Элементар бөлшектердің стандартты моделі нені сипаттайды. Жаңадан бастаушыларға арналған элементар бөлшектердің стандартты үлгісі. Бөлшектер мен әрекеттесулердің стандартты моделі

Барлық материя кварктардан, лептондардан және өзара әсерлесулерді тасымалдаушы бөлшектерден тұрады.

Бүгінгі стандартты модель біздің ғаламның бастапқы материалы туралы түсінігімізді жақсы көрсететін теория деп аталады. Ол сондай-ақ осы негізгі құрамдас бөліктерден материяның қалай түзілетінін және олардың арасындағы өзара әрекеттесу күштері мен механизмдерін нақты сипаттайды.

Құрылымдық тұрғыдан алғанда атом ядроларын құрайтын элементар бөлшектер ( нуклондар) және жалпы барлық ауыр бөлшектер - адрондар (бариондарЖәне мезондар) - одан да көптен тұрады қарапайым бөлшектеролар іргелі деп аталады. Бұл рөлде материяның шын мәнінде негізгі бастапқы элементтері болып табылады кварктар, оның электр заряды протонның бірлік оң зарядының 2/3 немесе –1/3 бөлігіне тең. Ең көп таралған және ең жеңіл кварктар деп аталады жоғарғыЖәне төменжәне тиісінше белгілеңіз u(ағылшын тілінен жоғары) Және г(төмен). Кейде оларды шақырады протонЖәне нейтронпротонның комбинациядан тұруына байланысты кварк uud, және нейтрон удд.Жоғарғы кварктың заряды 2/3; төменгі - теріс заряд -1/3. Протон екі жоғары және бір төмен кварктан, ал нейтрон бір жоғары және екі төмен кварктан тұратындықтан, протон мен нейтронның жалпы заряды 1 және 0-ге тең болатынын тәуелсіз түрде тексеріп, Стандартты модель бұл шындықты барабар сипаттайтынына сенімді. Қалған екі жұп кварк экзотикалық бөлшектердің бөлігі болып табылады. Екінші жұптың кварктары деп аталады сиқырланған - в(қайтадан Таң қалдым) Және оғаш - с(қайтадан оғаш). Үшінші жұп рас - т(қайтадан шындық, немесе ағылшын тілінде. дәстүрлері жоғарғы) Және Әдемі - б(қайтадан сұлулық, немесе ағылшын тілінде. дәстүрлері төменгі) кварктар. Стандартты модельде болжаған және кварктардың әртүрлі комбинацияларынан тұратын бөлшектердің барлығы дерлік тәжірибе жүзінде ашылған.

Басқа құрылыс жиынтығы деп аталатын кірпіштен тұрады лептондар.Лептондардың ең көп тарағаны – бізге бұрыннан белгілі электрон, ол атомдар құрылымының бөлігі болып табылады, бірақ атомаралық әрекеттесумен шектеле отырып, ядролық әрекеттесулерге қатыспайды. Оған қосымша (және оның жұптасқан антибөлшектері деп аталады позитрон) лептондарға ауыр бөлшектер – мюон және антибөлшектері бар тау лептон жатады. Сонымен қатар, әрбір лептонға нөлдік (немесе іс жүзінде нөлге тең) тыныштық массасы бар өзінің зарядсыз бөлшектері тағайындалады; мұндай бөлшектер сәйкесінше электрон, мюон немесе таон деп аталады нейтрино.

Сонымен, лептондар да кварктар сияқты үш «отбасылық жұпты» құрайды. Мұндай симметрия теоретиктердің байқағыш назарынан тыс қалмады, бірақ ол үшін әлі де сенімді түсініктеме берілген жоқ. Қалай болғанда да, кварктар мен лептондар ғаламның негізгі құрылыс блоктары болып табылады.

Монетаның сырт жағын - кварктар мен лептондар арасындағы өзара әрекеттесу күштерінің табиғатын түсіну үшін қазіргі теориялық физиктер күш ұғымының өзін қалай түсіндіретінін түсіну керек. Бұл бізге аналогия көмектеседі. Кембридждегі Кэм өзенінде қарама-қарсы бағытта жүзіп келе жатқан екі қайықшыны елестетіп көріңіз. Бір ескекші жомарттықтан әріптесін шампанмен емдеуді ұйғарды және олар бір-бірінің жанынан өтіп бара жатқанда, оған толық бөтелке шампан лақтырып жіберді. Импульстің сақталу заңының нәтижесінде бірінші ескекші бөтелкені лақтырған кезде оның қайық бағыты қарама-қарсы бағытта түзу сызықтан ауытқиды, ал екінші ескекші бөтелкені ұстаған кезде оның импульсі оған ауысты. ал екінші қайық та түзу сызықтан ауытқып кетті. тікелей курс, бірақ қарама-қарсы бағытта. Осылайша, шампан алмасуының нәтижесінде екі қайық та бағытын өзгертті. Ньютон механикасының заңдарына сәйкес, бұл қайықтар арасында күштік әсерлесу орын алғанын білдіреді. Бірақ қайықтар бір-бірімен тікелей байланыста болмады, солай ма? Мұнда біз қайықтар арасындағы өзара әрекеттесу күшін импульсті тасымалдаушы – шампан бөтелкесі бергенін көзбен көріп, интуитивті түрде түсінеміз. Оны физиктер атайды әрекеттесудің тасымалдаушысы.

