26 ноември 2020
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Нов начин за представяне на частиците и силите на Стандартния модел в 3D

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 26 октомври 2020 в 11:03 31440
Поколенията частици от Стандартния модел. Кредит: Wikimedia Commons

Стандартният модел е моделът, който описва елементарните частици и природните сили, които действат между тях. Знаем, че моделът не е пълен, защото неща като тъмна материя, тъмна енергия и гравитация не се описват от Стандартния модел.

И все пак понастоящем физиците използват Стандартния модел. Той е съставен някъде в средата на 70-те години и оттогава се правят опити да се визуализират неговите частици и сили, като например с горното представяне, което показва частиците като периодичната таблица. Или като товао по-долу, което Дейвид Каплан използва за филма си „Particle Fever“.

Кредит: David Kaplan/Particle Fever.

Но винаги нещо не достига в такива представяния. Например, схемата най-горет не показва цветния заряд, който е по-сложен аналог на спина, който характеризира взаимодействието между кварки и глуони. Освен това частиците преносители на взаимодействията, като фотона, се приравняват на частиците, които съставляват материята, като кварки и електрони. А в модела на Каплан всичко изглежда се върти около Хигс бозона и е поставен до фотона и глуона, въпреки че в действителност Хигс не влияе на тези частици, а също така изглежда, че фотонът (означен с гама) реагира само с u, c и t кварките, което не е така.

Накратко, физиците продължават да търсят идеалното представяне на частиците и природните сили според Стандартния модел. И изглежда сега са успели!

Крис Куиг (Chris Quigg) от Националната ускорителна лаборатория "Ферми" в Илинойс създава нов триизмерен модел, който нарича двоен симплекс, наречен така, защото частиците от лявата и дясната страна образуват симплекс, обобщено понятие за най-простата геометрична фигура в n-мерното пространство. Геометрично представлява множество от n+1 точки, свързани помежду си всяка с всяка. Например 0-симплекс е точка, 1-симплекс е отсечка, 2-симплекс е триъгълник, 3-симплекс е тетраедър.

Както и да е, зад модела се крие много гениална идея. 

Симплексният скелет

Материалните частици са в две основни разновидности - лептони и кварки. (Обърнете внимание, че за всеки вид материални частици в природата има и антиматериална частица, която има същата маса, но е противоположна по всеки друг параметър. Куиг представя антиматерията, която би образувала отделен обърнат двоен симплекс.

Нека започнем с кварките и по-специално с двата вида кварки, които изграждат протоните и неутроните в атомните ядра. Това са горен кварк, който притежава две трети от единица електрическия заряд, и долен кварк, с електрически заряд −1/3.

Горните и долните кварки могат да бъдат „лявоориентирани“ или „дясноориентирани“ в зависимост от това дали се въртят по посока на часовниковата стрелка или обратно спрямо тяхната посока на движение.

Лявоориентираните горни и долни кварки могат да се трансформират един в друг чрез взаимодействие, наречено слабо. Това се случва, когато кварките обменят частица, наречена W бозон - един от носителите на слабото взаимодействие, с електрически заряд +1 или -1. Тези слаби взаимодействия са представени от оранжевата линия:

Кварките притежават и вид заряд, наречен цвят. Кваркът може да има заряд в червен, зелен или син цвят. Цветът на кварка го прави чувствителен към силното взаимодействие.

Силното взаимодействие свързва кварките от различни цветове заедно в съставни частици като протони и неутрони, които са „безцветни“, без нетен цветен заряд.

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.

Кварките се трансформират от един цвят в друг чрез поглъщане или излъчване на частици, наречени глуони, носители на силното взаимодействие. Тези взаимодействия образуват страните на триъгълник. Тъй като глюоните сами притежават цветен заряд, те постоянно взаимодействат помежду си, както и с кварките. Взаимодействията между глуоните запълват триъгълника.

Да обърнем към лептоните, другия вид материални частици. Лептоните са два вида: електрони, които имат електрически заряд -1, и неутрино, които са електрически неутрални.

Както лявоориентираните горни и долни кварки, лявоориентираните електрони и неутрино могат да се трансформират един в друг чрез слабото взаимодействие. Дясноориентирани неутрино обаче не са наблюдавани в природата.

