www.wikidata.uk-ua.nina.az

Стандартна модель Станда ртна моде ль у фізиці елементарних частинок теоретична конструкція що описує електромагнітну сл

Стандартна модель

Станда́ртна моде́ль у фізиці елементарних частинок — теоретична конструкція, що описує електромагнітну, слабку і сильну взаємодію всіх елементарних частинок. Стандартна модель не є теорією всього, бо не описує темну матерію, темну енергію і не включає в себе гравітацію. Експериментальне підтвердження існування проміжних векторних бозонів в середині 80-х років завершило побудову Стандартної моделі і її прийняття як основну у фізиці елементарних частинок. Необхідність незначного розширення моделі виникла в 2002 році після виявлення нейтринних осциляцій, а підтвердження існування бозона Хіггса в 2012 році завершило експериментальне виявлення частинок, що передбачаються Стандартною моделлю. Всього модель описує 61 частинку.

Взаємодія між істинно елементарними частинками (полями) у Стандартній моделі. Важливо, що деякі поля мають самодію, тобто взаємодіють з собою.

Основні положення Редагувати

Стандартна модель складається з таких тверджень.

Частинками-носіями взаємодій є:

  • Маса частинок пояснюється їхньою взаємодією з полем Хіггса, квантом якого є бозон Хіггса.
  • На відміну від електромагнітної і сильної, слабка взаємодія може змішувати ферміони з різних поколінь, що призводить до нестабільності всіх частинок, за винятком найлегших, і до таких ефектів, як CP-порушення і осциляції нейтрино.

Дотепер всі прогнози Стандартної моделі підтверджувалися експериментами, іноді з фантастичною точністю в мільйонні частки відсотка. Тільки останніми роками стали з'являтися результати, в яких прогнози Стандартної моделі злегка розходяться з експериментом. Водночас, очевидно, що Стандартна модель не може бути останнім словом у фізиці елементарних частинок, бо вона містить дуже багато зовнішніх параметрів, а також не включає гравітацію. Тому пошук відхилень від Стандартної моделі — один з найактивніших напрямків дослідження останніми роками. Очікується, що експерименти на Великому адронному колайдері зможуть зареєструвати нові відхилення від Стандартної моделі.

Основи квантової теорії поля Редагувати

Як основа Стандартної моделі виступає квантова теорія поля — розділ теоретичної фізики, що вивчає квантовані релятивістські поля. В її рамках усі матеріальні об'єкти представляються полями, кванти яких відповідають частинкам. Усі поля квантової теорії поля лоренц-коваріантні, тобто для них виконуються постулати спеціальної теорії відносності. Крім того від них вимагається спеціальна симетрія щодо локальних перетворень, яку називають калібрувальною інваріантністю, яка дозволяє об'єднати частинки, що спостерігаються в екпериментах, в окремі родини і покоління.

Кварки Редагувати

Складові адронів — кварки: баріони містять 3 кварки, мезони — кварк і антикварк. 6 ароматів кварків об'єднані в 3 сімейства (покоління), кожне з яких дедалі масивніше. Кварки up-типу (Q=2/3): u, c, t, і кварки down-типу (Q=-1/3): d, s, b. За кварковою моделлю протон складається з uud, нейтрон — з udd. В 50-х роках було відкрито Δ++, який має спін 3/2 і складається з трьох u-кварків. Це суперечить принципу Паулі: оскільки кварки ферміони, то вони не можуть перебувати в одному квантовому стані (з однаковими усіма квантовими числами). Тому було додано ще одне квантове число (ще один ступінь свободи) — колір, який може набувати значень: зелений (або жовтий), синій і червоний. Назви кольорів вибрано для зручності за аналогією до оптики. В експериментах це квантове число спостерігати не можна, оскільки всі спостережувані частинки є безколірними: баріони складаються з трьох кварків різних кольорів — отримуємо білий колір (як змішування світла), мезони складаються з двох кварків, які мають протилежні кольори (наприклад, червоний і античервоний). Розділ фізики, який вивчає кольорову взаємодію, називається квантова хромодинаміка.