Дәл осылай бөлшектер арасындағы күш әсерлесуі осы әсерлесулердің тасымалдаушы-бөлшектерінің алмасуы арқылы жүзеге асады. Шын мәнінде, біз бөлшектер арасындағы өзара әрекеттесудің негізгі күштерін әр түрлі бөлшектер осы өзара әрекеттесулердің тасымалдаушысы ретінде әрекет ететіндіктен ғана ажыратамыз. Мұндай төрт өзара әрекеттесу бар: күшті(бұл бөлшектердің ішінде кварктарды сақтайтын нәрсе), электромагниттік, әлсіз(бұл радиоактивті ыдыраудың қандай да бір түріне әкелетін нәрсе) және гравитациялық.Күшті түсті өзара әрекеттесу тасымалдаушылары болып табылады глюондар, олардың массасы да, массасы да жоқ электр заряды. Бұл әрекеттесу түрі кванттық хромодинамикамен сипатталады. Электромагниттік әсерлесу электромагниттік сәулелену кванттарының алмасуы арқылы жүреді, олар деп аталады. фотондаржәне де массасы жоқ . Әлсіз әрекеттесу, керісінше, массив арқылы беріледі векторынемесе калибрлі бозондар, олар протоннан 80-90 есе артық «салмағы» - зертханалық жағдайда олар алғаш рет 1980 жылдардың басында ғана ашылды. Ақырында, гравитациялық әрекеттесу өздік емес массаның алмасуы арқылы беріледі гравитондар- бұл делдалдар әлі тәжірибе жүзінде анықталған жоқ.

Стандартты модель шеңберінде іргелі өзара әрекеттесулердің алғашқы үш түрі біртұтас болды және олар енді бөлек қарастырылмай, біртұтас сипаттағы күштің үш түрлі көрінісі ретінде қарастырылады. Аналогияға қайта оралсақ, Кам өзенінде бір-бірінен өтіп бара жатқан тағы бір ескекшілер жұбы бір бөтелке шампан емес, тек бір стақан балмұздақ алмасты делік. Бұдан қайықтар да бағытынан қарама-қарсы бағытта ауытқиды, бірақ әлдеқайда әлсіз. Сырттай бақылаушыға бұл екі жағдайда қайықтар арасында әртүрлі күштер әрекет еткендей көрінуі мүмкін: бірінші жағдайда сұйықтық алмасу болды (мен бөтелкені ескермеуді ұсынамын, өйткені көпшілігімізді оның мазмұны қызықтырады. ), ал екіншісінде - қатты дене (балмұздақ). Енді елестетіп көріңізші, Кембриджде сол күні солтүстік аймақтарда сирек болатын жаз ыстығы болды, ал балмұздақ ұшып бара жатып еріп кетті. Яғни, температураның біршама жоғарылауы, шын мәнінде, өзара әрекеттесу сұйық немесе қатты дененің оның тасымалдаушысы ретінде әрекет етуіне байланысты емес екенін түсіну үшін жеткілікті. Қайықтар арасында әртүрлі күштер бар деп ойлауымыздың бірден-бір себебі, балмұздақ тасымалдағыштың сыртқы түрі әртүрлі болды, себебі оны еріту үшін температура тым төмен болды. Температураны көтеріңіз - және өзара әрекеттесу күштері визуалды түрде біріктірілген көрінеді.

Әлемде әрекет ететін күштер өзара әрекеттесудің жоғары энергияларында (температураларында) біріктіріледі, содан кейін оларды ажырату мүмкін емес. Бірінші біріктіру(әдетте осылай аталады) әлсіз ядролық және электромагниттік әсерлесулер. Нәтижесінде біз деп аталатын нәрсені аламыз электр әлсіз әрекеттесутіпті зертханада заманауи үдеткіштер әзірлеген энергияларда байқалады элементар бөлшектер. Ерте Ғаламда энергиялар соншалықты жоғары болды, содан кейін алғашқы 10-10 секундта үлкен жарылысәлсіз ядролық және электромагниттік күштер арасында шекара болмады. Ғаламның орташа температурасы 10 14 К-ге дейін төмендегеннен кейін ғана бүгін байқалған төрт күш әрекеттесуі бір-бірінен бөлініп, заманауи пішінге ие болды. Температура осы белгіден жоғары болған кезде тек үш негізгі күш әсер етті: күшті, біріктірілген электр әлсіз және гравитациялық әрекеттесу.

Электр әлсіз және күшті ядролық әрекеттесулердің бірігуі 10 27 К реттік температурада жүреді. Зертханалық жағдайларда мұндай энергияға қазіргі уақытта қол жеткізу мүмкін емес. Қазіргі уақытта Франция мен Швейцария шекарасында салынып жатқан ең қуатты үдеткіш Үлкен адрон коллайдері (Үлкен адрон коллайдері) бөлшектерді электр әлсіз және күшті ядролық өзара әрекеттесулерді біріктіру үшін қажет энергияның небәрі 0,000000001% құрайтын энергияға дейін жеделдете алады. Сондықтан бұл бірлестіктің эксперименталды расталуын ұзақ күтуіміз керек шығар. Қазіргі Әлемде мұндай энергия жоқ, дегенмен, оның пайда болған алғашқы 10-35-те Ғаламның температурасы 10 27 К-ден жоғары болды және Әлемде тек екі күш әрекет етті - электрокүштіжәне гравитациялық әрекеттесу. Бұл процестерді сипаттайтын теориялар «Ұлы біріктіру теориялары» (GUTs) деп аталады. ТВО-ны тікелей сынау мүмкін емес, бірақ олар сонымен қатар төменгі энергияларда болатын процестер туралы белгілі бір болжамдар береді. Бүгінгі күні салыстырмалы түрде барлық TVO болжамдары төмен температураларжәне энергиясы тәжірибе жүзінде расталады.

Сонымен, стандартты модель жалпыланған түрде, материя кварктар мен лептондардан тұратын және олардың арасындағы күшті, электромагниттік және әлсіз әсерлесулер үлкен біріктіру теорияларымен сипатталатын Әлем құрылымының теориясы болып табылады. Мұндай модель толық емес екені анық, өйткені ол гравитацияны қамтымайды. Ақыр соңында неғұрлым толық теория әзірленетін шығар ( см.Әмбебап теориялар) және бүгінгі таңда Стандартты модель бізде бар нәрсенің ең жақсысы болып табылады.

