Mitä alkuainehiukkasten standardimalli kuvaa. Alkuainehiukkasten vakiomalli aloittelijoille. Hiukkasten ja vuorovaikutusten vakiomalli

Kaikki aine koostuu kvarkeista, leptoneista ja hiukkasista - vuorovaikutuksen kantajista.

Nykyään standardimallia kutsutaan teoriaksi, joka parhaiten heijastaa ymmärrystämme lähdemateriaalista, josta maailmankaikkeus alun perin rakennettiin. Se myös kuvaa tarkasti, kuinka aine muodostuu näistä peruskomponenteista sekä niiden välisen vuorovaikutuksen voimia ja mekanismeja.

Rakenteellisesta näkökulmasta atomiytimiä muodostavat alkuainehiukkaset ( nukleonit), ja yleensä kaikki raskaat hiukkaset - hadronit (baryoneja Ja mesoneja) - koostuvat vielä enemmän yksinkertaisia ​​hiukkasia joita kutsutaan perustaviksi. Tässä roolissa aineen todella perustavanlaatuiset primaarielementit ovat kvarkit, jonka sähkövaraus on 2/3 tai –1/3 protonin yksikköpositiivisesta varauksesta. Yleisimmät ja kevyimmät kvarkit ovat ns alkuun Ja alempi ja merkitsee vastaavasti u(englannista ylös) Ja d(alas). Joskus niitä kutsutaan protoni Ja neutroni kvarkki johtuu siitä tosiasiasta, että protoni koostuu yhdistelmästä uud ja neutroni udd. Huippukvarkin varaus on 2/3; alempi - negatiivinen varaus -1/3. Koska protoni koostuu kahdesta ylös- ja yhdestä alas-kvarkista ja neutroni yhdestä ylös- ja kahdesta alas-kvarkista, voit itsenäisesti varmistaa, että protonin ja neutronin kokonaisvaraus on tiukasti yhtä suuri kuin 1 ja 0, ja tehdä Varmista, että standardimalli kuvaa riittävästi todellisuutta tässä. Kaksi muuta kvarkkiparia ovat osa eksoottisempia hiukkasia. Toisen parin kvarkeja kutsutaan lumottu - c(alkaen hurmannut) Ja outo - s(alkaen outo). Kolmas pari on totta - t(alkaen totuus, tai englanniksi. perinteitä alkuun) Ja Kaunis - b(alkaen kauneus, tai englanniksi. perinteitä pohja) kvarkit. Lähes kaikki Standardimallin ennustamat hiukkaset, jotka koostuvat erilaisista kvarkkiyhdistelmistä, on jo löydetty kokeellisesti.

Toinen rakennussarja koostuu tiilistä nimeltä leptonit. Yleisin leptoneista - meille kauan tunnettu elektroni, joka on osa atomien rakennetta, mutta ei osallistu ydinvuorovaikutuksiin, rajoittuen atomien välisiin. Sen lisäksi (ja sen parillisen antihiukkasen ns positroni) leptonit sisältävät raskaampia hiukkasia - myonin ja tau-leptonin antipartikkeleineen. Lisäksi jokaiselle leptonille osoitetaan oma varaamaton hiukkanen, jonka lepomassa on nolla (tai käytännössä nolla); tällaisia ​​hiukkasia kutsutaan vastaavasti elektroniksi, myoniksi tai taoniksi neutrino.

Joten leptonit, kuten kvarkit, muodostavat myös kolme "perheparia". Tällainen symmetria ei ole jäänyt teoreetikkojen tarkkaavaiselta silmältä, mutta sille ei ole vielä tarjottu vakuuttavaa selitystä. Oli miten oli, kvarkit ja leptonit ovat maailmankaikkeuden perusrakennuspalikoita.

Ymmärtääksesi kolikon kääntöpuolen - kvarkkien ja leptonien välisten vuorovaikutusvoimien luonteen - sinun on ymmärrettävä, kuinka nykyaikaiset teoreettiset fyysikot tulkitsevat voiman käsitettä. Analogia auttaa meitä tässä. Kuvittele kaksi venemiestä soutamassa vastakkaisilla kursseilla Cam-joella Cambridgessa. Eräs soutaja anteliaisuudesta päätti hemmotella kollegansa samppanjalla ja kun he purjehtivat toistensa ohi, heitti hänelle täyden pullon samppanjaa. Vauhdin säilymislain seurauksena, kun ensimmäinen soutaja heitti pullon, hänen veneensä kurssi poikkesi suorasta päinvastaiseen suuntaan ja kun toinen soutaja tarttui pulloon, sen vauhti siirtyi hänelle, ja myös toinen vene poikkesi suoralta. suora kurssi, mutta päinvastaiseen suuntaan. Näin ollen samppanjanvaihdon seurauksena molemmat veneet vaihtoivat suuntaa. Newtonin mekaniikan lakien mukaan tämä tarkoittaa, että veneiden välillä on tapahtunut voimavuorovaikutus. Mutta eivät veneet olleet suorassa kosketuksessa toistensa kanssa, eihän? Täällä näemme sekä visuaalisesti että ymmärrämme intuitiivisesti, että veneiden välisen vuorovaikutusvoiman välitti impulssin kantaja - samppanjapullo. Fyysikot kutsuisivat sitä vuorovaikutuksen kantaja.

