Standardmodell

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 9 augusti 2022; kontroller kräver 4 redigeringar .

Standardmodellen  (SM) är en teoretisk konstruktion inom elementarpartikelfysik som beskriver de elektromagnetiska , svaga och starka interaktionerna mellan alla elementarpartiklar . Den moderna formuleringen färdigställdes på 2000-talet efter experimentell bekräftelse av förekomsten av kvarkar . Upptäckten av t-quark (1995) [1] , b-quark (1977) och tau-neutrino (2000) bekräftade riktigheten av SM.

Standardmodellen är inte en teori om allt , eftersom den inte beskriver mörk materia , mörk energi och inte inkluderar gravitation . Experimentell bekräftelse av existensen av intermediära vektorbosoner i mitten av 1980-talet avslutade konstruktionen av standardmodellen och dess acceptans som den huvudsakliga. Behovet av en liten expansion av modellen uppstod 2002, efter upptäckten av neutrinoscillationer , och bekräftelsen av existensen av Higgs-bosonen 2012 avslutade den experimentella upptäckten av elementarpartiklar som förutspåtts av standardmodellen [2] .

Ändå är SM extremt viktigt för teoretisk och experimentell partikelfysik . För teoretiker är SM ett grundläggande exempel på en teori som visar ett brett spektrum av fysikaliska fenomen, inklusive spontana symmetribrott , kvantanomalier , etc. Den används som grund för att konstruera mer exotiska modeller, inklusive hypotetiska partiklar , ytterligare dimensioner och utökade symmetrier (till exempel supersymmetri ), i ett försök att förklara experimentella resultat som inte täcks av SM. I sin tur använder experimentörer SM för att söka efter fenomen som går över dess gränser. Dessutom har SM hittat tillämpningar inom områden utanför partikelfysik, såsom astronomi , kosmologi och kärnfysik .

Standardmodellen innehåller följande ingredienser: 6 kvarkar, 6 leptoner, 4 kraftbärarpartiklar och 1 Higgs-boson. Om antipartiklar och olika färgladdningar av gluoner beaktas, så beskriver totalt SM 61 unika partiklar [3] [4] .

Historik

Grunden till standardmodellen lades ner 1960 av Sheldon Glashow , som försökte förena de elektromagnetiska och svaga krafterna. 1967 införlivade Steven Weinberg och Abdus Salam Higgs-mekanismen i Glashows teori, vilket gav den dess moderna form. Higgs-mekanismen är nödvändig för uppkomsten av massa i alla SM-elementarpartiklar - W-bosoner, Z-bosoner, kvarkar och leptoner . 1973 upptäcktes neutrala strömmar som bärs av Z-bosonen vid CERN, varefter den elektrosvaga teorin fick bred acceptans. Glashow, Salam och Weinberg delade 1979 Nobelpriset i fysik för dess skapelse. W- och Z-bosonerna upptäcktes experimentellt 1981, och deras massor överensstämde med SM-förutsägelsen. Teorin om den starka kraften, som många forskare är inblandade i, fick sin moderna form runt 1973-1974, då experiment bekräftade att hadroner är sammansatta av kvarkar med en fraktionell laddning.

Regler

För närvarande förstås materia och energi bäst i termer av kinematik och växelverkan mellan elementarpartiklar (EP). Idag har fysiken reducerat de lagar som styr beteendet och växelverkan mellan alla kända former av materia och energi till en liten uppsättning grundläggande lagar och teorier. Fysikens huvudmål är att hitta en "gemensam grund" som skulle kunna förena alla dessa teorier till en allmän " teori om allt ", där alla andra kända lagar skulle vara specialfall, och från vilken beteendet hos alla former av materia och energi kunde härledas (åtminstone i princip). SM kombinerade de två huvudsakliga tidigare teorierna - kvantteorin om den elektrosvaga interaktionen och kvantkromodynamiken  - till en internt sammanhängande teori som beskriver interaktionen mellan alla kända partiklar i termer av kvantfältteori (QFT).