«Элементтер»

Ережелер

Стандартты үлгі келесі ережелерден тұрады:

• Барлық материя спиннің ½ 24 негізгі кванттық өрісінен тұрады, олардың кванттары іргелі бөлшектер – фермиондар, олар фермиондардың үш ұрпағына біріктірілуі мүмкін: 6 лептон (электрон, мюон, тау лептон, электрон нейтрино, мюон нейтрино және тау нейтрино). ), 6 кварк (u, d, s, c, b, t) және 12 сәйкес антибөлшек.
• Кварктар күшті, әлсіз және электромагниттік әсерлесуге қатысады; зарядталған лептондар (электрон, мюон, тау-лептон) - әлсіз және электромагниттік; нейтрино – тек әлсіз әрекеттесулерде.
• Өзара әрекеттесулердің үш түрі де біздің дүниеміз өлшем түрлендірулерінің үш түріне қатысты симметриялы екендігі туралы постулаттың салдары ретінде туындайды. Бөлшектер-өзара әрекеттесу тасымалдаушылары бозондар:

• Электромагниттік және күшті әрекеттесулерден айырмашылығы, әлсіз әрекеттесу фермиондарды араластыра алады әртүрлі ұрпақтар, бұл ең жеңіл бөлшектерден басқа барлық бөлшектердің тұрақсыздығына және CP бұзылуы мен нейтрино тербелістері сияқты әсерлерге әкеледі.
• Стандартты модельдің сыртқы параметрлері:
  • лептондардың (3 параметр, нейтрино массасы жоқ деп есептеледі) және кварктардың (6 параметр) массалары, олардың өрістерінің Хиггс бозонының өрісімен әрекеттесу тұрақтылары ретінде түсіндіріледі,
  • CKM кварк араластыру матрицасының параметрлері - үш араластыру бұрышы және CP симметриясын бұзатын бір күрделі фаза - кварктардың электр әлсіз өріспен әрекеттесу тұрақтылары,
  • Хиггс өрісінің вакуумды күту мәнімен және Хиггс бозонының массасымен ерекше байланысты екі параметрі,
  • тиісінше U(1), SU(2) және SU(3) өлшеуіш топтарымен байланысты және электромагниттік, әлсіз және күшті әрекеттесулердің салыстырмалы қарқындылығын сипаттайтын үш өзара әрекеттесу константасы.

Нейтрино тербелістерінің ашылуына байланысты стандартты модельге қосымша 3 нейтрино массасын және CKM кварк араластыру матрицасына ұқсас PMNS нейтрино араластырғыш матрицасының кемінде 4 параметрін және нейтрино майорана болса, араластырудың тағы 2 параметрін енгізетін кеңейтім қажет. бөлшектер. Сондай-ақ кванттық хромодинамиканың вакуумдық бұрышы кейде стандартты модельдің параметрлеріне кіреді. Бір қызығы, 20 тақ сандар жиыны бар математикалық модель физикада осы уақытқа дейін жүргізілген миллиондаған тәжірибелердің нәтижелерін сипаттай алады.

Стандартты үлгіден тыс

да қараңыз

Ескертпелер

Әдебиет

• Емельянов В.М.Стандартты модель және оның кеңейтімдері. - М .: Физматлит, 2007. - 584 б. - (іргелі және қолданбалы физика). - ISBN 978-5-922108-30-0

Сілтемелер

Викимедиа қоры. 2010 ж.

Басқа сөздіктерде «Стандартты үлгі» не екенін қараңыз:

СТАНДАРТ МОДЕЛІ, ең көп болып табылатын ИНФЕРЕНЦИЯЛЫҚ БӨЛШЕКТЕР және олардың өзара әрекеттесу моделі Толық сипаттама физикалық құбылыстарэлектрмен байланысты. Бөлшектер АДРОНдарға бөлінеді (ЯДРОЙ КҮШТЕРДІҢ әсерінен КВАРКтарға айналады), ... ... Ғылыми-техникалық энциклопедиялық сөздік

Элементар бөлшектер физикасында, көптеген негіздерге сәйкес теория. (іргелі) элементар бөлшектер – кварктар мен лептондар. Күшті әрекеттесу, олардың көмегімен кварктар адрондармен байланысады, глюондардың алмасуы арқылы жүзеге асады. Electrowweak ...... Жаратылыстану. энциклопедиялық сөздік

- ... Википедия

Стандартты халықаралық сауда үлгісі- қазіргі кездегі ең көп қолданылатын модель халықаралық сауда, сауда елдің негізгі макроэкономикалық көрсеткіштеріне сыртқы сауда әсерін ашу: өндіріс, тұтыну, қоғамдық әл-ауқат ... Экономика: глоссарий

- (Heckscher Ohlin моделі) Әртүрлі салалық құрылымы бар елдер арасындағы сыртқы сауданың стандартты үлгісі (индустриалды сауда), оның швед жасаушыларының атымен аталған. Бұл модельге сәйкес елдерде бірдей өндіріс бар ... ... Экономикалық сөздік

Әлемнің ғылыми суреті (SCM) (жаратылыстанудағы іргелі ұғымдардың бірі) арнайы пішінбілімді жүйелеу, әртүрлі ғылыми теорияларды сапалық жалпылау және идеялық синтездеу. Болу толық жүйетуралы идеялар жалпы ... ... Уикипедия

C Стандартты кітапхана 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

ҒЫЛЫМНЫҢ СТАНДАРТЫ КОНЦЕПЦИЯСЫ – ғылымның неопозитивистік философиясының елеулі ықпалымен жасалған жаратылыстану теорияларын логикалық-әдістемелік талдаудың бір түрі. Ғылымның стандартты тұжырымдамасы шеңберінде теорияның қасиеттері (түсіндірілетін ... ... Философиялық энциклопедия

