Что такое стандартная модель физики
Что такое стандартная модель физики
Таблица 1: Фермионы − (спин полуцелый в единицах ћ) конституенты материи
Таблица 3: Сравнительные характеристики фундаментальных взаимодействий
Сила взаимодействия указана относительно сильного.
1.1 Основные положения Стандартной Модели
и барионный синглет с волновой функцией
ŝ = xaxbs, 
= xat/xc.
Символами a, b, c, d обозначены кварки и относящиеся к ним переменные, символами А, В, С − адроны, ŝ,
,
, 
− величины, относящиеся к кваркам, 
− функция распределения кварков а в адроне А (или, соответственно, 
— кварков b в адроне В), 
− функция фрагментации кварка с в адроны С, d1.2 Поиск отклонений от Стандартной Модели
При существующих энергиях ускоренных частиц хорошо выполняются все положения КХД и тем более КЭД. В планирующихся экспериментах с более высокими энергиями частиц одной из главных задач считается поиск отклонений от Стандартной Модели.
Дальнейшее развитие физики высоких энергий связано с решением следующих задач:
1.3 Нерешенные вопросы Стандартной Модели
Фундаментальная физическая теория, Стандартная Модель электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий элементарных частиц (кварков и лептонов) является общепризнанным достижением физики XX века. Она объясняет все известные экспериментальные факты в физике микромира. Однако существует целый ряд вопросов, на которые в Стандартной Модели нет ответа.
10 19 ГэВ) так далек от фундаментального масштаба электрослабых взаимодействий (М
Что такое стандартная модель физики элементарных частиц?
Стандартная модель — это набор математических формул и измерений, описывающих элементарные частицы и их взаимодействия.
Она похоже на то, как Периодическая таблица элементов описывает атомы, классифицируя их на основе их характеристик, но вместо этого Стандартная модель классифицирует элементарные частицы — фермионы и бозоны.
Эта модель, которая разрабатывалась поэтапно, начиная с начала 1970-х годов, объединила все, что было известно о частицах и силах в то время, для разработки полностью согласованной квантовой теории материи.
Стандартная модель не только хорошо описала и отобразила то, что было известно, но и показала пробелы, которые предсказывали существование еще не обнаруженных частиц, таких как бозон Хиггса.
Стандартная модель в настоящее время является наиболее точной теорией, охватывающей основы физики элементарных частиц.
Семейства частиц.
Стандартная модель делит элементарные частицы на связанные группы, как показано в таблице ниже.
Фермионы.
Представьте их как блоки Lego, соединяющиеся вместе, чтобы образовать Вселенную. Основное правило — «не находись там, где я нахожусь». Особенностью квантовых свойств фермионов является то, что никакие два фермиона не могут занимать одно и то же место одновременно, что позволяет им строить все, от атомов до планет.
Фермионы можно разделить на кварки и лептоны. Фермионные кварки объединяются в более знакомые протоны и нейтроны. Например, протон состоит из одного нижнего и двух верхних кварков, которые склеены вместе так называемым сильным ядерным взаимодействием. Но эта сила не влияет на второй класс фермионов, лептоны.
Лептоны включают электроны, которые парят вокруг ядра атомов; электроноподобные частицы, такие как таус и мюоны; и нейтрино — маленькие, труднодоступные частицы, которые пролетают сквозь нашу планету в огромном количестве, едва останавливаясь, чтобы поздороваться.
Бозоны.
Бозоны — посреднические силы, связывающие и отталкивающие материю, объясняющие, почему мы не можем проходить сквозь стены, почему свет бывает разного цвета, почему маленькие атомы могут сжиматься в более крупные и почему более крупные иногда разваливаются.
Текст и изображения могут быть изменены, удалены или добавлены по решению редакции, чтобы информация оставалась актуальной.
Стандартная модель: удивительная теория почти всего
Стандартная модель. Что за дурацкое название для самой точной научной теории из всех известных человечеству. Более четверти нобелевских премий по физике прошлого века были присуждены работам, которые либо прямо, либо косвенно были связаны со Стандартной моделью. Название у нее, конечно, такое, будто за пару сотен рублей можно купить улучшение. Любой физик-теоретик предпочел бы «удивительную теорию почти всего», каковой она, собственно, и является.
