Фундаментальные частицы стандартной модели. Суть стандартной модели. Теория тяготения Ньютона

Стандартная модель - это современная теория строения и взаимодействий элементарных частиц, многократно проверенная экспериментально. Эта теория базируется на очень небольшом количестве постулатов и позволяет теоретически предсказывать свойства тысяч различных процессов в мире элементарных частиц. В подавляющем большинстве случаев эти предсказания подтверждаются экспериментом, иногда с исключительно высокой точностью, а те редкие случаи, когда предсказания Стандартной модели расходятся с опытом, становятся предметом жарких споров.

Стандартная модель - это та граница, которая отделяет достоверно известное от гипотетического в мире элементарных частиц. Несмотря на впечатляющий успех в описании экспериментов, Стандартная модель не может считаться окончательной теорией элементарных частиц. Физики уверены, что она должна быть частью некоторой более глубокой теории строения микромира . Что это за теория - достоверно пока неизвестно. Теоретики разработали большое число кандидатов на такую теорию, но только эксперимент должен показать, что из них отвечает реальной ситуации, сложившейся в нашей Вселенной. Именно поэтому физики настойчиво ищут любые отклонения от Стандартной модели, любые частицы, силы или эффекты, которые Стандартной моделью не предсказываются. Все эти явления ученые обобщенно называют «Новая физика»; именно поиск Новой физики и составляет главную задачу Большого адронного коллайдера .

Основные компоненты Стандартной модели

Рабочим инструментом Стандартной модели является квантовая теория поля - теория, приходящая на смену квантовой механике при скоростях, близких к скорости света. Ключевые объекты в ней не частицы, как в классической механике, и не «частицы-волны», как в квантовой механике, а квантовые поля : электронное, мюонное, электромагнитное, кварковое и т. д. - по одному для каждого сорта «сущностей микромира».

И вакуум, и то, что мы воспринимаем как отдельные частицы, и более сложные образования, которые нельзя свести к отдельным частицам, - всё это описывается как разные состояния полей. Когда физики употребляют слово «частица», они на самом деле имеют в виду именно эти состояния полей, а не отдельные точечные объекты.

Стандартная модель включает в себя следующие основные ингредиенты:

• Набор фундаментальных «кирпичиков» материи - шесть сортов лептонов и шесть сортов кварков . Все эти частицы являются фермионами со спином 1/2 и очень естественным образом организуются в три поколения. Многочисленные адроны - составные частицы, участвующие в сильном взаимодействии, - составлены из кварков в разных комбинациях.
• Три типа сил , действующих между фундаментальными фермионами, - электромагнитные, слабые и сильные. Слабое и электромагнитное взаимодействия являются двумя сторонами единого электрослабого взаимодействия . Сильное взаимодействие стоит отдельно, и именно оно связывает кварки в адроны.
• Все эти силы описываются на основе калибровочного принципа - они не вводятся в теорию «насильно», а словно возникают сами собой в результате требования симметричности теории относительно определенных преобразований. Отдельные виды симметричности порождают сильное и электрослабое взаимодействия.
• Несмотря на то что в самой теории имеется электрослабая симметрия, в нашем мире она самопроизвольно нарушается. Спонтанное нарушение электрослабой симметрии - необходимый элемент теории, и в рамках Стандартной модели нарушение происходит за счет хиггсовского механизма .
• Численные значения для примерно двух десятков констант : это массы фундаментальных фермионов, численные значения констант связи взаимодействий, которые характеризуют их силу, и некоторые другие величины. Все они раз и навсегда извлекаются из сравнения с опытом и при дальнейших вычислениях уже не подгоняются.

Кроме того, Стандартная модель - перенормируемая теория, то есть все эти элементы вводятся в нее таким самосогласованным способом, который, в принципе, позволяет проводить вычисления с нужной степенью точности. Впрочем, зачастую вычисления с желаемой степенью точностью оказываются неподъемно сложными, но это проблема не самой теории, а, скорее, наших вычислительных способностей.

Что может и чего не может Стандартная модель

Стандартная модель - это, во многом, описательная теория. Она не дает ответы на многие вопросы, начинающиеся с «почему»: почему частиц именно столько и именно таких? откуда взялись именно эти взаимодействия и именно с такими свойствами? зачем природе понадобилось создавать три поколения фермионов? почему численные значения параметров именно такие? Кроме того, Стандартная модель не способна описать некоторые явления, наблюдаемые в природе. В частности, в ней нет места массам нейтрино и частицам темной материи. Стандартная модель не учитывает гравитацию и неизвестно, что с этой теорией происходит на планковском масштабе энергий, когда гравитация становится чрезвычайно важной.

Если же использовать Стандартную модель по своему назначению, для предсказания результатов столкновений элементарных частиц, то она позволяет, в зависимости от конкретного процесса, выполнять вычисления с разной степенью точности.

• Для электромагнитных явлений (рассеяние электронов, энергетические уровни) точность может достигать миллионных долей и даже лучше. Рекорд тут держит аномальный магнитный момент электрона, который вычислен с точностью лучше одной миллиардной.
• Многие высокоэнергетические процессы, которые протекают за счет электрослабых взаимодействий, вычисляются с точностью лучше процента.
• Хуже всего поддается расчету сильное взаимодействие при не слишком высоких энергиях. Точность расчета таких процессов сильно варьируется: в одних случаях она может достигать процентов, в других случаях разные теоретические подходы могут давать ответы, различающиеся в несколько раз.

Стоит подчеркнуть, что тот факт, что некоторые процессы тяжело рассчитать с нужной точностью, не означает, что «теория плохая». Просто она очень сложная, и нынешних математических приемов пока не хватает, чтоб проследить все ее следствия. В частности, одна из знаменитых математических Задач тысячелетия касается проблемы конфайнмента в квантовой теории с неабелевым калибровочным взаимодействием.

Дополнительная литература:

• Базовые сведения о хиггсовском механизме можно найти в книге Л. Б. Окуня «Физика элементарных частиц» (на уровне слов и картинок) и «Лептоны и кварки» (на серьезном, но доступном уровне).

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.

Стандартная модель фундаментальных взаимодействий

в физике элементарных частиц.

Фундаментальные взаимодействия.

По современным представлениям, все известные в настоящее время процессы сво­дят­ся к 4 типам взаимодействий, которые называются фундаментальными (таблица 1).

Таблица 1. Фундаментальные взаимодействия.

В квантовой физике каждая элементарная частица является квантом некоторого поля, и наоборот, каждому полю соответствует своя частица-квант. Энергия и импульс каждого поля слагаются из множества отдельных порций - квантов. Самый простой и лучше всего изученный пример: электромагнитное поле и его квант - фотон. Квантами поля сильных взаимодействий являются глюоны. Кванты поля слабых взаимодействий - ка­ли­б­ро­­во­ч­ны­е бозоны W ± иZ 0 . Все эти частицы обнаружены экспериментально, и их свой­ства хорошо изучены. Переносчиком гравитационного взаимодействия является грави­тон: гипо­те­тическая частица, которая экспериментально пока не обнаружена. Кванты-переносчики полей имеют целый спин, т.е. являются бозе-частицами (бозонами), что и отражено в названии некоторых из них.

Современные ускорители. Все современные ускорители - коллайдеры (т.е. исполь­зу­ют встречные пучки) .

Таблица 2. Крупнейшие ускорители.

Из-за того, что кварки и глюоны взаимодействуют между собой сильнее, чем электроны и позитроны, а также из-за того, что энергии протон-протонных ускорителей больше, в столкновениях протонов с протонами происходит гораздо больше событий, чем в столкновениях электронов. В этом есть и плюсы, и минусы; минусы в том, что труднее выделить нужные реакции. Поэтому протон-протонные коллайдеры называют машинами открытий, а электрон-позитронные - машинами точных измерений .

Стандартная модель.

К настоящему времени раз­работано квантовое описание трех из четырех фун­да­мен­таль­ных вза­и­мо­дей­ст­вий: сильного, электромагнитного и слабого, а также пока­за­но, что сла­бое и электромаг­нит­ное взаимодействия фактически имеют общее происхождение (электро­сла­бое взаимодей­ст­вие). Совпадение с экспериментом наблюдается до расстояний 10 -18 м, что является преде­лом для современной экспериментальной техники. Поэтому теория трех не­гравитационных вза­имодействий, включающая 12 фундаментальных частиц, которые в них участвуют (таблица 2), называетсястан­дарт­ной моделью физики элементарных час­тиц.

Таблица 3. Фундаментальные частицы.

Симметрия и инвариантность.

В том случае, когда состояние системы в результате какого-либо преобразования не ме­няется, говорят, что система обладает симметрией относительно данного преобразования. По­нятие симметрии является очень важным в физике элементарных частиц, т.к. каждому ви­ду симметрии соответствует свой закон сохранения и наоборот: каждому закону сохранения какой-либо физической величины соответствует своя симметрия . Общеизвестной яв­ля­ется связь симметрии времени и пространства относительно сдвигов (однородность) и по­во­ротов (изотропность) с законами сохранения энергии, импульса и момента импульса. Эти законы являются универсальными, т.е. выполняются во всех видах взаимодействий .

Кроме этих общеизвестных видов симметрии существуют так называемые "внут­рен­ние симметрии", которые в физике элементарных частиц называются "калибровочными сим­мет­риями (или инвариантностями)" . В квантовой физике существует калибровочная ин­вариантность к изменению фазы волновой функции, т.к. не существует способа оп­ре­де­лить абсолютную величину фазы этой функции. Другими словами, квантовая механика ин­ва­ри­антна относительно произвольного изменения фазы волновой функции на постоянную ве­ли­чину, т.е. замены ψ наψ· exp (i  ) при условии = const . Это так называемая "глобальная ка­либ­ровочная сим­мет­рия" относительно изменения фазы волновой функции на одну и ту же ве­ли­чи­ну сразу во всем пространстве и во все моменты времени . Эта инвариант­ность оче­вид­на, т.к. множитель exp (i  ) при подстановке измененной волновой функции в урав­не­ние Шре­дин­ге­ра

можно сократить.

Если фаза  не равна константе, а является произвольной функцией ко­ор­динат и вре­мени, то такое преобразование называется локальным. При заменеψ наψ· exp (i  (r , t )) урав­не­ние Шредингера, конечно, изменится, од­на­ко его можно сохранить неизменным, если ввести в него компенсиру­ю­щее поле: четырехмерный вектор (φ (r , t ), A (r , t )), который является со­во­куп­нос­тью скалярного и векторного потенциалов электромагнитного поля, квантами которо­го являются фотоны. В этом и заключается основная идея квантового описания электро­маг­нит­ного взаимодействия (КЭД).

Бозон Хиггса.

Подобная идея используется для построения теории всех взаимодействий, а соответ­ст­вую­щий вид симметрии называется "локальной калибровочной ин­ва­ри­антностью". Однако при этом возникает проблема. Обязательным требованием к уравнениям для любого фи­зи­чес­кого поля является инвариантность по отношению к преобразованиям Ло­рен­ца. А это вы­пол­няется только в том случае, если масса кванта поля рав­на нулю. Из таб­лицы 1 видно, что кван­ты электромагнитного, сильного и грави­та­ци­он­ного полей яв­ля­ют­ся безмассовыми (т.е. име­ют нулевую массу покоя), но кванты-перенос­чи­ки слабых вза­и­мо­дей­ствий имеют до­воль­но большие массы. Такая же проблема возникает и при объяснении значений масс у дру­гих элементарных частиц. Можно сказать, что внутренние сим­метрии запрещают эле­мен­тар­ным частицам иметь ненулевые массы покоя, что, конечно, про­тиворечит экс­пе­ри­мен­таль­ным данным. Этот вопрос - об объяснении различных зна­че­ний масс у элементарных частиц - оставался до последнего времени нерешенным в стан­дарт­ной модели.

Для объяснения этого противоречия в 1964 году Ф.Энглер (F.Englert) и Р.Браут (R.Bro­ut) и независимо от них П.Хиггс (P.Higgs) почти одновременно предположили, что су­щест­вует еще одно поле, взаимодействие с которым придает частицам массу. П.Хиггс, кроме это­го, предсказал существование у этого поля кванта - бозона со спином, равным нулю, поэ­то­му гипотетический квант этого поля получил название "бозон Хиггса". Масса этой час­ти­цы, согласно сделанным тогда оценкам, должна находиться в диапазоне от 60 до 1000 Гэв. Ус­корителей, на которых можно было бы обнаружить частицу с такой массой, до последнего вре­мени не существовало, поэтому бозон Хиггса оставался единственной еще не обнару­жен­ной экспериментально части­цей стандартной модели .

На семинаре в ЦЕРНЕ 4 июля 2012 года было объявлено об открытии новой частицы, свойства которой, как осторожно заявляют авторы открытия, соответствуют ожидаемым свойствам теоретически предсказанного бозона Хиггса - элементарного бозона Стандартной модели физики элементарных частиц. Эта новая частица (для нее принято обозначение H) не имеет электрического заряда. Масса бозона по данным одной группы экспериментов равна (125.3 ± 0.9) Гэв, по данным другой группы (126.0 ± 0.8) Гэв. БозонHнестабилен, его время жизни примерно 10 -24 с, и он может распадаться по-разному. НаLHCнаблюдались распады на два фотона, и на две пары: электрон-позитрон и (или) мюон-антимюон:

H →γ+γ,

H →e - + e + + e - + e + ,

H → e - + e + + μ - + μ + ,

H → μ - + μ + + μ - + μ + .

Последние три распада коротко можно записать так

H → 4l ,

где l - один из лептонов (электрон, позитрон, мюон). Все эти распады соответствуют пред­сказанным свойствам бозона Хиггса.

Все это позволяет с большой вероятностью утверждать, что бозон Хиггса открыт, и Стандартная модель получила принципиально важное экспериментальное подтверждение.

Литература.

Физическая энциклопедия, т.5 /Гл. ред. А.М.Прохоров. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. - с. 596-608.

Капитонов И.М. Введение в физику ядра и частиц. - М.: УРСС, 2002.

Рубаков В.А. К открытию на Большом адронном коллайдере новой частицы со свойствами бозона Хиггса. - УФН, 2012, т.182, №10. - с.1017-1025.

Рубаков В.А. Долгожданное открытие бозона Хиггса. - Наука и жизнь, 2012, №10. - с.2-17.

Физическая энциклопедия, т.4 /Гл. ред. А.М.Прохоров. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1994. - с. 505-520.

Физика микромира: Маленькая энциклопедия /Гл. ред. Д.В.Ширков. - М.: "Советская энциклопедия", 1980.

Грин Б. Элегантная Вселенная. /Пер. с англ. под ред. В.О.Малышенко. - Изд. 2-е. - М.: Едиториал УРСС, 2005. - 288 с.

Аринштейн Э.А. Элементы теоретической физики: Учебное пособие. - Тюмень, Изд-во Тюменского госуниверситета, 2011. - с.103-105.

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.