Неопозитивистік ғылым философиясының елеулі ықпалымен дамыған жаратылыстану теорияларын логикалық және әдістемелік талдаудың бір түрі. Ғылымның стандартты тұжырымдамасы шеңберінде теорияның қасиеттері (ғылыми мағыналы ... ... жиынтығы ретінде түсіндіріледі. Философиялық энциклопедия

Кітаптар

• Бөлшектер физикасы - 2013. Кванттық электродинамика және стандартты модель, О.М.Бояркин, Г.Г.Бояркина. Құрамында екі томдықтың екінші томында заманауи курсэлементар бөлшектер физикасы, кванттық электродинамика нақты өзара әрекеттесу теориясының алғашқы мысалы ретінде қарастырылады. ...

Бүгінгі таңда Стандартты модель барлық элементар бөлшектердің электромагниттік, әлсіз және күшті әрекеттесуін сипаттайтын элементар бөлшектер физикасындағы маңызды теориялық конструкциялардың бірі болып табылады. Бұл теорияның негізгі ережелері мен құрамдас бөліктерін физик, Ресей ғылым академиясының корреспондент мүшесі Михаил Данилов сипаттайды.

1

Енді эксперименттік деректер негізінде біз бақылайтын құбылыстардың барлығын дерлік сипаттайтын өте тамаша теория жасалды. Бұл теория қарапайым түрде «Элементар бөлшектердің стандартты моделі» деп аталады. Онда фермиондардың үш ұрпағы бар: кварктар, лептондар. Бұл, былайша айтқанда, құрылыс материалы. Айналамызда көретін нәрселердің бәрі бірінші ұрпақтан жасалған. Оған u- ​​және d-кварктары, электрон және электронды нейтрино кіреді. Протондар мен нейтрондар үш кварктан тұрады: сәйкесінше уд және удд. Бірақ кварктар мен лептондардың тағы екі ұрпағы бар, олар белгілі бір дәрежеде біріншісін қайталайды, бірақ ауыр және ақырында бірінші ұрпақтың бөлшектеріне ыдырайды. Барлық бөлшектерде қарама-қарсы зарядтары бар антибөлшектері болады.

2

Стандартты модель үш өзара әрекетті қамтиды. Электромагниттік әрекеттесу электрондарды атомның ішінде, ал атомдарды молекулалардың ішінде ұстайды. Электромагниттік әсерлесудің тасымалдаушысы фотон болып табылады. Күшті әрекеттесу протондар мен нейтрондарды атом ядросының ішінде, ал кварктарды протондар, нейтрондар және басқа адрондар ішінде сақтайды (Л.Б. Окун күшті әсерлесуге қатысатын бөлшектерді осылай атауды ұсынды). Күшті әсерлесуге олардан құрастырылған кварктар мен адрондар, сондай-ақ әсерлесудің өзі тасымалдаушылар – глюондар (ағылшын желімінен – желім) қатысады. Адрондар не протон мен нейтрон сияқты үш кварктан, не кварк пен антикварктан, айталық, u- және анти-д-кварктардан тұратын π+ мезоннан тұрады. Әлсіз күш нейтронның протонға, электронға және электронды антинейтриноға ыдырауы сияқты сирек ыдырауларға әкеледі. Әлсіз әрекеттесу тасымалдаушылары W- және Z-бозондар болып табылады. Әлсіз әрекеттесуге кварктар да, лептондар да қатысады, бірақ ол біздің энергиямызда өте аз. Бұл, алайда, W және Z бозондарының үлкен массаларымен түсіндіріледі, олар протондардан екі есе ауыр. W- және Z-бозондардың массасынан үлкен энергияларда электромагниттік және әлсіз әрекеттесулердің күштіліктері салыстырмалы болады және олар бір электрлік әлсіз әрекеттесуге біріктіріледі. Көбінесе б деп болжанады Ожоғары энергия және күшті өзара әрекеттесу қалғандарымен біріктіріледі. Электр әлсіз және күшті әсерлесулерден басқа, Стандартты модельге кірмейтін гравитациялық өзара әрекеттесу де бар.

W, Z-бозондары

g - глюондар

H0 - Хиггс бозоны.

3

Стандартты үлгіні тек массасы жоқ негізгі бөлшектер, яғни кварктар, лептондар, W және Z бозондары үшін тұжырымдауға болады. Олардың массасын алу үшін әдетте осы механизмді ұсынған ғалымдардың бірінің атымен аталған Хиггс өрісі енгізіледі. Бұл жағдайда Стандартты модельде тағы бір іргелі бөлшек - Хиггс бозоны болуы керек. Стандартты модельдің жіңішке ғимаратында осы соңғы кірпішті іздеу әлемдегі ең үлкен коллайдерде - Үлкен адрон коллайдерінде (LHC) белсенді түрде жүргізілуде. Қазірдің өзінде массасы шамамен 133 протондық массасы бар Хиггс бозонының бар екендігі туралы белгілер алынды. Дегенмен, бұл көрсеткіштердің статистикалық сенімділігі әлі де жеткіліксіз. 2012 жылдың соңына қарай жағдай түзеледі деп күтілуде.

