Стандарден модел

Стандарден модел
Елементарни честички на стандардниот модел
Основи Честична физика Стандарден модел Квантна теорија за полето Баждарна теорија Спонтано нарушување на симетријата Хигсов механизам
Составни делови Електрослабо заемодејство Квантна хромодинамика ККМ-матрица
Ограничувања Проблем на силна ПП Хиерархиски проблем Неутринска осцилација
Научници Радерфорд · Томсон · Чедвик · Бозе · Сударшан · Кошиба · Дејвис · Андерсон · Ферми · Дирак · Фајнман · Рубија · Гел-Ман · Кендал · Тејлор · Фридман · Пауел · Ф.В. Андерсон · Глешоу · Мер · Кован · Намбу · Чемберлен · Кабибо · Шварц · Перл · Мајорана · Вајнберг · Ли · Ворд · Салам · Кобајаши · Масакава · Јанг · Јукава · ’т Хофт · Велтман · Грос · Полицер · Вилчек · Кронин · Фич · Флек · Хигс · Англер · Брут · Хаген · Гуралник  · Кибл  · Тинг · Рихтер
п р у

Современа физика
${\displaystyle {i\hbar {\frac {\partial }{\partial t}}\Psi (\mathbf {r} ,\,t)={\hat {H}}\Psi (\mathbf {r} ,\,t)}}$ Шредингерова равенка
Историја на современата физика
Основачи Макс Планк  · Алберт Ајнштајн  · Нилс Бор  · Макс Борн · Вернер Хајзенберг  · Ервин Шредингер  · Паскуал Јордан  · Волфганг Паули  · Пол Дирак  · Ернест Радерфорд  · Луј де Број  · Шатјендранат Бозе
Гранки Специјална релативност · Општа релативност Квантна механика Квантна електродинамика Квантна хромодинамика Квантна теорија за полето Стандарден модел · Физика на честичките Јадрена физика Атомска, молекуларна и оптичка физика Физика на кондензирана материја Квантна статистичка механика Физика на плазма Космологија Квантна гравитација · Теорија на струните
Научници Рентген · Бекерел · Лоренц · Планк · Кири · Вин · Склодовска-Кири · Зомерфелд · Радерфорд · Соди · Онес · Ајнштајн · Вилчек · Борн · Вејл · Бор · Шредингер · де Број · Лауе · Бозе · Комптнон · Паули · Валтон · Ферми · Валс · Хајзенберг · Дајсон · Земан · Мозли · Хилберт · Гедел · Јордан · Дирак · Вигнер · Хокинг · Ф.В. Андерсон · Леметр · Томсон · Поенкаре · Вилер · Пенроуз · Миликан · Намбу · фон Нојман · Хигс · Хан · Фајнман · Ли · Ленард · Салам · 'т Хофт · Бел · Гел-Ман · Томсон  · Раман · Брег · Бардин · Шокли · Чедвик · Лоренс · Цајлингер
п р у

Стандарден модел — теорија во честичната физика која се занимава со електромагнетните, слабо и силно јадрено заемодејство, преку овие заемодејства се разгледува движењето на познатите субатомски честички. Се развива како теорија цо подоцнежната половина од XX век како заеднички напор на научниците од целиот свет.^[1] Моменталниот запис е завршен во средината на седумдесеттите години на минатиот век по експерименталната потврда за постоењето на кварковите. Оттогаш, откриени се горен кварк (1995), тау неутрино (2000) и неодамна откриениот Хигсов бозон (2013), со што се потврди веродостојноста на стандардниот модел. Поради својата успешност да ги објасни големиот број на резултати од опити, стандардниот модел се смета на некој начин како „теорија на скоро сè“.

Стандардниот модел за малку не е целосна теорија на основните заемодејства. Не ја вклучува во себе целата теорија за гравитацијата^[2] како што е опишана од општата теорија за релативноста, или да го објасни забрзувачкото ширење на универзумот (опишано преку темната енергија). Во моделот нема важечки честички на темната материја кои ги поседуваат сите својства добиени преку наблудување и космологијата. Исто така не ги вклучува неутринските колебања (и нивните маси различни од нула). Иако за стандардниот модел се верува дека теориски е само-одржлив ^[3] и успеал да потврди голем дел а воедно и да предвиди голем дел од експерименталните предвидувања, сепак некои појави остануваат необјаснети.