Täsmälleen samalla tavalla hiukkasten väliset voimavuorovaikutukset tapahtuvat näiden vuorovaikutusten hiukkasten kantajien vaihdon kautta. Itse asiassa teemme eron hiukkasten välisen vuorovaikutuksen perusvoimien välillä vain siltä osin kuin eri hiukkaset toimivat näiden vuorovaikutusten kantajina. Tällaisia ​​vuorovaikutuksia on neljä: vahva(tämä pitää kvarkit hiukkasten sisällä), sähkömagneettinen, heikko(joka johtaa jonkinlaiseen radioaktiiviseen hajoamiseen) ja painovoimainen. Vahvan värivuorovaikutuksen kantajat ovat gluonit, joilla ei ole massaa eikä sähkövaraus. Tämän tyyppistä vuorovaikutusta kuvaa kvanttikromodynamiikka. Sähkömagneettinen vuorovaikutus tapahtuu sähkömagneettisen säteilyn kvanttien vaihdon kautta, joita kutsutaan fotonit ja myös vailla massaa . Heikko vuorovaikutus päinvastoin välittyy massiivisesti vektori tai mittaa bosonit, jotka "painoavat" 80-90 kertaa enemmän kuin protoni - laboratorio-olosuhteissa ne löydettiin ensimmäisen kerran vasta 1980-luvun alussa. Lopuksi gravitaatiovuorovaikutus välittyy ei-omamassan vaihdon kautta gravitonit- Näitä välittäjiä ei ole vielä kokeellisesti havaittu.

Standardimallin puitteissa kolme ensimmäistä perusvuorovaikutustyyppiä on yhtenäistetty, eikä niitä enää tarkastella erikseen, vaan niitä pidetään yhtenä luonteen kolmena eri ilmeenä. Palatakseni analogiaan, oletetaan, että toinen soutupari, joka ohitti toisiaan Cam-joella, ei vaihtanut pulloa samppanjaa, vaan vain lasillisen jäätelöä. Tästä veneet myös poikkeavat kurssilta vastakkaisiin suuntiin, mutta paljon heikommin. Ulkopuoliselle katsojalle saattaa tuntua, että näissä kahdessa tapauksessa eri voimat vaikuttivat veneiden välillä: ensimmäisessä tapauksessa tapahtui nesteen vaihto (ehdotan, että pulloa ei oteta huomioon, koska useimmat meistä ovat kiinnostuneita sen sisällöstä ), ja toisessa - kiinteä runko (jäätelö). Kuvittele nyt, että Cambridgessa sinä päivänä oli pohjoisissa paikoissa harvinaista kesäheltettä ja jäätelö suli lennossa. Eli jonkinlainen lämpötilan nousu riittää ymmärtämään, että itse asiassa vuorovaikutus ei riipu siitä, toimiiko neste vai kiinteä kappale sen kantajana. Ainoa syy, miksi luulimme, että veneiden välillä vaikutti erilaiset voimat, oli se, että jäätelökanturi oli ulkonäöltään erilainen, koska lämpötila oli liian alhainen sulattamaan sitä. Nosta lämpötilaa - ja vuorovaikutusvoimat näyttävät visuaalisesti yhtenäisiltä.

Universumissa vaikuttavat voimat sulautuvat yhteen myös korkeissa vuorovaikutusenergioissa (lämpötiloissa), minkä jälkeen niitä on mahdotonta erottaa. Ensimmäinen yhdistää(näin sitä yleensä kutsutaan) heikko ydin- ja sähkömagneettinen vuorovaikutus. Tuloksena saamme ns sähköheikko vuorovaikutus havaitaan jopa laboratoriossa nykyaikaisten kiihdyttimien kehittämillä energioilla alkuainehiukkasia. Varhaisessa universumissa energiat olivat niin korkeat, että ensimmäisten 10–10 sekunnin aikana alkuräjähdys heikkojen ydinvoimien ja sähkömagneettisten voimien välillä ei ollut rajaa. Vasta sen jälkeen, kun maailmankaikkeuden keskilämpötila oli laskenut 10 14 K:iin, kaikki neljä nykyään havaittua voimavuorovaikutusta erottuivat ja saivat nykyaikaisen muodon. Kun lämpötila oli tämän merkin yläpuolella, vain kolme perusvoimaa vaikutti: vahva, yhdistetty sähköheikko ja gravitaatiovuorovaikutus.

Sähköheikon ja voimakkaiden ydinvuorovaikutusten yhdistäminen tapahtuu lämpötiloissa, jotka ovat luokkaa 10 27 K. Laboratorio-olosuhteissa tällaisia ​​energioita ei tällä hetkellä voida saavuttaa. Tehokkain tällä hetkellä Ranskan ja Sveitsin rajalla rakenteilla oleva kiihdytin, Large Hadron Collider (Large Hadron Collider) pystyy kiihdyttämään hiukkaset energioihin, jotka ovat vain 0,000000001 % siitä, mitä tarvitaan sähköheikon ja voimakkaan ydinvuorovaikutuksen yhdistämiseen. Joten luultavasti joudumme odottamaan pitkään tämän assosioinnin kokeellista vahvistusta. Nykyaikaisessa maailmankaikkeudessa ei ole tällaisia ​​energioita, mutta sen olemassaolon ensimmäisten 10–35 aikana universumin lämpötila oli yli 10 27 K ja universumissa vaikutti vain kaksi voimaa - sähkövahva ja gravitaatiovuorovaikutus. Näitä prosesseja kuvaavia teorioita kutsutaan "Great Unification Theoriesiksi" (GUT:iksi). TVO:ta ei voi suoraan testata, mutta ne antavat myös tiettyjä ennusteita pienemmillä energioilla tapahtuville prosesseille. Tähän mennessä kaikki TVO:n ennusteet suhteellisesti matalat lämpötilat ja energiat vahvistetaan kokeellisesti.

Standardimalli on siis yleistetyssä muodossa teoria maailmankaikkeuden rakenteesta, jossa aine koostuu kvarkeista ja leptoneista ja niiden välisiä voimakkaita, sähkömagneettisia ja heikkoja vuorovaikutuksia kuvataan suurilla yhdistymisteorioilla. Tällainen malli ei tietenkään ole täydellinen, koska se ei sisällä painovoimaa. Oletettavasti kehitetään lopulta täydellisempi teoria ( cm. Universal Theories), ja nykyään standardimalli on paras siitä, mitä meillä on.

