25 септември 2018
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Говорят медиците
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

50 години Стандартен модел - абсолютната теория за почти всичко?

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 28 май 2018 в 00:1238530

Стандартният модел, въпреки скучното си име, е най-точната научна теория, известна на хората, заяви в The Conversation Глен Старкман (Glenn Starkman,), професор по физика от Case Western Reserve University

Повече от една четвърт от Нобеловите награди във физиката на миналия век са директни входни данни или директни резултати от Стандартния модел. 

Мнозина си спомнят възбудата сред учени и медии при откриването на Хигс бозона през 2012 година. Това събитие обаче овенча на петте победни десетилетия за Стандартния модел. Всяка фундаментална сила, без гравитацията, е включена в нея. Всеки опит да се отхвърли, да се докаже експериментално, че трябва да бъде преработен по същество - а имаше много такива през последните 50 години - не успя.

Накратко, Стандартният модел отговаря на  въпроса: От какво е направено всичко и как си остава такова?

Най-малките градивни блокове

Всеки знае, че светът около нас е направен от молекули, а молекулите са направени от атоми. През 60-те години на XIX век химикът Дмитрий Менделеев разбра това и организира всички атоми - т.е. елементи - в периодичната таблица, която вероятно сте учили в средното училище. Но има 118 различни химически елемента. Има антимон, арсен, алуминий ... и още 115.

Физиците обиочат нещата да са прости. Искат да сведет нещата до същността им, до няколко основни градивни елемента. Повече от сто химически елемента не е проста концепция. Древните са вярвали, че всичко е направено от само пет елемента - земя, вода, огън, въздух и етер. Пет е много по-просто от 118. Но също е погрешно.

До 1932 г. учените знаят, че всички атоми са направени само от три частици - неутрони, протони и електрони. Неутроните и протоните са свързани плътно в ядрото. Електроните, хиляди пъти по-леки, се въртят около ядрото със скорости, приближаващи се до тази на светлината. Физиците Планк, Бор, Шрьодингер, Хайзенберг и други измислиха нова наука - квантова механика - за да обяснят това предположение.

Само три частици. Три е дори по-просто от пет. Но как се задържат заедно? Отрицателно заредените електрони и положително заредените протони се свързват заедно чрез електромагнетизма. Но всичките протони са сгушени заедно в ядрото, а положителните им заряди трябва да отблъскват силно. Неутролните неутрони тук не могат да помогнат.

Какво свързва тези протони и неутрони заедно? "Божествена намеса" казват хората, които знаят всички отговори. Но този сценарий е много труден дори за едно божествено същество - представете си как то обръща внимание на всеки един от протоните и неутроните във Вселената и ги подчинява на волята си.

Менажерията на частиците се разширява

Междувременно природата жестоко отказва да осграничи менажерията на частицитге само до три. Всъщност четири, защото трябва да броим и фотона, частицата светлина, която описва Айнщайн. От четири нарастват до пет, когато Андерсън измерва електроните с положителен заряд - позитроните - които поразяват Земята от космоса, а Дирак предрече тези първи частици антиматерия.

В космически лъчи през 1937 г. са открити частици с маса от 207 пъти масата на електрона, наречени мюони (μ-мезони). А
след това, през годините 1947-1950 са открити пионите (т.е. π-мезони), които според съвременните представи, осъществяват взаимодействието между нуклоните (частиците на ядрото - протони и неутрони). После  става ясно взаимното превръщане на протони и неутрони и че тези частици не са "неделими" елементарни частици.

През 60-те години имаше стотици "фундаментални" частици. На мястото на добре организираната периодична маса имаше само дълги списъци с бариони (тежки частици като протоните и неутроните), мезони (като пионите на Юкава ) и лептони (леки частици като електрона и неуловимите неутрини) - с никаква организация и никакви ръководни принципи.

И този пробив се оказа Стандартният модел. Това не бе внезапно озарение. Архимед не изскача от ваната с "Еврика". А редица важни прозрения от няколко учени в средата на 60-те години на миналия век, които превърнаха това блато в проста теория, а след това пет десетилетия експериментална проверка и теоретични разработки.

Кварките. През 1964 г. независимо един от друг Мъри Гел-Ман (Murray Gell-Mann) и Георг Цвайг (George Zweig) предложили модела на кварките - частици, от които може би се състоят адроните. 

СимволНазваниеЗарядМаса
българскианглийски
Първо поколение
d Долен down 1/3 ~ 5 MeV/c²
u Горен up +2/3 ~ 3 MeV/c²
Второ поколение
s Странен strange 1/3 95 ± 25 MeV/c²
c Чаровен charm (charmed) +2/3 1,8 GeV/c²
Трето поколение
b Дънен beauty (bottom) 1/3 4,5 GeV/c²
t Върховен truth (top) +2/3 171 GeV/c²

Днес са известни 6 различни "класа", наричани - "аромати"(flavor) кварки, чиито свойства са дадени в таблицата. В допълнение, за калибровъчно описание за силните взаимодействия се въвежда и допълнителна характеристика, наречена "цвят".

