Стандартният модел на елементарните частици

Първата стъпка към разбирането на микрокосмоса е направена като резултат на систематизация на всички известни частици.

Настоящите ни познания за елементарните частици и техните взаимодействия са обобщени от Стандартния модел, която съвсем не може да се смята за пълна и окончателна теория.

Съдържание

Фермиони: Кварки - горен кварк, долен кварк, чаровен кварк, странен кварк, върховен кварк, дънен кварк Лептони - електронно неутрино, електрон, мюонно неутрино, мюон, тау-неутрино, тау-лептон Бозони: Калибровъчни бозони - глуон, W и Z бозони, фотон Други бозони - бозон на Хигс, гравитон (извън Стандартния модел) Частиците с полуцял спин са фермиони, а частиците с цял спин – бозони.

Илюстрация:wikipedia

Основни положения в Стандартния модел

• Фундаменталните частици на материята са шест "аромата" лептони и шест "аромата" кварки. Всички тези частици са фермиони със спин 1/2 и са организирани в три поколения.
• Практически цялото вещество във Вселената е съставена от частици от първо поколение - в атомите има от една страна протони и неутрони, които се състоят от u- и d-кварк, а от друга - електрони.

Свойствата на частиците се повтарят от поколение на поколение. Единствено масата се увеличава във всяко следващо поколения. Практически цялото вещество във Вселената е съставена от частици от първо поколение - в атомите има от една страна протони и неутрони, които се състоят от u- и d-кварк, а от друга - електрони.

Илюстрация:Science is Beauty

• Многобройните адрони са съставни частици, участващи в силни взаимодействия и са съставени от кварки в различни комбинации..
• Три типа сили действат между фундаменталните фермиони - електромагнитни, слаби и силни. Слабото и електромагнитното взаимодействия са две страни на единното електрослабо взаимодействие. Силното взаимодействие свързва кварките в адроните.
• Всички тези сили се описват въз основа на  калибровъчния принцип - в резултат на изискванията на теорията на симетрия по отношение на определени преобразования.

Частиците, които предават взаимодействията са бозони:

• 8 глуони за силното взаимодействие - група на симетрия SU(3);
• 3 калибровъчни бозона (W+, W−, Z0) за слабото взаимодействие - група на симетрия SU(2);
• 1 фотон за електромагнитното взаимодействие - група на симетрии U(1).

• Електрослабата симетрия в нашия свят е спонтанно нарушена. В рамките Стандартния модел нарушението се дължи на механизма на Хигс.

Как действат силите?

силно взаимодействие На силното взаимодействие са подложени кварките, а негови преносители са глуоните. То ги свързва заедно и така се образуват протоните, неутроните и други частици. Косвено то влияе на връзката на протоните и неутроните в атомните ядра.	електромагнитно взаимодействие На електромагнитното взаимодействие са подложени заредените частици. Под негово влияние самите частици не се променят, а само придобиват свойството да се отблъскват в случай на едноименни заряди и да се привличат при различни заряди.
слабо взаимодействие На слабото взаимодействие са подложени кварките и лептоните. Най-добре познатият ефект на слабото взаимодействие е трансформацията на долния кварк в горен, което от своя страна води до разпад на неутрона в протон, електрон и антинеутрино	взаимодействие на Хигс Според предположения, полето на Хигс (сивият фон) запълва цялото пространство като течност, ограничавайки обхвата на слабите взаимодействия. Също така на Хигс бозонът взаимодейства с кварките и лептоните, осигурявайки им маса

