Štandardný model časticovej fyziky. Štandardný model

„Zaujímalo by nás, prečo je skupina talentovaných a oddaných ľudí pripravená zasvätiť svoj život honbe za takými drobnými predmetmi, ktoré ani nevidíte? V skutočnosti sa v štúdiách časticových fyzikov prejavuje ľudská zvedavosť a túžba vedieť, ako sa svet, v ktorom žijeme, prejavuje “Sean Carroll

Ak sa ešte stále bojíte slovného spojenia kvantová mechanika a stále neviete, čo je štandardný model, vitajte v kat. Vo svojej publikácii sa pokúsim čo najjednoduchšie a najnázornejšie vysvetliť základy kvantového sveta, ako aj fyziku elementárnych častíc. Pokúsime sa prísť na to, aké sú hlavné rozdiely medzi fermiónmi a bozónmi, prečo majú kvarky také zvláštne mená a nakoniec, prečo všetci tak túžili nájsť Higgsov bozón.

Z čoho sme?

Našu cestu do mikrokozmu začneme jednoduchou otázkou: z čoho sa skladajú predmety okolo nás? Náš svet, ako domov, pozostáva z mnohých malých kociek, ktoré keď sa špeciálnym spôsobom spoja, vytvoria niečo nové, nielen vonkajší vzhľad, ale aj svojimi vlastnosťami. V skutočnosti, ak sa na ne pozriete pozorne, zistíte, že nie je toľko rôznych typov blokov, len sa zakaždým navzájom spájajú rôznymi spôsobmi a vytvárajú nové formy a javy. Každý blok je nedeliteľná elementárna častica, o ktorej bude reč v mojom príbehu.

Napríklad, zoberme si nejakú látku, nech je to druhý prvok. periodický systém Mendelejev, inertný plyn, hélium... Rovnako ako iné látky vo vesmíre, hélium sa skladá z molekúl, ktoré sú zase tvorené väzbami medzi atómami. Ale v tomto prípade je pre nás hélium trochu špeciálne, pretože pozostáva len z jedného atómu.

Z čoho sa skladá atóm?

Atóm hélia sa zase skladá z dvoch neutrónov a dvoch protónov, ktoré tvoria atómové jadro, okolo ktorého sa točia dva elektróny. Najzaujímavejšie je, že tu je absolútne nedeliteľné elektrón.

Zaujímavý moment kvantového sveta
Ako menšie hmotnosť elementárnej častice, tzv viac koná sa. Z tohto dôvodu elektróny, ktoré sú 2000-krát ľahšie ako protón, zaberajú veľa viac priestoru v porovnaní s jadrom atómu.

Neutróny a protóny patria do skupiny tzv hadróny(častice podliehajúce silným interakciám), alebo presnejšie, baryóny.

Hadróny možno rozdeliť do skupín
Baryóny, ktoré sa skladajú z troch kvarkov

Mezóny, ktoré pozostávajú z dvojice: častica-antičastica

Neutrón, ako už názov napovedá, je neutrálne nabitý a možno ho rozdeliť na dva down kvarky a jeden up kvark. Protón, kladne nabitá častica, sa rozdelí na jeden down kvark a dva up kvarky.

Áno, áno, nerobím si srandu, naozaj sa nazývajú horné a spodné. Zdalo by sa, že keby sme objavili kvarky up a down, a dokonca aj elektrón, môžeme ich použiť na opis celého vesmíru. Ale toto tvrdenie by bolo veľmi ďaleko od pravdy.

hlavný problém- častice musia spolu nejako interagovať. Ak by sa svet skladal len z tejto trojice (neutrón, protón a elektrón), potom by častice jednoducho lietali cez nekonečné rozlohy vesmíru a nikdy by sa nezhromažďovali vo väčších formáciách ako hadróny.

Fermióny a bozóny

Už dávno vedci prišli s pohodlnou a lakonickou formou reprezentácie elementárnych častíc, ktorá sa nazýva štandardný model. Ukazuje sa, že všetky elementárne častice sú rozdelené o fermióny, z ktorých pozostáva všetka hmota, a bozóny ktorí nesú rôzne druhy interakcie medzi fermiónmi.

Rozdiel medzi týmito skupinami je veľmi jasný. Faktom je, že na to, aby prežili podľa zákonov kvantového sveta, potrebujú fermióny určitý priestor a pre bozóny je takmer nepodstatné mať voľný priestor.

Fermióny

Skupina fermiónov, ako už bolo spomenuté, vytvára okolo nás viditeľnú hmotu. Čokoľvek vidíme a kdekoľvek, je vytvorené fermiónmi. Fermióny sa delia na kvarky navzájom silne interagujúce a uväznené vo vnútri zložitejších častíc, ako sú hadróny a leptóny ktoré voľne existujú v priestore nezávisle od svojich druhov.