Проблеми Стандартної моделі Редагувати

Теоретичними та експериментальними дослідженнями була зроблена спроба розширити Стандартну модель в Об'єднану теорію поля або в теорію всього, тобто в повну теорію, що пояснює всі фізичні явища, включаючи константи. Стандартна модель має ряд недоліків:

  • Вона не намагається пояснити гравітацію, хоча теоретична частинка відома як гравітон могла б це зробити, і на відміну від сильної і електрослабкої взаємодій, Стандартна модель не пропонує способу опису загальної теорії відносності, канонічної теорії гравітації, з погляду квантової теорії поля. Причина цього поміж всього іншого полягає в тому, що квантова теорія гравітації перестає працювати в масштабах Планка. Як наслідок, у нас немає надійної теорії раннього Всесвіту;
  • Деякі науковці вважають теорію надто спеціальною і неелегантною, оскільки вона вимагає 19 числових констант, значення яких не пов'язані і довільні. Проте Стандартна модель, така якою вона є зараз, можна пояснити, чому у нейтрино є маса, незважаючи на те, що її специфіка досі незрозуміла. Вважається, що пояснення маси нейтрино потребує додаткових 7 або 8 констант, які також будуть довільними параметрами;
  • Механізм Хіггса породжує проблему калібрувальної ієрархії, якщо в гру вступає фізика високоенергетичних масштабів. У цьому випадку, для того, щоб порядок слабкої взаємодії був набагато меншим, ніж масштаб Планка, потрібно підігнати багато параметрів. Також постає питання квантової тривіальності, яка припускає, що неможливо створити послідовну квантову теорію поля за участю скалярних елементарних частинок;
  • Стандартну модель слід модифікувати таким чином, щоб вона була сумісною з «Стандартною моделлю космології.» Зокрема, стандартна модель не може пояснити кількість видимої холодної темної матерії і дає внесок в темну енергію, який занадто великий (багато порядків). Стандартна модель також не пояснює спостережуване переважання речовини над антиречовиною. Стаціонарність і однорідність видимого Всесвіту і на великих відстанях вимагає механізму космічної інфляції, який також повинен стати розширенням Стандартної моделі.
  • Існування ультра-високих енергій космічних променів важко пояснити в рамках Стандартної моделі.

Наразі момент немає перевіреної і всіма прийнятої фізично-математичної теорії, що описує всі відомі фундаментальні взаємодії.

Симетрії в Стандартній моделі Редагувати

Стандартна модель побудована на локальній калібрувальній симетрії , спонтанно порушеній до . Кожен з трьох параметрів відповідає за конкретний тип взаємодії. Квантова електродинаміка є інваріантною відносно локальних калібрувальних перетворень U(1): лагранжіан інваріантний відносно локальних калібрувальних перетворень . Для слабкої взаємодії (поля Янга — Міллса) властива інваріантність відносно неабелевої групи симетрії SU(2):

Дане калібрувальне перетворення може бути записане у вигляді унітарної матриці 2x2 із визначником рівним одиниці. Відповідно електрослабка взаємодія, як об'єднання електродинаміки із слабкою взаємодією, буде мати симетрію . Сильні взаємодії описує квантова хромодинаміка для якої властива SU(3) симетрія. Група SU(3) це група матриць 3x3 із визначником, рівним одиниці. В матриці 3x3 дев'ять елементів, вимога рівності одиниці визначника зводить число незалежних елементів до восьми. Ось чому існує 8 глюонів. Із електрослабкої моделі випливає існування безмасових частинок (W- і Z-бозони), але експериментально доведено, що вони мають масу. Цю проблему розв'язує механізм спонтанного порушення симетрії (механізм Хіггса). Поле Хіггса (бозон Хіггса) надає масу цим безмасовим частинкам. Лагранжіан, що описує поле Хіггса, є інваріантним відносно глобальних калібрувальних перетворень .

