Standardní model

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 9. srpna 2022; kontroly vyžadují 4 úpravy .

Standardní model  (SM) je teoretická konstrukce ve fyzice elementárních částic , která popisuje elektromagnetické , slabé a silné interakce všech elementárních částic . Moderní formulace byla dokončena v roce 2000 po experimentálním potvrzení existence kvarků . Objev t-kvarku (1995) [1] , b-kvarku (1977) a tau-neutrina (2000) potvrdil správnost SM.

Standardní model není teorií všeho , protože nepopisuje temnou hmotu , temnou energii a nezahrnuje gravitaci . Experimentální potvrzení existence intermediárních vektorových bosonů v polovině 80. let dokončilo konstrukci Standardního modelu a jeho přijetí jako hlavního. Potřeba mírného rozšíření modelu vyvstala v roce 2002, po objevu oscilací neutrin , a potvrzení existence Higgsova bosonu v roce 2012 dokončilo experimentální detekci elementárních částic předpovězených Standardním modelem [2] .

Nicméně, SM je extrémně důležitý pro teoretickou a experimentální fyziku částic . Pro teoretiky je SM základním příkladem teorie, která demonstruje širokou škálu fyzikálních jevů, včetně spontánního narušení symetrie , kvantových anomálií atd. Používá se jako základ pro konstrukci exotičtějších modelů, včetně hypotetických částic , další dimenze a rozšířené symetrie (například supersymetrie ), ve snaze vysvětlit experimentální výsledky, na které se nevztahuje SM. Experimentátoři zase používají SM k hledání jevů, které přesahují jeho hranice. Navíc SM našel uplatnění v oblastech mimo částicovou fyziku, jako je astronomie , kosmologie a jaderná fyzika .

Standardní model obsahuje následující složky: 6 kvarků, 6 leptonů, 4 částice nosiče síly a 1 Higgsův boson. Pokud se vezmou v úvahu antičástice a různé barevné náboje gluonů, pak celkem SM popisuje 61 unikátních částic [3] [4] .

Historie

Základy Standardního modelu položil v roce 1960 Sheldon Glashow , který se pokoušel sjednotit elektromagnetické a slabé síly. V roce 1967 Steven Weinberg a Abdus Salam začlenili Higgsův mechanismus do Glashowovy teorie a dali mu moderní podobu. Higgsův mechanismus je nezbytný pro vznik hmoty ve všech SM elementárních částicích - W-bosonech, Z-bosonech, kvarcích a leptonech . V roce 1973 byly v CERNu objeveny neutrální proudy nesené Z-bosonem, načež získala elektroslabá teorie široké přijetí. Glashow, Salam a Weinberg se za jeho vytvoření podělili o Nobelovu cenu za fyziku z roku 1979. Bosony W a Z byly experimentálně objeveny v roce 1981 a jejich hmotnosti byly v souladu s předpovědí SM. Teorie silné síly, na které se podílí mnoho vědců, nabyla své moderní podoby kolem let 1973-1974, kdy experimenty potvrdily, že hadrony jsou složeny z kvarků s zlomkovým nábojem.

Předpisy

V současnosti jsou hmota a energie nejlépe chápány z hlediska kinematiky a interakce elementárních částic (EP). Dnes fyzika zredukovala zákony, které řídí chování a interakce všech známých forem hmoty a energie, na malý soubor základních zákonů a teorií. Hlavním cílem fyziky je najít „společný základ“, který by všechny tyto teorie dokázal sjednotit do jedné obecné „ teorie všeho “, v níž by všechny ostatní známé zákony byly speciálními případy a z níž by se vycházelo chování všech forem hmoty a energie by se dala odvodit.(alespoň v principu). SM spojila dvě hlavní předchozí teorie – kvantovou teorii elektroslabé interakce a kvantovou chromodynamiku  – do vnitřně koherentní teorie, která popisuje interakci mezi všemi známými částicemi z hlediska kvantové teorie pole (QFT).