Илюстрации:  В мире науки 

В основата на Стандартния модел на елементарните частици лежи принципът на относителността (еквивалентността на инерциалните системи). Според него, всички процеси се предполага, че се случват в четиримерното пространство-време на Минковски. Разстоянието между две точки (събития) А и В в това пространство се определя четиримерен интервал: Аналогът й при Лоренцовите трансформации е S_АB= (x_B – x_А )² + (y_B – y_А )² + (z_B – z_А )²+ (u_B – u_А )², където u_B = i.c.t_B и u_А = i.c._А , където i²=-1. Тази величина е своеобразно разстояние между две точки в пространството и времето е също инвариантна за Лоренцовите трансформации. Интервалът е S_²АB≥ 0 за причинно свързани събития (времеподобен интервал), а ако интервалът е S_²АB≤0 . Основна в Стандартния модел е концепцията за локалното квантово поле. Частиците (и античастиците) се разглеждат като квантови възбуждания на съответните полета. От най-общите принципи на релативистичната инвариантност и стабилността на основното състояние на системите полета, следва фундаменталната теорема за връзката между спин и статистиката: частиците с полуцял спин са фермиони, а частиците с цял спин – бозони. По принцип, бозоните винаги може да се приемат “съставени” от фермиони, в този смисъл, фермионните полета са “по-фундаментални”.

Симетрията в Стандартния модел

Частици-античастици

В Стандартния модел базова роля играе принципът на симетрията. Освен релативистичната инвариантност, в съвременната теория се разглеждат редица точни и приблизителни симетрии, групи симетрии, които следват от обширния експериментален материал по класификацията на частиците и техните взаимодействия.

На всяка частица, изграждаща материята, наречена фермион, съответства античастица, антифермион със същите свойства, но с противоположен знак на заряда. Античастиците е прието да се обозначават с чертичка над символа на частицата Повече за античастиците - Антиматерията.

Симетриите на адроните

Основен стълб в Стандартния модел е кварковия модел, въведен от американския физик Мъри Гел-Ман (Murray Gell-Mann) като теория за организиране на субатомни частици, наречен по будистки (благородния осмократен път) - осемкратен път. Той е забелязал още от началото на 1960 г. групи симетрии, свързващи барионите според свойствата им - ако кварките се нанесат в две измерения, използвайки техния спин и квантовите им числа (изоспин, странност и т.н.), ще видим красива симетрия, която подрежда частиците и в зависимост от масата им. Тази симетрия математически се представя чрез специална унитарна (единна) група - SU (3). Тройката означава, че има три базови елемента, които да пермутират, за да запълнят точките на изображението. Леките бариони (хиперони, Δ-бариони и нуклони) се групират влизат в състава на един от двата мултиплета:

декуплет със спин J=3/2 Десет бариона - Ω-хиперони и възбудените състояния на Σ- и Ξ-хипероните, всички със спин 3/2, съставени само от кварки  u , d или s, сортирани по странност ( s ) и заряд (Q) образуват декуплет .

октет със спин J=1/2 Комбинации от три  u , d или s кварки, съставяващи бариони със спин-1/2 (нуклони, Σ-, Λ- и Ξ-хиперони).оформят u d s - барионов октет Мезоните, които като барионите са адрони, също като тях образуват октет. Мезоните също са разположени по хоризонтални линии, които имат една и съща странност s , докато по диагонал са разположени мезоните с един и същи заряд Q .

Кварковият модел може да се представи и тримерно, като се разположат на "етажи" барионите с еднакъв брой чаровни кварки.

Илюстрация: inspirehep.net

SU (4) - мултиплети на барионите, съдържащи с, u, d, s кварки: а) Супер симетричен 20-плет с SU (3)-симетричен декуплет в най-ниското ниво. б) 20-плет с SU (3)-симетричен октет в най-ниското ниво. в) Антисиметрична четворка - куадруплет (4 ¯).

Симетрията в кварковия модел дава възможност да се предскаже съществуването и свойствата на нова частица Ω -- барион от три странни кварка, спин-3/2 със заряд -1. В триумфално взаимодействие между експеримент и теория, частицата е била открита през 1964 г. в Brookhaven National Laboratory. А след нея, още редица други нови са били наблюдавани в Теватрон и ЦЕРН.