Standardmodellen består av följande bestämmelser:

8 gluoner för stark interaktion (symmetrigrupp SU(3)); 3 tunga bosoner (W + , W - , Z 0 ) för svag interaktion (symmetrigrupp SU(2)); en foton för elektromagnetisk interaktion (symmetrigrupp U(1)).

På grund av upptäckten av neutrinoscillationer behöver standardmodellen en förlängning som introducerar ytterligare 3 neutrinomassor och minst 4 parametrar av PMNS neutrinoblandningsmatris som liknar CKM kvarkblandningsmatrisen, och möjligen ytterligare 2 blandningsparametrar om neutrinos är Majorana partiklar . Även vakuumvinkeln för kvantkromodynamiken introduceras ibland bland parametrarna för standardmodellen . Det är anmärkningsvärt att en matematisk modell med en uppsättning av 20 udda tal kan beskriva resultaten av miljontals experiment som hittills genomförts inom fysik [5] .

Symmetrier i standardmodellen

Standardmodellen är byggd på en lokal mätare symmetri , spontant bruten innan [6] . Var och en av de tre parametrarna är ansvarig för en specifik typ av interaktion. Kvantelektrodynamiken är invariant under lokala gauge-transformationer U(1) : det vill säga Lagrangian är invariant under lokala gauge-transformationer . Den svaga interaktionen (Yang-Mills-fältet) kännetecknas av invarians med avseende på icke-abeliaska symmetrigrupper SU(2) [7] :

Denna mätartransformation kan skrivas som en 2×2 enhetlig matris med determinant lika med ett. För den elektrosvaga interaktionen, som föreningen av elektrodynamik med den svaga interaktionen, finns det en symmetri . Starka interaktioner beskrivs av kvantkromodynamik, som kännetecknas av SU(3) -symmetri . SU (3) -gruppen är en grupp av 3x3-matriser med determinant ett. 3×3-matrisen har nio element, men kravet på att determinanten är lika med ett reducerar antalet oberoende element till åtta. Det är därför det finns 8 gluoner.

Förekomsten av masslösa partiklar ( W- och Z-bosoner ) följer av den elektrosvaga interaktionsmodellen , men det har experimentellt bevisats att dessa laddade partiklar har massa. Detta problem löses genom mekanismen för spontan symmetribrytning ( Higgs-mekanismen ). Higgsfältet (Higgsboson) ger massa till dessa masslösa partiklar.

Fermions

SM innehåller 12 elementarpartiklar med spin ½, kända som fermioner . Enligt spin-statistik-satsen lyder fermioner Paulis uteslutningsprincip. Varje fermion har en antipartikel. SM-fermioner klassificeras efter hur de interagerar (eller, motsvarande, enligt laddningarna de bär). Det finns sex kvarkar (u-quark och d-quark, c-quark och s-quark, t-quark och b-quark) och sex leptoner (elektron och e-neutrino, muon och mu-neutrino, taon och tau-neutrino ) . Paren i varje uppsättning grupperas i generationer så att motsvarande partiklar från olika generationer uppvisar liknande egenskaper. Den definierande egenskapen hos kvarkar är att de har färg (rgb) och därför deltar i den starka interaktionen. Fenomenet med färginneslutning är att kvarkar alltid är bundna till varandra för att bilda färgneutrala sammansatta partiklar ( hadroner ). En hadron innehåller antingen en kvark med en antikvark av motsvarande antifärg ( meson ) eller tre kvarkar i tre olika färger ( baryoner ). Protonen och neutronen är baryonerna med den minsta massan ( p = u + u + d , n = u + d + d ). Quarks bär också en elektrisk laddning och svag isospin . Således deltar de i både elektromagnetiska och svaga interaktioner.

