16 май 2022
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Стандартен модел на елементарните частици: Абсолютно невероятната теория на почти всичко

Как работи нашият свят на субатомно ниво?

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 19 януари 2022 в 00:01 119890
Кредит: Max Pixel

Стандартният модел е най-точната научна теория, позната на хората.

Повече от една четвърт от Нобеловите награди по физика от миналия век имат директен принос или преки резултати от Стандартния модел. И все пак името му подсказва, че може да се очакват ъпгрейти.

Но физикът-теоретик Глен Старкман (Glenn Starkman) в статия за The Conversation коментира, че по-подходящо име за Стандартния модел е "Абсолютно невероятната теория на почти всичко".

Мнозина си спомнят вълнението сред учените и медиите от откриването на Хигс бозона през 2012 г. Но това вълнуващо събитие не падна от небето – то сложи венец на петдесетгодишна серия победи за Стандартния модел. Всяка фундаментална сила освен гравитацията е включена в него. Всеки опит да се опровергае, да се демонстрира лабораторно, че трябва да бъде съществено преработен – а те не са били малко през последните 50 години – се е провалил.

Накратко, Стандартният модел отговаря на въпроса: От какво е направено всичко и как се държи?

Най-малките градивни елементи

Знаете, разбира се, че светът около нас е изграден от молекули, а молекулите са направени от атоми. Химикът Дмитрий Менделеев разбира през 1860-те как да организира всички атоми – тоест елементите – в Периодичната таблица, която вероятно сте изучавали в средното училище. Но има 118 различни химични елемента. Има антимон, арсен, алуминий, селен… и още 114.

Но тези елементи могат да бъдат разбити допълнително. Кредит: Rubén Vera Koster, CC BY-SA

Физиците обичат простите неща. Те искат да сведат нещата до тяхната същност, няколко основни градивни елемента. Над сто химични елемента не изглежда просто. Древните мислители са вярвали, че всичко се състои само от пет елемента – земя, вода, огън, въздух и етер. Пет е много по-просто от 118. Освен това е погрешно.

До 1932 г. учените знаят, че всички тези атоми са съставени само от три частици – неутрони, протони и електрони. Неутроните и протоните са плътно свързани в ядрото. Електроните, хиляди пъти по-леки, се въртят около ядрото със скорост, приближаваща се до тази на светлината. Физиците Планк, Бор, Шрьодингер, Хайзенберг и още техни колеги са изобретили нова наука – квантовата механика – за да обяснят това движение.

Това би било задоволително място да се спрат. Само три частици. Три е дори по-просто от пет. Но как съставят материята? Отрицателно заредените електрони и положително заредените протони са свързани помежду си чрез електромагнетизъм. Но всички протони са сгушени заедно в ядрото и техните положителни заряди би трябвало да ги разпръснат. Неутралните неутрони не могат да помогнат.

Какво свързва тези протони и неутрони заедно?

Сценарият за „Божествената намеса“ има голям проблем дори за едно божествено същество – да следи всеки един от 10⁸⁰ протони и неутрони на Вселената и да ги огъва според волята си.

Разширяване на зоопарка от частици

Междувременно природата отказва да ограничи своя зоопарк от частици само до три. Наистина стават четири, защото трябва да прибавим фотона, частицата светлина, описана от Айнщайн. Четирите нарастват до пет, когато Андерсън измерва електрони с положителен заряд (или т.нар. позитрони), удрящи Земята от космоса. Всъщност Дирак предсказва тези първи частици от антиматерия. Петте ставата шест, когато бе открит пионът, за който Юкава прогнозира, че ще задържа цяло ядрото.

След това идва мюонът – 200 пъти по-тежък от електрона, но иначе е негов близнак. Номер седем. Не само не просто, но и излишно.

До 60-те години на миналия век „фундаменталните“ частици стават стотици. На мястото на добре организираната периодична таблица са дълги списъци с бариони (тежки частици като протони и неутрони), мезони (като пионите на Юкава) и лептони (леки частици като електрона и неуловимите неутрино) – с без организация и без ръководни принципи.