Standardní model se skládá z následujících ustanovení:

8 gluonů pro silnou interakci (skupina symetrie SU(3)); 3 bosony těžkého kalibru (W + , W − , Z 0 ) pro slabou interakci (skupina symetrie SU(2)); jeden foton pro elektromagnetickou interakci (skupina symetrie U(1)).

Kvůli objevu oscilací neutrin potřebuje standardní model rozšíření, které zavádí další 3 hmotnosti neutrin a alespoň 4 parametry matice PMNS směšování neutrin podobnou matici CKM směšování kvarků a možná 2 další parametry směšování, pokud jsou neutrina Majorana částice . Mezi parametry standardního modelu je někdy zaveden také vakuový úhel kvantové chromodynamiky . Je pozoruhodné, že matematický model se sadou 20 lichých čísel je schopen popsat výsledky milionů dosud provedených experimentů ve fyzice [5] .

Symetrie ve standardním modelu

Standardní model je postaven na symetrii místního měřidla , spontánně narušené dříve [6] . Každý ze tří parametrů je zodpovědný za určitý typ interakce. Kvantová elektrodynamika je invariantní při lokálních kalibračních transformacích U(1) : to znamená, že Lagrangián je invariantní pod lokálními kalibračními transformacemi . Slabá interakce (Yang-Millsovo pole) je charakterizována invariantností s ohledem na neabelovské skupiny symetrie SU(2) [7] :

Tato kalibrační transformace může být zapsána jako 2×2 unitární matice s determinantem rovným jedné. U elektroslabé interakce, jako sjednocení elektrodynamiky se slabou interakcí, existuje symetrie . Silné interakce popisuje kvantová chromodynamika, která je charakterizována SU(3) symetrií . Skupina SU(3) je skupina matic 3x3 s determinantem jedna. Matice 3×3 má devět prvků, ale požadavek, aby se determinant rovnal jedné, snižuje počet nezávislých prvků na osm. Proto je tam 8 gluonů.

Existence bezhmotných částic ( W- a Z-bosonů ) vyplývá z modelu elektroslabé interakce , ale bylo experimentálně prokázáno, že tyto nabité částice mají hmotnost. Tento problém je řešen mechanismem samovolného narušení symetrie ( Higgsův mechanismus ). Těmto bezhmotným částicím dodává hmotnost Higgsovo pole (Higgsův boson).

Fermiony

SM obsahuje 12 elementárních částic se spinem ½, známých jako fermiony . Podle teorému spinové statistiky se fermiony řídí Pauliho vylučovacím principem. Každý fermion má antičástici. SM fermiony jsou klasifikovány podle toho, jak interagují (nebo ekvivalentně podle nábojů, které nesou). Existuje šest kvarků (u-quark a d-quark, c-quark a s-quark, t-quark a b-quark) a šest leptonů (elektron a e-neutrino, mion a mu-neutrino, taon a tau-neutrino ). Páry každé sady jsou seskupeny do generací, takže odpovídající částice různých generací vykazují podobné vlastnosti. Definující vlastností kvarků je, že mají barvu (rgb) , a proto se účastní silné interakce. Fenomén zadržování barev spočívá v tom, že kvarky jsou k sobě vždy vázány, aby vytvořily barevně neutrální složené částice ( hadrony ). Hadron obsahuje buď kvark s antikvarkem odpovídající antibarvy ( mezon ) nebo tři kvarky tří různých barev ( baryony ). Proton a neutron jsou baryony s nejmenší hmotností ( p = u + u + d , n = u + d + d ). Kvarky také nesou elektrický náboj a slabý isospin . Účastní se tedy jak elektromagnetických, tak slabých interakcí.

Zbývajících šest fermionů nemá žádný barevný náboj a nazývají se leptony . Elektron , mion a taon mají elektrický náboj a mohou se účastnit elektromagnetických a slabých interakcí. Tři neutrina také nemají žádný elektrický náboj, takže se mohou účastnit pouze slabých interakcí. Při nízkých energiích interagují neutrina s hmotou extrémně slabě a mají kolosální délku dráhy ~ 10 18  m , což ztěžuje jejich studium. Člen každé další generace má hmotnost větší než odpovídající částice mladší generace. Částice první (mladší) generace jsou stabilní [8] . Veškerá baryonická hmota se skládá z částic první generace. Zejména atomy všech chemických prvků sestávají z elektronů obklopujících atomová jádra ( nukleony ), sestávajících z protonů a neutronů, a ty jsou zase složeny z u-kvarků a d-kvarků . Nabité částice druhé a třetí generace jsou naopak krátkodobé a mají velmi krátký poločas rozpadu. Proto jsou pozorovány pouze při vysokoenergetických událostech a experimentech.