De återstående sex fermionerna har ingen färgladdning och kallas leptoner . Elektronen , myonen och taonen har en elektrisk laddning och kan delta i elektromagnetiska och svaga interaktioner. De tre neutrinerna har heller ingen elektrisk laddning, så de kan bara delta i svaga interaktioner. Vid låga energier interagerar neutriner extremt svagt med materia och har en kolossal väglängd på ~ 10 18  m , vilket gör dem extremt svåra att studera. En medlem av varje nästa generation har en massa som är större än motsvarande partikel av den yngre generationen. Partiklar av den första (yngre) generationen är stabila [8] . All baryonmateria består av partiklar av den första generationen. I synnerhet består atomerna av alla kemiska element av elektroner som omger atomkärnor ( nukleoner ), bestående av protoner och neutroner, och de i sin tur är sammansatta av u-kvarkar och d-kvarkar . Laddade partiklar av andra och tredje generationen är tvärtom kortlivade och har en mycket kort halveringstid. Därför observeras de endast i högenergihändelser och experiment.

Mätare bosoner

I SM definieras gauge bosoner som bärare av krafter som utför de starka, svaga och elektromagnetiska fundamentala interaktionerna. Interaktioner i fysiken förstås som ett sätt att påverka vissa partiklar på andra. På en makroskopisk nivå tillåter elektromagnetism partiklar att interagera med varandra genom elektriska och magnetiska fält, och gravitationen tillåter partiklar med massa att attrahera varandra, i enlighet med Einsteins allmänna relativitetsteori. SM betraktar dessa krafter som ett resultat av utbytet av partiklar av materia med andra partiklar, kända som "kraftbärande partiklar" (strängt taget är det så endast med en bokstavlig tolkning av någon ungefärlig beräkningsmetod känd som "perturbation theory "). Vid utbyte av kraftbärande partiklar är effekten på makronivå densamma som vid kraftväxelverkan. Därför kallas bärarpartiklar förmedlare av dessa interaktioner eller "agenter" för dessa krafter [10] . Feynman-diagram , som är en visuell representation av störningsteorin-approximationen, använder "kraftbärarpartiklar" och ger utmärkt överensstämmelse med erfarenhet när man analyserar högenergiexperiment. Perturbationsteorin (och med den begreppet bärarpartiklar) fungerar dock inte i andra situationer. Dessa inkluderar lågenergi kvantkromodynamik, bundna tillstånd och solitoner. Alla SM gauge bosoner har spinn (liksom materiepartiklar). Deras spinvärde är 1, vilket gör dem till bosoner. Därför följer de inte Pauli-uteslutningsprincipen, som innebär restriktioner för fermioner. De olika typerna av mätarbosoner beskrivs nedan:

Interaktionerna mellan alla partiklar som beskrivs av SM sammanfattas i diagrammet till höger.

Higgs boson

Higgs-bosonen är en massiv skalär elementarpartikel. Det förutspåddes av Peter Higgs och medförfattare 1964. Higgs-bosonen är hörnstenen i SM. Den har inget inre spinn och anses därför vara en boson (liknande mätbosoner, som har heltalsspinn). Observation av Higgs-bosonen kräver exceptionellt hög energi och stråltäthet i High Energy Collider . Därför var det den enda fundamentala partikel som förutspåtts av SM, men tills en tid inte upptäckts med en tillförlitlighet på 5,0 σ . Men i juli 2012 rapporterade CERN observationen av en "Higgs-liknande" partikel med en tillförlitlighet på 4,0 σ [11] . Efter ytterligare experiment förklarades tillförlitligheten av upptäckten [12] [13] .

Higgs-bosonen spelar en unik roll i SM, och förklarar varför alla andra partiklar utom fotoner, gluoner och neutriner har massa. Massorna av elementarpartiklar, såväl som distinktionen mellan elektromagnetism (buren av fotoner) och svaga krafter (buren av W- och Z-bosoner) är kritiska i många aspekter av strukturen av mikrokosmos (och därför makrokosmos). I den elektrosvaga teorin ger Higgs-bosonen upphov till massorna av leptoner och kvarkar. Eftersom Higgs-bosonen är massiv måste den också interagera med sig själv.

