переносниками взаємодій є бозони:

8 глюонів для сильної взаємодії (група симетрії SU (3)); 3 важких калібрувальних бозона (W +, W -, Z 0) для слабкої взаємодії (група симетрії SU (2)); один фотон для електромагнітної взаємодії (група симетрії U (1)).

• На відміну від електромагнітного і сильного, слабка взаємодія може змішувати ферміони з різних поколінь, що призводить до нестабільності всіх частинок, за винятком найлегших, і до таких ефектів, як порушення CP-інваріантності і осциляції нейтрино.
• Зовнішніми параметрами стандартної моделі є:
  • маси лептонів (3 параметри, нейтрино приймаються безмасовими) і кварків (6 параметрів), що інтерпретуються як константи взаємодії їх полів з полем бозона Хіггса,
  • параметри CKM-матриці змішування кварків - три кути змішування і одна комплексна фаза, що порушує CP-симетрії - константи взаємодії кварків з електрослабкої полем,
  • два параметра поля Хіггса, які пов'язані однозначно з його вакуумним середнім і масою бозона Хіггса,
  • три константи взаємодії, пов'язані відповідно з калібрувальними групами U (1), SU (2) і SU (3), і що характеризують відносні інтенсивності електромагнітного, слабкого і сильного взаємодій.

У зв'язку з тим, що виявлені осциляції нейтрино, стандартна модель потребує розширення, яке вводить додатково 3 маси нейтрино і як мінімум 4 параметра PMNS-матриці змішування нейтрино, аналогічні CKM-матриці змішування кварків, і, можливо, ще 2 параметра змішування, якщо нейтрино є майорановскімі частинками. Також в число параметрів стандартної моделі іноді вводять вакуумний кут квантової хромодинаміки. Примітно, що математична модель з набором з 20 з невеликим чисел здатна описати результати мільйонів проведених до теперішнього часу в фізиці експериментів.

За межами Стандартної моделі

Див. також

Примітки

література

• Ємельянов В. М.Стандартна модель і її розширення. - М.: Физматлит, 2007. - 584 с. - (Фундаментальна та прикладна фізика). - ISBN 978-5-922108-30-0

посилання

Wikimedia Foundation. 2010 року.

Дивитися що таке "Стандартна модель" в інших словниках:

СТАНДАРТНА МОДЕЛЬ, модель елементарних частинок і їх взаємодій, що представляє собою найбільш повний описфізичних явищ, пов'язаних з електрикою. Частинки діляться на адрони (під впливом ЯДЕРНИХ СИЛ перетворюються в кварк), ... ... Науково-технічний енциклопедичний словник

У фізиці елементарних частинок, теорія, згідно до рій ос. (Фундамент.) Елементарними частками є кварки і лептони. Сильна взаємодія, за допомогою до якого кварки зв'язуються в адрони, здійснюється шляхом обміну глюонами. Електрослабка ... ... Природознавство. енциклопедичний словник

- ... Вікіпедія

Стандартна модель міжнародної торгівлі- найбільш широко використовувана в даний час модель міжнародної торгівлі, яка розкриває вплив зовнішньої торгівлі на основні макроекономічні показники торгує країни: виробництво, споживання, суспільний добробут ... Економіка: глосарій

- (Heckscher Ohlin model) Стандартна модель зовнішньої торгівлі між країнами (intra industry trade) з різною галузевою структурою, названа за прізвищами її шведських творців. Відповідно до цієї моделі, країни мають одні і ті ж виробничі ... ... економічний словник

Наукова картина світу (НКС) (одне з основоположних понять в природознавстві) особлива форма систематизації знань, якісне узагальнення і світоглядний синтез різних наукових теорій. Будучи цілісною системою уявлень про загальні ... ... Вікіпедія

Стандартна бібліотека мови програмування С 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 ... Вікіпедія

СТАНДАРТНА КОНЦЕПЦІЯ НАУКИ форма логіко методологічного аналізуприродничо-наукових теорій, розроблена під значним впливом неопозитивистской філософії науки. В рамках стандартної концепції науки властивості теорії (потрактований як ... ... філософська енциклопедія

Форма логіко методологічного аналізу природничо-наукових теорій, розроблена під значним впливом неопозитивистской філософії науки. В рамках стандартної концепції науки властивості теорії (потрактований як безліч науково осмислених ... ... філософська енциклопедія

книги

• Фізика частинок - 2013. Квантова електродинаміка і Стандартна модель, О. М. Бояркіна, Г. Г. Бояркіна. У другому томі двотомника, що містить сучасний курс фізики елементарних частинок, в якості першого прикладу теорії реальних взаємодій розглядається квантова електродинаміка. ...

