Standartinis modelis: elementariųjų dalelių teorija ir pagrindinės jėgos
Atraskite Standartinį modelį: elementariųjų dalelių, keturių pagrindinių jėgų (išskyrus gravitaciją) ir kvantinės bei simetrijos teorijų paslaptis.
Standartinis fizikos modelis (SM) – tai elementariųjų dalelių, kurios yra fermionai arba bozonai, teorija. Jis aprašo materijos sudėtį ir trijų iš keturių pagrindinių gamtos jėgų veikimą: elektromagnetizmą, silpnąją jėgą ir stipriąją jėgą. Ketvirtosios – gravitacijos – standartinis modelis neįtraukia, todėl ji nėra paaiškinta šioje teorijoje. SM sėkmingai prognozuoja daugybę eksperimentinių rezultatų ir yra pagrindinė dalelių fizikos teorinė konstrukcija nuo XX a. antros pusės.
Pagrindinės dalelės
Standartinis modelis skirsto daleles į dvi pagrindines grupes:
- Fermionai – materijos dalelės, turinčios pusinį sukimosi momentą. Jie suskirstyti į dvi pogrupes:
- kvarkai: u (up), d (down), c (charm), s (strange), t (top), b (bottom) – po trys spalvos kiekvienam kvarkui;
- leptonai: elektronas (e), mionas (μ), tau (τ) ir jų atitinkami neutrino (νe, νμ, ντ).
- Bozonai – jėgų pernašos dalelės (ir vienas skalės lauko bozonas): fotonas (elektromagnetizmo pernešėjas), W ir Z bozonai (silpnosios jėgos pernešėjai), gluonai (stipriosios jėgos pernešėjai) ir Higso bozonas (susijęs su masių atsiradimu).
Jėgos ir jų pernašos
Standartiniame modelyje jėgos atsiranda per tarpusavio sąveikas, kurias mediatoriaus dalelės perduoda tarp fermionų. Elektromagnetizmas perduodamas fotonu, silpnoji jėga – W ir Z bozonais, o stiprioji jėga – gluonais. Higso laukas ir Higso bozonas paaiškina, kodėl kai kurios dalelės turi masę: per mechanizmą, vadinamą spontanišku simetrijos sulaužymu, dalelės "sąveikauja" su Higso lauku ir gauna masę.
Matematika ir pagrindinės sąvokos
Modelyje naudojamos fizikos dalys, vadinamos kvantine mechanika ir specialiuoju reliatyvumu, taip pat fizikinio lauko ir simetrijos laužymo idėjos. Matematiškai SM išreiškiamas kaip kvantinė lauko teorija, kurios simetrijų struktūra dažnai užrašoma grupių teorijos kalba: standartinio modelio grupė yra SU(3)×SU(2)×U(1). Svarbiausi formalūs įrankiai yra Lagranso ir Hamiltono lygtys, kurios apibrėžia lauko dinaminius lygius ir leidžia išvesti judėjimo lygtis bei sąveikas. Teorija yra renormalizuojama, todėl leidžia apskaičiuoti egzaktžias didelio tikslumo prognozes, kurios sutampa su daugeliu eksperimentų.
Eksperimentinis patvirtinimas ir ribotumai
Standartinis modelis buvo patikrintas daugybėje eksperimentų: nuo elektronų ir protonų sklaidos tyrimų iki LHC atradimo 2012 m., kai buvo aptiktas Higso bozonas, užbaigęs ilgus paieškos metus. Tačiau SM turi reikšmingų ribotumų:
- Jis neapima gravitacijos kvantiniu lygiu ir nesuteikia kvantinės gravitacijos teorijos.
- Nepaaiškina tamsiosios materijos ir tamsiosios energijos, kurių egzistavimą rodo astronominiai stebėjimai.
- Ne visiškai paaiškina neutrino mases ir jų svyravimus (neutrino oscilacijas reikia papildomų prielaidų).
- Yra atviri teoriniai klausimai: hierarchijos problema (kodėl Higso masė yra daug mažesnė už planckinę skalę), stipriosios CP problemos sprendimas ir materijos bei antimaterijos asimetrijos kilmė.