Kvarky sa delia na dve skupiny.

Horný typ. Kvarky typu up s nábojom +2 \ 3 zahŕňajú: up, očarované a pravé kvarky
Nižší typ. Kvarky typu down s nábojom -1/3 zahŕňajú: kvarky down, zvláštne a rozkošné

Skutočné a rozkošné sú najväčšie kvarky a horná a spodná časť sú najmenšie. Prečo boli kvarky dané také nezvyčajné mená a správne povedané, „vône“ sú pre vedcov stále predmetom sporov.

Leptóny sa tiež delia na dve skupiny.

Prvá skupina s nábojom "-1" zahŕňa: elektrón, mión (ťažšia častica) a častica tau (najhmotnejšia)
Druhá skupina s neutrálnym nábojom obsahuje: elektrónové neutríno, miónové neutríno a tau neutríno

Neutríno je malá častica hmoty, ktorú je takmer nemožné odhaliť. Jeho náboj je vždy 0.

Vynára sa otázka, či fyzici nenájdu ešte niekoľko generácií častíc, ktoré budú ešte hmotnejšie ako tie predchádzajúce. Je ťažké na to odpovedať, ale teoretici sa domnievajú, že generácie leptónov a kvarkov sú obmedzené na tri.

Nenašli ste nejaké podobnosti? Kvarky aj leptóny sú rozdelené do dvoch skupín, ktoré sa navzájom líšia nábojom na jednotku? Ale o tom neskôr...

bozóny

Bez nich by fermióny lietali v nepretržitom prúde naprieč vesmírom. Ale výmenou bozónov fermióny medzi sebou komunikujú nejaký druh interakcie. Samotné bozóny spolu prakticky neinteragujú.
V skutočnosti niektoré bozóny skutočne interagujú, ale o tom bude podrobnejšie popísané v ďalších článkoch o problémoch mikrosveta.

Interakcie prenášané bozónmi sú:

Elektromagnetickéčastice sú fotóny. Svetlo sa prenáša cez tieto bezhmotné častice.
Silné jadrovéčastice sú gluóny. S ich pomocou sa kvarky z atómového jadra nerozpadajú na samostatné častice.
Slabé jadrové, častice sú ± W a Z bozóny. S ich pomocou sa fermióny prenášajú hmotou, energiou a môžu sa navzájom premieňať.
Gravitačné , častice - gravitóny... Sila je v meradle mikrokozmu extrémne slabá. Stáva sa viditeľným iba na supermasívnych telesách.

Gravitačná klauzula.
Existencia gravitónov zatiaľ nebola experimentálne potvrdená. Existujú len ako teoretická verzia. V štandardnom modeli sa vo väčšine prípadov nezohľadňujú.

To je všetko, štandardný model je zostavený.

Problémy sa práve začali

Napriek veľmi peknému znázorneniu častíc v diagrame zostávajú dve otázky. Kde získavajú častice svoju hmotnosť a čo to je Higgsov bozón, ktorý sa odlišuje od ostatných bozónov.

Aby sme pochopili myšlienku použitia Higgsovho bozónu, musíme sa odvolať kvantová teória poliach. Rozprávanie jednoduchý jazyk, možno tvrdiť, že celý svet, celý Vesmír, sa neskladá z najmenších častíc, ale z mnohých rôznych polí: gluónové, kvarkové, elektronické, elektromagnetické atď. Všetky tieto polia neustále podliehajú miernym výkyvom. Ale najsilnejšie z nich vnímame ako elementárne častice. A táto téza je veľmi kontroverzná. Z hľadiska dualizmu častica-vlna jeden a ten istý objekt mikrosveta v rôzne situácie chová sa ako vlna, potom ako elementárna častica, záleží len na tom, ako je pre fyzika pozorujúceho proces vhodnejšie situáciu simulovať.