4

Стандартты модель элементар бөлшектер физикасындағы барлық дерлік тәжірибелерді тамаша сипаттайды, дегенмен SM шегінен шығатын құбылыстарды іздеу табанды түрде жүргізілуде. SM-дан тыс физикадағы соңғы кеңес 2011 жылы LHC-де LHCb экспериментінде сүйкімді мезондар мен олардың антибөлшектері деп аталатын қасиеттерінде күтпеген үлкен айырмашылықтың ашылуы болды. Алайда, шамасы, тіпті мұндай үлкен айырмашылықты СМ тұрғысынан түсіндіруге болады. Екінші жағынан, 2011 жылы экзотикалық адрондардың болуын болжайтын бірнеше ондаған жылдар бойы іздестіріліп келген SM-ның тағы бір растауы алынды. Теориялық және эксперименттік физика институтының (Мәскеу) және институтының физиктері ядролық физика(Новосибирск) халықаралық BELLE тәжірибесі аясында екі кварк пен екі антикварктан тұратын адрондар ашылды. Сірә, бұл ITEP теоретиктері М.Б.Волошин және Л.Б.Окун болжаған мезон молекулалары.

5

Стандартты модельдің барлық жетістіктеріне қарамастан, оның көптеген кемшіліктері бар. Теорияның бос параметрлерінің саны 20-дан асады және олардың иерархиясы қайдан шыққаны мүлдем түсініксіз. Неліктен т кварктың массасы u кварктың массасынан 100 000 есе көп? Неліктен ITEP физиктерінің белсенді қатысуымен өткен халықаралық ARGUS экспериментінде алғаш рет өлшенген t- және d-кварктардың қосылу тұрақтысы с- және d-кварктардың қосылу константасынан 40 есе аз? SM бұл сұрақтарға жауап бермейді. Ақырында, бізге кварктар мен лептондардың 3 буыны не үшін қажет? Жапон теоретиктері М.Кобаяши мен Т.Маскава 1973 жылы кварктардың 3 буынының болуы материя мен антиматерия қасиеттерінің айырмашылығын түсіндіруге мүмкіндік беретінін көрсетті. М.Кобаяши мен Т.Маскаваның гипотезасы INP және ITEP физиктерінің белсенді қатысуымен BELLE және BaBar эксперименттерінде расталды. 2008 жылы М.Кобаяши мен Т.Маскаваға теориясы үшін Нобель сыйлығы берілді.

6

Стандартты үлгіде негізгі мәселелер бар. Біз SM толық емес екенін білеміз. Астрофизикалық зерттеулерден СМ-да жоқ заттың бар екені белгілі. Бұл қараңғы материя деп аталады. Бұл біз құрайтын қарапайым материядан шамамен 5 есе көп. Стандартты модельдің негізгі кемшілігі оның ішкі өзіндік сәйкестігінің болмауы болуы мүмкін. Мысалы, виртуалды бөлшектердің алмасуына байланысты СМ-де пайда болатын Хиггс бозонының табиғи массасы бақыланатын құбылыстарды түсіндіруге қажетті массадан бірнеше рет артық. Бір шешім, қазіргі уақытта ең танымал, суперсимметрия гипотезасы - фермиондар мен бозондар арасында симметрия бар деген болжам. Бұл идеяны алғаш рет 1971 жылы Ю.А.Гольфанд пен Е.П.Лихтман Лебедев атындағы физика институтында айтқан болатын және қазір ол үлкен танымалдылыққа ие.

7

Суперсимметриялық бөлшектердің болуы SM мінез-құлқын тұрақтандыруға мүмкіндік беріп қана қоймайды, сонымен қатар қараңғы материяның рөліне өте табиғи үміткер - ең жеңіл суперсимметриялық бөлшекті қамтамасыз етеді. Қазіргі уақытта сенімді болмаса да эксперименттік дәлелдербұл теория, ол Стандартты модель мәселелерін шешуде соншалықты әдемі және талғампаздығы соншалық, көптеген адамдар оған сенеді. LHC суперсимметриялық бөлшектерді және SM-ге басқа баламаларды белсенді түрде іздейді. Мысалы, олар кеңістіктің қосымша өлшемдерін іздейді. Егер олар бар болса, онда көптеген мәселелерді шешуге болады. Мүмкін, ауырлық күші салыстырмалы түрде үлкен қашықтықта күшейеді, бұл да үлкен тосынсый болар еді. Басқа, альтернативті Хиггс модельдері, іргелі бөлшектерде массаның пайда болуының механизмдері бар. Стандартты үлгіден тыс әсерлерді іздеу өте белсенді, бірақ әзірге сәтсіз. Алдағы жылдары көп нәрсе анықталуы керек.

«Неге бір топ талантты және өз ісіне берілген адамдар өз өмірін көзге көрінбейтін соншалықты кішкентай заттарды қууға арнайды? Шын мәнінде, физиктердің бөлшектерінде адамның қызығушылығы мен біз өмір сүретін әлем қалай жұмыс істейтінін білуге ​​деген ұмтылыс көрінеді » Шон Кэрролл

Егер сіз әлі де кванттық механика деген сөз тіркесінен қорқатын болсаңыз және әлі де стандартты модельдің не екенін білмесеңіз - мысыққа қош келдіңіз. Мен өз басылымымда кванттық әлемнің негіздерін, сондай-ақ элементар бөлшектер физикасын мүмкіндігінше қарапайым және анық түсіндіруге тырысамын. Біз фермиондар мен бозондардың негізгі айырмашылықтары неде екенін, кварктардың неге мұндай оғаш атаулары бар екенін және ақырында, неге бәрі Хиггс бозонын табуға соншалықты ынталы болғанын анықтауға тырысамыз.

Біз неден жаратылғанбыз?

Ал, біз микроәлемге саяхатымызды қарапайым сұрақтан бастаймыз: айналамыздағы заттар неден тұрады? Біздің әлем, үй сияқты, көптеген кішкентай кірпіштерден тұрады, олар ерекше түрде біріктірілгенде, тек қана емес, жаңа нәрсе жасайды. сыртқы түрі, сонымен қатар оның қасиеттері бойынша. Шындығында, егер сіз оларға мұқият қарасаңыз, блоктардың әртүрлі түрлері көп емес екенін көресіз, тек олар бір-бірімен әр түрлі жолмен байланысып, жаңа формалар мен құбылыстарды қалыптастырады. Әрбір блок - бұл менің әңгімемде талқыланатын бөлінбейтін элементар бөлшек.