"Elementit"

määräyksiä

Vakiomalli koostuu seuraavista ehdoista:

• Kaikki aine koostuu 24 peruskvanttikentästä spin ½, joiden kvantit ovat perushiukkasia - fermioneja, jotka voidaan yhdistää kolmeen sukupolveen fermioneja: 6 leptonia (elektroni, myoni, tau leptoni, elektronineutrino, muuonineutrino ja tau-neutrino) ), 6 kvarkkia (u, d, s, c, b, t) ja 12 vastaavaa antihiukkasta.
• Kvarkit osallistuvat vahvoihin, heikkoihin ja sähkömagneettisiin vuorovaikutuksiin; varautuneet leptonit (elektroni, myoni, tau-leptoni) - heikossa ja sähkömagneettisessa; neutriinot - vain heikossa vuorovaikutuksessa.
• Kaikki kolme vuorovaikutustyyppiä syntyvät sen oletuksen seurauksena, että maailmamme on symmetrinen kolmen tyyppisten mittamuunnosten suhteen. Vuorovaikutusten hiukkaskantajat ovat bosonit:

• Toisin kuin sähkömagneettinen ja vahva vuorovaikutus, heikko vuorovaikutus voi sekoittaa fermioneja eri sukupolvet, mikä johtaa kaikkien hiukkasten, paitsi kevyimpien, epävakauteen ja sellaisiin vaikutuksiin kuin CP-rikkomus ja neutriinovärähtelyt.
• Vakiomallin ulkoiset parametrit ovat:
  • leptonien (3 parametria, neutriinojen oletetaan olevan massattomia) ja kvarkkien (6 parametria) massat, jotka tulkitaan niiden kenttien vuorovaikutusvakioksi Higgsin bosonin kentän kanssa,
  • CKM-kvarkkisekoitusmatriisin parametrit - kolme sekoituskulmaa ja yksi monimutkainen faasi, joka rikkoo CP-symmetrian - kvarkkien vuorovaikutuksen vakiot sähköheikon kentän kanssa,
  • kaksi Higgsin kentän parametria, jotka liittyvät ainutlaatuisesti sen tyhjiön odotusarvoon ja Higgsin bosonin massaan,
  • kolme vuorovaikutusvakiota, jotka liittyvät mittausryhmiin U(1), SU(2) ja SU(3), vastaavasti ja jotka kuvaavat sähkömagneettisten, heikkojen ja voimakkaiden vuorovaikutusten suhteellista intensiteettiä.

Neutriinovärähtelyjen havaitsemisen vuoksi standardimalli tarvitsee laajennuksen, joka lisää 3 neutriinomassaa ja vähintään 4 parametria PMNS-neutriinojen sekoitusmatriisista, jotka ovat samanlaisia ​​kuin CKM-kvarkkisekoitusmatriisi, ja mahdollisesti 2 muuta sekoitusparametria, jos neutriinot ovat Majorana-matriisia. hiukkasia. Myös kvanttikromodynamiikan tyhjökulma sisältyy joskus standardimallin parametreihin. On huomionarvoista, että matemaattinen malli, jossa on 20-pariton lukusarja, pystyy kuvaamaan miljoonien tähän mennessä fysiikassa tehtyjen kokeiden tuloksia.

Standardimallin lisäksi

Katso myös

Huomautuksia

Kirjallisuus

• Emelyanov V. M. Vakiomalli ja sen laajennukset. - M .: Fizmatlit, 2007. - 584 s. - (Perus- ja soveltava fysiikka). - ISBN 978-5-922108-30-0

Linkit

Wikimedia Foundation. 2010 .

Katso, mitä "vakiomalli" on muissa sanakirjoissa:

STANDARDI MALLI, malli ELEMENTTIHIUKKOISTA ja niiden vuorovaikutuksista, mikä on eniten Täysi kuvaus fyysisiä ilmiöitä sähköön liittyvää. Hiukkaset jaetaan HADRONEISIIN (muuttuvat KVARKEiksi YDINVOIMIEN vaikutuksesta), ... ... Tieteellinen ja tekninen tietosanakirja

Alkeishiukkasfysiikassa teoria perusasioiden parven mukaan. (Perus)alkuainehiukkasia ovat kvarkit ja leptonit. Vahva vuorovaikutus, jonka avulla kvarkit sitoutuvat hadroneiksi, toteutuu gluonien vaihdolla. Electroweak ...... Luonnontiede. tietosanakirja

- ... Wikipedia

Standardi kansainvälisen kaupan malli- tällä hetkellä eniten käytetty malli kansainvälinen kauppa, paljastaa ulkomaankaupan vaikutuksen kauppamaan tärkeimpiin makrotaloudellisiin indikaattoreihin: tuotantoon, kulutukseen, julkiseen hyvinvointiin ... Taloustiede: sanasto

- (Heckscher Ohlin malli) Ruotsalaisten luojiensa nimien mukaan nimetty maiden välisen ulkomaankaupan standardimalli (teollisuuden sisäinen kauppa), joilla on eri toimialarakenne. Tämän mallin mukaan mailla on sama tuotanto ... ... Taloussanakirja

Tieteellinen maailmankuva (SCM) (yksi luonnontieteen peruskäsitteistä) erityinen muoto tiedon systematisointi, laadullinen yleistäminen ja erilaisten tieteellisten teorioiden ideologinen synteesi. Oleminen täydellinen järjestelmä ideoita yleisestä ... ... Wikipediasta

C Standard Library assert.h complex.h ctype.h errno.h fenv.h float.h inttypes.h iso646.h limits.h locale.h math.h setjmp.h signal.h stdarg.h stdbool.h stddef. h ... Wikipedia

TIETEEN STANDARDIKÄSITE on luonnontieteiden teorioiden loogisen ja metodologisen analyysin muoto, joka on kehitetty uuspositivistisen tiedefilosofian merkittävän vaikutuksen alaisena. Tieteen standardikäsitteen puitteissa teorian ominaisuudet (tulkitaan ... ... Filosofinen tietosanakirja

Luonnontieteellisten teorioiden loogisen ja metodologisen analyysin muoto, joka on kehitetty uuspositivistisen tiedefilosofian merkittävän vaikutuksen alaisena. Tieteen standardikäsitteen puitteissa teorian ominaisuudet (tulkitaan joukkona tieteellisesti merkityksellisiä ... ... Filosofinen tietosanakirja

Kirjat

• Particle Physics - 2013. Quantum electrodynamics and the Standard Model, O. M. Boyarkin, G. G. Boyarkina. Toisessa osassa kaksiosainen sisältää moderni kurssi alkuainehiukkasten fysiikka, kvanttielektrodynamiikkaa pidetään ensimmäisenä esimerkkinä todellisten vuorovaikutusten teoriasta. ...