Higgsovo pole

Ukazuje sa, že existuje takzvané Higgsovo pole, ktorého priemerná hodnota nechce ísť na nulu. Výsledkom je, že toto pole sa snaží získať určitú konštantnú nenulovú hodnotu v celom vesmíre. Pole tvorí všadeprítomné a stále pozadie v dôsledku silných výkyvov, pri ktorých sa objavuje Higgsov bozón.
A práve vďaka Higgsovmu poľu sú častice vybavené hmotou.
Hmotnosť elementárnej častice závisí od toho, ako silne interaguje s Higgsovým poľom neustále v ňom lietať.
A práve kvôli Higgsovmu bozónu, alebo skôr kvôli jeho poľu, má Štandardný model toľko podobných skupín častíc. Higgsovo pole prinútilo vytvoriť mnoho ďalších častíc, ako sú neutrína.

výsledky

To, o čom som hovoril, je najpovrchnejšie pochopenie povahy Štandardného modelu a prečo potrebujeme Higgsov bozón. Niektorí vedci stále hlboko dúfajú, že častica nájdená v roku 2012 a podobná Higgsovmu bozónu v LHC bola len štatistickou chybou. Koniec koncov, Higgsovo pole narúša mnohé krásne symetrie prírody, vďaka čomu sú výpočty fyzikov mätúce.
Niektorí dokonca veria, že štandardný model si žije po svojom posledné roky kvôli svojej nedokonalosti. To však nebolo experimentálne dokázané a štandardný model elementárnych častíc zostáva funkčným modelom génia ľudského myslenia.

V meradle mikrosveta sa vlastne stráca rozdiel medzi časticami hmoty a časticami (kvantami) poľa, preto v súlade so súčasne všeobecne akceptovaným štandardný model všetky v súčasnosti známe elementárne častice sú rozdelené do dvoch veľkých tried: častice – zdroje interakcií a častice – nosiče interakcií (obrázok 8.1). Častice prvej triedy sú zase rozdelené do dvoch skupín, ktoré sa líšia tým, že častice prvej skupiny sú hadróny 1 - podieľať sa na všetkých štyroch základných interakciách, vrátane silných a častíc druhej skupiny - leptóny- nezúčastňujte sa silných interakcií. K hadrónom patrí množstvo rôznych elementárnych častíc, z ktorých väčšina má svoj „dvojník“ - antičastica... Spravidla ide o pomerne masívne častice s krátkou životnosťou. Výnimkou sú nukleóny a predpokladá sa, že životnosť protónu presahuje vek vesmíru. Šesť elementárnych častíc sú leptóny: elektrón e, mión a taon ako aj súvisiace tri neutrína e,   a  . Okrem toho má každá z týchto častíc aj svoje „dvojča“ – zodpovedajúcu antičasticu. Všetky leptóny sú si v niektorých vlastnostiach špecifických pre mikrosvet natoľko podobné, že mión a taón by sa dali nazvať ťažké elektróny a neutrína – elektróny, ktoré „stratili“ svoj náboj a hmotnosť. Zároveň sú na rozdiel od elektrónov mióny a taóny rádioaktívne a všetky neutrína interagujú s hmotou extrémne slabo, a preto sú také nepolapiteľné, že napríklad ich tok prechádza cez Slnko a prakticky nezoslabuje. Všimnite si, že neutrína v nedávne časy priťahujú veľký záujem, najmä v súvislosti s problémami kozmológie, pretože sa verí, že významná časť hmoty vesmíru je sústredená v tokoch neutrín.

Čo sa týka hadrónov, relatívne nedávno, asi pred 30 rokmi, fyzici našli ďalšie „poschodie“ v ich štruktúre. Uvažovaný štandardný model predpokladá, že všetky hadróny sú superpozíciou niekoľkých kvarky a antikvarky... Kvarky sa líšia vlastnosťami, z ktorých mnohé nemajú v makrokozme obdoby. Rôzne kvarky sú označené písmenami latinskej abecedy: u ("hore"), d ("dole"), c ("čaro"), b ("krása"), s ("zvláštne"), t ("pravda"). "). okrem toho

Obrázok 8.1. Štandardný model elementárnych častíc

každý z uvedených kvarkov môže existovať v troch stavoch, ktoré sa nazývajú „ farba": "Modrá", "zelená" a "červená". V poslednej dobe sa všeobecne akceptuje hovoriť o „ aróma" kvark - tzv. všetky jeho parametre, nezávislé od "farby". Samozrejme, všetky tieto výrazy nemajú nič spoločné s obvyklým významom zodpovedajúcich slov. Tieto celkom vedecké termíny označujú fyzikálne vlastnosti, ktoré zvyčajne nie je možné makroskopicky interpretovať. Predpokladá sa, že kvarky majú zlomkový elektrický náboj (-e / 3 a + 2e / 3, kde e = 1,6  10 -19 C je elektrónový náboj) a navzájom na seba pôsobia „silou“, ktorá sa zvyšuje so vzdialenosťou. Preto kvarky nemožno „zlomiť“, nemôžu existovať oddelene od seba 1. V istom zmysle sú kvarky „skutočné“, „skutočné“ elementárne častice pre hadrónovú formu hmoty. Teória popisujúca správanie a vlastnosti kvarkov je tzv kvantová chromodynamika.