Kalibrační bosony

V SM jsou kalibrační bosony definovány jako nositelé sil, které provádějí silné, slabé a elektromagnetické základní interakce. Interakce ve fyzice jsou chápány jako způsob ovlivňování některých částic na jiné. Na makroskopické úrovni umožňuje elektromagnetismus částicím vzájemnou interakci prostřednictvím elektrických a magnetických polí a gravitace umožňuje částicím s hmotou se navzájem přitahovat, v souladu s Einsteinovou obecnou teorií relativity. SM považuje tyto síly za výsledek výměny částic hmoty s jinými částicemi, známými jako „částice nesoucí sílu“ (přesně řečeno, je tomu tak pouze s doslovným výkladem nějaké přibližné metody výpočtu známé jako „teorie poruch "). V případě výměny částic přenášejících sílu je účinek na makroúrovni stejný jako v případě silové interakce. Proto se nosné částice nazývají mediátory těchto interakcí nebo „agenti“ těchto sil [10] . Feynmanovy diagramy , které jsou vizuální reprezentací aproximace teorie poruch, používají „částice nosiče síly“ a poskytují vynikající shodu se zkušenostmi při analýze experimentů s vysokou energií. Poruchová teorie (a s ní i koncept nosných částic) však v jiných situacích nefunguje. Patří mezi ně nízkoenergetická kvantová chromodynamika, vázané stavy a solitony. Všechny bosony SM mají spin (stejně jako částice hmoty). Jejich hodnota rotace je 1, což z nich dělá bosony. Proto se neřídí Pauliho vylučovacím principem, který ukládá omezení na fermiony. Různé typy kalibračních bosonů jsou popsány níže:

Interakce mezi všemi částicemi popsanými SM jsou shrnuty v diagramu vpravo.

Higgsův boson

Higgsův boson je masivní skalární elementární částice. Předpověděl to Peter Higgs a spoluautoři v roce 1964. Higgsův boson je základním kamenem SM. Nemá žádný vnitřní spin, a proto je považován za boson (podobně jako kalibrační bosony, které mají celočíselný spin). Pozorování Higgsova bosonu vyžaduje výjimečně vysokou energii a hustotu svazku ve vysokoenergetickém urychlovači . Proto to byla jediná základní částice předpovězená SM, ale do určité doby nebyla objevena se spolehlivostí 5,0 σ . V červenci 2012 však CERN oznámil pozorování „Higgsovy“ částice se spolehlivostí 4,0 σ [11] . Po dalších experimentech byla deklarována spolehlivost objevu [12] [13] .

Higgsův boson hraje v SM jedinečnou roli a vysvětluje, proč všechny ostatní částice kromě fotonů, gluonů a neutrin mají hmotnost. Hmotnosti elementárních částic, stejně jako rozdíl mezi elektromagnetismem (neseným fotony) a slabými silami (nesenými bosony W a Z) jsou kritické v mnoha aspektech struktury mikrokosmu (a tedy i makrokosmu). V elektroslabé teorii Higgsův boson dává vzniknout masám leptonů a kvarků. Jelikož je Higgsův boson masivní, musí také interagovat sám se sebou.