Трябва да се отбележи, че лептоните не притежават цветен заряд и не си взаимодействат чрез силното взаимодействие. Това е основната характеристика, която ги отличава от кварките.

Събирайки това до момента - лявоориентираните частици са показани отляво, дясноориентираните частици - отдясно. Те образуват основния скелет на двойния симплекс на Куиг.

Но има едно усложнение: По неизвестни причини съществуват три все по-масивни, но иначе идентични версии на всеки вид материални частици. Например, заедно с горния и долен кварк, има чаровен и странен кварк и, още по-масивните, върховен и дънен кварк. Същото важи и за лептоните: Заедно с електрона и електронното неутрино има мюон и мюонно неутрино, и тау и тау неутрино. (Обърнете внимание, че частиците  неутрино имат малки, но неизвестни маси.)

Всички тези частици обитават ъглите на двойния симплекс. Имайте предвид, че между различните поколения се случва малко слабо взаимодействие между лявоориентираните кварки, така че горен кварк може от време на време да изхвърли W + бозон и да се превърне в странен кварк, например. Лептоните от различни поколения не са наблюдавани да си взаимодействат по този начин.


Какви други начини взаимодействат частиците помежду си? Вече споменахме, че много материални частици имат електрически заряд - всъщност всички, с изключение на неутриното. Да имат електрически заряд означава, че тези частици са чувствителни към електромагнитната сила. Те си взаимодействат помежду си, като обменят фотони, носители на електромагнитната сила. Електромагнитните взаимодействия са представени като вълнообразни линии, свързващи заредени частици. Имайте предвид, че тези взаимодействия не трансформират частиците една в друга, в този случай частиците просто усещат тласък или привличане.

Слабото взаимодействие е малко по-сложно. Освен W + и W - бозоните - електрически заредените носители на слабото взаимодействие - има и неутрален носител на слабото взаимодействие, наречен Z 0 бозон. Частиците могат да абсорбират или излъчват Z 0 бозони, без да променят идентичността си. Както при електромагнитните взаимодействия, тези „слаби неутрални взаимодействия“ просто губят или печалят енергия и имуплс. Слабите неутрални взаимодействия са представени тук с оранжеви вълнообразни линии.

Неслучайно слабите неутрални взаимодействия наподобяват електромагнитните взаимодействия. Слабите и електромагнитните сили идват от една сила, която е съществувала в първите моменти на Вселената, наречена електрослабо взаимодействие.

С охлаждането на Вселената събитие, известно като нарушаване на електрослабата симетрия, тези взаимодействия се разделят на две. Това събитие е белязано от внезапната поява на поле, простиращо се в цялото пространство, известно като полето на Хигс, което е свързано с частица, наречена Хигс бозон - последното парче от пъзела.

Бозонът на Хигс е ядрото на Стандартния модел и ключът към това защо двойният симплекс има смисъл. Когато полето на Хигс е възникнало в ранната Вселена, то е съединило лявоориентираните и дясноориентираните частици една към друга, едновременно дарявайки частиците със свойството, което наричаме маса. (Имайте предвид, че неутриното има маса, но произходът му остава загадъчен, тъй като произтича от някакъв механизъм, различен от Хигс.)

Етоа как работят тези поколения от различни маси. Докато частица като електрон се движи през пространството, тя непрекъснато взаимодейства с Хигс бозоните - възбуждания на Хигс полето. Когато лявориентиран електрон се блъсне в Хигс бозон, електронът може да рикошира от него в нова посока и да стане дяснориентиран, след това да се блъсне в друг Хигс и отново да стане лявоориентиран и т.н. Тези взаимодействия забавят електрона и това се има предвид под „маса“.

Като цяло, колкото повече една частица взаимодейства с Хигс бозона, толкова е повече масата. Освен това, честите взаимодействия с бозоните на Хигс правят тези масивни частици квантови смеси от лявоориентирани и дясноориентирани.

А това е крайният продукт на модела на двойния симплекс, който може да се види и контролира интерактивно по-долу.

Източник: A New Map of All the Particles and Forces, Quanta Magazine


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.