стандартна модель- це сучасна теорія будови і взаємодій елементарних частинок, багаторазово перевірена експериментально. Ця теорія базується на дуже невеликій кількості постулатів і дозволяє теоретично передбачати властивості тисяч різних процесів у світі елементарних частинок. У переважній більшості випадків ці передбачення підтверджуються експериментом, іноді з виключно високою точністю, а ті рідкісні випадки, Коли передбачення Стандартної моделі розходяться з досвідом, стають предметом палких суперечок.

Стандартна модель - це та межа, яка відокремлює достовірно відоме від гіпотетичного в світі елементарних частинок. Незважаючи на вражаючий успіх в описі експериментів, Стандартна модель не може вважатися остаточною теорією елементарних частинок. Фізики впевнені, що вона повинна бути частиною якоїсь більш глибокої теорії будови мікросвіту. Що це за теорія - достовірно поки невідомо. теоретики розробили велике числокандидатів на таку теорію, але тільки експеримент повинен показати, що з них відповідає реальній ситуації, що склалася в нашому Всесвіті. Саме тому фізики наполегливо шукають будь-які відхилення від Стандартної моделі, будь-які частинки, сили або ефекти, які Стандартної моделлю не передбачаються. Всі ці явища вчені узагальнено називають «Нова фізика»; саме пошук Нової фізики і становить головне завдання Великого адронного коллайдера.

Основні компоненти Стандартної моделі

Робочим інструментом Стандартної моделі є квантова теорія поля - теорія, що приходить на зміну квантовій механіціпри швидкостях, близьких до швидкості світла. Ключові об'єкти в ній не частки, як в класичній механіці, І не «частинки-хвилі», як у квантовій механіці, а квантові поля: Електронне, мюонне, електромагнітне, кваркову і т. Д. - по одному для кожного сорту «сутностей мікросвіту».

І вакуум, і те, що ми сприймаємо як окремі частинки, і більш складні освіти, які не можна звести до окремих часток, - все це описується як різні стану полів. Коли фізики вживають слово «частка», вони насправді мають на увазі саме ці стани полів, а не окремі точкові об'єкти.

Стандартна модель включає в себе наступні основні інгредієнти:

• Набір фундаментальних «цеглинок» матерії - шість сортів лептонів і шість сортів кварків. Всі ці частинки є ферміонами зі спіном 1/2 і дуже природним чином організовуються в три покоління. Численні адрони - складові частинки, які беруть участь у сильній взаємодії, - складені з кварків в різних комбінаціях.
• Три типу сил, Що діють між фундаментальними фермионами, - електромагнітні, слабкі і сильні. Слабка й електромагнітна взаємодії є двома сторонами єдиного електрослабкої взаємодії. Сильна взаємодія варто окремо, і саме воно пов'язує кварки в адрони.
• Всі ці сили описуються на основі калибровочного принципу- вони не вводяться в теорію «насильно», а немов виникають самі собою в результаті вимоги симетричності теорії щодо певних перетворень. Окремі види симетричності породжують сильне і електрослабкої взаємодії.
• Незважаючи на те що в самій теорії є електрослабкої симетрії, в нашому світі вона мимовільно порушується. Спонтанне порушення симетрії- необхідний елемент теорії, і в рамках Стандартної моделі порушення відбувається за рахунок хіггсовского механізму.
• Чисельні значення для приблизно двох десятків констант: Це маси фундаментальних ферміонів, чисельні значення констант зв'язку взаємодій, які характеризують їх силу, і деякі інші величини. Всі вони раз і назавжди витягуються з порівняння з досвідом і при подальших обчисленнях вже не підганяти.

Крім того, Стандартна модель - перенорміруемая теорія, тобто всі ці елементи вводяться в неї таким самоузгодженим способом, який, в принципі, дозволяє проводити обчислення з потрібним ступенем точності. Втім, найчастіше обчислення з бажаної ступенем точністю виявляються непід'ємно складними, але це проблема не самої теорії, а, скоріше, наших обчислювальних здібностей.

Що може і чого не може Стандартна модель

Стандартна модель - це, багато в чому, описова теорія. Вона не дає відповіді на багато питань, що починаються з «чому»: чому частинок саме стільки і саме таких? звідки взялися саме ці взаємодії і саме з такими властивостями? навіщо природі знадобилося створювати три покоління фермионов? чому чисельні значення параметрів саме такі? Крім того, Стандартна модель не здатна описати деякі явища, які спостерігаються в природі. Зокрема, в ній немає місця масам нейтрино і частинкам темної матерії. Стандартна модель не враховує гравітацію і невідомо, що з цією теорією відбувається на планковские масштабі енергій, коли гравітація стає надзвичайно важливою.

