Стандартная модель

Теоретическая конструкция Стандартной модели

Станда́ртная мод́ель фи́зики элеме́нтарных ча́стиц (Станда́ртная моде́ль, сокр. СМ) — теоретическая конструкция в субъядерной физике, описывающая три из четырех фундаментальных сил (электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия) в природе, а также классифицирующая все известные элементарные частицы. Она была разработана в течение второй половины XX века Мюрреем Гелл-Манном на основе идей Шелдона Глэшоу.

История

Основой для создания Стандартной модели была попытка Шелдона Глэшоу объединить электромагнитные и слабые взаимодействия в 1960 году, в 1973 году было добавлено М.Гелл-Манном сильное взаимодействие, что и вылилось в создание Стандартной модели. Её существование подтвердило открытие бозона Хиггса в 2012 году.

Историю формулировки и создания СМ условно можно разделить на 6 этапов:
1. Открытие фундаментальных частиц:

• Электрон был открыт в 1897 году Джозефом Джоном Томсоном.
• Протон был идентифицирован в 1917 году Эрнестом Резерфордом.
• Нейтрон был открыт в 1932 году Джеймсом Чедвиком и Клайдом Томпсоном.

2. Развитие квантовой механики:

• В работе Вернера Гейзенберга, Вольфганга Паули, Эрвина Шрёдингера и других в 1920-х годах были сформулированы основы квантовой механики, которая стала основой для дальнейших теоретических разработок. Эта теория объясняет поведение частиц на микроуровне и стала фундаментом для дальнейших теоретических разработок в физике элементарных частиц.

3. Введение кварков:

• В 1964 году Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цейман предложили концепцию кварков (частицы как фундаментальных составляющих протонов, нейтронов и других частиц). Эта концепция помогла объяснить многочисленные загадки в физике частиц и стала важным шагом на пути к созданию Стандартной модели.

4. Введение Электрослабой теории:

• В 1967 году Шелдоном Глэшоу, Абдус Саламом и Стивеном Вейнбергом была предложена электрослабая теория, объединяющая электромагнитное и слабое взаимодействия. Их работа показала, что эти два взаимодействия являются разными проявлениями одного и того же фундаментального взаимодействия. За эту теорию они получили Нобелевскую премию.

5. Введение Квантовой хромодинамики:

• В 1970-х годах была разработана квантовая хромодинамика (QCD) как теория сильного взаимодействия, описывающая взаимодействия кварков и глюонов (частицы, которые передают сильное взаимодействие между кварками). Эта теория описывает взаимодействия кварков и глюонов, частиц-переносчиков сильного взаимодействия.

6. Создание Стандартной модели:

• Формулировка Стандартной модели в конце ХХ века, которая объединяет электрослабое взаимодействие с сильным взаимодействием и описывает фундаментальные частицы и их взаимодействия через обмен бозонами.

Что включает в себя Стандартная модель

Стандартная модель включает в себя следующее: 6 лептонов (электрон, мюон, таон, э-нейтрино, мю-нейтрино и тау-нейтрино), 6 кварков(u-(up), d-(down), s-(strange), c-(charm), b-(bottom), t-(top)), 4 частицы-переносчика силовых взаимодействий: Фотон (γ), переносчик электромагнитного взаимодействия, глюоны (g), переносчики сильного взаимодействия (всего 8 глюонов, каждый с разными цветовыми зарядами), W- и Z-бозоны, переносчики слабого взаимодействия, а также 1 бозон Хиггса. Если учитывать античастицы и цветовые заряды у глюонов, то тогда СМ может насчитывать 61 уникальную частицу.

Недостатки Стандартной модели

Хотя Стандартная модель считается наиболее успешной теорией физики элементарных частиц в настоящее время, она имеет свои ограничения и несовершенства. Вот некоторые из них:

1. Гравитация: Стандартная модель не включает в себя объяснение гравитации и несовместима с Общей теорией относительности, которая является наиболее успешной теорией гравитации на сегодняшний день.
2. Тёмная материя и тёмная энергия: Космологические наблюдения указывают, что Стандартная модель может объяснить только около 4,5 % всей материи во Вселенной, в то время как остальная часть состоит из тёмной материи и тёмной энергии.
3. Массы нейтрино: В противоречии с предположением Стандартной модели о безмассовости нейтрино, эксперименты с нейтринными осцилляциями показали, что нейтрино имеют массу.
4. Асимметрия материи и антиматерии: Вопреки ожиданиям, основанным на Стандартной модели, Вселенная состоит преимущественно из вещества, в то время как модель предсказывает равное количество вещества и антивещества, которые должны были взаимоуничтожиться.
5. Количество параметров: Стандартная модель зависит от 19 числовых параметров, значения которых известны из эксперимента, но их источник остается неизвестным.

Бозон Хиггса в Стандартной модели

Бозон Хиггса

Бозон Хиггса — это ключевая частица в Стандартной модели, которая объясняет явления, происходящие в микромире. Её существование необходимо для непротиворечивого замыкания теории.

Роль бозона Хиггса:

• объясняет появление у частиц массы
• нарушает симметрию электрослабого взаимодействия
• играет ключевую роль в генерации масс кварков и заряженных лептонов

Открытие бозона Хиггса — это шаг к пониманию того, как устроен наш мир. Ученые полагают, что до Большого взрыва все частицы не имели массы. В момент Большого взрыва и через 10-12 секунд после него частицы вступили во взаимодействие с полем Хиггса, что придало им массу. Если бы этого не случилось, они просто бы разлетелись по космическому пространству, так и не соединившись в атомы и молекулы.