Стандартная модель в физике элементарных частиц кратко

Обновлено: 05.07.2024

Мир элементарных частиц подчиняется квантовым законам и всё ещё не до конца познан. Определяющим понятием при построении различных моделей взаимодействия элементарных частиц является понятие симметрии, понимаемое как математическое свойство неизменности процессов взаимодействия при различных преобразованиях координат или внутренних параметров модели. Такие преобразования образуют группы называемые группами симметрии.

Стандартная модель – современная теория строения и взаимодействий элементарных частиц, теория базируется на очень небольшом количестве постулатов и позволяет теоретически предсказывать свойства различных процессов в мире элементарных частиц. Для описания свойств и взаимодействий элементарных частиц используется понятие физического поля, которое ставится в соответствие каждой частице: электронное, мюонное, кварковое и т.д. Поле есть специфическая форма распределения материи в пространстве. Поля, сопоставляемые элементарным частицам, имеют квантовую природу. Элементарные частицы являются квантами соответствующих полей. Рабочим инструментом Стандартной модели является квантовая теория поля. Квантовая теория поля (КТП) является теоретической основой описания микрочастиц, их взаимодействий и взаимопревращений. Maтематический аппарат квантовой теории поля (КТП) позволяет описать рождение и уничтожение частицы в каждой пространственно-временной точке.

Стандартная модель описывает три типа взаимодействия: электромагнитное, слабое и сильное. Гравитационное взаимодействие не входи в Стандартную модель.

Основным вопросом для описания динамики элементарных частиц является вопрос о выборе системы первичных полей, т.е. о выборе частиц (и соответственно полей), которые следует считать наиболее фундаментальными (элементарными) при описании наблюдаемых частиц материи. Стандартная модель отбирает в качестве фундаментальных частиц бесструктурные частицы со спином ½: три пары лептонов ( , ( и три пары кварков обычно группируемые в три поколения.

Поколения фермионов – сходные по свойствам группы (семейства) частиц – кварков и лептонов, относящихся к фундаментальным фермионам – источникам взаимодействия. К фундаментальным фермионам относятся шесть типов (ароматов) лептонов [( ), ( ), ( )] и шесть типов (ароматов) кварков [( ), ( ), ( )], которые разделяются на три семейства (поколения):

I поколение	II поколение	III поколение
Лептоны
Кварки

а также их античастицы. Соответствующие частицы из каждого поколения имеют одни и те же квантовые числа относительно группы симметрии электрослабого взаимодействия и отличаются только массами: каждое следующее поколение тяжелее предыдущего. Из первого поколения фермионов, в которое входят - и - кварки, электрон и электронное нейтрино, построено все, что мы видим вокруг нас: вещество, состоящее из атомов и молекул. Протоны и нейтроны состоят из трех кварков. Два последующих поколения кварков и лептонов в какой-то степени повторяют первое, но тяжелее и в конце концов распадаются на частицы первого поколения.

Между фундаментальными фермионами действуют три типа взаимодействий: сильное, электромагнитное и слабое (электромагнитное и слабое рассматриваются как две стороны единого электрослабого взаимодействия), удовлетворяющие определённым квантовым симметриям и принципу локальной калибровочной инвариантности. Кварки участвуют в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях; заряженные лептоны – в слабых и электромагнитных; нейтрино – только в слабых взаимодействиях. Все три типа взаимодействия возникают как следствие постулата, что наш мир симметричен относительно трех калибровочных преобразований (переходу к другому базису в пространстве внутренних симметрий, связанных с наличием у частиц изотопического спина, различных зарядов, цвета и др.). Как следствие, частицами-переносчиками взаимодействий являются калибровочные бозоны:

8 глюонов для сильного взаимодействия (группа симметрии );

три тяжелых калибровочных бозона для слабого взаимодействия (группа симметрии );

фотон (группа симметрии ). Слабое взаимодействие может менять аромат кварков.