Мысалы, кейбір субстанцияны алайық, ол екінші элемент болсын периодтық жүйеМенделеев, инертті газ, гелий. Ғаламдағы басқа заттар сияқты гелий де молекулалардан тұрады, олар өз кезегінде атомдар арасындағы байланыстар арқылы түзіледі. Бірақ бұл жағдайда біз үшін гелий аздап ерекше, өйткені ол бір ғана атом.

Атом неден тұрады?

Гелий атомы, өз кезегінде, екі нейтроннан және екі протоннан тұрады, олар құрайды атом ядросыоның айналасында екі электрон айналады. Ең қызығы, бұл жерде жалғыз абсолютті бөлінбейтін нәрсе электрон.

Кванттық әлемнің қызықты сәті

Қалай Аздауэлементар бөлшектің массасы, the Көбірекол орын алады. Дәл осы себепті протоннан 2000 есе жеңіл электрондар атом ядросынан әлдеқайда көп орын алады.

Нейтрондар мен протондар деп аталатын топқа жатады адрондар(күшті әсерлесуге жататын бөлшектер) және дәлірек айтқанда, бариондар.

Адрондарды топтарға бөлуге болады

• Үш кварктан тұратын бариондар
• Жұптан тұратын мезондар: бөлшек-антибөлшек

Нейтрон, оның аты айтып тұрғандай, бейтарап зарядталған және екі төмен кваркқа және бір жоғары кваркқа бөлуге болады. Протон, оң зарядталған бөлшек, бір төмен кваркқа және екі жоғары кваркқа бөлінеді.

Иә, иә, мен қалжыңдамаймын, олар шынымен де жоғары және төменгі деп аталады. Егер біз жоғарғы және төменгі кварктарды, тіпті электронды ашсақ, олардың көмегімен бүкіл Әлемді сипаттай алатын едік. Бірақ бұл мәлімдеме шындықтан өте алыс болар еді.

Негізгі мәселе - бөлшектер бір-бірімен қандай да бір түрде әрекеттесуі керек. Егер әлем тек осы үштіктен (нейтрон, протон және электрон) тұрса, онда бөлшектер жай ғана ғарыш кеңістігінде ұшып өтіп, ешқашан адрондар сияқты үлкен құрылымдарға жиналмас еді.

Фермиондар мен бозондар

Ұзақ уақыт бұрын ғалымдар стандартты модель деп аталатын қарапайым бөлшектерді бейнелеудің ыңғайлы және қысқа түрін ойлап тапты. Барлық элементар бөлшектер бөлінеді екен фермиондар, одан барлық материя тұрады және бозондарфермиондар арасында әр түрлі әрекеттесулерді жүзеге асырады.

Бұл топтардың арасындағы айырмашылық өте айқын. Өйткені, кванттық әлемнің заңдарына сәйкес, фермиондар өмір сүру үшін біраз кеңістікті қажет етеді, ал олардың аналогтары, бозондар триллиондарда бір-бірінің үстіне оңай өмір сүре алады.

Фермиондар

Фермиондар тобы, жоғарыда айтылғандай, айналамызда көрінетін заттарды жасайды. Біз қай жерде көрсек те, фермиондар жасайды. Фермиондар бөлінеді кварктар, олар бір-бірімен күшті әрекеттеседі және адрондар сияқты күрделірек бөлшектердің ішінде ұсталады және лептондар, олар өз әріптестерінен тәуелсіз кеңістікте еркін өмір сүреді.

Кварктарекі топқа бөлінеді.

• Жоғарғы түрі. +23 заряды бар жоғары кварктарға мыналар жатады: жоғары, шарм және шынайы кварктар
• Төменгі түрі. Зарядтары -13 болатын төмен типті кварктарға мыналар жатады: төмен, оғаш және сүйкімді кварктар

Шынайы және сүйкімді - ең үлкен кварктар, ал жоғары және төмен - ең кішкентай. Неліктен кварктарға мұндай ерекше атаулар берілді, дәлірек айтсақ, «дәмдер» ғалымдар үшін әлі күнге дейін даулы мәселе болып табылады.

Лептондарда екі топқа бөлінеді.

• Бірінші топқа заряды «-1» кіреді: электрон, мюон (ауыр бөлшек) және тау бөлшек (ең массивті)
• Бейтарап заряды бар екінші топта мыналар бар: электрон нейтрино, мюон нейтрино және тау нейтрино

Нейтрино - бұл анықтау мүмкін емес дерлік заттың кішкене бөлігі. Оның заряды әрқашан 0 болады.

Физиктер бұрынғыдан да массалы болатын бөлшектердің тағы бірнеше ұрпағын таба ма деген сұрақ туындайды. Оған жауап беру қиын, бірақ теоретиктер лептондар мен кварктардың ұрпақтары үшеумен шектеледі деп есептейді.

Ұқсастық таппайсыз ба? Кварктар да, лептондар да екі топқа бөлінеді, олар бір-бірінен бірлігіне зарядтары бойынша ерекшеленеді? Бірақ бұл туралы кейінірек ...

Бозондар

Оларсыз фермиондар үздіксіз ағынмен ғаламды айналып ұшатын еді. Бірақ бозондармен алмасу, фермиондар бір-біріне қандай да бір әрекеттесу туралы айтады. Бозондардың өздері бір-бірімен әрекеттеспейді.