Развојот на стандардниот модел беше поттикнувана од теориските и експериментални физичари. За теоретичарите, стандардниот модел е основа за квантната теорија за полето, која поседува голем дел од физиката вклучувајќи ги тука и спонтаното нарушување на симетријата, аномалиите, нерастројното однесувањеитн. Се користи како основа за добивање на егзотични модели кои вклучуваат хипотетички честички, екстрадимензионалност и објаснување на симетриите (како што е суперсиметријата) со цел да се објаснат резултатите од опитите со понакви стандардни модели, како што се постоењето на темната материја и неутринските колебања.

Првиот чекор кон создавање на стандардниот модел беше откритието за поврзување на електромагнетното и слабите заемодејства од страна на Шелдон Глешоу во 1961 година .^[4] Во 1967 година Стивен Вајнберг^[5] и Абдус Салам^[6] го вклучија Хигсовиот механизам^[7][8][9] во Глешоувата електрослаба теорија, до што истата ја доби современта форма.

За Хигсовиот механизам се верува дека го објаснува создавањето на масите на сите елементарни честички во стандардниот модел. Тука се вклучени и масите на W и Z бозоните и масите на фермионите, т.е. на кварковите и лептоните.

По откривањето на неутралната слаба струја создадена од замената на Z бозонот беа откриени во CERN во 1973 година,^{[10][11][12][13]} електрослабата теорија стана широко прифатена, па Глешоу, Салам и Вајнберг ја поделија Нобеловата награда за Физика за нејзиното откривање во 1979 година. W и Z бозоните експериментално беа откриени во 1981 година, и нивните маси беа точно онакви како што предвидување стандардниот модел.

Теоријата за силното заемодејство, за чие создавање придонесоа многу научници, ја доби својата современа форма во периодот околу 1973–74 година, кога опитите потврдија дека хадроните се составени од кваркови со дробни полнежи.

Во денешницата, материјата и енергијата се најдобро разбрани преку кинематиката и заемодејствата на елементарните честички. До денес, физиката ги има објаснето законите кои го определуваат однесувањето и заемодејството на сите познати форми наматерија и енергија до најмалиот збир на основни закони и теории. Најголемата цел на физиката е да најде „заедништво“ кое би ги обединило сите теории во една сеопфатна теорија на сè, во која би влегле сите познати закони и од кои однесувањето на целата материја и енергија би се изведувале.^[14]

Стандардниот модел вклучува членови на неколку класи на елементарни честички (фермиони, баждарни бозони и Хигсовиот бозон), кои можат да се разликуваат едни од други по одредени одлики, како што се бојата полнежот итн.

Стандардниот модел вклучува 12 елементарни честички со спин-½ познати како фермиони. Според спин-статистичката теорија, фермионите се покоруваат на Паулиевиот принцип. Секој фермион има соодветна античестичка.

Фермионите во стандардниот модел се класифицирани според тоа како заемодејствуваат (или пак, според полнежот кој го поседуваат). Постојат шест кваркови (горен, долен, волшебен, чуден, врвен, длабински), и шест лептони (електрон, електронско неутрино, мион, мионско неутрино, тау, тау неутрино). Паровите од секоја класификација се групирани заедно за да создадат семејство, со соодветните честички кои иммат слично физичко однесување (погледај во табелата).

Одредувачко својство на кварковите е дека тие поседуваат обоен полнеж, и поради ова, заемодејствуваат преку силното заемодејство.појавата наречена конфајмент ги прави кварковите постојано (или мошне брзо по големата експлозија) сврзани еден со друг, создавајќи обоено-неутрални композитни честички (хадрони) кои содржат или кварк или антикварк (мезони) или трикваркните (бариони). Познатите протон и неоутрон се два бариони со најмала маса. Кварковите исто така поседуваат електричен полнеж и слаб изоспин. Па поради ова тие заемодејствуваат со други фермиони кои се електромагнетни и преку слабото заемодејство.

Останатите шест фермиони не носат обоен полнеж и се наречени лептони. Трите неутрино честички немаат електричен полнеж, па нивното влијание е под влијание на слабата јадрена сила, поради што истите се познати по тешкотијата и трудот потребен за истите да се забележат. Како и да е, поради поседувањето на електричен полнеж, електронот, мионот, и тауто сите заемодејствуваат електромагнетен.

Секој член на семејството има поголема маса во споредба со соодветните честичките од пониските семејства. Првото семејство на честички кои поседуваат полнеж не се распаѓаат, па затоа сета обична (барионска)материја е составена од овакви честички. Познато е дека сите атоми имаат електрони кои се движат околу атомското јадро составени од горен и долен кварк. Второто и третото семејство на честички кои поседуваат полнеж, се распаѓаат за многу куси временски периоди, и истите можат да се набљудуваат само при средини во кои имамаме присуство на високи енергии. Неутрината од сите семејства не се распаѓаат, и патуваат низ универзумот, но ретко стапуваат во заемодејство со барионската материја.

Кај стандардниот модел, баждарните бозони се дефинирани како носители на силата која ги одредува силното, слабото и електромагнетното заемодејство.

Заемодејствата во физиката се начините на кои честичките влијаат на другите честички. Во макроскопско ниво, електромагнетизмот овозможува честичките да заемодејствуваат една со друга преку електричното и магнетното поле, и гравитацијата која дозволува честичките со маса да се привлекуваат едни со други во согласност со Ајнштајновата теорија за општата релативност. Стандардниот модел објаснува сили кои се последица од честичките на материјата или размена на честички, познати под името „силопосредствени честички“ (строго речено, ова се случува само кога се користи „приближен метод“ познат како теоријата на растросјството). Кога се случува замена на силопосредствена честичка, на макроскопско ниво последиците се еднакви на сила која влијае на двете честички, па токму поради ова за честичката се вели дека посредувала (т.е., била застапник) на таа сила. Пресметките на Фајнмановиот дијаграм, кои се графички прикази на приближноста на теоријата на растројството, предизвикува „силопосредствените честички“, кога истите се разгледуваат при високоенергетски опити на расејување да се во согласност со овие податоци. Како и да е, теоријата на растројството (a со неа и „силопосредствените честички“) не се во согласност во останатите ситуации. Такви случаи се квантната хромодинамика, врзани состојби и солитоните.

Баждарните бозони во стандардниот модел поседуваат спин (како и честичките на маттеријата). Вредноста на спинот е 1, со шро тие се бозони. Поради ова својство, тие не се покоруваат на Паулиевиот принцип кои ги опфаќа фермионите: па така бозоните (на пример фотоните) немаат теориска граница на нивната просторна густина (број во единица волумен). Различните видови на баждарни бозони се опишани подолу.

• Фотоните посредници на електромагнетната сила меѓу честичките со електричен полнеж. Фотонот нема маса и е задоволително опишан со помош на теоријата на квантната електродинамика.
• W ⁺,W ^- и Z бозоните се баждарни бозони посредници на слабото заемодејство меѓу честичките со различни вкусови (сите кваркови и лептони). Тие се масивни, при што Z бозонот е помасивен од W ^±. Слабите заемодејства вклучуваат и W ^± кои исклучиво делуваат на леви честички и десни античестички. Понатамошно, W ^± поседуваат електричен полнеж со вредности +1 и −1 и се поврзуваат со електромагнетното заемодејство. Електро неутралниот Z бозон заемодејствува истовремено и со левите честички и античестички. Овие три баждарни бозони заедно со фотоните се групирани заедно, бидејќи заедно посредуваат при електрослабото заемодејство.
• Осумте глуони посредници на силното заемодејство меѓу обоените полнежи на честичките (кваркови). Глуоните се без маса. Осумкратното умножување на глуоните се означува како обоен и необоен полнеж (пример црвено–незелено).^{[nb 1]} Бидејќи глуоните имаат делотворен обоен полнеж, истите заемодејствуваат и меѓусебно. Глуоните и нивните заемодејства се опишани со помош на теоријата на квантната хромодинамика.

Заемодејствата меѓу сите честички опишани од стандардниот модел се збирно прикажани на десно во овој пасус.

Хигсовата честичка е масивна скаларна елементарна честичка опишана теориски од Роберт Брут, Франсоа Англер, Питер Хигс, Џералд Гуралник, Карл Ричард Хаген, and Том Кибл во 1964 година и е еден од најзначајните честички во стандардниот модел.^{[7][8][9][15]} Не поседува спин, и поради оваа причина е класифициран како бозон (како баждарните бозони кои имаат целобројни спинови).

Хигсовиот бозон игра важна улога во стандардниот модел, на тој начин што ја објаснува масивноста на останатите елементарните честички, но не и за фотоните и глуоните. Подетално, Хигсовиот бозон објаснува зашто фотонот нема маса, додека пак W и Z бозоните се доста масивни. Масите на елементарните честички и разликата меѓу електромагнетизмот (посредувано преку фотонот) и слабата сила (посредувана преку W и Z бозоните), се од критична важност во многу погледи на градбата на микроскопската (а со тоа и макроскопската) материја. Во електрослабата теорија, Хигсовиот бозон ја создава масата на лептоните (електрон, миони и тау ) како и масата на кварковите. Бидејќи и Хигсовиот бозон е масивен, истиот мора да заемодејствува со себеси.

Бидејќи Хигсовиот бозон е многу масивна честичка и истовремено се распаѓа моментално по нејзиното создавање, и настанот може да се набљудува и сними само во високоенергетски забрзувачи на честички. Опитите за потврдување и утврдување на природата на Хигсовиот бозон со помош на Големиот хадронски судирач (LHC) во CERN започнаа во 2010 година, и беа извршувани во Фермилабовиот Теватрон сè до неговото затворање во 2011 година. Математичката постојаност на стандардниот модел побарува секој механизам способен за создавање на масата на елементарните честички да стане очигледна со енергии поголеми од 1.4 ТеВ ^[16] затоа, LHC (беше дизајниран да судрува два протонски зраци со енергии од 7 до 8 ТеВ) беше изграден со цел да се одговори на прашањето дали постои Хигсовиот бозон.^[17]

На 4 јули 2012 година, двата главни опита во LHC-овите (ATLAS и CMS) кои независно го потврдија нова честичка со маса од околу 125=ГеВ/c² (или околу 133 протонски маси, или пак 10⁻²⁵кг), што е во согласност со Хигсовиот бозон. Иако поседува неколку својста и од „наједноставните“ Хигсови,^[18] па лабораториите изјавија дека е потребна понатамошна обработка на податоците за со сигурност да се потврди постоењето на Хигсовиот бозон, или точно која верзија на Хигсот во стандардниот модел е поддржана и потврдена.^{[19][20][21][22][23]}

На 14 Март 2013 година бешњ потврдено постоењето на Хигсовиот бозон.^[24]

Броењето на честичките по правило се разликува меѓу честичките нивните античестички, меѓу разните обоености на кварковите и глуоните, бројноста се сведува на 61 елементарна честичка.^[25]

Технички, квантната теорија за полето ја определува математичката рамка на стандардниот модел, во која Лагрнжијанот ја контролира динамиката и кинематиката на теоријата. Секој вид на честичка е опишана во со поимите на динамичките полиња кои се шират низ време-просторот. Создавањето на стандардниот модел снапредува следејќи го модерниот метод на повеќето теории за полиња: првично се задава збир на симетрии на системот, и потоа со запишување на повеќето општи ренормализациони Лагранжијани од сопственото честично (поле) со содржина која ги набљудува овие симетрии.

Сеопфатна Поанкареова симетрија е основата за сите реалтивистички квантни теории за полето. Се состои од познатите транслациона симетрија , вртежна симетрија и инерцијалната референтна рамка во инваријантост во споредба со специјалната теорија за релативност.локалноста SU(3)×SU(2)×U(1) баждарна симетрија е внатрешната симетрија која и всушност го определува стандардниот модел. Грубо, трите чинители на баждарната симетрија даваат можност за создавање на трите основни заемодејства. Полињата се во различни групи на симетрии на стандардниот модел (види табела). По запишувањето на повеќето Лагранжијани, се забележува дека динамиката зависи од 19 параметри, чие бројчени вредности се утврдени опитно. Овие параметри се запишани во погоренаведената табела (забелешка: Хигсовата маса е 125 ГеВ, силата на сврзување на Хигсовите е λ ~ 1/8).

Квантно хромодинамичем (КХД) дел ги објаснува заемодејствата меѓу кварковите и глуоните, со помош на симетријата SU(3), добиена од T^a. Бидејќи лептоните не заемодејствуваат со глуоните, не се од интерес за овој дел. Дираковиот Лагражијан за кварковите поврзан со полињата на глуоните е определана со:

${\displaystyle {\mathcal {L}}_{QCD}=i{\overline {U}}(\partial _{\mu }-ig_{s}G_{\mu }^{a}T^{a})\gamma ^{\mu }U+i{\overline {D}}(\partial _{\mu }-ig_{s}G_{\mu }^{a}T^{a})\gamma ^{\mu }D.}$

${\displaystyle G_{\mu }^{a}}$ е SU(3) баждарното поле кое ги задржува глуоните, ${\displaystyle \gamma ^{\mu }}$ се Дираковите матрици, D и U се Дираковите спинорикои се поврзани соп горен и долен вид на кавркови и g_s е силната сврзна постојана.

Елекрслабиот дел е Јанг-Милсова баждарна теорија со едноставна група на симетрија U(1)×SU(2)_L,

${\displaystyle {\mathcal {L}}_{\mathrm {EW} }=\sum _{\psi }{\bar {\psi }}\gamma ^{\mu }\left(i\partial _{\mu }-g^{\prime }{1 \over 2}Y_{\mathrm {W} }B_{\mu }-g{1 \over 2}{\vec {\tau }}_{\mathrm {L} }{\vec {W}}_{\mu }\right)\psi }$

каде B_μ е U(1) баждарното поле, Y_W е слабиот хиперполнеж — создавачот на U(1) групата, ${\displaystyle {\vec {W}}_{\mu }}$ е три компонентното SU(2) баждарно поле, ${\displaystyle {\vec {\tau }}_{\mathrm {L} }}$ се Пауловите матрици — бесконечно мали генератори на групата SU(2). Со показателот L се означува дека важат само за леви фермиони, g′ и g се сврзни постојани.

Кај стандардниот модел, Хигсовото поле е сложен спинор од групата SU(2)_L:

${\displaystyle \varphi ={1 \over {\sqrt {2}}}\left({\begin{array}{c}\varphi ^{+}\\\varphi ^{0}\end{array}}\right)\;,}$

каде знаците + и 0 го означуваат електричниот полнеж (Q) на компонентите. Слабиот изоспин (Y_W) на двете компоненти е 1.

Пред нарушувањето на симетријата, Хигсовиот Лагранжијан е:

${\displaystyle {\mathcal {L}}_{\mathrm {H} }=\varphi ^{\dagger }\left({\partial ^{\mu }}-{i \over 2}\left(g'Y_{\mathrm {W} }B^{\mu }+g{\vec {\tau }}{\vec {W}}^{\mu }\right)\right)\left(\partial _{\mu }+{i \over 2}\left(g'Y_{\mathrm {W} }B_{\mu }+g{\vec {\tau }}{\vec {W}}_{\mu }\right)\right)\varphi \ -\ {\lambda ^{2} \over 4}\left(\varphi ^{\dagger }\varphi -v^{2}\right)^{2}\;,}$

кој исто така може да се запише и како:

${\displaystyle {\mathcal {L}}_{\mathrm {H} }=\left|\left(\partial _{\mu }+{i \over 2}\left(g'Y_{\mathrm {W} }B_{\mu }+g{\vec {\tau }}{\vec {W}}_{\mu }\right)\right)\varphi \right|^{2}\ -\ {\lambda ^{2} \over 4}\left(\varphi ^{\dagger }\varphi -v^{2}\right)^{2}\;.}$

Стандардниот модел (СМ) го предвиде постоењето на W и Z бозоните, глуоните, и врвниот кварк и волшебниот кварк пред истите да бидат набљудувани. Нивните предвидени вредности беа доста прецизно потврдени низ опитите. За да се стекнеме со големината на успехот на СМ, во следната табела се споредени измерените маси на W и Z бозоните со масите предвидени од СМ:

СМ има исто така предвидувања и за распадот на Z бозоните, кои се потврдени преку опити со помош на Големиот електронско-позитронски судирач во CERN.

Во мај 2012 година BaBar изјавија дека нивните разгледувања на податоците навестуваат дека постојат грешки во стандардниот модел на честичната физика.^[26][27] Овие податоци покажуваат дека одреден тип на распаѓање на честичките наречен „B to D-star-tau-nu“ се случува почесто отколку што вели стандардниот модел. При овој начин на распад, честичка наречена B-bar мезон dсе распаѓа во D мезон, антинеутрино и тау-лептон. Додека нивото на испадот е утврдено на (3.4 сигма) не е доволно силно тврдење за да се напушти стандардниот модел, резултатите сепак укажуваат дека нешто не е во ред и сигурно ќе влијаат на постоечките теории, вклучувајќи ги и тие кои се обидуваат да ги одредат одликите на Хигсовите бозони.^[28]

На 13 декември 2012 година, физичарите ја потврдија постојаноста, низ просторот и времето, на основната физичка постојана на природата која го поддржува стандардниот модел на физиката. Научниците, проучувајќи ги молекулите на метанолот во далечните галаксии, ја измерија промената (∆μ/μ) кај односот на масите протон-електрон μ е еднаков на „(0.0 ± 1.0) × 10⁻⁷ при црвено поместување z = 0.89“ и во согласност со „нултиот резултат“.^[29][30]

Самоодржливоста на стандардниот модел не е докажана математички. Иако постоечки верзии корисни за приближните пресметки, не е познато дали тие се собираат во границата ако регулаторот е отстранет. Важно прашање поврзано со постојаноста е проблемот наречен Јанг–Миловато постоење и паразнина од маса.

Опитите потврдуваат дека неутрината имаат маса, која класичниот стандарден модел не ја дозволува.^[31] За да се приспособи на ова откритие, стандардниот модел може да се измени и да ја вклучи во себе и масата ан неутрината.

Ако се турка само користењето на честички од стандардниот модел, тогаш ова може да се постигне со додавање на неренормализирачки заемодејства на лептоните со Хигсовиот бозон.^[32] На основно ниво, ваквото заемодејство произлегува во механизмот на клацкалка каде тешките десни неутрина се додадени во теоријата. Ова е природно во лево-десното симетрично проширување на стандардниот модел ^[33][34] и во некои теории на сè.^[35] Сè додека се појавуваат нови физички податоци се добиваат со енергии поголеми или помали од 10¹⁴ ГеВ, масите на неутрините можат да имаат вистинити големини.

Теориските и опитните истражувања се обидуваат да го прошират стандардниот модел во т.н. теорија на сè, теорија која целосно ги објаснува физичките појави вклучувајќи ги тука и постојаните. Недостатоците на стандардниот модел кои го мотивираат понатамошното истражување се:

• Не се обидува да ја објасни гравитацијата.
• Некои го гледаат како ad hoc неелегантно решение.
• Хигсовиот механизам го создава хиерархискиот проблем.
• треба да биде изменет на тој начин за да биде во согласност со „стандардниот модел на космологијата.“

Моментално, не постои теорија на сè која е широко прифатена и потврдена.

• Основно заемодејство:
  • Квантна електродинамика
  • Силно заемодејство: Обоен полнеж, Квантна хромодинамика, Кварков модел
  • Слабо заемодејство: Електрослаба теорија, Фермиова теорија за бета-распад, Слаб хиперполнеж, Слаб изоспин
• Баждарна теорија
• Хигсов механизам: Хигсов бозон
• Лангранжијан
• Пингвинов дијаграм
• Квантна теорија за полето

• Подробно објаснување на стандардниот модел Архивирано на 4 февруари 2014 г. — Џон Елис од CERN
• Стандардниот модел — градивото на материјата и четирите фундаментални сили од Метју Ноубс (2002)