Многие помнят волнение среди ученых и в СМИ, вызванное открытием бозона Хиггса в 2012 году. Но его открытие не стало сюрпризом и не возникло из ниоткуда — оно ознаменовало собой пятидесятилетие череды побед Стандартной модели. Она включает каждую фундаментальную силу, кроме гравитации. Любая попытка опровергнуть ее и продемонстрировать в лаборатории, что ее нужно полностью переработать, — а таких было много — терпела неудачу.
Короче говоря, Стандартная модель отвечает на этот вопрос: из чего все сделано и как все держится вместе?
Мельчайшие строительные блоки
Физики любят простые вещи. Они хотят раздробить все до самой сути, найти самые базовые строительные блоки. Проделать это при наличии сотни химических элементов не так-то просто. Наши предки считали, что все состоит из пяти элементов — земли, воды, огня, воздуха и эфира. Пять намного проще ста восемнадцати. И также неверно. Вы, безусловно, знаете, что мир вокруг нас состоит из молекул, а молекулы состоят из атомов. Химик Дмитрий Менделеев выяснил это в 1860-х годах и представил атомы в таблице элементов, которую сегодня изучают в школе. Но этих химических элементов 118. Сурьма, мышьяк, алюминий, селен… и еще 114.
В 1932 году ученые знали, что все эти атомы состоит из всего трех частиц — нейтронов, протонов и электронов. Нейтроны и протоны тесно связаны друг с другом в ядре. Электроны, в тысячи раз легче их, кружат вокруг ядра на скорости, близкой к световой. Физики Планк, Бор, Шредингер, Гейзенберг и другие представили новую науку — квантовую механику — для объяснения этого движения.
На этом было бы прекрасно остановиться. Всего три частицы. Это даже проще, чем пять. Но как они держатся вместе? Отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные протоны скрепляются вместе силами электромагнетизма. Но протоны сбиваются в ядре и их положительные заряды должны расталкивать их прочь. Не помогут даже нейтральные нейтроны.
Что связывает эти протоны и нейтроны вместе? «Божественное вмешательство»? Но даже божественному существу доставило бы проблем следить за каждым из 10 80 протонов и нейтронов во Вселенной, удерживая их силой воли.
Расширяя зоопарк частиц
Между тем природа отчаянно отказывается хранить в своем зоопарке всего три частицы. Даже четыре, потому что нам нужно учесть фотон, частицу света, описанную Эйнштейном. Четыре превратились в пять, когда Андерсон измерил электроны с положительным зарядом — позитроны — которые бьют по Земле из внешнего космоса. Пять стали шестью, когда был обнаружен пион, удерживающий ядро в целом и предсказанный Юкавой.
Затем появился мюон — в 200 раз тяжелее электрона, но в остальном его близнец. Это уже семь. Не так уж и просто.
К 1960-м годам были сотни «фундаментальных» частиц. Вместо хорошо организованной периодической таблицы были только длинные списки барионов (тяжелых частиц вроде протонов и нейтронов), мезонов (вроде пионов Юкавы) и лептонов (легких частиц, таких как электрон и неуловимые нейтрино), без какой-либо организации и принципов устройства.
И в этой пучине родилась Стандартная модель. Не было никакого озарения. Архимед не выпрыгнул из ванной с криком «Эврика!». Нет, вместо этого в середине 1960-х несколько умных людей выдвинули важные предположения, которые превратили эту трясину сперва в простую теорию, а затем в пятьдесят лет экспериментальной проверки и теоретической разработки.
Кварки. Они получили шесть вариантов, которые мы называем ароматами. Как у цветов, только не так вкусно пахнущие. Вместо роз, лилий и лаванды мы получили верхний и нижний, странный и очарованный, прелестный и истинный кварки. В 1964 году Гелл-Манн и Цвейг научили нас смешивать три кварка, чтобы получать барион. Протон – это два верхних и один нижний кварк; нейтрон – два нижних и один верхний. Возьмите один кварк и один антикварк – получите мезон. Пион – это верхний или нижний кварк, связанный с верхним или нижним антикварком. Все вещество, с которым мы имеем дело, состоит из верхних и нижних кварков, антикварков и электронов.