Medzi častice - nosiče interakcií patrí osem gluóny(od anglické slovo lepidlo - lepidlo) zodpovedné za silné interakcie kvarkov a antikvarkov, fotón vykonávanie elektromagnetickej interakcie, intermediárne bozónyže slabo interagujúce častice si vymieňajú a gravitón podieľa sa na univerzálnej gravitačnej interakcii medzi všetkými časticami.

Všetka hmota pozostáva z kvarkov, leptónov a častíc – nosičov interakcií.

Dnes je zvykom nazývať Štandardný model teóriou, ktorá najlepšie odráža naše predstavy o pôvodnom materiáli, z ktorého bol vesmír pôvodne vybudovaný. Opisuje tiež, ako presne sa z týchto základných zložiek tvorí hmota a sily a mechanizmy interakcie medzi nimi.

Zo štruktúrneho hľadiska elementárne častice, ktoré tvoria atómové jadrá ( nukleóny), a vo všeobecnosti všetky ťažké častice - hadróny (baryóny a mezóny) - pozostávajú z ešte jednoduchších častíc, ktoré sa zvyčajne nazývajú základné. V tejto úlohe sú skutočne základnými primárnymi prvkami hmoty kvarky, ktorého elektrický náboj sa rovná 2/3 alebo –1/3 jednotkového kladného náboja protónu. Najbežnejšie a najľahšie kvarky sú tzv top a nižšie a označujú, resp. u(z angličtiny hore) a d(dole). Niekedy sa nazývajú aj tzv protón a neutrón kvark kvôli tomu, že protón pozostáva z kombinácie uud a neutrón - udd. Up kvark má 2/3 náboj; dno - záporný náboj –1/3. Keďže protón pozostáva z dvoch up a jedného down a neutrón sa skladá z jedného up a dvoch down kvarkov, môžete nezávisle overiť, že celkový náboj protónu a neutrónu sa presne rovná 1 a 0, a si istý, že v tomto štandardný model primerane popisuje realitu ... Ďalšie dva páry kvarkov sú súčasťou exotickejších častíc. Kvarky z druhého páru sa nazývajú očarený - c(od očarený) a zvláštne - s(od zvláštne). Tretí pár je pravda - t(od pravda alebo v angličtine. tradícií top) a krásne - b(od krása alebo v angličtine. tradícií dno) kvarky. Takmer všetky častice predpovedané štandardným modelom a pozostávajúce z rôznych kombinácií kvarkov už boli experimentálne objavené.

Ďalšia stavebnica je tvorená tehlami tzv leptóny. Najbežnejší z leptónov je nám už dlho známy. elektrón, ktorý je súčasťou štruktúry atómov, ale nezúčastňuje sa jadrových interakcií, obmedzuje sa na medziatómové. Okrem neho (a jeho spárovanej antičastice tzv pozitrón) medzi leptóny patria ťažšie častice - mión a tau leptón s ich antičasticami. Okrem toho má každý leptón svoju vlastnú nenabitú časticu s nulovou (alebo prakticky nulovou) pokojovou hmotnosťou; takéto častice sa nazývajú elektrón, mión alebo taón neutrína.

Leptóny, podobne ako kvarky, teda tiež tvoria tri „rodinné páry“. Táto symetria neunikla pozorným očiam teoretikov, ale presvedčivé vysvetlenie pre ňu zatiaľ nebolo navrhnuté. Nech je to akokoľvek, kvarky a leptóny sú základnými stavebnými kameňmi vesmíru.

Aby ste pochopili odvrátenú stranu mince – povahu síl interakcie medzi kvarkami a leptónmi – musíte pochopiť, ako moderní teoretickí fyzici interpretujú samotný pojem sily. K tomu nám pomôže prirovnanie. Predstavte si dvoch lodníkov veslujúcich na kolíznej dráhe na rieke Cam v Cambridge. Jeden veslár sa z štedrosti svojej duše rozhodol pohostiť kolegu šampanským a keď preplávali okolo seba, hodil mu plnú fľašu šampanského. V dôsledku zákona zachovania hybnosti, keď prvý veslár hodil fľašu, kurz jeho člna sa odchýlil od priameho kurzu opačným smerom a keď druhý veslár chytil fľašu, jej impulz sa preniesol na neho, a druhá loď sa tiež odklonila od priameho kurzu, ale v opačnom smere. V dôsledku výmeny šampanského teda obe lode zmenili smer. Podľa Newtonových zákonov mechaniky to znamená, že medzi člnmi došlo k silovej interakcii. Ale lode neprišli do priameho vzájomného kontaktu, však? Tu jasne vidíme a intuitívne chápeme, že silu interakcie medzi člnmi prenášal nositeľ impulzu - fľaša šampanského. Fyzici by ju volali nosič interakcie.