Калибровъчни групи на симетрия. Групи на Ли

Стандартен модел се описва от калибровъчна група U(l)×SU(2)×SU(3), която е израз, съставен от три групи на Ли, свързани с операцията умножение на групи:

• U(1) - унитарна група на калибровъчни преобразувания в квантовата електродинамика
• SU(2) - специална унитарна група на симетрия за слабите взаимодействия, прогнозирала съществуването на 3 промеждутъчни бозона
• SU(3) - специална унитарна група на симетрия, която отговаря за силните взаимодействия
• SU(2)×U(1) - теория на електрослабите взаимодействия

Повече за калибровъчните групи в Калибровъчни групи на симетрия. Групи на Ли

Симетрията и законите за съхранение

Симетрията е тясно свързана със съответните закони за съхранение (виж Теоремата на Ньотер), като например законите за запазване на енергията, импулса, момента, заряда. Принципът на локалната калибровъчна симетрия е от ключово значение в развитието на теорията на елементарните частици. На този принцип се основава съществуването на калибровъчните бозонни полета. Накрая, спонтанното нарушение на симетрията води до механизма на генериране на маса на базовите безмасови частици (механизма на Хигс).

Може ли да се разчита на Стандартния модел?

Стандартният модел е проверен в многобройни експерименти.

• Прогнозите на квантовата електродинамика, която е базова за Стандартния модел, се потвърждават с точност: 10 -8 ÷ 10 -12
  • В книгата "QED: The Strange Theory of Light and Matter", Ричард Файнман казва, че тази точност е еквивалентна на това да се измери разстоянието от Лос Анджелис до Ню Йорк с точност, равна на дебелината на човешки косъм.
• Електрослабата теория при високи енергии Е~100GeV е проверена и е постигнато ниво на точност от порядъка на 10 -3, което е на ниво радиационни поправки.
  • Предсказаната маса на t-кварка до откриването му е mt = 170 ÷ 180 GeV, а експериментално е определена mt = 172 ±2 GeV
• Най-трудно се поддава на пресмятане силното взаимодействие при не много високи енергии. Точността на изчисляване на тези процеси варира в широки граници: в някои случаи тя може да достигне проценти, а в други случаи, различните теоретични подходи дават отговори, които се различават няколко пъти.

Това, че някои процеси трудно могат да се изчислят с необходимата точност, не означава, че теорията е погрешна, а това се случва, защото е прекалено сложна и със сегашните математически методи е трудно да се проследят всичките й следствия.

Проблеми на Стандартния модел

Произход на механизма на Хигс

Въпреки че, Хигс-механизмът на електрослабата симетрия много сполучливо описва защо елементарните частици имат маса, Стандартният модел не дава никакво обяснение за това защо има поле на Хигс и защо го има това свойство - да се образува вакуумен кондензат.

Проблемът на йерархията

Има много отворени въпроси, които не могат да се решат в рамките на Стандартния модел, като проблема на йерархията на частиците и обединението на трите фундаментални взаимодействия .

Илюстрация: ipod.org.uk

Интересно е, че обикновената материя във Вселената се състои само от две от най-леките частици: лептони (електрони и електронни неутрино); кварки (u и d). Ако всички останали лептони и кварки, изведнъж изчезнат почти нищо няма да се промени. Възниква въпросът: Защо са нужни на природата всички тези частици от второ и трето поколение, освен като "дубльори" на по-леките си събратя - Всички те са нестабилни и лесно се разпадат на частици от първо поколение Масите на всички частици от Стандартния модел са разпръснати в много широк диапазон: масите на топ-кварка и електрона се различават стотици хиляди пъти, а ако го сравним с неутриното, разликата става трилиони пъти. Стандартният модел не дава задоволително обяснение за смисъла на тази аномалия на масите. Неутриното се оказва с маса, макар и много малка, въпреки, че Стандартният модел е изисквал неутриното да е безтегловно.

Неутриното

Стандартният модел във формата, в която първоначално е бил построен, изисква неутриното да е строго без маса. Но има експериментални доказателства, че неутриното има маса, макар и много малка. Освен това, различните видове неутрино много активно се комбинират едно с друго, постоянно преминавайки от един вид в друг. Обаче всичко това - масите и поведението на неутриното не се дължи на механизма на Хигс, а имат някаква друга, неизвестна засега причина. Стандартният модел не ги обяснява.