Ateities kryptys
Norint įveikti SM trūkumus, fizikai tiria įvairias tolesnes teorijas ir eksperimentines programas: didesnią energiją turinčius greitintuvus, tikslius neutrino tikslinius eksperimentus, tamsiosios materijos paieškas tiesioginiuose detektoriuose arba astrofizikiniuose stebėjimuose, taip pat teorines idėjas kaip supersimetrija, didžiojo suvienijimo teorijos ar stygų teorija. Nors SM yra itin sėkminga ir plačiai patvirtinta, ji greičiausiai nėra paskutinė mūsų supratimo apie gamtą žodis — ateities tyrimai turėtų atskleisti platesnį fizikos vaizdą.
Standartinis elementariųjų dalelių modelis. 1 GeV/c2 = 1,783x10-27 kg. 1 MeV/c2 = 1,783x10-30 kg.
Fermionai
Fermionai - tai dalelės, kurios susijungusios sudaro visą mūsų matomą materiją. Fermionų grupių pavyzdžiai yra protonas ir neutronas. Fermionai pasižymi tokiomis savybėmis kaip krūvis ir masė, kurias galima pastebėti kasdieniame gyvenime. Jie taip pat turi kitų savybių, pavyzdžiui, sukinį, silpnąjį krūvį, hiperįkrovą ir spalvotąjį krūvį, kurių poveikis kasdieniniame gyvenime paprastai nepasireiškia. Šioms savybėms suteikiami skaičiai, vadinami kvantiniais skaičiais.
Fermionai - tai dalelės, kurių sukinio skaičius lygus nelyginiam teigiamam skaičiui, padaugintam iš pusės: 1/2, 3/2, 5/2 ir t. t. Sakome, kad fermionai turi "pusės sveikojo skaičiaus sukinį".
Svarbus fermionų faktas yra tas, kad jie vadovaujasi taisykle, vadinama Paulio pašalinimo principu. Ši taisyklė sako, kad jokie du fermionai negali būti toje pačioje "vietoje" tuo pačiu metu, nes jokie du fermionai atome negali turėti tų pačių kvantinių skaičių tuo pačiu metu. Fermionai taip pat paklūsta teorijai, vadinamai Fermio ir Dirako statistika. Žodžiu "fermionas" pagerbtas fizikas Enrikas Fermis.
Yra 12 skirtingų fermionų tipų. Kiekvienas tipas vadinamas "skoniu". Jų pavadinimai:
- Kvarkai - aukštyn, žemyn, keistieji, žavieji, viršutiniai, apatiniai
- Leptonai - elektronas, miuonas, tau, elektroninis neutrinas, miuono neutrinas, tau neutrinas. Elektronas yra geriausiai žinomas leptonas.
Kvarkai grupuojami į tris poras. Kiekviena pora vadinama "karta". Kiekvienos poros pirmasis kvarkas turi 2/3 krūvį, o antrasis - -1/3 krūvį. Trijų rūšių neutrinų krūvis lygus 0. Elektronas, miuonas ir tauonas turi -1 krūvį.
Medžiaga sudaryta iš atomų, o atomai - iš elektronų, protonų ir neutronų. Protonai ir neutronai sudaryti iš aukštyn ir žemyn nukreiptų kvarkų. Vieną leptoną galite rasti atskirai, bet niekada nerasite vien kvarkų. Taip yra todėl, kad kvarkus kartu laiko spalvų jėga.
Trijų protono kvarkų atvaizdas
Bosonai
Bosonai yra antrojo tipo elementariosios dalelės standartiniame modelyje. Visi bozonai turi sveikąjį sukinį (1, 2, 3 ir t. t.), todėl vienu metu daug jų gali būti toje pačioje vietoje. Yra dviejų tipų bozonai: matuojamieji bozonai ir Higso bozonas. Dėl gabaritinių bozonų įmanomos fundamentaliosios gamtos jėgos. (Dar nesame tikri, ar gravitacija veikia per gabaritinį bozoną.) Kiekviena fermionus veikianti jėga atsiranda dėl to, kad gabaritiniai bozonai juda tarp fermionų, pernešdami jėgą. Bozonai vadovaujasi teorija, vadinama Bozės-Einšteino statistika. Žodžiu "bozonas" pagerbtas indų fizikas Satjendra Natas Bosė.
Standartinis modelis teigia, kad yra:
- 12 fermionų, kurių kiekvienas turi savo antidalelę;
- 12 gabaritų bozonų: 8 rūšių gliuonai, fotonas, W+ , W- ir Z;
Visos šios dalelės buvo pastebėtos gamtoje arba laboratorijoje. Modelis taip pat numato, kad egzistuoja Higso bozonas. Modelyje teigiama, kad fermionai turi masę (jie nėra tik gryna energija), nes Higgso bozonai keliauja tarp jų pirmyn ir atgal. Manoma, kad Higso bozonas buvo atrastas 2012 m. liepos 4 d. Tai dalelė, suteikianti masę kitoms dalelėms.