За разлика от легендите, които се разпространяваха за Периодичната таблица на Менделеев, Стандартният модел не се е присънил на никого (както между впрочем и Периодичната таблица). Никой Архимед не скочи от ваната, крещейки „Еврика“.

Вместо това решаваща роля изиграват серия от прозрения на няколко ключови личности в средата на 60-те години, които превръщат това блато в проста теория, а след това пет десетилетия се извършва експериментална проверка и теоретична разработка.

Стандартният модел на елементарните частици предоставя списък на съставките за всичко около нас. Кредит:  Fermi National Accelerator Laboratory

Кварките. Те се предлагат в шест разновидности, които наричаме аромати. Като сладолед, само че не е толкова вкусен. Вместо ванилия, шоколад и така нататък, имаме горен, долен, странен, чаровен, дънен и върховен (up, down, strange, charm, bottom and top). През 1964 г. Гел-Ман и Цвайг ни научиха на рецептите: Смесете и съпоставете кои да са три кварка, за да получите барион. Протоните са два горни кварка и един долрн, свързани заедно; неутроните са два долни и един горен. Изберете един кварк и един антикварк и ще получите мезон. Пионът е горен кварк или долен, свързан с анти-горен или анти-долен кварк. Цялата материя, която срещаме в нашето ежедневие, е съставена само от горни и долни кварки, антикварки и електрони.

Кварките са свързани един с друг толкова здраво, че никога не може да намерите свободен кварк или антикварк. Теорията за това свързване и за частиците, които отговарят за него, наречени глуони, се нарича квантова хромодинамика. Това е жизненоважна част от Стандартния модел, но математически трудна, дори поставя нерешен проблем на математиката. 

Другият аспект на Стандартния модел е „Моделът на лептоните“. Това е името на забележителната статия от 1967 г. на Стивън Вайнбърг, която събира квантовата механика с жизненоважните части от знания за това как взаимодействат частиците и организира двете в една теория. Той включва познатия електромагнетизъм, присъединява го към това, което физиците наричат ​​„слабо взаимодействие (сила)“, което причинява определени радиоактивни разпади, и обяснява, че те са различни аспекти на една и съща сила. Той включва механизма на Хигс за придаване на маса на фундаменталните частици.

Оттогава Стандартният модел предвижда резултатите експеримент след експеримент, включително откриването на няколко разновидности на кварки и на W и Z бозоните - тежки частици, които за слабите взаимодействия са това, което е фотонът за електромагнетизма. Възможността чатиците неутрино да не са безмасови бе пренебрегната през 60-те години на миналия век, но лесно се промъкна в Стандартния модел през 1990-те, с няколко десетилетия закъснение.

3D изглед на събитие, записано в ускорителя на частици на ЦЕРН, показващо характеристики, очаквани от разпада на Хигс бозона до двойка фотони (пунктирани жълти и зелени линии). Кредит:. McCauley, Thomas; Taylor, Lucas; for the CMS Collaboration CERN, CC BY-SA

Откриването на Хигс бозона през 2012 г., по-рано предвидено от Стандартния модел и дълго търсено, бе вълнуващо, но не и изненада. Това бе поредната решаваща победа за Стандартния модел над тъмните сили, за които физиците на елементарните частици многократно предупреждаваха, че се очертават над хоризонта. Загрижени, че Стандартният модел не въплъщава адекватно техните очаквания за простота, притеснени за неговата математическа непротиворечивост или гледайки напред към евентуалната необходимост от включване на силата на гравитацията, физиците правят множество предложения за теории извън Стандартния модел. Те носят вълнуващи имена като Велико обединение (Grand Unified Theories), Суперсиметрия (Supersymmetry), Technicolor и Теория на струните или струнна теория (String Theory) .

За съжаление, поне за техните привърженици, теориите отвъд Стандартния модел все още не са предсказали успешно нито един нов експериментален феномен или каквото и да е експериментално несъответствие в Стандартния модел.

След пет десетилетия, далеч от ъпгрейд, Стандартният модел е достоен за се нарече Абсолютно невероятната теория на почти всичко.

Източник: The Standard Model of particle physics: The absolutely amazing theory of almost everythingThe Conversation.The Conversation


Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Физика
Законът на Мърфи
25 февруари 2022 в 11:011
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.