Higgsův boson je velmi masivní a rozpadá se téměř okamžitě po vytvoření. Proto jej dokáže detekovat a registrovat pouze velmi vysokoenergetický urychlovač částic. CERN zahájil experimenty k detekci a studiu Higgsova bosonu pomocí velkého hadronového urychlovače (LHC) na začátku roku 2010. Matematická konzistence SM vyžaduje, aby se mechanismus zodpovědný za vznik hmot EP stal viditelným při energiích kolem 1,4 TeV [14] . Tak vznikl LHC (určený pro srážku dvou paprsků protonů o energiích 7,0-8,0 TeV), aby odpověděl na otázku existence Higgsova bosonu. 4. července 2012 dva velké experimenty na LHC ( ATLAS a CMS ) umožnily nezávisle nahlásit objev nové částice o hmotnosti asi 125,0 GeV/ c² (asi 133 hmotností protonů) [15] [16] [17] [18] . 13. března 2013 bylo potvrzeno, že se jedná o požadovaný Higgsův boson [19] [20] .

Mimo standardní model

Ke konci 20. století byly všechny předpovědi Standardního modelu potvrzeny experimentálně , někdy s velmi vysokou přesností – až na miliontiny procenta [21] . Teprve v roce 2000 se začaly objevovat výsledky, v nichž se předpovědi Standardního modelu mírně liší od experimentu a dokonce i jevy, které je v jeho rámci extrémně obtížné interpretovat [comm. 1] [komunik. 2] . Na druhou stranu je zřejmé, že Standardní model nemůže být posledním slovem ve fyzice elementárních částic , protože obsahuje příliš mnoho vnějších parametrů a navíc nezahrnuje gravitaci . Hledání odchylek od Standardního modelu (tzv. „ nová fyzika “) je proto jednou z nejaktivnějších oblastí výzkumu 2010. Očekávalo se, že experimenty na Velkém hadronovém urychlovači budou schopny zaregistrovat mnoho odchylek od standardního modelu (s přidáním masivních neutrin), ale žádné takové odchylky nebyly za 12 let experimentů nalezeny. Do roku 2021 nebyly žádné přesvědčivé známky existence nové fyziky mimo Standardní model.

V březnu 2021 oznámil experiment LHCb objev porušení leptonové univerzálnosti. Toto porušení se projevuje v tom, že rozpady krásných mezonů B + → K + l + l - (kde l = µ, e) s emisí mionových párů jsou o 15 % méně časté než u emise elektronových párů. Měření nesouhlasí s predikcemi Standardního modelu o více než tři směrodatné odchylky [24] .
V dubnu 2021 Fermilab oznámil, že měření g-faktoru anomálního magnetického momentu mionu v experimentech Muon g-2 mají statisticky významnou nesrovnalost s předpověďmi standardního modelu se spolehlivostí větší než čtyři směrodatné odchylky [25] .
Tyto anomálie v chování mionu jsou silným důkazem existence páté základní interakce [26] [27] .

V dubnu 2022 fyzici z mezinárodní spolupráce CDF ve své studii, provedené na základě zpracování dat z 10 let provozu urychlovače Tevatron , prokázali, že hmotnost W-bosonu je o 0,09 % vyšší, než předpokládali standardní model [28] [29] .