Presne rovnakým spôsobom dochádza k silovým interakciám medzi časticami prostredníctvom výmeny častíc-nosičov týchto interakcií. V skutočnosti rozlišujeme medzi základnými silami interakcie medzi časticami iba do tej miery, pokiaľ rôzne častice pôsobia ako nosiče týchto interakcií. Existujú štyri takéto interakcie: silný(práve to udržuje kvarky vo vnútri častíc), elektromagnetické, slabý(práve to vedie k niektorým formám rádioaktívneho rozpadu) a gravitačné. Nositeľmi silnej farebnej interakcie sú gluóny ktoré nemajú hmotnosť ani elektrický náboj. Tento typ interakcie popisuje kvantová chromodynamika. K elektromagnetickej interakcii dochádza prostredníctvom výmeny kvánt elektromagnetická radiácia ktoré sa nazývajú fotóny a tiež bez hmotnosti . Slabé interakcie sa naopak prenášajú masívne vektor alebo kalibračné bozóny, ktoré „vážia“ 80-90-krát viac ako protón – v laboratórnych podmienkach ich prvýkrát objavili až začiatkom 80. rokov minulého storočia. Nakoniec sa gravitačná interakcia prenáša prostredníctvom výmeny nevlastnej hmoty gravitóny- títo sprostredkovatelia zatiaľ neboli experimentálne zistení.

V rámci Štandardného modelu sa podarilo skombinovať prvé tri typy základných interakcií, ktoré sa už neuvažujú oddelene, ale sú považované za tri rôzne prejavy sily jedinej povahy. Ak sa vrátime k analógii, predpokladajme, že ďalšia dvojica veslárov, plávajúcich okolo seba na rieke Cam, si nevymenila fľašu šampanského, ale iba pohár zmrzliny. Lode sa tiež odklonia od tohto kurzu v protiľahlé strany, ale oveľa slabšie. Vonkajšiemu pozorovateľovi sa môže zdať, že v týchto dvoch prípadoch áno rôzne sily: v prvom prípade došlo k výmene tekutiny (odporúčam nebrať do úvahy fľašu, pretože väčšina z nás sa zaujíma o jej obsah) a v druhom prípade s pevnou látkou (zmrzlina). Teraz si predstavte, že v Cambridge toho dňa bola vzácnosť severných miestach letné horúčavy a zmrzlina sa roztopila za letu. To znamená, že mierne zvýšenie teploty stačí na to, aby sme pochopili, že interakcia v skutočnosti nezávisí od toho, či kvapalina alebo pevná látka pôsobí ako jej nosič. Jediný dôvod, podľa ktorého sa nám zdalo, že medzi člnmi pôsobia rôzne sily, spočívala vo vonkajšom rozdiele nosiča zmrzliny, spôsobenej teplotou nedostatočnou na jej roztopenie. Zvýšte teplotu a sily interakcie sa vizuálne zjednotia.

Sily pôsobiace vo vesmíre sa tiež spájajú pri vysokých energiách (teplotách) interakcie, po ktorých nie je možné medzi nimi rozlíšiť. Prvý zjednotiť(takto sa to bežne nazýva) slabé jadrové a elektromagnetické interakcie. V dôsledku toho dostaneme tzv elektroslabá interakcia pozorované aj v laboratóriu pri energiách vyvinutých modernými urýchľovačmi častíc. V ranom vesmíre boli energie také vysoké, že v prvých 10 – 10 sekundách po Veľkom tresku neexistovala žiadna hranica medzi slabými jadrovými a elektromagnetickými silami. Až po poklese priemernej teploty vesmíru na 10 14 K sa všetky štyri dnes pozorované silové interakcie rozdelili a nadobudli modernú podobu. Kým bola teplota nad touto značkou, pôsobili iba tri základné sily: silné, kombinované elektroslabé a gravitačné interakcie.