Nykyään standardimalli on yksi tärkeimmistä teoreettisista rakenteista alkeishiukkasfysiikassa, ja se kuvaa kaikkien alkuainehiukkasten sähkömagneettista, heikkoa ja voimakasta vuorovaikutusta. Tämän teorian pääsäännöt ja komponentit on kuvattu fyysikko, Venäjän tiedeakatemian vastaava jäsen Mihail Danilov.

1

Nyt kokeellisten tietojen pohjalta on luotu erittäin täydellinen teoria, joka kuvaa lähes kaikki havaitsemamme ilmiöt. Tätä teoriaa kutsutaan vaatimattomasti "alkuainehiukkasten standardimalliksi". Sillä on kolme sukupolvea fermioneja: kvarkit, leptonit. Se on niin sanotusti rakennusmateriaali. Kaikki mitä näemme ympärillämme on rakennettu ensimmäisestä sukupolvesta lähtien. Se sisältää u- ja d-kvarkit, elektronin ja elektronineutrinon. Protonit ja neutronit koostuvat kolmesta kvarkista: uud ja udd, vastaavasti. Mutta on olemassa vielä kaksi kvarkki- ja leptonisukupolvea, jotka jossain määrin toistavat ensimmäistä, mutta ovat raskaampia ja hajoavat lopulta ensimmäisen sukupolven hiukkasiksi. Kaikissa hiukkasissa on antihiukkasia, joilla on vastakkaiset varaukset.

2

Vakiomalli sisältää kolme vuorovaikutusta. Sähkömagneettinen vuorovaikutus pitää elektronit atomin sisällä ja atomit molekyylien sisällä. Sähkömagneettisen vuorovaikutuksen kantaja on fotoni. Vahva vuorovaikutus pitää protonit ja neutronit atomiytimen sisällä ja kvarkit protonien, neutronien ja muiden hadronien sisällä (näin L.B. Okun ehdotti nimeämään vahvaan vuorovaikutukseen osallistuvia hiukkasia). Vahvaan vuorovaikutukseen osallistuvat niistä rakennetut kvarkit ja hadronit sekä itse vuorovaikutuksen kantajat - gluonit (englanniksi liima - liima). Hadronit koostuvat joko kolmesta kvarkista, kuten protonista ja neutronista, tai kvarkista ja antikvarkista, kuten esimerkiksi p±-mesonista, joka koostuu u- ja anti-d-kvarkeista. Heikko voima johtaa harvinaisiin hajoamisiin, kuten neutronin hajoamiseen protoniksi, elektroniksi ja elektronin antineutriinoksi. Heikon vuorovaikutuksen kantajia ovat W- ja Z-bosonit. Sekä kvarkit että leptonit osallistuvat heikkoon vuorovaikutukseen, mutta se on hyvin pientä energioissamme. Tämä selittyy kuitenkin yksinkertaisesti W- ja Z-bosonien suurilla massoilla, jotka ovat kaksi suuruusluokkaa raskaampia kuin protonit. W- ja Z-bosonien massaa suuremmilla energioilla sähkömagneettisen ja heikon vuorovaikutuksen vahvuudet tulevat vertailukelpoisiksi, ja ne yhdistyvät yhdeksi sähköheikoksi vuorovaikutukseksi. Oletetaan, että paljon b O korkeammat energiat ja vahva vuorovaikutus yhdistyvät muiden kanssa. Sähköheikon ja voimakkaiden vuorovaikutusten lisäksi on olemassa myös gravitaatiovuorovaikutusta, joka ei sisälly standardimalliin.

W, Z-bosonit

g - gluonit

H0 on Higgsin bosoni.

3

Standardimalli voidaan formuloida vain massattomille perushiukkasille, eli kvarkeille, leptoneille, W- ja Z-bosoneille. Jotta he saisivat massan, otetaan yleensä käyttöön Higgsin kenttä, joka on nimetty yhden tämän mekanismin ehdottaneen tiedemiehen mukaan. Tässä tapauksessa vakiomallissa täytyy olla toinen perushiukkanen - Higgsin bosoni. Tämän viimeisen tiilen etsintä standardimallin kapeassa rakennuksessa on käynnissä aktiivisesti maailman suurimmassa törmäyksessä - Large Hadron Colliderissa (LHC). On jo saatu viitteitä Higgsin bosonin olemassaolosta, jonka massa on noin 133 protonimassaa. Näiden indikaatioiden tilastollinen luotettavuus on kuitenkin edelleen riittämätön. Tilanteen odotetaan selkiytyvän vuoden 2012 loppuun mennessä.

4

Standardimalli kuvaa täydellisesti melkein kaikki alkeishiukkasfysiikan kokeet, vaikka SM:n ylitse ulottuvia ilmiöitä etsitään jatkuvasti. Viimeisin vihje SM:n jälkeiseen fysiikkaan oli vuonna 2011 LHC:n LHCb-kokeessa havaittu odottamattoman suuri ero niin kutsuttujen hurmattujen mesonien ja niiden antihiukkasten ominaisuuksissa. Ilmeisesti kuitenkin niin suurikin ero voidaan selittää SM:llä. Toisaalta vuonna 2011 saatiin uusi vahvistus SM:stä, jota oli etsitty useita vuosikymmeniä ja joka ennusti eksoottisten hadronien olemassaolon. Fyysikot teoreettisen ja kokeellisen fysiikan instituutista (Moskova) ja instituutista ydinfysiikka(Novosibirsk) löysi kansainvälisen BELLE-kokeen puitteissa hadroneja, jotka koostuivat kahdesta kvarkista ja kahdesta antikvarkista. Todennäköisimmin nämä ovat ITEP-teoreetikot M. B. Voloshinin ja L. B. Okunin ennustamia mesonimolekyylejä.