Простота. Хоть и не совсем простота, потому что удерживать кварки связанными нелегко. Они соединяются между собой так плотно, что вы никогда не найдете кварка или антикварка, блуждающего самого по себе. Теория этой связи и частицы, которые принимают в ней участие, а именно глюоны, называется квантовой хромодинамикой. Это важная часть Стандартной модели, математически сложная, а местами даже нерешаемая для базовой математики. Физики делают все возможное, чтобы производить вычисления, но иногда математический аппарат оказывается недостаточно разработан.
Еще один аспект Стандартной модели – «модель лептонов». Это название важнейшей статьи 1967 года, написанной Стивеном Вайнбергом, которая объединила квантовую механику с важнейшими знаниями о том, как взаимодействуют частицы, и организовала их в единую теорию. Он включил электромагнетизм, связал его со «слабой силой», которая приводит к определенным радиоактивным распадам, и объяснил, что это разные проявления одной и той же силы. В эту модель был включен механизм Хиггса, дающий массу фундаментальным частицам.
С тех пор Стандартная модель предсказывала результаты экспериментов за результатами, включая открытие нескольких разновидностей кварков и W- и Z-бозонов – тяжелых частиц, которые в слабых взаимодействиях выполняют ту же роль, что фотон в электромагнетизме. Вероятность того, что нейтрино обладают массой, упустили в 1960-х годах, но подтвердили Стандартной моделью в 1990-х годах, через несколько десятилетий.
Обнаружение бозона Хиггса в 2012 году, давно предсказанного Стандартной моделью и долгожданного, не стало, тем не менее, неожиданностью. Зато стало еще одной важной победой Стандартной модели над темными силами, которые физики частиц регулярно ждут на горизонте. Физикам не нравится, что Стандартная модель не соответствует их представлениям о простой, они обеспокоены ее математической непоследовательностью, а также ищут возможность включить гравитацию в уравнение. Очевидно, это выливается в разные теории физики, которая может быть после Стандартной модели. Так появились теории великого объединения, суперсимметрии, техноколор и теория струн.
К сожалению, теории за пределами Стандартной модели не нашли успешных экспериментальных подтверждений и серьезных брешей в Стандартной модели. Спустя пятьдесят лет именно Стандартная модель ближе всех к статусу теории всего. Удивительная теория почти всего.
Стандартная модель элементарных частиц для начинающих
«Мы задаёмся вопросом, почему группа талантливых и преданных своему делу людей готова посвятит жизнь погоне за такими малюсенькими объектами, которые даже невозможно увидеть? На самом деле, в занятиях физиков элементарных частиц проявляется человеческое любопытство и желание узнать, как устроен мир, в котором мы живём» Шон Кэрролл
Если вы всё ещё боитесь фразы квантовая механика и до сих пор не знаете, что такое стандартная модель — добро пожаловать под кат. В своей публикации я попытаюсь максимально просто и наглядно объяснить азы квантового мира, а так же физики элементарных частиц. Мы попробуем разобраться, в чём основные отличия фермионов и бозонов, почему кварки имеют такие странные названия, и наконец, почему все так хотели найти Бозон Хиггса.
Из чего мы состоим?
Ну что же, наше путешествие в микромир мы начнём с незатейливого вопроса: из чего состоят окружающие нас предметы? Наш мир, как дом, состоит из множества небольших кирпичиков, которые особым образом соединяясь, создают что-то новое, не только по внешнему виду, но ещё и по своим свойствам. На деле, если сильно к ним приглядеться, то можно обнаружить, что различных видов блоков не так уж и много, просто каждый раз они соединяются друг с другом по-разному, образуя новые формы и явления. Каждый блок — это неделимая элементарная частица, о которой и пойдёт речь в моём рассказе.
Для примера, возьмём какое-нибудь вещество, пусть у нас это будет второй элемент периодической системы Менделеева, инертный газ, гелий. Как и остальные вещества во Вселенной, гелий состоит из молекул, которые в свою очередь образованы связями между атомами. Но в данном случае, для нас, гелий немного особенный, потому что он состоит всего из одного атома.
Из чего состоит атом?
Атом гелия, в свою очередь, состоит из двух нейтронов и двух протонов, составляющих атомное ядро, вокруг которого вращаются два электрона. Самое интересное, что абсолютно неделимым здесь является лишь электрон.
Интересный момент квантового мира
Чем меньше масса элементарной частицы, тем больше места она занимает. Именно по этой причине электроны, которые в 2000 раз легче протона, занимают гораздо больше места по сравнению с ядром атома.