K zjednoteniu elektroslabých a silných jadrových interakcií dochádza pri teplotách rádovo 10 27 K. V laboratórnych podmienkach sú dnes takéto energie nedosiahnuteľné. Najvýkonnejší moderný urýchľovač – v súčasnosti vo výstavbe na hraniciach Francúzska a Švajčiarska, Veľký hadrónový urýchľovač – bude schopný urýchliť častice na energie, ktoré sú len 0,000000001 % energie potrebnej na spojenie elektroslabých a silných jadrové interakcie... Na experimentálne potvrdenie tohto zjednotenia si teda zrejme budeme musieť ešte dlho počkať. V modernom vesmíre takéto energie nie sú, ale v prvých 10 -35 od jeho existencie bola teplota vesmíru vyššia ako 10 27 K a vo vesmíre pôsobili iba dve sily - elektrostatický a gravitačnej interakcie. Teórie popisujúce tieto procesy sa nazývajú „teórie veľkého zjednotenia“ (TVO). Nie je možné priamo skontrolovať TVO, ale poskytujú určité predpovede o procesoch prebiehajúcich pri nižších energiách. K dnešnému dňu sú všetky predpovede TVO na relatívne nízke teploty a energie sú potvrdené experimentálne.

Takže štandardný model vo zovšeobecnenej forme je teória štruktúry vesmíru, v ktorej hmota pozostáva z kvarkov a leptónov a silné, elektromagnetické a slabé interakcie medzi nimi sú opísané teóriami veľkého zjednotenia. Tento model je zjavne neúplný, pretože nezahŕňa gravitáciu. Pravdepodobne sa nakoniec vyvinie úplnejšia teória ( cm. Univerzálne teórie) a dnes je štandardný model tým najlepším, čo máme.

"prvky"

Štandardný model základných interakcií

vo fyzike elementárnych častíc.

Základné interakcie.

Autor: moderné nápady, všetky v súčasnosti známe procesy sú redukované na 4 typy interakcií, ktoré sa nazývajú základné (tabuľka 1).

Tabuľka 1. Základné interakcie.

interakcie (pole)	Neustále interakcie	interakcie	Charakteristický	Častice - nosiče (poľné kvantá)
interakcie (pole)	Neustále interakcie	interakcie	Charakteristický	názov
Gravitačné				Gravitón (?)
		10 -17 ... 10 -18 m		W +, W - - bozóny Z 0 - bozón
Elektromagnetické
		10 -14 ... 10 -15 m

V kvantovej fyzike je každá elementárna častica kvantom určitého poľa a naopak, každé pole má svoje vlastné kvantum častice. Energia a hybnosť každého poľa sa skladá z mnohých samostatných častí – kvánt. Najjednoduchší a najlepšie preštudovaný príklad: elektromagnetické pole a jeho kvantum - fotón. Kvantá poľa silných interakcií sú gluóny. Kvantá poľa slabých interakcií - kalibračné bozóny W ± a Z 0 ... Všetky tieto častice boli objavené experimentálne a ich vlastnosti boli dobre študované. Nositeľom gravitačnej interakcie je gravitón: hypotetická častica, ktorá ešte nebola experimentálne objavená. Kvantové nosiče polí majú celočíselný spin, t.j. sú Bose častice (bozóny), čo sa odráža aj v názve niektorých z nich.

Moderné urýchľovače. Všetky moderné urýchľovače sú kolízie (t. j. využívajú kolidujúce lúče).

Tabuľka 2. Najväčšie urýchľovače.

Názov urýchľovača	Urýchlené častice	Maximálne energie	Rok začatia prác	Dĺžka urýchľovacej komory
	protón-antiprotón
(lineárne)	elektrón-pozitrón
	elektrón-pozitrón	100 + 100 GeV			Švajčiarsko
	elektrón-protón	30 GeV + 920 GeV			Nemecko
	elektrón-pozitrón
	protón - protón				Švajčiarsko
(lineárne)	elektrón-pozitrón	500 + 500 GeV	vo výstavbe		Nemecko
	protón - protón		vo výstavbe

Vzhľadom na to, že kvarky a gluóny medzi sebou interagujú silnejšie ako elektróny a pozitróny, a tiež vzhľadom na to, že energia protón-protónových urýchľovačov je väčšia, pri zrážkach protónov s protónmi sa vyskytuje oveľa viac udalostí ako pri zrážkach elektróny. To má klady aj zápory; nevýhodou je, že je ťažšie izolovať požadované reakcie. Preto sa protón-protónové urýchľovače nazývajú objavovacie stroje a elektrón-pozitrónové urýchľovače sa nazývajú presné meracie stroje.

Štandardný model.

K dnešnému dňu bol vyvinutý kvantový popis pre tri zo štyroch základných interakcií: silnú, elektromagnetickú a slabú a tiež sa ukázalo, že slabé a elektromagnetické interakcie majú v skutočnosti spoločný pôvod (elektroslabá interakcia). Zhoda s experimentom je dodržaná až do vzdialenosti 10 -18 m, čo je limit pre modernú experimentálnu techniku. Preto sa teória troch negravitačných interakcií, ktorá zahŕňa 12 základných častíc, ktoré sa na nich podieľajú (tabuľka 2), nazýva štandardný modelčasticová fyzika.