5

Kaikista vakiomallin onnistumisista huolimatta siinä on monia puutteita. Teorian vapaiden parametrien määrä ylittää 20, ja on täysin epäselvää, mistä niiden hierarkia tulee. Miksi t-kvarkin massa on 100 000 kertaa u-kvarkin massa? Miksi t- ja d-kvarkkien kytkentävakio, joka mitattiin ensimmäistä kertaa kansainvälisessä ARGUS-kokeessa ITEP-fyysikkojen aktiivisella osallistumisella, on 40 kertaa pienempi kuin c- ja d-kvarkkien kytkentävakio? SM ei vastaa näihin kysymyksiin. Lopuksi, miksi tarvitsemme 3 sukupolvea kvarkeja ja leptoneita? Japanilaiset teoreetikot M. Kobayashi ja T. Maskawa vuonna 1973 osoittivat, että kvarkkien kolmen sukupolven olemassaolo mahdollistaa aineen ja antiaineen ominaisuuksien eron selittämisen. M. Kobayashin ja T. Maskawan hypoteesi vahvistettiin BELLE- ja BaBar-kokeissa, joissa INP:n ja ITEP:n fyysikot osallistuivat aktiivisesti. Vuonna 2008 M. Kobayashi ja T. Maskawa saivat Nobel-palkinnon teoriastaan

6

Vakiomallissa on perustavanlaatuisempia ongelmia. Tiedämme jo, että SM ei ole valmis. Astrofysikaalisista tutkimuksista tiedetään, että on olemassa ainetta, jota ei ole SM:ssä. Tämä on niin kutsuttu pimeä aine. Se on noin 5 kertaa enemmän kuin tavallinen aine, josta me koostumme. Ehkä Standardimallin suurin haittapuoli on sen sisäisen itsejohdonmukaisuuden puute. Esimerkiksi Higgsin bosonin luonnollinen massa, joka syntyy SM:ssä virtuaalihiukkasten vaihdon vuoksi, on monta suuruusluokkaa suurempi kuin havaittujen ilmiöiden selittämiseen tarvittava massa. Yksi ratkaisu, tällä hetkellä suosituin, on supersymmetriahypoteesi - oletus, että fermionien ja bosonien välillä on symmetria. Tämän ajatuksen ilmaisivat ensimmäisen kerran vuonna 1971 Yu. A. Gol'fand ja EP Likhtman Lebedev Physical Institutessa, ja nyt se nauttii valtavasta suosiosta.

7

Supersymmetristen hiukkasten olemassaolo ei vain mahdollista SM:n käyttäytymisen stabilointia, vaan tarjoaa myös erittäin luonnollisen ehdokkaan pimeän aineen - kevyimmän supersymmetrisen hiukkasen - rooliin. Vaikka tällä hetkellä ei ole luotettavia kokeellisia todisteita Tämä teoria on niin kaunis ja niin tyylikäs standardimallin ongelmien ratkaisemisessa, että niin monet ihmiset uskovat siihen. LHC etsii aktiivisesti supersymmetrisiä hiukkasia ja muita vaihtoehtoja SM:lle. He etsivät esimerkiksi tilan lisämittoja. Jos ne ovat olemassa, monet ongelmat voidaan ratkaista. Ehkä painovoima vahvistuu suhteellisen suurilla etäisyyksillä, mikä olisi myös suuri yllätys. On olemassa muita vaihtoehtoisia Higgs-malleja, mekanismeja massan syntymiselle perushiukkasissa. Tehosteiden etsintä vakiomallin ulkopuolelta on erittäin aktiivista, mutta toistaiseksi tuloksetta. Paljon pitäisi tulla selväksi tulevina vuosina.

”Ihmettelemme, miksi joukko lahjakkaita ja omistautuneita ihmisiä omistaisi elämänsä jahtaamaan niin pieniä esineitä, ettei niitä edes näe? Itse asiassa hiukkasfyysikkojen luokissa ilmenee ihmisen uteliaisuus ja halu saada selville, kuinka maailma, jossa elämme, toimii. ” Sean Carroll

Jos edelleen pelkäät lausetta kvanttimekaniikka etkä vieläkään tiedä mikä on vakiomalli - tervetuloa kissaan. Pyrin julkaisussani selittämään kvanttimaailman ja alkeishiukkasfysiikan perusteet mahdollisimman yksinkertaisesti ja selkeästi. Yritämme selvittää, mitkä ovat tärkeimmät erot fermionien ja bosonien välillä, miksi kvarkeilla on niin outoja nimiä ja lopuksi, miksi kaikki olivat niin innokkaita löytämään Higgsin bosonin.

Mistä meidät on tehty?

No, aloitamme matkamme mikrokosmukseen yksinkertaisella kysymyksellä: mistä ympärillämme olevat esineet koostuvat? Maailmamme, kuten talo, koostuu monista pienistä tiilistä, jotka erityisellä tavalla yhdistettynä luovat jotain uutta, ei vain ulkomuoto, mutta myös ominaisuuksiltaan. Itse asiassa, jos tarkastelet niitä tarkasti, huomaat, että erityyppisiä lohkoja ei ole niin montaa, vaan joka kerta, kun ne liittyvät toisiinsa eri tavoin, muodostaen uusia muotoja ja ilmiöitä. Jokainen lohko on jakamaton alkeishiukkanen, jota käsitellään tarinassani.