За да се разграничат трите вида, в които се въплъщава всеки от 6-те кварки, се използва термина "цвят". Разбира се, кварките нямат видим цвят. Цвят или цветен заряд е по-сложен аналог на спина, който характеризира взаимодействието между кварки и глуони. Името на тази характеристика е избрано по аналогия с оптиката, където червения, зеления и синия цвят когато смесят дават бял.

Работата е там е, че в рамките на силните взаимодействия е възможно или привличането на две частици с противоположен цвят (цвят и антицвят) или три частици с определена комбинация от цветове, чиято сума дава "бял" цвят, естествено "квантов цвят", а не видим.

БариониМезони
атоми ядра електрони кварки Бариони
атоми ядра електрони кварки Бариони
атоми ядра електрони кварки Бариони
Барионите ( βαρύς -тежки) се състоят от три кварки от трите цвята (или антицвята), образувайки безцветна комбинация. Съществуват около 120 типа бариони, сред тях са ядрените частици (нуклони) - протоните и неутроните. Бариони са и многочислените хиперони - по-тежки и нестабилни частици, получени в последните години в ускорителите на елементарни частици. Имат полуцяло число спин: 1/2, 3/2. Те са фермиони. Мезоните се състоят от един кварк и един антикварк с противоположни цветове. Има около 140 типа мезони. Мезони са пионите (π-мезони) и каоните (K-мезони) и други . Спинът им е цяло число 0, 1. Те са бозони.

От всеки три кварка се получава барион. Протоните са от два горни кварка и един долен, неутроните са от два долни и един горен. От един кварк и един антикварк ще получите мезон. Пион е от горен или долен кварк, обвързан с горен антикварк или с долен антикварк. Целият материал на ежедневието ни е направен горни и долни кварки, антикварки и електрони.

Простота. Да се запази простотата на ниво кварки е подвиг. Те са привързани един към друг толкова плътно, че никога не можете да намерите  свободен кварк или антикварк. Теорията на това свързване и частиците, които ги "слепват", наречени глуони, се наричат квантова хромодинамика. Това е жизненоважно парче от Стандартния модел, но математически трудно.

Другият аспект на стандартния модел е "Моделът на лептоните". Това е името на една важна статия от 1967 г. на Стивън Уайнбърг, която съчетава заедно квантовата механика с жизненоважните знания за взаимодействието на частиците и ги организира в една теория. Той включва познатия електромагнетизъм, и това, което физиците наричат ​​"слабо взаимодействиеа", което е причина определени радиоактивни разпади, и обяснява, че те са различни аспекти на същата сила. Тя включва и механизма на Хигс, който дава маса на фундаменталните частици.

Оттогава Стандартният модел прогнозира резултатите на всеки експеримент, включително откриването на няколко разновидности на кварките и на бозоните W и Z - тежки частици, които са преносителите на слабото взаимодействие, както фотонът е за електромагнетизма. Възможността частиците неутрино не са безмасови, е пренебрегвана през 60-те години на миналия век, но се отчита лесно в Стандарния модел през 90-те години, няколко десетилетия по-късно.

3D изглед на събитие, записано в ускорителя на частиците на CERN, показващ характеристики, очаквани от разпадането на бозона Хигс до двойка фотони (жълтите и зелени линии). . McCauley, Thomas; Taylor, Lucas; for the CMS Collaboration CERN, CC BY-SA

Откриването на бозона Хигс през 2012 г. е отдавна търсено и частицата е предвидена от Стандартния модел също отдавна - бе вълнуващо, но не и изненада. Това беше още една важна победа за Стандартния модел над тъмните сили, за които физиците нееднократно предупреждават, че се задват зад хоризонта. Загрижени, че Стандартният модел не олицетворява адекватно техните очаквания за простота, притеснени от математическата самосъгласуваност или гледайки напред към евентуалната необходимост да вкара силата на гравитацията в модела, физиците правят многобройни предложения за теории извън Стандартния модел. Те носят вълнуващи имена като Велико обединение, Суперсиметрия, Technicolor и Струнна теория.

За съжаление, поне за техните привърженици, теориите отвъд Стандартния модел все още не са успели да предскажат каквото и да било ново експериментално явление или експериментално несъответствие със Стандартния модел.

След пет десетилетия, далеч от ъпгрейд, Стандартният модел е достоен за празнуване като абсолютно удивителна теория за почти всичко.


Препоръчани материали

Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Физика
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.