Tabuľka 3. Základné častice.

	omša, Mev		omša, Mev		omša, Mev
Electron
Elektronické neutríno		Miónové neutríno		Taon neutríno

Symetria a invariantnosť.

V prípade, že sa stav systému nemení v dôsledku akejkoľvek transformácie, hovorí sa, že systém má symetriu vzhľadom na túto transformáciu. Pojem symetria je v časticovej fyzike veľmi dôležitý, pretože každý typ symetrie má svoj vlastný zákon zachovania a naopak: každý zákon zachovania akejkoľvek fyzikálnej veličiny má svoju vlastnú symetriu. Známa súvislosť symetrie času a priestoru vzhľadom na posuny (homogenita) a rotácie (izotropia) so zákonmi zachovania energie, hybnosti a momentu hybnosti. Tieto zákony sú univerzálne, t.j. sa vykonávajú vo všetkých typoch interakcií.

Okrem týchto dobre známych typov symetrie existujú takzvané „vnútorné symetrie“, ktoré sa vo fyzike elementárnych častíc nazývajú „meracie symetrie (alebo invarianty)“. V kvantovej fyzike existuje miera invariantnosti k fázovej zmene vlnovej funkcie, od r neexistuje spôsob, ako určiť absolútnu hodnotu fázy tejto funkcie. Inými slovami, kvantová mechanika je invariantná vzhľadom na ľubovoľnú zmenu fázy vlnovej funkcie o konštantnú hodnotu, t.j. náhrady ψ na ψ· exp(i ) za podmienky  = konšt... Ide o takzvanú „globálnu meraciu symetriu“ vzhľadom na zmenu fázy vlnovej funkcie o rovnakú hodnotu naraz v celom priestore a v každom čase. Táto nemennosť je zrejmá, pretože faktor exp(i ) po dosadení modifikovanej vlnovej funkcie do Schrödingerovej rovnice

možno skrátiť.

Ak fáza  sa nerovná konštante, ale je ľubovoľnou funkciou súradníc a času, potom sa takáto transformácia nazýva lokálna. Pri výmene ψ na ψ· exp(i (r, t)), Schrödingerova rovnica sa samozrejme zmení, ale možno ju zachovať nezmenenú, ak do nej zavedieme kompenzačné pole: štvorrozmerný vektor ( φ (r, t), A (r, t)), čo je súbor skalárnych a vektorových potenciálov elektromagnetického poľa, ktorého kvantá sú fotóny. Toto je hlavná myšlienka kvantového popisu elektromagnetickej interakcie (QED).

Higgsov bozón.

Podobná myšlienka sa používa na zostavenie teórie všetkých interakcií a zodpovedajúca forma symetrie sa nazýva „invariantnosť lokálneho rozchodu“. To však vyvoláva problém. Povinnou požiadavkou na rovnice pre akékoľvek fyzikálne pole je invariantnosť vzhľadom na Lorentzove transformácie. A to sa robí iba vtedy, ak je hmotnosť poľného kvanta nulová. Tabuľka 1 ukazuje, že kvantá elektromagnetického, silného a gravitačného poľa sú bez hmotnosti (t. j. majú nulovú pokojovú hmotnosť), ale kvantové nosiče slabých interakcií majú pomerne veľké hmotnosti. Rovnaký problém vzniká pri vysvetľovaní hodnôt hmotností pre iné elementárne častice. Môžeme povedať, že vnútorné symetrie zakazujú, aby elementárne častice mali nenulové pokojové hmotnosti, čo je, samozrejme, v rozpore s experimentálnymi údajmi. Táto otázka - o vysvetlení rôznych hodnôt hmotností elementárnych častíc - zostala až donedávna v štandardnom modeli nevyriešená.

Na vysvetlenie tohto rozporu v roku 1964 F. Englert a R. Brout a nezávisle od nich P. Higgs takmer súčasne navrhli, že existuje ďalšie pole, ktorého interakcia dáva časticiam hmotnosť. P. Higgs navyše v tomto poli predpovedal existenciu kvanta – bozónu so spinom rovným nule, preto sa hypotetické kvantum tohto poľa nazývalo Higgsov bozón. Hmotnosť tejto častice by sa podľa vtedajších odhadov mala pohybovať v rozmedzí od 60 do 1000 GeV. Až donedávna neexistovali žiadne urýchľovače, na ktorých by sa dala detekovať častica s takouto hmotnosťou, a tak Higgsov bozón zostal jedinou experimentálne neobjavenou časticou Štandardného modelu.