Стандартная модель может быть сформулирована только для безмассовых фундаментальных частиц, т.е. кварков, лептонов и - и - бозонов. Для того чтобы они приобрели массу, вводятся поля Хиггса. Поля Хиггса – в квантовой теории гипотетические скалярные поля, взаимодействующие с калибровочными полями без нарушения калибровочной симметрии уравнений поля; предложены П.Хиггсом в 1964 г. Предполагается, что в состоянии физического вакуума среднее значение поля Хиггса отлично от нуля, что приводит к спонтанному нарушению калибровочной симметрии системы. При этом частицы, соответствующие калибровочным полям, могут приобретать массу. Взаимодействие с вакуумным полем Хиггса может служить механизмом возникновения массы у лептонов и кварков.

Хиггсовский механизм – механизм возникновения массы у калибровочного поля вследствие спонтанного нарушения локальной симметрии. Важнейшим следствием хиггсовского механизма является предсказание существования скалярной частицы – бозона Хиггса.

Бозон Хиггса, хиггсовский бозон, хиггсон – элементарная частица, квант поля Хиггса, с необходимостью возникающий в Стандартной модели физики элементарных частиц

вследствие хиггсовского механизма спонтанного нарушения электрослабой симметрии. Обладает нулевым спином. Постулирован П.Хиггсом в 1964 году. В рамках Стандартной модели отвечает за массу элементарных частиц. Бозон Хиггса первоначально был предсказан в теории, и после нескольких десятков лет поиска в июле 2012 года представители ЦЕРНа сообщили, что на обоих основных детекторах Большого адронного коллайдера наблюдалась новая частица с массой около 125—126 ГэВ. В марте 2013 года учёные ЦЕРН пришли к выводу, что открытая ими в июле 2012 года частица действительно является бозоном Хиггса. Однако ещё не установлено точно, является ли эта частица бозоном Хиггса, предсказанным Стандартной моделью, или это другой вариант бозона Хиггса, о котором говорят некоторые другие теории, выходящие за рамки Стандартной модели.

Необходимым элементом теории является спонтанное нарушение симметрии электрослабого взаимодействия за счёт хиггсовского механизма. В структуре Cтандартной модели достаточно много произвольных, эмпирически определяемых параметров (значений масс кварков и лептонов, значений констант взаимодействий и т.п.). Стандартная модель рассматривается как промежуточный этап в построении более совершенной и всеобъемлющей теории элементарных частиц.

I поколение	II поколение	III поколение
Лептоны
Кварки

8 глюонов для сильного взаимодействия (группа симметрии );

три тяжелых калибровочных бозона для слабого взаимодействия (группа симметрии );

фотон (группа симметрии ). Слабое взаимодействие может менять аромат кварков.

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.

Барионов, которые состоят из трёх кварков
Мезонов, которые состоят из пары: частица-античастица

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.

Верхнего типа. К кваркам верхнего типа, с зарядом +2\3, относят: верхний, очарованный и истинный кварки
Нижнего типа. К кваркам нижнего типа, с зарядом -1\3, относят: нижний, странный и прелестный кварки

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:

Электромагнитным, частицы — фотоны. С помощью этих безмассовых частиц передаётся свет.
Сильным ядерным, частицы — глюоны. С их помощью кварки из ядра атома не распадаются на отдельные частицы.
Слабым ядерным, частицы — ±W и Z бозоны. С их помощью фермионы перекидываются массой, энергией, и могут превращаться друг в друга.
Гравитационным, частицы — гравитоны. Чрезвычайно слабая в масштабах микромира сила. Становится видимой только на сверхмассивных телах.

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.

Бозоны

В Стандартной модели всего шесть элементарных бозонов. Фотон не обладает электрическим зарядом, он передает электромагнитное взаимодействие — то самое, которое связывает атомы в молекулы. Глюон передает сильное взаимодействие и обладает своим видом заряда (об этом еще будет сказано). Именно сильное взаимодействие отвечает за ядерные силы, скрепляющие протоны и нейтроны в ядрах. W+, W- и Z0 означает, что бозоны заряжены соответственно положительно, отрицательно и нейтрально (не заряжены). Они отвечают за так называемое слабое взаимодействие, которое умеет превращать одни частицы в другие. Самый простой пример слабого взаимодействия — распад нейтрона: один из кварков, составляющих нейтрон, излучает W-бозон и превращается в другой кварк, а распадается на электрон и нейтрино.