Higgs-bosonen är mycket massiv och förfaller nästan omedelbart efter att den skapats. Därför är det bara en partikelaccelerator med mycket hög energi som kan upptäcka och registrera den. CERN började experiment för att upptäcka och studera Higgs-bosonen med hjälp av Large Hadron Collider (LHC) i början av 2010. Den matematiska konsistensen hos SM kräver att mekanismen som är ansvarig för uppkomsten av EP-massor blir synlig vid energier runt 1,4 TeV [14] . Således skapades LHC (designad för kollisionen av två strålar av protoner med energier på 7,0-8,0 TeV) för att svara på frågan om existensen av Higgs-bosonen. Den 4 juli 2012 gjorde två stora experiment vid LHC ( ATLAS och CMS ) det möjligt att oberoende rapportera upptäckten av en ny partikel med en massa på cirka 125,0 GeV/ c² (cirka 133 protonmassor) [15] [16] [17] [18] . Den 13 mars 2013 bekräftades detta vara den önskade Higgs-bosonen [19] [20] .

Utanför standardmodellen

I slutet av 1900-talet bekräftades alla förutsägelser av standardmodellen experimentellt , ibland med mycket hög noggrannhet - upp till miljondelar av en procent [21] . Det var först på 2000-talet som resultat började dyka upp där standardmodellens förutsägelser skiljer sig något från experiment, och till och med fenomen som är extremt svåra att tolka inom dess ram [komm. 1] [komm. 2] . Å andra sidan är det uppenbart att standardmodellen inte kan vara det sista ordet i elementär partikelfysik , eftersom den innehåller för många externa parametrar och inte heller inkluderar gravitation . Därför är sökandet efter avvikelser från standardmodellen (den så kallade " nya fysiken ") ett av de mest aktiva forskningsområdena under 2010-talet. Det förväntades att experiment vid Large Hadron Collider skulle kunna registrera många avvikelser från standardmodellen (med tillägg av massiva neutriner), men inga sådana avvikelser hittades under 12 års experiment. Det fanns inga övertygande tecken på existensen av ny fysik utanför standardmodellen förrän 2021.

I mars 2021 rapporterade LHCb- experimentet upptäckten av en kränkning av leptonuniversalitet. Denna kränkning visar sig i det faktum att sönderfallet av vackra mesoner B + → K + l + l - (där l = µ, e) med emission av myonpar är 15% mindre frekventa än med emission av elektronpar. Mätningarna stämmer inte överens med standardmodellens förutsägelser med mer än tre standardavvikelser [24] .
I april 2021 rapporterade Fermilab att mätningarna av g-faktorn för myonens anomala magnetiska moment i Muon g-2- experimenten har en statistiskt signifikant avvikelse med förutsägelserna i standardmodellen med en konfidens som är större än fyra standardavvikelser [25] .
Dessa anomalier i myonens beteende är starka bevis för existensen av den femte grundläggande interaktionen [26] [27] .

I april 2022 visade fysiker från det internationella samarbetet CDF i sin studie, gjord på basis av bearbetningsdata från 10 års drift av Tevatron- kollideren , att massan av W-bosonen är 0,09 % högre än vad som förutspåtts av standardmodellen [28] [29] .