Otetaan esimerkiksi jokin aine, olkoon se toinen elementti jaksollinen järjestelmä Mendelejev, inertti kaasu, helium. Kuten muutkin maailmankaikkeuden aineet, helium koostuu molekyyleistä, jotka puolestaan ​​muodostuvat atomien välisistä sidoksista. Mutta tässä tapauksessa helium on meille hieman erikoista, koska se on vain yksi atomi.

Mistä atomi on tehty?

Heliumatomi puolestaan ​​koostuu kahdesta neutronista ja kahdesta protonista, jotka muodostavat atomiydin jonka ympärillä kaksi elektronia pyörii. Mielenkiintoisin asia on, että ainoa täysin jakamaton tässä on elektroni.

Mielenkiintoinen hetki kvanttimaailmasta

Miten Vähemmän alkuainehiukkasen massa, lisää hän vie tilaa. Tästä syystä elektronit, jotka ovat 2000 kertaa kevyempiä kuin protoni, vievät paljon enemmän tilaa kuin atomin ydin.

Neutronit ja protonit kuuluvat ns hadronit(hiukkaset, jotka ovat voimakkaassa vuorovaikutuksessa), ja vielä tarkemmin, baryoneja.

Hadronit voidaan jakaa ryhmiin

• Baryonit, jotka koostuvat kolmesta kvarkista
• Mesonit, jotka koostuvat parista: hiukkas-antihiukkanen

Neutroni on nimensä mukaisesti neutraalisti varautunut, ja se voidaan jakaa kahteen alas- ja yhteen ylös-kvarkkiin. Protoni, positiivisesti varautunut hiukkanen, on jaettu yhdeksi alas-kvarkiksi ja kahdeksi ylös-kvarkiksi.

Kyllä, kyllä, en vitsaile, niitä todella kutsutaan ylä- ja alaosiksi. Vaikuttaa siltä, ​​että jos löytäisimme ylä- ja alakvarkit ja jopa elektronin, pystyisimme kuvailemaan koko maailmankaikkeuden heidän avullaan. Mutta tämä väite olisi hyvin kaukana totuudesta.

Suurin ongelma on, että hiukkasten täytyy jotenkin olla vuorovaikutuksessa toistensa kanssa. Jos maailma koostuisi vain tästä kolminaisuudesta (neutronista, protonista ja elektronista), hiukkaset yksinkertaisesti lentäisivät valtavien avaruuden läpi eivätkä koskaan kerääntyisi suurempiin muodostelmiin, kuten hadroneihin.

Fermionit ja bosonit

Melko kauan sitten tiedemiehet keksivät kätevän ja ytimekkään muodon alkuainehiukkasten esitysmuodoksi, jota kutsutaan standardimalliksi. Osoittautuu, että kaikki alkuainehiukkaset on jaettu fermionit, josta kaikki aine koostuu, ja bosonit, jotka kuljettavat erilaisia ​​vuorovaikutuksia fermionien välillä.

Ero näiden ryhmien välillä on hyvin selvä. Tosiasia on, että kvanttimaailman lakien mukaan fermionit tarvitsevat jonkin verran tilaa selviytyäkseen, kun taas niiden vastineet, bosonit, voivat helposti elää toistensa päällä biljoonissa.

Fermions

Ryhmä fermioneja, kuten jo mainittiin, luo näkyvää ainetta ympärillemme. Kaikki mitä näemme, missä tahansa, on fermionien luoma. Fermionit jaetaan kvarkit, jotka ovat vahvasti vuorovaikutuksessa toistensa kanssa ja jäävät loukkuun monimutkaisempiin hiukkasiin, kuten hadroneihin ja leptonit, jotka ovat vapaasti olemassa avaruudessa vastineistaan ​​riippumatta.

Kvarkit on jaettu kahteen ryhmään.

• Huipputyyppi. Up kvarkit, joiden varaus on +23, sisältävät: up, charm ja todelliset kvarkit
• Alempi tyyppi. Untuva-tyyppiset kvarkit, joiden varaus on -13, sisältävät: untuva-, outo- ja charmikvarkit

Tosi ja ihana ovat suurimmat kvarkit, kun taas ylös ja alas ovat pienimmät. Miksi kvarkeille annettiin niin epätavallisia nimiä ja oikeammin "makuja", tiedemiehet ovat edelleen kiistanalaisia.

Leptonit jaetaan myös kahteen ryhmään.

• Ensimmäinen ryhmä, jonka varaus on "-1", sisältää: elektronin, myonin (raskaampi hiukkanen) ja tau-hiukkasen (massiivisin)
• Toinen ryhmä, jossa on neutraali varaus, sisältää: elektronineutrino, myonineutrino ja tau-neutrino

Neutriino on pieni ainehiukkanen, jota on lähes mahdoton havaita. Sen lataus on aina 0.

Herää kysymys, löytävätkö fyysikot vielä useita hiukkassukupolvia, jotka ovat vielä massiivisempia kuin aiemmat. Siihen on vaikea vastata, mutta teoreetikot uskovat, että leptonien ja kvarkkien sukupolvet rajoittuvat kolmeen.

Etkö löydä yhtäläisyyksiä? Sekä kvarkit että leptonit on jaettu kahteen ryhmään, jotka eroavat toisistaan ​​yksikkökohtaisesti? Mutta siitä lisää myöhemmin...

Bosonit

Ilman niitä fermionit lentävät universumin ympäri jatkuvana virtana. Mutta vaihtaessaan bosoneja, fermionit kertovat toisilleen jonkinlaista vuorovaikutusta. Bosonit itse eivät ole vuorovaikutuksessa toistensa kanssa.