Pagrindinės jėgos
Žinomos keturios pagrindinės gamtos jėgos. Šios jėgos veikia fermionus ir yra pernešamos bozonų, keliaujančių tarp fermionų. Standartinis modelis paaiškina tris iš šių keturių jėgų.
- Stipri jėga: Ši jėga sulaiko kvarkus, iš kurių susidaro hadronai, pvz., protonai ir neutronai. Stipriąją jėgą perneša gliuonai. Kvarkų, stipriosios jėgos ir gliuonų teorija vadinama kvantine chromodinamika (QCD).
- Likusi stiprioji jėga sulaiko protonus ir neutronus, kurie sudaro kiekvieno atomo branduolį. Šią jėgą perneša mezonai, kuriuos sudaro du kvarkai.
- Silpna jėga: Ši jėga gali pakeisti fermiono skonį ir sukelti beta skilimą. Silpnąją jėgą veikia trys gabaritiniai bozonai: W+ , W- ir Z bozonas.
- Elektromagnetinė jėga: Ši jėga paaiškina elektrą, magnetizmą ir kitas elektromagnetines bangas, įskaitant šviesą. Šią jėgą perneša fotonas. Jungtinė elektrono, fotono ir elektromagnetizmo teorija vadinama kvantine elektrodinamika.
- Gravitacija: Tai vienintelė fundamentali jėga, kurios nepaaiškina SM. Ją gali pernešti dalelė, vadinama gravitonu. Fizikai ieško gravitono, bet kol kas jo nerado.
Stipriosios ir silpnosios jėgos pasireiškia tik atomo branduolio viduje. Jos veikia tik labai mažais atstumais: maždaug tokio pločio, kokio pločio yra protonas. Elektromagnetinė jėga ir gravitacija veikia bet kokiu atstumu, tačiau šių jėgų stiprumas mažėja, kai paveikti objektai tolsta vienas nuo kito. Jėga mažėja proporcingai atstumo tarp veikiančių objektų kvadratui: pavyzdžiui, jei du objektai vienas nuo kito nutolsta dvigubai didesniu atstumu, juos jungianti gravitacijos jėga tampa keturis kartus mažesnė (22 =4).
Apribojimai
Standartinis modelis nėra visko teorija. Jis neapima visos gravitacijos teorijos, kurią apibūdina bendrasis reliatyvumas, ir nepaaiškina spartėjančio visatos plėtimosi (kurį galbūt apibūdina tamsioji energija). Modelyje nėra jokios tamsiosios medžiagos dalelės, kuri pasižymėtų visomis stebėjimų kosmologijoje stebimomis savybėmis. Manoma, kad SM yra teoriškai nuoseklus. Jis pademonstravo didžiulę ir nuolatinę eksperimentinių prognozių sėkmę, tačiau kai kurie dalykai lieka nepaaiškinti.
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra standartinis fizikos modelis?
A: Standartinis fizikos modelis yra elementariųjų dalelių, kurios yra fermionai arba bozonai, teorija.
K: Ką paaiškina standartinis modelis?
A: Standartinis modelis paaiškina tris iš keturių pagrindinių gamtos jėgų: elektromagnetizmą, silpnąją jėgą ir stipriąją jėgą.
K: Kokia yra ketvirtoji pagrindinė gamtos jėga?
A: Ketvirtoji pagrindinė gamtos jėga yra gravitacija.
K: Ar standartinis modelis paaiškina gravitaciją?
Atsakymas: Ne, standartinis modelis nepaaiškina gravitacijos.
K: Kokias fizikos dalis apima standartinis modelis?
A.: Standartiniame modelyje naudojamos fizikos dalys apima kvantinę mechaniką ir specialųjį reliatyvumą, taip pat fizikinio lauko ir simetrijos laužymo idėjas.
K: Kokia matematika naudojama standartiniame modelyje?
A: Dalis Standartiniame modelyje naudojamos matematikos yra grupių teorija, taip pat lygtys, turinčios didžiausią ir mažiausią tašką, vadinamos Lagranžo ir Hamiltono lygtimis.
K: Kokių dviejų tipų daleles paaiškina standartinis modelis?
A: Standartinis modelis aiškina dviejų tipų daleles: fermionus arba bozonus.
Ieškoti