Липсата на частиците на тъмната материя

Понятието "тъмна материя", заедно с други важни понятия, е въведено от родения във Варна астрофизик Фриц Цвики, който го използва в свой труд през 1934 г. Оказало се, че във вселената, освен обикновена материя под формата на звезди, планети, газови и прахови облаци, черни дупки, неутрино, и т.н., съществуват частици от много по-различен характер, невидими за всеки диапазон на електромагнитните вълни. Астрономите съдят за съществуването й по гравитационни ефекти като необичайно високата скорост на въртене на външните области на галактиките, което може да се обясни само с наличието на скрита маса.

Схема: quantumdiaries

Почти цялата енергия във Велената около 70% е много странно вещество, "тъмна енергия", а 25-27% е тъмна материя, а само останалите нищожни 5% са известните частици. За частиците на тъмната материя нищо не се знае с изключение на това, че се движат с ниска скорост и почти не взаимодействат с обикновената материя и лъчение.

Според космологията трябва да съществуват стабилни, масивни и електрически неутрални частици , които да съставят тъмната материя, а в Стандартния модел няма частици с такива качества. Зад съществуването на частиците тъмна материя стои неизвестна засега симетрия

Превес на материята над антиматерията

Очевидно е, че видимата вселена се състои почти изцяло от материя - планети, звезди и галактики, но антиматерия не се наблюдава. Този дисбаланс на материята над антиматерията вероятно е бил динамичен в най-ранните етапи на Вселената. Изчисленията показват, че Стандартния модел не е в състояние да произведе желания дисбаланс. Всъщност, за съжаление, самото съществуване на света такъв, какъвто го виждаме, не би могъл да бъде напълно обяснен от Стандартния модел.

Направления за разширяване на Стандартния модел

Съществува голямо разнообразие от алтернативни модели, които въз основа на други подходи се опитват да усъвършенстват Стандартния модел като добавят елементи към него, без да променят неговата основа. Теорията за великото обединение - Grand Unified Theory (GUT) е сериозен опит да се унифицират трите взаимодействия в Стандартният модел. Друг модел е суперсиметрията - симетрия между бозони и фермиони. Тази теория съпоставя на всяка частица на Стандартния модел, "суперсиметрична" частица-партньор - никоя от които, обаче все още не е открита. Друг път за разширяване на Стандартния модел е теорията за квантовата гравитация. Следната таблица обобщава постигнатото досега обединение в рамките на Стандартния модел (в жълто), както и търсенията и хипотезите, разширяващи го - в синьо.

Източници:

Стандартная модель

Трудности Стандартной модели

Лекции по квантовой теории поля, М.В. Садовский

Baryons n Quarks

Spontaneous Symmetry

How do I know the proton isn't made of 3 anti-down quarks?,physics.stackexchange.com

D0 observes b-version omega, cerncourier

Грядущие революции в фундаментальной физике Дэвид Гросс, Институт теоретической физики Кавли, Санта-Барбара, Калифорния, США

ЗА НЯКОИ УСПЕХИ НА ФИЗИКАТА И АСТРОНОМИЯТА ПРЕЗ ПОСЛЕДНИТЕ ТРИ ГОДИНИ В. Л. Гинзбург

НОБЕЛОВАТА НАГРАДА ЗА ФИЗИКА ЗА 2011 ФИЗИКА НА ЧАСТИЦИТЕ И КОСМОЛОГИЯ: СЪСТОЯНИЕ И НАДЕЖДИ, В. А. Рубаков, Институт по ядрени изследвания, РАН

Физика элементарных частиц в преддверии запуска Большого адронного коллайдера, В. А. Рубаков

Грядущая революция в физике частиц, Крис Квиг

Още по темата

01/03/2015

Физика

Диаграмите на Файнман

19/02/2015

Физика

Бозоните и фундаменталните взаимодействия

18/02/2015

Физика

Елементарните частици