Bosonien välittämä vuorovaikutus on:

• sähkömagneettinen, hiukkaset - fotonit. Nämä massattomat hiukkaset läpäisevät valoa.
• vahva ydin, hiukkaset ovat gluoneja. Niiden avulla atomin ytimestä peräisin olevat kvarkit eivät hajoa erillisiksi hiukkasiksi.
• Heikko ydinvoima, hiukkaset - W- ja Z-bosonit. Heidän avullaan fermionit siirtyvät massan, energian ja voivat muuttua toisikseen.
• painovoimainen , hiukkasia - gravitonit. Erittäin heikko voima mikrokosmoksen mittakaavassa. Näkyy vain supermassiivisilla vartaloilla.

Varauma gravitaatiovuorovaikutuksesta.
Gravitonien olemassaoloa ei ole vielä kokeellisesti vahvistettu. Ne ovat olemassa vain teoreettisen version muodossa. Vakiomallissa niitä ei useimmissa tapauksissa oteta huomioon.

Siinä se, vakiomalli on koottu.

Ongelmat ovat vasta alkaneet

Huolimatta hiukkasten erittäin kauniista esityksestä kaaviossa, kaksi kysymystä on jäljellä. Mistä hiukkaset saavat massansa ja mikä on Higgsin bosoni, joka erottuu muista bosoneista.

Ymmärtääksemme ajatuksen Higgsin bosonin käytöstä meidän on käännyttävä kvanttikenttäteoriaan. puhuminen selkeää kieltä, voidaan väittää, että koko maailma, koko universumi, ei koostu pienimmistä hiukkasista, vaan monista erilaisista kentistä: gluonista, kvarkista, elektronisesta, sähkömagneettisesta jne. Kaikilla näillä aloilla esiintyy jatkuvasti pieniä vaihteluita. Mutta me näemme niistä vahvimmat alkeishiukkasina. Kyllä, ja tämä väitöskirja on erittäin kiistanalainen. Korpuskulaari-aaltodualismin näkökulmasta sama mikrokosmoksen kohde käyttäytyy eri tilanteissa aallon tavoin, joskus kuin alkeishiukkanen, riippuu vain siitä, kuinka prosessia tarkkailevan fyysikon on helpompi mallintaa tilannetta. .

Higgsin kenttä

Osoittautuu, että on olemassa niin sanottu Higgsin kenttä, jonka keskiarvo ei halua mennä nollaan. Tämän seurauksena tämä kenttä yrittää ottaa jonkin vakion nollasta poikkeavan arvon koko universumissa. Kenttä muodostaa arjen ja jatkuvan taustan, jonka seurauksena Higgsin bosoni ilmestyy voimakkaiden vaihteluiden seurauksena.
Ja Higgsin kentän ansiosta hiukkasilla on massa.
Alkuainehiukkasen massa riippuu siitä, kuinka voimakkaasti se vuorovaikuttaa Higgsin kentän kanssa lentää jatkuvasti sen sisällä.
Ja juuri Higgsin bosonin, tai pikemminkin sen kentän vuoksi, standardimallissa on niin monia samanlaisia ​​hiukkasryhmiä. Higgsin kenttä pakotti luomaan monia lisähiukkasia, kuten neutriinoja.

Tulokset

Se, mitä minulle on kerrottu, on pintapuolisin ymmärrys vakiomallin luonteesta ja siitä, miksi tarvitsemme Higgsin bosonia. Jotkut tutkijat toivovat edelleen syvällä, että vuonna 2012 löydetty hiukkanen, joka näyttää Higgsin bosonilta LHC:stä, oli vain tilastollinen virhe. Loppujen lopuksi Higgsin kenttä rikkoo monia luonnon kauniita symmetrioita, mikä tekee fyysikkojen laskelmista hämmentävämpiä.
Jotkut jopa uskovat, että standardimalli elää elämäänsä. viime vuodet epätäydellisyytensä takia. Mutta tätä ei ole kokeellisesti todistettu, ja perushiukkasten standardimalli on edelleen pätevä esimerkki ihmisajattelun neroudesta.

standardi malli- Tämä moderni teoria alkuainehiukkasten rakenteet ja vuorovaikutukset, toistuvasti kokeellisesti todennettu. Tämä teoria perustuu hyvin pieneen määrään postulaatteja ja antaa sinun teoreettisesti ennustaa tuhansien erilaisten prosessien ominaisuuksia alkuainehiukkasten maailmassa. Suurimmassa osassa tapauksista nämä ennusteet vahvistetaan kokeilemalla, joskus poikkeuksellisen suurella tarkkuudella, ja niistä harvoista tapauksista, joissa Standardimallin ennusteet ovat ristiriidassa kokemuksen kanssa, käydään kiivasta keskustelua.

Standardimalli on raja, joka erottaa luotettavasti tunnetun ja hypoteettisen alkuainehiukkasten maailmassa. Huolimatta sen vaikuttavasta menestyksestä kokeiden kuvaamisessa, standardimallia ei voida pitää perimmäisenä alkuainehiukkasten teoriana. Fyysikot ovat siitä varmoja sen täytyy olla osa jotain syvempää teoriaa mikromaailman rakenteesta. Millainen teoria tämä on, ei ole vielä varmaa tietoa. Teoreetikot ovat kehittyneet iso luku ehdokkaita tällaiseen teoriaan, mutta vain kokeen pitäisi osoittaa, mikä niistä vastaa todellista tilannetta, joka on kehittynyt universumissamme. Tästä syystä fyysikot etsivät jatkuvasti poikkeamia standardimallista, hiukkasia, voimia tai vaikutuksia, joita standardimalli ei ennusta. Tiedemiehet kutsuvat kaikkia näitä ilmiöitä kollektiivisesti "uudeksi fysiikaksi"; tarkalleen etsiä uutta fysiikkaa ja se on suuren hadronitörmäyttimen päätehtävä.

Vakiomallin pääkomponentit

Standardimallin työväline on kvanttikenttäteoria - teoria, joka korvaa kvanttimekaniikan lähellä valonnopeutta. Sen tärkeimmät esineet eivät ole hiukkasia, kuten klassisessa mekaniikassa, eivätkä "hiukkasaaltoja", kuten kvanttimekaniikassa, vaan kvanttikentät: elektroninen, myon, sähkömagneettinen, kvarkki jne. - yksi kullekin "mikromaailman entiteettien" lajikkeelle.