Na seminári v CERN-e 4. júla 2012 bol ohlásený objav novej častice, ktorej vlastnosti, ako autori objavu opatrne deklarujú, zodpovedajú očakávaným vlastnostiam teoreticky predpovedaného Higgsovho bozónu - elementárneho bozónu tzv. štandardný model fyziky elementárnych častíc. Táto nová častica (pre ktorú sa akceptuje označenie H) nemá elektrický náboj. Hmotnosť bozónu podľa údajov jednej skupiny experimentov je (125,3 ± 0,9) GeV, podľa údajov druhej skupiny (126,0 ± 0,8) GeV. BosonH je nestabilný, jeho životnosť je asi 10 -24 s a môže sa rozkladať rôznymi spôsobmi. Na LHC boli pozorované rozpady na dva fotóny a dva páry: elektrón-pozitrón a (alebo) mión-anti-mión:

H→γ+γ,

H→e - + e + + e - + e + ,

H→ e - + e + + μ - + μ + ,

H → μ - + μ + + μ - + μ + .

Posledné tri rozpady možno stručne napísať nasledovne

H→ 4l,

kde l- jeden z leptónov (elektrón, pozitrón, mión). Všetky tieto rozpady sú v súlade s predpokladanými vlastnosťami Higgsovho bozónu.

To všetko umožňuje s vysokou pravdepodobnosťou tvrdiť, že Higgsov bozón je otvorený a štandardný model získal zásadne dôležité experimentálne potvrdenie.

Literatúra.

Fyzická encyklopédia, zväzok 5 / kap. vyd. A.M. Prochorov. - M .: Bolshaya Ruská encyklopédia, 1998. - s. 596-608.

Kapitonov I.M. Úvod do fyziky jadra a častíc. - M.: URSS, 2002.

Rubakov V.A. K objavu novej častice s vlastnosťami Higgsovho bozónu vo Veľkom hadrónovom urýchľovači. - UFN, 2012, v. 182, č. 10. - s. 1017-1025.

Rubakov V.A. Dlho očakávaný objav Higgsovho bozónu. - Veda a život, 2012, č.10. - s. 2-17.

Fyzická encyklopédia, zväzok 4 / kap. vyd. A.M. Prochorov. - M .: Veľká ruská encyklopédia, 1994. - s. 505-520.

Fyzika mikrosveta: Malá encyklopédia / Ch. vyd. D. V. Širkovom. - M.: " Sovietska encyklopédia", 1980.

Zelená B. Elegantný vesmír. / Za. z angličtiny vyd. V.O. Malyshenko. - Ed. 2. - M .: Úvodník URSS, 2005 .-- 288 s.

Arinstein E.A. Základy teoretickej fyziky: Učebnica. - Tyumen, Tyumen State University Publishing House, 2011. - s.103-105.

Štandardný model časticovej fyziky alebo jednoducho Štandardný model je teoretický rámec vo fyzike, ktorý najpresnejšie a najúspešnejšie popisuje aktuálnu polohu elementárnych častíc, ich význam a správanie. Štandardný model nie je a netvrdí, že je „teóriou všetkého“, pretože nevysvetľuje temnú hmotu, temnú energiu a nezahŕňa gravitáciu. Na Veľkom hadrónovom urýchľovači sa objavujú neustále potvrdenia Štandardného modelu na úkor alternatívneho modelu supersymetrie. Nie všetci fyzici však štandardný model milujú a želajú si jeho rýchly zánik, pretože by to potenciálne mohlo viesť k rozvoju všeobecnejšej teórie všetkého, vysvetleniu čiernych dier a temnej hmoty, zjednoteniu gravitácie, kvantová mechanika a všeobecná relativita.

Ak si časticoví fyzici prídu na svoje, nové urýchľovače možno jedného dňa preskúmajú najkurióznejšiu subatomárnu časticu vo fyzike, Higgsov bozón. Šesť rokov po objavení tejto častice na Veľkom hadrónovom urýchľovači fyzici plánujú nové obrovské stroje, ktoré sa roztiahnu desiatky kilometrov v Európe, Japonsku či Číne.

Vedci nedávno začali hovoriť o novom kozmologickom modeli známom ako Higgsogenéza. Dokument popisujúci nový model bol uverejnený vo Physical Review Lettres. Termín "Higgsogenéza" sa vzťahuje na prvý výskyt Higgsových častíc v ranom vesmíre, rovnako ako baryogenéza sa vzťahuje na objavenie sa baryónov (protónov a neutrónov) v prvých okamihoch po Veľkom tresku. A hoci je baryogenéza pomerne dobre preštudovaný proces, higgsogenéza zostáva čisto hypotetická.