Нейтроны и протоны относятся к группе так называемых адронов (частиц, подверженных сильному взаимодействию), а если быть ещё точнее, барионов.
Нейтрон, как ясно из его названия, является нейтрально заряженным, и может быть поделён на два нижних кварка и один верхний кварк. Протон, положительно заряженная частица, делится на один нижний кварк и два верхних кварка.
Да, да, я не шучу, они действительно называются верхний и нижний. Казалось бы, если мы открыли верхний и нижний кварк, да ещё электрон, то сможем с их помощью описать всю Вселенную. Но это утверждение было бы очень далеко от истины.
Главная проблема — частицы должны как-то между собой взаимодействовать. Если бы мир состоял лишь из этой троицы (нейтрон, протон и электрон), то частицы бы просто летали по бескрайним просторам космоса и никогда бы не собирались в более крупные образования, вроде адронов.
Фермионы и Бозоны
Достаточно давно учёными была придумана удобная и лаконичная форма представления элементарных частиц, названная стандартной моделью. Оказывается, все элементарные частицы делятся на фермионы, из которых и состоит вся материя, и бозоны, которые переносят различные виды взаимодействий между фермионами.
Разница между этими группами очень наглядна. Дело в том, что фермионам для выживания по законам квантового мира необходимо некоторое пространство, а для бозонов почти не важно наличие свободного места.
Фермионы
Группа фермионов, как было уже сказано, создаёт видимую материю вокруг нас. Что бы мы и где ни увидели, создано фермионами. Фермионы делятся на кварки, сильно взаимодействующие между собой и запертые внутри более сложных частиц вроде адронов, и лептоны, которые свободно существуют в пространстве независимо от своих собратьев.
Возникает вопрос, не найдут ли физики ещё несколько поколений частиц, которые будут еще более массивными, по сравнению с предыдущими. На него ответить трудно, однако теоретики считают, что поколения лептонов и кварков исчерпываются тремя.
Не находите никакого сходства? И кварки, и лептоны делятся на две группы, которые отличаются друг от друга зарядом на единицу? Но об этом позже.
Бозоны
Без них бы фермионы сплошным потоком летали по вселенной. Но обмениваясь бозонами, фермионы сообщают друг другу какой-либо вид взаимодействия. Сами бозоны же с друг другом практически не взаимодействуют.
На самом деле, некоторые бозоны всё же взаимодействуют друг с другом, но об этом будет рассказано более подробно в следующих статьях о проблемах микромира
Взаимодействие, передаваемое бозонами, бывает:
Оговорка о гравитационном взаимодействии.
Существование гравитонов экспериментально ещё не подтверждено. Они существуют лишь в виде теоретической версии. В стандартной модели в большинстве случаев их не рассматривают.
Вот и всё, стандартная модель собрана.
Проблемы только начались
Несмотря на очень красивое представление частиц на схеме, осталось два вопроса. Откуда частицы берут свою массу и что такое Бозон Хиггса, который выделяется из остальных бозонов.
Для того, что бы понимать идею применения бозона Хиггса, нам необходимо обратиться к квантовой теории поля. Говоря простым языком, можно утверждать, что весь мир, вся Вселенная, состоит не из мельчайших частиц, а из множества различных полей: глюонного, кваркового, электронного, электромагнитного и.т.д. Во всех этих полях постоянно возникают незначительные колебания. Но наиболее сильные из них мы воспринимаем как элементарные частицы. Да и этот тезис весьма спорный. С точки зрения корпускулярно-волнового дуализма, один и тот же объект микромира в различных ситуациях ведёт себя то как волна, то как элементарная частица, это зависит лишь от того, как физику, наблюдающему за процессом, удобнее смоделировать ситуацию.
Поле Хиггса
Оказывается, существует так называемое поле Хиггса, среднее значение которого не хочет стремиться к нулю. В результате чего, это поле старается принять некоторое постоянное ненулевое значение во всей Вселенной. Поле составляет вездесущий и постоянный фон, в результате сильных колебаний которого и появляется Бозон Хиггса.
И именно благодаря полю Хиггса, частицы наделяются массой.
Масса элементарной частицы, зависит от того, насколько сильно она взаимодействует с полем Хиггса, постоянно пролетая внутри него.