Sekä tyhjiö, että se, mitä näemme erillisinä hiukkasina, ja monimutkaisemmat muodostelmat, joita ei voida pelkistää erillisiksi hiukkasiksi - kaikki tämä kuvataan kenttien erilaisiksi tiloiksi. Kun fyysikot käyttävät sanaa "hiukkanen", he tarkoittavat itse asiassa näitä kenttien tiloja, eivät yksittäisiä pisteobjekteja.

Vakiomalli sisältää seuraavat pääainesosat:

• Joukko aineen perustavanlaatuisia "tiiliä" - kuutta erilaista leptonia ja kuutta erilaista kvarkkia. Kaikki nämä hiukkaset ovat spin 1/2 fermioneja ja järjestäytyvät hyvin luonnollisesti kolmeen sukupolveen. Lukuisat hadronit - voimakkaaseen vuorovaikutukseen osallistuvia yhdistehiukkasia - koostuvat kvarkeista erilaisissa yhdistelmissä.
• Kolmen tyyppisiä voimia toimii perusfermionien välillä - sähkömagneettinen, heikko ja vahva. Heikko ja sähkömagneettinen vuorovaikutus ovat saman kaksi puolta sähköheikko vuorovaikutus. Vahva voima erottuu, ja juuri tämä voima sitoo kvarkit hadroneiksi.
• Kaikki nämä voimat on kuvattu perusteella mittarin periaate- niitä ei tuoda teoriaan "väkisin", vaan ne näyttävät syntyvän itsestään sen vaatimuksen seurauksena, että teoria on symmetrinen tiettyjen muunnosten suhteen. Erilliset symmetriatyypit aiheuttavat voimakkaita ja sähköheikkoja vuorovaikutuksia.
• Huolimatta siitä, että teoriassa itsessään on sähköheikko symmetria, maailmassamme sitä rikotaan spontaanisti. Sähköheikon symmetrian spontaani rikkoutuminen- teorian välttämätön elementti, ja standardimallin puitteissa rikkominen tapahtuu Higgsin mekanismin vuoksi.
• Numeeriset arvot kohteelle noin kaksi tusinaa vakiota: nämä ovat perusfermionien massat, niiden voimakkuutta kuvaavien vuorovaikutusten kytkentävakioiden numeeriset arvot ja joitain muita määriä. Kaikki ne erotetaan lopullisesti kokemukseen verrattuna, eikä niitä enää korjata myöhemmissä laskelmissa.

Lisäksi standardimalli on renormalisoitava teoria, eli kaikki nämä elementit tuodaan siihen niin itsestään yhtenäisellä tavalla, että periaatteessa laskelmat voidaan suorittaa vaaditulla tarkkuudella. Kuitenkin usein laskutoimitukset halutulla tarkkuudella osoittautuvat sietämättömän monimutkaisiksi, mutta tämä ei ole itse teorian ongelma, vaan pikemminkin laskennallisten kykyjemme ongelma.

Mitä vakiomalli voi tehdä ja mitä ei

Standardimalli on monella tapaa kuvaava teoria. Se ei anna vastauksia moniin kysymyksiin, jotka alkavat "miksi": miksi on niin paljon hiukkasia ja juuri näitä? mistä nämä vuorovaikutukset tulivat ja tarkalleen tällaisten ominaisuuksien kanssa? Miksi luonnon piti luoda kolme sukupolvea fermioneja? Miksi parametrien numeroarvot ovat täsmälleen samat? Lisäksi standardimalli ei pysty kuvaamaan kaikkia luonnossa havaittuja ilmiöitä. Erityisesti siinä ei ole paikkaa neutrinomassoille ja pimeän aineen hiukkasille. Standardimalli ei ota huomioon painovoimaa, eikä tiedetä, mitä tälle teorialle tapahtuu Planckin energioiden asteikolla, kun painovoimasta tulee erittäin tärkeä.

Jos Standardimallia kuitenkin käytetään aiottuun tarkoitukseen, alkuainehiukkasten törmäysten tulosten ennustamiseen, se mahdollistaa prosessista riippuen laskelmien suorittamisen vaihtelevalla tarkkuudella.

• Sähkömagneettisten ilmiöiden (elektronien sironta, energiatasot) tarkkuus voi olla miljoonasosia tai jopa parempi. Ennätys tässä on epänormaali magneettinen momentti elektroni, joka lasketaan tarkkuudella, joka on parempi kuin yksi miljardisosa.
• Monet korkean energian prosessit, jotka etenevät sähköheikosta vuorovaikutuksesta, lasketaan prosentin tarkkuudella.
• Pahinta on vahva vuorovaikutus ei liian korkeilla energioilla. Tällaisten prosessien laskentatarkkuus vaihtelee suuresti: joissain tapauksissa se voi nousta prosenttiin, toisissa tapauksissa erilaiset teoreettiset lähestymistavat voivat antaa useita kertoja poikkeavia vastauksia.

On syytä korostaa, että se, että joitain prosesseja on vaikea laskea vaaditulla tarkkuudella, ei tarkoita, että teoria on huono. Se on vain hyvin monimutkaista, ja nykyiset matemaattiset tekniikat eivät vielä riitä jäljittämään kaikkia sen seurauksia. Erityisesti yksi kuuluisista matemaattisista vuosituhatongelmista koskee kvanttiteorian ja ei-Abelin mittareiden vuorovaikutuksen rajoittamisen ongelmaa.

Lisäkirjallisuutta:

• Perustietoa Higgsin mekanismista löytyy L. B. Okunin kirjoista "Alkuainehiukkasten fysiikka" (sanojen ja kuvien tasolla) ja "Leptonit ja kvarkit" (vakavalla, mutta helposti saatavilla olevalla tasolla).