Якщо ж використовувати Стандартну модель за своїм призначенням, для передбачення результатів зіткнень елементарних частинок, то вона дозволяє, в залежності від конкретного процесу, виконувати обчислення з різним ступенем точності.

• Для електромагнітних явищ (розсіювання електронів, енергетичні рівні) Точність може досягати мільйонних часток і навіть краще. Рекорд тут тримає аномальний магнітний момент електрона, який обчислено з точністю краще однієї мільярдної.
• Багато високоенергетичні процеси, які протікають за рахунок електрослабкої взаємодії, обчислюються з точністю краще відсотка.
• Найгірше піддається розрахунку сильна взаємодія при не дуже високих енергіях. Точність розрахунку таких процесів сильно варіюється: в одних випадках вона може досягати відсотків, в інших випадках різні теоретичні підходи можуть давати відповіді, що розрізняються в кілька разів.

Варто підкреслити, що той факт, що деякі процеси важко розрахувати з потрібною точністю, не означає, що «теорія погана». Просто вона дуже складна, і нинішніх математичних прийомів поки не вистачає, щоб простежити всі її слідства. Зокрема, одна із знаменитих математичних Завдань тисячоліття стосується проблеми конфайнмента в квантової теоріїз неабелева калібрувальним взаємодією.

Додаткова література:

• Базові відомості про хиггсовских механізмі можна знайти в книзі Л. Б. Окуня «Фізика елементарних частинок» (на рівні слів і картинок) і «Лептони і кварки» (на серйозному, але доступному рівні).

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

Стандартною моделлю сьогодні прийнято називати теорію, найкращим чином відображає наші уявлення про вихідному матеріалі, 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 (баріониі 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 верхнімі нижнімі позначають, відповідно, u(Від англійського up) і d(down). Іноді їх же називають протоннимі нейтроннимкварком 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 ​​своя 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 основною будівельний матеріалВсесвіту.

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 фотонамиі також позбавлені маси . Слабка взаємодія, навпаки, передається масивними векторнимиабо 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 щодо низьких температурі 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»

Сьогодні Стандартна модель є однією з найважливіших теоретичних конструкцій у фізиці елементарних частинок, що описують електромагнітну, слабку і сильну взаємодію всіх елементарних частинок. Головні положення і складові частини цієї теорії описує фізик, член-кореспондент РАН Михайло Данилов

1

Зараз на основі експериментальних даних створена дуже досконала теорія, яка описує практично всі явища, які ми спостерігаємо. Ця теорія скромно називається «Стандартна модель елементарних частинок». У ній є три покоління фермионов: кварків, лептонів. Це, так би мовити, будівельний матеріал. З першого покоління побудовано все, що ми бачимо навколо нас. У нього входять u- і d-кварки, електрон і електронне нейтрино. Протони і нейтрони складаються з трьох кварків: uud і udd, відповідно. Але є ще два покоління кварків і лептонів, які в якійсь мірі повторюють перше, але важче і в кінці кінців розпадаються на частинки першого покоління. У всіх частинок є античастинки, що володіють протилежними зарядами.

2

Стандартна модель включає три взаємодії. Електромагнітна взаємодія утримує електрони всередині атома і атоми всередині молекул. Переносником електромагнітної взаємодії є фотон. Сильна взаємодія утримує протони і нейтрони всередині атомного ядра, а кварки всередині протонів, нейтронів і інших адронів (так Л. Б. Окунь запропонував називати частинки, які беруть участь у сильній взаємодії). У сильній взаємодії беруть участь кварки і побудовані з них адрони, а також і переносники самого взаємодії - глюони (від англійського glue - клей). Адрони складаються або з трьох кварків, як протон і нейтрон, або з кварка і антікварка, як, скажімо, π ± мезон, що складається з u- і анти-d- кварків. Слабка взаємодія призводить до рідкісних розпадів, таким як розпад нейтрона на протон, електрон і електронне антинейтрино. Переносниками слабкої взаємодії є W- і Z-бозони. У слабкій взаємодії беруть участь і кварки, і лептони, але воно при наших енергіях вельми мало. Це однак пояснюється просто великою масою W- і Z-бозонів, які на два порядки важче протонів. При енергіях більше маси W- і Z-бозонів сили електромагнітного і слабкої взаємодії стають порівнянними, і вони об'єднуються в єдине електрослабкої взаємодія. Передбачається, що при набагато б прольшіх енергіях і сильну взаємодію об'єднається з іншими. Крім електрослабкої і сильної взаємодій є ще гравітаційна взаємодія, яке не входить в Стандартну модель.

W, Z-бозони

g - глюони

H0 - бозон Хіггса.

