Стандартная модель элементарных частиц для начинающих

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.

Именно на основе понятия симметрии строится и Стандартная модель. Прежде всего, она обладает пространственно-временной симметрией относительно вращений и сдвигов в пространстве-времени. Соответствующая группа симметрии носит название группы Лоренца (или Пуанкаре). Этой симметрии соответствует независимость предсказаний от выбора системы отсчёта. Кроме того, имеются группы внутренней симметрии – симметрии относительно вращений в пространстве «изоспина» и «цвета» (в случае слабых и сильных взаимодействий соответственно). Также ещё имеется группа фазовых вращений, связанная с электромагнитными взаимодействиями. Этим симметриям соответствуют законы сохранения электрического заряда, «цветного» заряда и т.д. Полная группа внутренней симметрии Стандартной модели, полученная на основе анализа многочисленных экспериментальных данных, есть произведение унитарных групп SU(3) x SU(2) x U(1). Все частицы Стандартной модели принадлежат различным представлениям групп симметрии, причём частицы разного спина никогда не перемешиваются.

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.

«Мы задаёмся вопросом, почему группа талантливых и преданных своему делу людей готова посвятит жизнь погоне за такими малюсенькими объектами, которые даже невозможно увидеть? На самом деле, в занятиях физиков элементарных частиц проявляется человеческое любопытство и желание узнать, как устроен мир, в котором мы живём» Шон Кэрролл

Если вы всё ещё боитесь фразы квантовая механика и до сих пор не знаете, что такое стандартная модель - добро пожаловать под кат. В своей публикации я попытаюсь максимально просто и наглядно объяснить азы квантового мира, а так же физики элементарных частиц. Мы попробуем разобраться, в чём основные отличия фермионов и бозонов, почему кварки имеют такие странные названия, и наконец, почему все так хотели найти Бозон Хиггса.

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 .

Адроны можно разделить на группы

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, в то время как их коллеги - бозоны могут спокойно триллионами жить прямо друг на друге.

Фермионы

Группа фермионов, как было уже сказано, создаёт видимую материю вокруг нас. Что бы мы и где не 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.

Кварки делятся на две группы.

Верхнего типа. К кваркам верхнего типа, с зарядом +23, относят: верхний, очарованный и истинный кварки
Нижнего типа. К кваркам нижнего типа, с зарядом -13, относят: нижний, странный и прелестный кварки

Истинный и прелестный являются самыми большими кварками, а верхний и нижний - самыми маленькими. Почему кваркам дали такие необычные названия, а говоря более правильно, «ароматы», до сих пор для учёных предмет споров.

Лептоны также делятся на две группы.

Первая группа, с зарядом «-1», к ней относят: электрон, мюон (более тяжёлую частицу) и тау-частицу (самую массивную)
Вторая группа, с нейтральным зарядом, содержит: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино

Нейтрино - есть малая частица вещества, засечь которую практически невозможно. Её заряд всегда равен 0.

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 не взаимодействуют.

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 понятие 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.

Стандартная модель физики элементарных частиц, или просто Стандартная модель, - теоретические рамки в физике, которые наиболее точно и удачно описывают текущее положение элементарных частиц, их значения и поведение. Стандартная модель не является и не претендует на звание «теории всего», поскольку не объясняет темную материю, темную энергию и не включает гравитацию. Постоянные подтверждения Стандартной модели, на зло альтернативной модели суперсимметрии, появляются на Большом адронном коллайдере. Впрочем, не все физики любят Стандартную модель и желают ей скорейшей кончины, ведь это может потенциально привести к развитию более общей теории всего, объяснению черных дыр и темной материи, объединению гравитации, квантовой механики и общей теории относительности.

Если физики элементарных частиц добьются своего, новые ускорители смогут в один прекрасный день тщательно исследовать самую любопытную субатомную частицу в физике - бозон Хиггса. Спустя шесть лет после открытия этой частицы на Большом адронном коллайдере, физики планируют новые огромные машины, которые будут растягиваться на десятки километров в Европе, Японии или Китае.

Не так давно ученые заговорили о новой космологической модели, известной как «хиггсогенез» (Higgsogenesis). Документ с описанием новой модели был опубликован в журнале Physical Review Lettres. Термин «хиггсогенез» относится к первому появлению частиц Хиггса в ранней Вселенной, так же как бариогенез относится к появлению барионов (протонов и нейтронов) в первые моменты после Большого Взрыва. И хотя бариогенез - достаточно хорошо изученный процесс, хиггсогенез остается сугубо гипотетическим.

Стандартная модель - это теория, которая отображает современные представления об исходном базовом материале для построения Вселенной. Эта модель описывает, каким образом образуется материя из своих базовых компонентов, какие силы взаимодействия существуют между ее компонентами.