И именно из-за Бозона Хиггса, а точнее из-за его поля, стандартная модель имеет так много похожих групп частиц. Поле Хиггса вынудило сделать множество добавочных частиц, таких, например, как нейтрино.
Итоги
То, что было рассказано мною, это самые поверхностные понятия о природе стандартной модели и о том, зачем нам нужен Бозон Хиггса. Некоторые учёные до сих пор в глубине души надеются, что частица, найденная в 2012 году и похожая на Бозон Хиггса в БАКе, была просто статистической погрешностью. Ведь поле Хиггса нарушает многие красивые симметрии природы, делая расчёты физиков более запутанными.
Некоторые даже считают, что стандартная модель доживает свои последние годы из-за своего несовершенства. Но экспериментально это не доказано, и стандартная модель элементарных частиц остаётся действующим образцом гения человеческой мысли.
Стандартная модель
Стандартная модель — это современная теория строения и взаимодействий элементарных частиц, многократно проверенная экспериментально. Эта теория базируется на очень небольшом количестве постулатов и позволяет теоретически предсказывать свойства тысяч различных процессов в мире элементарных частиц. В подавляющем большинстве случаев эти предсказания подтверждаются экспериментом, иногда с исключительно высокой точностью, а те редкие случаи, когда предсказания Стандартной модели расходятся с опытом, становятся предметом жарких споров.
Стандартная модель — это та граница, которая отделяет достоверно известное от гипотетического в мире элементарных частиц. Несмотря на впечатляющий успех в описании экспериментов, Стандартная модель не может считаться окончательной теорией элементарных частиц. Физики уверены, что она должна быть частью некоторой более глубокой теории строения микромира. Что это за теория — достоверно пока неизвестно. Теоретики разработали большое число кандидатов на такую теорию, но только эксперимент должен показать, что из них отвечает реальной ситуации, сложившейся в нашей Вселенной. Именно поэтому физики настойчиво ищут любые отклонения от Стандартной модели, любые частицы, силы или эффекты, которые Стандартной моделью не предсказываются. Все эти явления ученые обобщенно называют «Новая физика»; именно поиск Новой физики и составляет главную задачу Большого адронного коллайдера.
Основные компоненты Стандартной модели
Рабочим инструментом Стандартной модели является квантовая теория поля — теория, приходящая на смену квантовой механике при скоростях, близких к скорости света. Ключевые объекты в ней не частицы, как в классической механике, и не «частицы-волны», как в квантовой механике, а квантовые поля: электронное, мюонное, электромагнитное, кварковое и т. д. — по одному для каждого сорта «сущностей микромира».
И вакуум, и то, что мы воспринимаем как отдельные частицы, и более сложные образования, которые нельзя свести к отдельным частицам, — всё это описывается как разные состояния полей. Когда физики употребляют слово «частица», они на самом деле имеют в виду именно эти состояния полей, а не отдельные точечные объекты.
Кроме того, Стандартная модель — перенормируемая теория, то есть все эти элементы вводятся в нее таким самосогласованным способом, который, в принципе, позволяет проводить вычисления с нужной степенью точности. Впрочем, зачастую вычисления с желаемой степенью точностью оказываются неподъемно сложными, но это проблема не самой теории, а, скорее, наших вычислительных способностей.
Что может и чего не может Стандартная модель
Стандартная модель — это, во многом, описательная теория. Она не дает ответы на многие вопросы, начинающиеся с «почему»: почему частиц именно столько и именно таких? откуда взялись именно эти взаимодействия и именно с такими свойствами? зачем природе понадобилось создавать три поколения фермионов? почему численные значения параметров именно такие? Кроме того, Стандартная модель не способна описать некоторые явления, наблюдаемые в природе. В частности, в ней нет места массам нейтрино и частицам темной материи. Стандартная модель не учитывает гравитацию и неизвестно, что с этой теорией происходит на планковском масштабе энергий, когда гравитация становится чрезвычайно важной.
Стоит подчеркнуть, что тот факт, что некоторые процессы тяжело рассчитать с нужной точностью, не означает, что «теория плохая». Просто она очень сложная, и нынешних математических приемов пока не хватает, чтоб проследить все ее следствия. В частности, одна из знаменитых математических Задач тысячелетия касается проблемы конфайнмента в квантовой теории с неабелевым калибровочным взаимодействием.