Бозондар арқылы берілетін әрекеттесу:

• электромагниттік, бөлшектер – фотондар. Бұл массасы жоқ бөлшектер жарықты өткізеді.
• күшті ядролық, бөлшектер глюондар болып табылады. Олардың көмегімен атом ядросынан кварктар жеке бөлшектерге ыдырамайды.
• Әлсіз ядролық, бөлшектер - W және Z бозондары. Олардың көмегімен фермиондар массасы, энергиясы бойынша тасымалданады және бір-біріне айнала алады.
• гравитациялық , бөлшектер - гравитондар. Микрокосмос масштабындағы өте әлсіз күш. Тек аса массивті денелерде көрінеді.

Гравитациялық әсерлесу туралы ескерту.
Гравитондардың бар екендігі әлі тәжірибе жүзінде расталған жоқ. Олар тек теориялық нұсқа түрінде ғана бар. Стандартты модельде көп жағдайда олар қарастырылмайды.

Барлығы, стандартты үлгі жинақталған.

Қиындық енді ғана басталды

Диаграммадағы бөлшектердің өте әдемі көрінісіне қарамастан, екі сұрақ қалады. Бөлшектер массасын қайдан алады және нені құрайды Хиггс бозоны, ол қалған бозондардан ерекшеленеді.

Хиггс бозонын пайдалану идеясын түсіну үшін өрістің кванттық теориясына жүгіну керек. сөйлесу қарапайым тіл, бүкіл әлем, бүкіл Әлем ең кішкентай бөлшектерден емес, көптеген әртүрлі өрістерден тұрады деп дәлелдеуге болады: глюон, кварк, электронды, электромагниттік және т.б. Барлық осы өрістерде аздаған ауытқулар үнемі орын алады. Бірақ біз олардың ең күштісін элементар бөлшектер ретінде қабылдаймыз. Иә, және бұл диссертация өте даулы. Корпускулярлық-толқындық дуализм тұрғысынан микроәлемнің бір объектісі әртүрлі жағдайларда өзін толқын сияқты, кейде элементар бөлшек сияқты ұстайды, ол процесті бақылайтын физикке жағдайды модельдеу қаншалықты ыңғайлы екеніне ғана байланысты. .

Хиггс өрісі

Хиггс деп аталатын өріс бар екен, оның орташа мәні нөлге барғысы келмейді. Нәтижесінде бұл өріс бүкіл Әлемде тұрақты нөлдік емес мәнді қабылдауға тырысады. Өріс барлық жерде және тұрақты фон құрайды, нәтижесінде Хиггс бозоны күшті ауытқулар нәтижесінде пайда болады.
Ал бөлшектердің массасы Хиггс өрісінің арқасында.
Элементар бөлшектің массасы оның Хиггс өрісімен қаншалықты күшті әрекеттесетініне байланыстыоның ішінде үнемі ұшады.
Дәл Хиггс бозоны, дәлірек айтсақ, оның өрісінің арқасында стандартты модельде бөлшектердің ұқсас топтары көп. Хиггс өрісі нейтрино сияқты көптеген қосымша бөлшектерді жасауға мәжбүр етті.

Нәтижелер

Маған айтылған нәрсе - Стандартты модельдің табиғаты және Хиггс Бозоны не үшін қажет екендігі туралы ең үстірт түсінік. Кейбір ғалымдар әлі күнге дейін 2012 жылы табылған LHC-де Хиггс бозонына ұқсайтын бөлшек жай ғана статистикалық қате деп үміттенеді. Өйткені, Хиггс өрісі табиғаттың көптеген әдемі симметрияларын бұзып, физиктердің есептеулерін шатастырады.
Кейбіреулер тіпті стандартты модель өз өмірін өткізеді деп санайды. Соңғы жылдарыоның жетілмегендігінен. Бірақ бұл тәжірибе жүзінде дәлелденген жоқ, ал элементар бөлшектердің стандартты моделі адам ойының данышпанының жарамды үлгісі болып қала береді.

стандартты үлгі- Бұл қазіргі заманғы теориябірнеше рет тәжірибе жүзінде тексерілген элементар бөлшектердің құрылымдары мен өзара әрекеттесуі. Бұл теория постулаттардың өте аз санына негізделген және элементар бөлшектер әлеміндегі мыңдаған әртүрлі процестердің қасиеттерін теориялық түрде болжауға мүмкіндік береді. Жағдайлардың басым көпшілігінде бұл болжамдар эксперимент арқылы, кейде өте жоғары дәлдікпен расталады және Стандартты үлгінің болжамдары тәжірибемен келіспейтін сирек жағдайлар қызу пікірталастың тақырыбына айналады.

Стандартты модель – элементар бөлшектер әлеміндегі сенімді белгіліні гипотетикалықдан ажырататын шекара. Эксперименттерді сипаттаудағы әсерлі табысқа қарамастан, Стандартты модельді элементар бөлшектердің соңғы теориясы деп санауға болмайды. Физиктер бұған сенімді ол микроәлем құрылымының тереңірек теориясының бөлігі болуы керек. Бұл қандай теория екені әлі белгісіз. Теоретиктер дамыды үлкен санмұндай теорияға үміткерлер, бірақ тек эксперимент олардың қайсысы біздің Ғаламда қалыптасқан нақты жағдайға сәйкес келетінін көрсетуі керек. Сондықтан физиктер Стандартты үлгіден кез келген ауытқуларды, Стандартты үлгіде болжалмаған кез келген бөлшектерді, күштерді немесе әсерлерді табанды түрде іздейді. Бұл құбылыстардың барлығын ғалымдар ұжымдық түрде «Жаңа физика» деп атайды; дәл Жаңа физиканы іздеу және Үлкен адрон коллайдерінің негізгі міндеті.

Стандартты үлгінің негізгі компоненттері

Стандартты модельдің жұмыс құралы кванттық өріс теориясы – жарық жылдамдығына жақын жылдамдықпен кванттық механиканы алмастыратын теория болып табылады. Ондағы негізгі объектілер классикалық механикадағыдай бөлшектер емес, кванттық механикадағыдай «бөлшек-толқындар» емес, бірақ кванттық өрістер: электронды, мюондық, электромагниттік, кварк және т.б. - «микроәлем субъектілерінің» әр алуан түріне бір.