Viz také

Poznámky

Komentáře
  1. ↑ Detektor CDF objevil jev, který nelze vysvětlit v rámci standardního modelu [22]
  2. ↑ Nedávný výsledek Tevatronu mezi fyziky příliš nadšení nevzbudil [23]
Prameny
  1. ↑ Abe, F.; a kol. ( CDF Collaboration ) (1995). „Pozorování produkce top kvarků při srážkách p p s detektorem Collider-Detector ve Fermilabu“. Fyzické kontrolní dopisy . 74 (14): 2626-2631. arXiv : hep-ex/9503002 . Bibcode : 1995PhRvL..74.2626A . DOI : 10.1103/PhysRevLett.74.2626 . PMID 10057978 .  
  2. ↑ www.nkj.ru .
  3. ↑ Kobyčev, Popov .
  4. ↑ Archiv .
  5. ↑ Parpalak .
  6. ↑ Gorbar, Gusinin, 2014 .
  7. ↑ Ryder, 1987 .
  8. ↑ Emelyanov, 2007 , str. 16.
  9. ↑ Lindon, Jack (2020). Sondy urychlovače částic temné energie, temné hmoty a generických podpisů nad rámec standardního modelu v událostech s energetickým proudem a velkou chybějící příčnou hybností pomocí detektoru ATLAS na LHC (PhD). CERN.
  10. ↑ Jaeger, Gregg (2021). „Výměnné síly v částicové fyzice“. Základy fyziky . 51 (1): 13. Bibcode : 2021FoPh...51...13J . DOI : 10.1007/s10701-021-00425-0 .
  11. ↑ Experimenty CERNu pozorují částici konzistentní s dlouho hledaným Higgsovým bosonem Archivováno 29. října 2012.  — Tisková zpráva CERN, 4.07.2012  (anglicky)
  12. ↑ CERN oznámil objev Higgsova bosonu Archivováno 4. března 2016.  — Elementy.ru, 4.07.2012
  13. ↑ „Fyzická komunita si myslí, že byl objeven Higgsův boson“ Archivováno 4. března 2016.  — Elementy.ru, 16. 7. 2012
  14. ↑ BW Lee; C. Quigg; H. B. Thacker (1977). „Slabé interakce při velmi vysokých energiích: Role hmoty Higgsova bosonu“. Fyzický přehled D. 16 (5): 1519-1531. Bibcode : 1977PhRvD..16.1519L . DOI : 10.1103/PhysRevD.16.1519 .
  15. ↑ M. Strassler. Higgs Discovery: Je to Higgs? (10. července 2012). Získáno 6. srpna 2013. Archivováno z originálu dne 20. srpna 2013.
  16. ↑ Experimenty v CERNu pozorují částici konzistentní s dlouho hledaným Higgsovým bosonem , CERN (4. července 2012). Archivováno z originálu 21. listopadu 2017. Staženo 10. února 2022.
  17. ↑ Pozorování nové částice o hmotnosti 125 GeV . CERN (4. července 2012). Datum přístupu: 5. července 2012. Archivováno z originálu 5. července 2012.
  18. ↑ Experiment ATLAS . ATLAS (4. července 2012). Získáno 13. června 2017. Archivováno z originálu 23. listopadu 2016.
  19. ↑ Nové výsledky naznačují, že částice objevená v CERNu je Higgsův boson . CERN (14. března 2013). Získáno 14. června 2020. Archivováno z originálu dne 3. srpna 2020.
  20. ↑ Experimenty s LHC se ponoří hlouběji do přesnosti . CERN (11. července 2017). Získáno 23. července 2017. Archivováno z originálu 14. července 2017.
  21. ↑ Hrubý .
  22. ↑ Detektor CDF objevil jev, který nelze vysvětlit v rámci Standardního modelu • Igor Ivanov • Vědecké zprávy o prvcích • LHC, fyzika . Získáno 25. dubna 2011. Archivováno z originálu 9. června 2009.
  23. ↑ Nedávný výsledek Tevatronu nevzbudil mezi fyziky velké nadšení • Igor Ivanov • Science News on Elements • LHC, Physics . Získáno 25. dubna 2011. Archivováno z originálu 26. dubna 2011.
  24. ↑ Zajímavý nový výsledek experimentu LHCb v CERNu | CERN . Získáno 12. dubna 2021. Archivováno z originálu dne 12. dubna 2021.
  25. ↑ Marc, Tracy . První výsledky z Fermilabova experimentu Muon g-2 posilují důkazy o nové fyzice , Fermilab  (7. dubna 2021). Archivováno z originálu 7. dubna 2021. Staženo 7. dubna 2021.
  26. ↑ Pallab Ghosh . Muons: „Silný“ důkaz nalezený pro novou sílu přírody , BBC  (7. dubna 2021). Archivováno z originálu 28. dubna 2021. Staženo 7. dubna 2021.
  27. ↑ Muony představují nové překvapení! . Získáno 12. dubna 2021. Archivováno z originálu dne 12. dubna 2021.
  28. ↑ Zdroj . Získáno 22. dubna 2022. Archivováno z originálu dne 13. dubna 2022.
  29. ↑ Měření hmotnosti W-bosonu neodpovídalo standardnímu modelu / Sudo Null IT News . Získáno 22. dubna 2022. Archivováno z originálu dne 28. dubna 2022.

Literatura

V Rusku:

V cizích jazycích:

Odkazy

  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie
V bibliografických katalozích