Se även

Anteckningar

Kommentarer
  1. ↑ CDF-detektorn upptäckte ett fenomen som inte kan förklaras inom ramen för standardmodellen [22]
  2. ↑ Det senaste resultatet av Tevatron väckte inte mycket entusiasm bland fysiker [23]
Källor
  1. ↑ Abe, F.; et al. ( CDF Collaboration ) (1995). "Observation av toppkvarkproduktion i p p -kollisioner med Collider-Detector vid Fermilab". Fysiska granskningsbrev . 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. ↑ Kobychev, Popov .
  4. ↑ Arkiv .
  5. ↑ Parpalak .
  6. ↑ Gorbar, Gusinin, 2014 .
  7. ↑ Ryder, 1987 .
  8. ↑ Emelyanov, 2007 , sid. 16.
  9. ↑ Lindon, Jack (2020). Partikelkollidersonder av mörk energi, mörk materia och generiska utöver standardmodellsignaturer i händelser med en energisk jet och stort saknat tvärgående momentum med hjälp av ATLAS-detektorn vid LHC (PhD). CERN.
  10. ↑ Jaeger, Gregg (2021). "Utbyteskrafter i partikelfysik". Fysikens grunder . 51 (1): 13. Bibcode : 2021FoPh...51...13J . DOI : 10.1007/s10701-021-00425-0 .
  11. ↑ CERN-experiment observerar partikel som överensstämmer med länge eftersökt Higgs-boson Arkiverad 29 oktober 2012.  — CERN pressmeddelande, 4 juli 2012  (engelska)
  12. ↑ CERN tillkännager upptäckten av Higgs boson Arkiverad 4 mars 2016.  — Elementy.ru, 4.07.2012
  13. ↑ "Det fysiska samhället tror att Higgs boson har upptäckts" Arkiverad 4 mars 2016.  — Elementy.ru, 16/07/12
  14. ↑ BW Lee; C. Quigg; H.B. Thacker (1977). "Svaga interaktioner vid mycket höga energier: Higgs-bosonmassans roll". Fysisk granskning D. 16 (5): 1519-1531. Bibcode : 1977PhRvD..16.1519L . DOI : 10.1103/PhysRevD.16.1519 .
  15. ↑ M. Strassler. Higgs Discovery: Är det en Higgs? (10 juli 2012). Hämtad 6 augusti 2013. Arkiverad från originalet 20 augusti 2013.
  16. ↑ CERN-experiment observerar partikel som överensstämmer med länge eftersökt Higgs-boson , CERN (4 juli 2012). Arkiverad från originalet den 21 november 2017. Hämtad 10 februari 2022.
  17. ↑ Observation av en ny partikel med en massa på 125 GeV . CERN (4 juli 2012). Datum för åtkomst: 5 juli 2012. Arkiverad från originalet 5 juli 2012.
  18. ↑ ATLAS-experiment . ATLAS (4 juli 2012). Hämtad 13 juni 2017. Arkiverad från originalet 23 november 2016.
  19. ↑ Nya resultat indikerar att partikel som upptäckts vid CERN är en Higgs-boson . CERN (14 mars 2013). Hämtad 14 juni 2020. Arkiverad från originalet 3 augusti 2020.
  20. ↑ LHC-experiment gräver djupare in i precision . CERN (11 juli 2017). Hämtad 23 juli 2017. Arkiverad från originalet 14 juli 2017.
  21. ↑ Brutto .
  22. ↑ CDF-detektorn har upptäckt ett fenomen som inte kan förklaras inom ramen för standardmodellen • Igor Ivanov • Science News on Elements • LHC, Physics . Hämtad 25 april 2011. Arkiverad från originalet 9 juni 2009.
  23. ↑ Det senaste resultatet av Tevatron väckte inte mycket entusiasm bland fysiker • Igor Ivanov • Vetenskapsnyheter om element • LHC, fysik . Hämtad 25 april 2011. Arkiverad från originalet 26 april 2011.
  24. ↑ Spännande nytt resultat från LHCb-experimentet vid CERN | CERN . Hämtad 12 april 2021. Arkiverad från originalet 12 april 2021.
  25. ↑ Marc, Tracy . De första resultaten från Fermilabs Muon g-2-experiment stärker bevis på ny fysik , Fermilab  (7 april 2021). Arkiverad från originalet den 7 april 2021. Hämtad 7 april 2021.
  26. ↑ Pallab Ghosh . Muons: "Starka" bevis hittades för en ny naturkraft , BBC  (7 april 2021). Arkiverad från originalet den 28 april 2021. Hämtad 7 april 2021.
  27. ↑ Muoner presenterar en ny överraskning! . Hämtad 12 april 2021. Arkiverad från originalet 12 april 2021.
  28. ↑ Källa . Hämtad 22 april 2022. Arkiverad från originalet 13 april 2022.
  29. ↑ W-boson massmätningar matchade inte standardmodellen / Sudo Null IT News . Hämtad 22 april 2022. Arkiverad från originalet 28 april 2022.

Litteratur

På ryska:

På främmande språk:

Länkar

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk
I bibliografiska kataloger