Остается последний бозон — бозон Хиггса. Теоретически он был предсказан еще в 60-х годах прошлого века, но экспериментально его существование было доказано только в 2013 году. Он отвечает за инертную массу элементарных частиц — именно массу, ответственную за эффекты инерции, а не притяжения. Квантовой теории, которая связала бы и инерцию, и гравитацию, пока что нет.

Фермионы

Элементарных фермионов гораздо больше, чем элементарных бозонов. Их делят на два класса: лептоны и кварки. Они отличаются тем, что кварки участвуют в сильном взаимодействии, а лептоны — нет.

Лептоны

Лептоны бывают трех поколений, в каждом поколении два лептона — один заряженный и один нейтральный. Первое поколение: электрон и электронное нейтрино, второе — мюон и мюонное нейтрино, третье — тау-лептон и . Лептоны очень похожи друг на друга, мюоны и (так же как и электроны) могут образовывать атомы, заменяя на орбиталях электроны. Главное их отличие — в массе: мюон в 207 раз тяжелее электрона, а в 17 раз тяжелее мюона. С нейтрино должна быть похожая история, но их массы настолько малы, что до сих пор не измерены. Эти массы точно ненулевые, доказательство этого факта было отмечено Нобелевской премией в 2015 году. Мюон и нестабильны: время жизни мюона примерно 0,2 миллисекунды (что на самом деле довольно долго), тау-лептон распадается примерно в 17 раз быстрее. Особенности нейтрино состоят в том, что они участвуют только в слабом взаимодействии, из-за этого их очень трудно засечь. Также они могут произвольно менять свой сорт: к примеру, электронное нейтрино может внезапно превратиться в мюонное, или наоборот. В отличие от бозонов, у лептонов существуют античастицы. Таким образом, всего лептонов не 6, а 12.

Кварки

Конфайнмент

Хорошо — допустим, что кварки не могут существовать свободно. Но что если просто взять мезон, состоящий из двух кварков, и разорвать его на две части? Не получим ли мы два кварка? (На самом деле нет.) Представьте, что мезон очень сильно растягивают. В отличие от электромагнитного, сильное взаимодействие тем сильнее до определенного предела, чем взаимодействующие частицы дальше друг от друга. Это похоже на пружину: чем сильнее ее растягивать, тем сильнее она будет сжиматься и тем больше у нее будет энергии. Чтобы сильнее стягивать кварки, сильное взаимодействие создает новые глюоны. И чем дальше мы их растягиваем, тем больше глюонов создается. Но в момент энергия этих созданных глюонов становится настолько большой, что выгоднее становится создать новую пару кварк-антикварк, чем продолжать плодить глюоны. Много глюонов исчезает, вместо них появляются кварк и антикварк. В момент появления кварк-антикварковой пары из четырех кварков создаются два мезона, каждый из которых бесцветен.

Может показаться, что теория замкнута сама на себе и что кварков на самом деле не существует, а конфайнмент, по сути, костыль, который придумали только для того, чтобы прекратить поиски кварков; что это просто удобная модель, которая не имеет под собой физического обоснования. Долгое время в научных кругах ходила такая мысль. Однако поздние теоретические исследования и недавние экспериментальные показывают, что при определенных условиях кварки могут покидать адроны. Более того, это состояние материи существовало практически сразу после большого взрыва, и только после сильного охлаждения кварки связались в адроны. Такое состояние материи сейчас исследуют на Большом адронном коллайдере в эксперименте ALICE. Для его получения нужна температура в два триллиона градусов. Это состояние материи называется кварк-глюонной плазмой.

В поисках теории всего

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.

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.

В них входят фотоны, частицы света, передающие электромагнитную силу; глюоны, которые обеспечивают сильное ядерное взаимодействие, связывающее кварки вместе с образованием протонов и нейтронов; W & Z-бозоны, имеющие дело со слабым ядерным взаимодействием; и знаменитый бозон Хиггса, который объясняет, почему некоторые частицы имеют массу при определенных условиях.

Текст и изображения могут быть изменены, удалены или добавлены по решению редакции, чтобы информация оставалась актуальной.

Читайте также: