Стандартният модел — теория за елементарните частици и фундаменталните сили

Стандартният модел (SM) на физиката е теория за елементарните частици, които са или фермиони, или бозони. Той също така обяснява три от четирите основни сили на природата. Четирите основни сили са: гравитация, електромагнетизъм, слаба сила и силна сила. Гравитацията е тази, която моделът не обяснява.

Моделът използва частите на физиката, наречени квантова механика и специална относителност, както и идеите за физическо поле и нарушаване на симетрията. Част от математиката на СМ е теория на групите, а също и като уравнения, които имат най-голяма и най-малка точка, наречени Лагранж и Хамилтониан.

Състав на модела

Стандартният модел описва набор от елементарни частици и техните взаимодействия. Основните класове частици са:

Фермиони — частици с полуцяло спиново число (1/2), които изграждат материята. Те се делят на две семейства:
- Кварки — шест вида (up, down, charm, strange, top, bottom), които носят „цветно“ заряд и участват в силното взаимодействие.
- Лептони — шест вида (електрон, мюон, тау и трите вида неутрино), които не участват в силното взаимодействие.
Бозони — носители на взаимодействията: фотонът (електромагнетизъм), W± и Z (слаба сила), глуоните (8 вида, за силната сила) и Хигс бозонът (свързан с механизма, даващ маса на частиците).

Фундаментални взаимодействия и симетрии

Трите взаимодействия, описвани от Стандартния модел, се формулират като калибровачни теории, базирани на симетрии. В математическа форма това се обикновено се изразява чрез групата SU(3)×SU(2)×U(1):

SU(3) — описва силното взаимодействие (квантова хромодинамика, QCD), носителите са глуоните.
SU(2)×U(1) — описва електрослабото взаимодействие, чиито носители са W±, Z и фотонът след нарушаването на симетрията.

Калибровъчните симетрии и тяхното спонтанно нарушаване (чрез Хигс механизма) са централни за обяснение на масите на W и Z бозоните и на фермионите.

Хигс и нарушаване на симетрията

Хигс бозонът е квантов резултат от полето, чието вакуумно очаквано стойност причинява спонтанно нарушаване на електрослабата симетрия. Това придава маси на слабите носители и на някои фермиони, без да нарушава ренормируемостта на теорията. Откриването на частицата Хигс през 2012 г. в CERN беше ключово потвърждение на този механизъм.

Математически основи и предсказания

Стандартният модел е квантова полева теория, чиито уравнения се извеждат от Лагранжова плътност (Лагранж) и при нужда се преобразуват към Хамилтониан. Теорията е ренормируема, което позволява да се правят прецизни изчисления и сравнения с експериментални данни. SM предсказва съществуването на W и Z бозоните, на топ кварка и други частици, както и стойности на множество величини, които са потвърдени експериментално с изключителна точност.

Постижения и експериментални потвърждения

Успешно предвижда множество наблюдавани явления и числа (например кръстосвани сечения, аномални магнитни моменти и др.).
Откритията на W и Z бозони, топ кварка и Хигс бозона потвърдиха ключови аспекти от модела.
Към мощните тестови среди за SM спадат ускорителите като CERN и големи детектори, които постоянно проверяват точността на предсказанията.

Ограничения и нерешени въпроси

Въпреки успехите си, Стандартният модел има известни ограничения:

Не включва гравитацията и следователно не е пълна теория на всички взаимодействия.
Не дава обяснение за природата на тъмната материя или на тъмната енергия, които съставляват голяма част от Вселената.
Не обяснява напълно масите на неутриното и явлението неутринни осцилации без допълнения към модела.
Има проблеми като хиерархичния проблем (защо Хигс масата е толкова по-малка от планковската скала) и недостатъчно обяснение за асиметрията материя-антиматерия във Вселената.
Съдържа множество свободни параметри (маси и взаимодействия), чиято стойност не се извежда от теорията сама по себе си.

Насоки за бъдещи изследвания

Учени търсят разширения на Стандартния модел — например супергравитация, теория на струните, разширени калибровъчни групи или модели с нови частици — които да включват гравитацията, да обяснят тъмната материя и да решат други нерешени въпроси. Нови експерименти и по-прецизни измервания продължават да тестват границите на SM и да търсят признаци за нова физика.

Стандартен модел на елементарните частици. 1 GeV/c2 = 1,783x10-27 kg. 1 MeV/c2 = 1,783x10-30 kg.

Фермиони

Фермионите са частици, които се съединяват, за да съставят цялата "материя", която виждаме. Примери за групи фермиони са протонът и неутронът. Фермионите имат свойства, като заряд и маса, които могат да се видят в ежедневието. Те имат и други свойства, като спин, слаб заряд, хиперзаряд и цветен заряд, чиито ефекти обикновено не се проявяват в ежедневието. На тези свойства се дават числа, наречени квантови числа.

Фермионите са частици, чиито спинови числа са равни на нечетно положително число, умножено по една втора: 1/2, 3/2, 5/2 и т.н. Казваме, че фермионите имат "половин цяло число спин".

Важен факт за фермионите е, че те следват правило, наречено принцип на изключване на Паули. Това правило гласи, че няма два фермиона, които да се намират на едно и също място по едно и също време, тъй като няма два фермиона в един атом, които да имат едни и същи квантови числа по едно и също време. Фермионите се подчиняват и на теория, наречена статистика на Ферми-Дирак. Думата "фермион" се използва в чест на физика Енрико Ферми.

Съществуват 12 различни вида фермиони. Всеки тип се нарича "аромат". Имената им са:

Кварки - възходящи, низходящи, странни, чаровни, горни, долни
Лептони - електрон, мюон, тау, електронно неутрино, мюонно неутрино, тау неутрино. Електронът е най-известният лептон.

Кварките са групирани в три двойки. Всяка двойка се нарича "поколение". Първият кварк във всяка двойка има заряд 2/3, а вторият - -1/3. Трите вида неутрино имат заряд 0. електронът, мюонът и тауонът имат заряд -1.

Материята е изградена от атоми, а атомите се състоят от електрони, протони и неутрони. Протоните и неутроните се състоят от възходящи и низходящи кварки. Можете да откриете един лептон сам по себе си, но никога не можете да откриете самостоятелни кварки. Това е така, защото кварките се държат заедно от силата на цвета.

Изображение на трите кварка в протона

Бозони

Бозоните са вторият тип елементарни частици в стандартния модел. Всички бозони имат целочислен спин (1, 2, 3 и т.н.), така че много от тях могат да се намират на едно и също място по едно и също време. Съществуват два вида бозони - калибровъчни бозони и бозон на Хигс. Гаучовите бозони са тези, които правят възможни фундаменталните сили на природата. (Все още не сме сигурни дали гравитацията действа чрез калибровъчен бозон.) Всяка сила, която действа върху фермиони, се случва, защото калибровъчните бозони се движат между фермионите, носейки силата. Бозоните следват теория, наречена статистика на Бозе-Айнщайн. Думата "бозон" е в чест на индийския физик Сатиендра Натх Босе.

Според стандартния модел съществуват:

12 фермиона, всеки от които има своя античастица;
12 габаритни бозона: 8 вида глуони, фотон, W⁺ , W^- и Z;

Всички тези частици са наблюдавани в природата или в лабораторията. Моделът също така предсказва, че съществува Хигс бозон. Моделът казва, че фермионите имат маса (те не са просто чиста енергия), защото Хигс бозоните пътуват напред-назад между тях. Смята се, че Хигс бозонът е открит на 4 юли 2012 г. Той е частицата, която придава маса на други частици.

Фундаментални сили

Съществуват четири основни познати природни сили. Тези сили въздействат върху фермионите и се пренасят от бозоните, които се движат между тези фермиони. Стандартният модел обяснява три от тези четири сили.

Силна сила: Тази сила държи кварките заедно, за да образуват адрони като протони и неутрони. Силната сила се пренася от глуоните. Теорията за кварките, силната сила и глуоните се нарича квантова хромодинамика (КХД).

Остатъчната силна сила държи протоните и неутроните заедно, за да образуват ядрото на всеки атом. Тази сила се пренася от мезони, които се състоят от два кварка.

Слаба сила: Тази сила може да промени вкуса на даден фермион и да предизвика бета разпад. Слабата сила се пренася от три калибровъчни бозона: W⁺ , W^- и Z бозона.
Електромагнитна сила: Тази сила обяснява електричеството, магнетизма и другите електромагнитни вълни, включително светлината. Тази сила се носи от фотона. Комбинираната теория за електрона, фотона и електромагнетизма се нарича квантова електродинамика.
Гравитация: Това е единствената фундаментална сила, която не се обяснява от СМ. Тя може да се пренася от частица, наречена гравитон. Физиците търсят гравитона, но все още не са го открили.

Силните и слабите сили се наблюдават само в ядрото на атома. Те действат само на много малки разстояния: разстояния, които са приблизително толкова големи, колкото е широк един протон. Електромагнитната сила и гравитацията действат на всякакви разстояния, но силата на тези сили намалява с отдалечаването на засегнатите обекти. Силата намалява с квадрата на разстоянието между засегнатите обекти: например, ако два обекта са два пъти по-далеч един от друг, силата на гравитация между тях става четири пъти по-слаба (2² =4).

Ограничения

Стандартният модел не може да се нарече теория на всичко. Той не включва пълната теория на гравитацията, описана от общата теория на относителността, нито пък отчита ускореното разширяване на Вселената (което вероятно се описва от тъмната енергия). Моделът не съдържа частица тъмна материя, която да има всички свойства, наблюдавани в наблюдателната космология. Смята се, че СМ е теоретично непротиворечив. Той демонстрира огромни и постоянни успехи в експерименталните прогнози, но оставя някои неща необяснени.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява стандартният модел на физиката?

О: Стандартният модел на физиката е теория за елементарните частици, които са или фермиони, или бозони.

В: Какво обяснява Стандартният модел?

О: Стандартният модел обяснява три от четирите основни сили на природата, които са електромагнетизъм, слаба сила и силна сила.

В: Коя е четвъртата основна сила на природата?

О: Четвъртата основна сила на природата е гравитацията.

В: Стандартният модел обяснява ли гравитацията?

О: Не, стандартният модел не обяснява гравитацията.

В: Какво включват частите на физиката, използвани от Стандартния модел?

О: Частите на физиката, използвани от Стандартния модел, включват квантовата механика и специалната теория на относителността, както и идеите за физическо поле и нарушаване на симетрията.

В: Каква математика се използва в Стандартния модел?

О: Част от математиката, използвана в Стандартния модел, е теория на групите, както и уравнения, които имат най-голяма и най-малка точка, наречени Лагранж и Хамилтониан.

В: Кои са двата вида частици, които се обясняват със Стандартния модел?

О: Двата вида частици, които се обясняват със Стандартния модел, са или фермиони, или бозони.