Суть стандартной модели

По своей структуре все элементарные частицы (нуклоны), из которых состоит так же, как и любые тяжелые частицы (адроны), состоят из еще более мелких простых частиц, называемых фундаментальными.

Такими первичными элементами материи в настоящее время считаются кварки. Наиболее легкие и распространенные кварки делятся на верхние (u) и нижние (d). Протон состоит из комбинации кварков uud, а нейтрон - udd. Заряд u-кварка равен 2/3, а у d-кварка - отрицательный заряд, -1/3. Если посчитать сумму зарядов кварков, то заряды протона и нейтрона получатся строго равными 1 и 0. Это дает основание полагать, что стандартная модель абсолютно адекватно описывает реальность.

Существует еще несколько пар кварков, которые составляют более экзотические частицы. Так, вторую пару составляют очарованный (с) и странный (s) кварки, а третью пару - истинный (t) и красивый (b).

Почти все частицы, которые смогла предсказать стандартная модель, уже открыты экспериментальным путем.

Помимо кварков, в качестве «строительного материала» выступают так называемые лептоны. Они тоже образуют три пары частиц: электрон с электронным нейтрино, мюон с мюонным нейтрино, тау-лептон с тау-лептонным нейтрино.

Кварки и лептоны, по мнению ученых, являются главным строительным материалом, на основе которого была создана современная модель Вселенной. Они взаимодействуют между собой с помощью частиц-переносчиков, которые передают силовые импульсы. Существует четыре основных вида подобного взаимодействия:

Сильное, благодаря которому кварки удерживаются внутри частиц;

Электромагнитное;

Слабое, которое приводит к формам распада;

Гравитационное.

Сильное цветовое взаимодействие переносят частицы, называемые глюонами, у которых отсутствуют масса и электрический заряд. Квантовая хромодинамика изучает именно этот тип взаимодействия.

Осуществляется путем обмена лишенными массы фотонами - квантами электромагнитного излучения.

Происходит благодаря массивным векторным бозонам, которые почти в 90 раз больше протонов.

Гравитационное взаимодействие обеспечивает обмен гравитонами, у которых нет массы. Правда, экспериментально обнаружить эти частицы пока не удалось.

Стандартная модель рассматривает первые три типа взаимодействия как три различных проявления единой природы. Под воздействием высоких температур силы, которые действуют во Вселенной, фактически сплавляются воедино, вследствие чего их невозможно потом различить. Первыми, как выяснили ученые, объединяются слабое ядерное взаимодействие и электромагнитное. В результате оно создает электрослабое взаимодействие, которое мы можем наблюдать в современных лабораториях при работе ускорителей элементарных частиц.

Теория Вселенной гласит, что в период своего возникновения, в первые миллисекунды после Большого Взрыва, грань между электромагнитными и ядерными силами отсутствовала. И только после понижения Вселенной до 10 14 К, четыре типа взаимодействия смогли разделиться и принять современный вид. Пока же температура была выше данной отметки, действовали только фундаментальные силы гравитационного, сильного и электрослабого взаимодействия.

Электрослабое взаимодействие объединяется с сильным ядерным при температуре около 10 27 К, что недостижимо в современных лабораторных условиях. Но подобными энергиями сейчас не обладает даже сама Вселенная, поэтому практически подтвердить или опровергнуть эту теорию пока не представляется возможным. Но теория, которая описывает процессы объединения взаимодействий, позволяет дать некоторые прогнозы относительно процессов, происходящих при более низких уровнях энергии. И эти прогнозы сейчас подтверждаются экспериментально.

Таким образом, стандартная модель предлагает теорию материя которой состоит из лептонов и кварков, а виды взаимодействия между этими частицами описываются в теориях великого объединения. Модель пока является неполной, поскольку она не включает гравитационное взаимодействие. С дальнейшим развитием научного знания и технологий эту модель можно будет дополнить и развить, но в настоящее время - это лучшее из того, что смогли разработать ученые.

Из чего мы состоим?

Из чего состоит атом?

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.

Адроны можно разделить на группы
Барионов, которые состоят из трёх кварков

Мезонов, которые состоят из пары: частица-античастица

Фермионы и Бозоны

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.

Кварки делятся на две группы.

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

Лептоны также делятся на две группы.

Первая группа, с зарядом «-1», к ней относят: электрон, мюон (более тяжёлую частицу) и тау-частицу (самую массивную)
Вторая группа, с нейтральным зарядом, содержит: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино

Нейтрино - есть малая частица вещества, засечь которую практически невозможно. Её заряд всегда равен 0.

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

Поле Хиггса

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.