3

Стандартна модель може бути сформульована тільки для безмассових фундаментальних частинок, т. Е. Кварків, лептонів, W- і Z-бозонів. Для того, щоб вони отримали значну кількість, зазвичай вводиться поле Хіггса, назване по імені одного з учених, що запропонували цей механізм. В цьому випадку в Стандартної моделі повинна бути ще одна фундаментальна частинка - бозон Хіггса. Пошуки цього останнього цеглинки в стрункому будівлі стандартні моделі активно ведуться на найбільшому коллайдері в світі - Великому адронному колайдері (ВАК). Вже отримані свідчення про існування бозона Хіггса з масою близько 133 мас протона. Однак статистична надійність цих вказівок ще недостатня. Очікується, що до кінця 2012 р ситуація проясниться.

4

Стандартна модель прекрасно описує практично всі експерименти з фізики елементарних частинок, хоча пошуки явищ, що виходять за рамки СМ, ​​наполегливо ведуться. Останнім натяком на фізику за рамками СМ стало виявлення в 2011 р в експерименті LHCb на БАК несподівано великої різниці у властивостях так званих зачарованих мезонів і їх античастинок. Однак, мабуть, навіть така велика відмінність може бути пояснено в рамках СМ. З іншого боку, у 2011 році було отримано ще одне, шукати кілька десятиліть, підтвердження СМ, пророкує існування екзотичних адронів. Фізики з Інституту теоретичної та експериментальної фізики (Москва) та Інституту ядерної фізики(Новосибірськ) в рамках міжнародного експерименту BELLE виявили адрони, що складаються з двох кварків і двох антикварків. Швидше за все, це молекули з мезонів, передбачені теоретиками ІТЕФ М. Б. Волошиним і Л. Б. Окунем.

5

Незважаючи на всі успіхи Стандартної моделі, у неї є багато недоліків. Кількість вільних параметрів теорії перевищує 20, і зовсім незрозуміло, звідки виникає їх ієрархія. Чому маса t-кварка в 100 тисяч разів більше маси u-кварка? Чому константа зв'язку t- і d-кварків, вперше виміряна в міжнародному експерименті ARGUS за активної участі фізиків ІТЕФ, в 40 разів менше константи зв'язку с- і d-кварків? На ці питання СМ не дає відповіді. Нарешті, навіщо потрібні 3 покоління кварків і лептонів? Японські теоретики М. Кобаяші і Т. Маськава в 1973 р показали, що існування 3-х поколінь кварків дозволяє пояснити відмінність властивостей матерії і антиматерії. Гіпотеза М.Кобаяші і Т. Маскави була подверждено в експериментах BELLE і BaBar за активної участі фізиків з ІЯФ і ІТЕФ. У 2008 р М. Кобаяші і Т. Маськава були удостоєні за свою теорію Нобелівської премії

6

У Стандартної моделі є і більш фундаментальні проблеми. Ми вже зараз знаємо, що СМ не є повною. З астрофізичних досліджень відомо, що існує матерія, якої немає в СМ. Це так звана темна матерія. Її приблизно в 5 разів більше, ніж звичайної матерії, з якої ми складаємося. Мабуть, основним недоліком Стандартної Моделі є відсутність в ній внутрішньої самосогласованності. Так, наприклад, природна маса бозона Хіггса, що виникає в СМ через обміну віртуальними частками, на багато порядків перевищує масу, необхідну для пояснення спостережуваних явищ. Одним з виходів, найпопулярнішим в теперішній момент, Є гіпотеза про суперсиметрії - припущення про те, що є симетрія між фермионами і бозона. Вперше цю ідею висловили в 1971 р Ю. А. Гольфанд і Е. П. Ліхтман в ФІАН, і тепер вона користується величезною популярністю.

7

Існування суперсиметричних частинок не тільки дозволяє стабілізувати поведінку СМ, але і дає дуже природного кандидата на роль темної матерії - найлегшу суперсиметричних частку. Хоча зараз немає ніяких надійних експериментальних підтверджень цієї теорії, вона настільки красива і так елегантно дозволяє вирішити проблеми Стандартної моделі, що дуже багато в неї вірять. На ВАК активно ведуться пошуки суперсиметричних частинок і інших альтернатив СМ. Наприклад, шукають додаткові виміри простору. Якщо вони існують, то багато проблем можуть бути вирішені. Можливо, гравітація стає сильною на відносно великих відстанях, що теж буде великим сюрпризом. Можливі інші, альтернативні моделі Хіггса, механізми виникнення маси у фундаментальних частинок. Пошук ефектів за рамками Стандартної моделі ведеться дуже активно, але поки безуспішно. Дуже багато чого має прояснитися в найближчі роки.