Вакуум да, біз жеке бөлшектер ретінде қабылдайтын нәрсе де, бөлек бөлшектерге дейін тотықсыздандырылуы мүмкін емес күрделі формациялар да - мұның бәрі өрістердің әртүрлі күйлері ретінде сипатталады. Физиктер «бөлшек» сөзін қолданғанда, олар жеке нүкте объектілерін емес, өрістердің осы күйлерін білдіреді.

Стандартты модель келесі негізгі ингредиенттерді қамтиды:

• Материяның іргелі «кірпіштерінің» жиынтығы - лептонның алты түрі және кварктың алты түрі. Бұл бөлшектердің барлығы фермиондардың 1/2 бөлігін құрайды және табиғи түрде үш ұрпаққа бөлінеді. Көптеген адрондар – күшті әсерлесуге қатысатын қосынды бөлшектер – әртүрлі комбинациядағы кварктардан тұрады.
• Күштердің үш түрііргелі фермиондар арасында әрекет ететін – электромагниттік, әлсіз және күшті. Әлсіз және электромагниттік әсерлесулер бір жақтың екі жағы электр әлсіз әрекеттесу. Күшті күш бөлек тұрады және кварктарды адрондарға байланыстыратын осы күш.
• Барлық осы күштер негізінде сипатталған өлшеу принципі- олар теорияға «мәжбүрлеп» енгізілмейді, бірақ теорияның белгілі бір түрлендірулерге қатысты симметриялы болуы талабының нәтижесінде өздігінен пайда болатын сияқты. Симметрияның жеке түрлері күшті және электр әлсіз әрекеттесулерді тудырады.
• Теорияның өзінде электрлік әлсіз симметрия бар екеніне қарамастан, біздің әлемде ол өздігінен бұзылады. Электр әлсіз симметрияның өздігінен бұзылуы- теорияның қажетті элементі және Стандартты модель шеңберінде бұзылу Хиггс механизміне байланысты орын алады.
• үшін сандық мәндер шамамен екі ондаған тұрақты: бұл іргелі фермиондардың массалары, олардың күшін сипаттайтын өзара әсерлесу константаларының сандық мәндері және кейбір басқа шамалар. Олардың барлығы тәжірибемен салыстырудан біржолата алынады және бұдан әрі есептеулерде түзетілмейді.

Сонымен қатар, Стандартты модель қайта нормаланатын теория болып табылады, яғни бұл элементтердің барлығы оған өз бетінше жүйелі түрде енгізілген, бұл негізінен есептеулерді қажетті дәлдік дәрежесімен жүргізуге мүмкіндік береді. Алайда, көбінесе қажетті дәлдік дәрежесімен есептеулер адам төзгісіз күрделі болып шығады, бірақ бұл теорияның өз мәселесі емес, біздің есептеу қабілеттеріміз.

Стандартты модель не істей алады және не істей алмайды

Стандартты модель көп жағынан сипаттаушы теория болып табылады. Ол «неге» деп басталатын көптеген сұрақтарға жауап бермейді: неге бөлшектер сонша көп және дәл осылар? бұл өзара әрекеттесулер қайдан пайда болды және дәл осындай қасиеттермен? Неліктен табиғатқа фермиондардың үш ұрпағын жасау қажет болды? Неліктен параметрлердің сандық мәндері бірдей? Сонымен қатар, Стандартты модель табиғатта байқалатын кейбір құбылыстарды сипаттай алмайды. Атап айтқанда, нейтрино массалары мен қараңғы зат бөлшектеріне орын жоқ. Стандартты модель ауырлық күшін есепке алмайды және ауырлық күші өте маңызды болған кезде Планк энергия шкаласы бойынша бұл теориямен не болатыны белгісіз.

Алайда, Стандартты модель өз мақсаты бойынша, элементар бөлшектердің соқтығысу нәтижелерін болжау үшін пайдаланылса, онда ол нақты процеске байланысты әртүрлі дәлдік дәрежесімен есептеулерді жүргізуге мүмкіндік береді.

• Электромагниттік құбылыстар үшін (электрондардың шашырауы, энергия деңгейлері) дәлдік миллионға немесе одан да жақсырақ бөліктерге жетуі мүмкін. Мұндағы рекорд аномальды магниттік моментэлектрон, ол миллиардтан жақсырақ дәлдікпен есептеледі.
• Электрлік әлсіз әрекеттесулер нәтижесінде жүретін көптеген жоғары энергиялы процестер пайыздан жақсырақ дәлдікпен есептеледі.
• Ең сорақысы - тым жоғары емес энергиялардағы күшті өзара әрекеттесу. Мұндай процестерді есептеудің дәлдігі айтарлықтай өзгереді: кейбір жағдайларда ол пайызға жетуі мүмкін, басқа жағдайларда әртүрлі теориялық тәсілдер бірнеше есе ерекшеленетін жауаптар бере алады.

Кейбір процестерді қажетті дәлдікпен есептеу қиын болуы «теория нашар» дегенді білдірмейтінін атап өткен жөн. Бұл өте күрделі және қазіргі математикалық әдістер оның барлық салдарын қадағалауға әлі жеткіліксіз. Атап айтқанда, атақты математикалық мыңжылдық есептерінің бірі кванттық теориядағы абельдік емес габариттік өзара әрекеттесумен шектелу мәселесіне қатысты.

Қосымша әдебиеттер:

• Хиггс механизмі туралы негізгі ақпаратты Л.Б.Окунның «Элементарлық бөлшектердің физикасы» (сөздер мен суреттер деңгейінде) және «Лептондар мен кварктар» (байсалды, бірақ қолжетімді деңгейде) кітаптарынан табуға болады.