Див. також Редагувати

Примітки Редагувати

  1. Половинка от магнита Владислав Кобычев, Сергей Попов «Популярная механика» № 2, 2015Архив
  2. ↑ Е.В.Горбар, В.П.Гусинін (2014). Бозон Хіггса: передбачення, пошук, відкриття. Вісник НАН України. ISSN 0372-6436. 
  3. Райдер Л. Квантовая теория поля. — М. : Мир, 1987. — 512 с.
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри
Дата публікації:
Standa rtna mode l u fizici elementarnih chastinok teoretichna konstrukciya sho opisuye elektromagnitnu slabku i silnu vzayemodiyu vsih elementarnih chastinok Standartna model ne ye teoriyeyu vsogo bo ne opisuye temnu materiyu temnu energiyu i ne vklyuchaye v sebe gravitaciyu Eksperimentalne pidtverdzhennya isnuvannya promizhnih vektornih bozoniv v seredini 80 h rokiv zavershilo pobudovu Standartnoyi modeli i yiyi prijnyattya yak osnovnu u fizici elementarnih chastinok Neobhidnist neznachnogo rozshirennya modeli vinikla v 2002 roci pislya viyavlennya nejtrinnih oscilyacij a pidtverdzhennya isnuvannya bozona Higgsa v 2012 roci zavershilo eksperimentalne viyavlennya chastinok sho peredbachayutsya Standartnoyu modellyu Vsogo model opisuye 61 chastinku 1 Vzayemodiya mizh istinno elementarnimi chastinkami polyami u Standartnij modeli Vazhlivo sho deyaki polya mayut samodiyu tobto vzayemodiyut z soboyu Zmist 1 Osnovni polozhennya 2 Osnovi kvantovoyi teoriyi polya 3 Kvarki 4 Problemi Standartnoyi modeli 5 Simetriyi v Standartnij modeli 6 Div takozh 7 PrimitkiOsnovni polozhennya RedaguvatiStandartna model skladayetsya z takih tverdzhen Vsya rechovina skladayetsya z 12 fundamentalnih chastinok fermioniv 6 leptoniv elektron myuon tau lepton i tri sorti nejtrino i 6 kvarkiv u d s c b t yaki mozhna ob yednati v tri pokolinnya fermioniv Kvarki berut uchast v silnih slabkih ta elektromagnitnih vzayemodiyah zaryadzheni leptoni elektron myuon tau lepton v slabkih i elektromagnitnih nejtrino tilki v slabkih vzayemodiyah Vsi tri tipi vzayemodij vinikayut yak naslidok postulatu sho nash svit simetrichnij shodo troh tipiv kalibruvalnih peretvoren Chastinkami nosiyami vzayemodij ye 8 glyuoniv dlya silnoyi vzayemodiyi grupa simetriyi SU 3 3 vazhki kalibruvalni bozoni W W Z0 dlya slabkoyi vzayemodiyi grupa simetriyi SU 2 odin foton dlya elektromagnitnoyi vzayemodiyi grupa simetriyi U 1 Masa chastinok poyasnyuyetsya yihnoyu vzayemodiyeyu z polem Higgsa kvantom yakogo ye bozon Higgsa Na vidminu vid elektromagnitnoyi i silnoyi slabka vzayemodiya mozhe zmishuvati fermioni z riznih pokolin sho prizvodit do nestabilnosti vsih chastinok za vinyatkom najlegshih i do takih efektiv yak CP porushennya i oscilyaciyi nejtrino Doteper vsi prognozi Standartnoyi modeli pidtverdzhuvalisya eksperimentami inodi z fantastichnoyu tochnistyu v miljonni chastki vidsotka Tilki ostannimi rokami stali z yavlyatisya rezultati v yakih prognozi Standartnoyi modeli zlegka rozhodyatsya z eksperimentom Vodnochas ochevidno sho Standartna model ne mozhe buti ostannim slovom u fizici elementarnih chastinok bo vona mistit duzhe bagato zovnishnih parametriv a takozh ne vklyuchaye gravitaciyu Tomu poshuk vidhilen vid Standartnoyi modeli odin z najaktivnishih napryamkiv doslidzhennya ostannimi rokami Ochikuyetsya sho eksperimenti na Velikomu adronnomu kolajderi zmozhut zareyestruvati novi vidhilennya vid Standartnoyi modeli Osnovi kvantovoyi teoriyi polya RedaguvatiYak osnova Standartnoyi modeli vistupaye kvantova teoriya polya rozdil teoretichnoyi fiziki sho vivchaye kvantovani relyativistski polya V yiyi ramkah usi materialni ob yekti predstavlyayutsya polyami kvanti yakih vidpovidayut chastinkam Usi polya kvantovoyi teoriyi polya lorenc kovariantni tobto dlya nih vikonuyutsya postulati specialnoyi teoriyi vidnosnosti Krim togo vid nih vimagayetsya specialna simetriya shodo lokalnih peretvoren yaku nazivayut kalibruvalnoyu invariantnistyu yaka dozvolyaye ob yednati chastinki sho sposterigayutsya v ekperimentah v okremi rodini i pokolinnya Kvarki RedaguvatiSkladovi adroniv kvarki barioni mistyat 3 kvarki mezoni kvark i antikvark 6 aromativ kvarkiv ob yednani v 3 simejstva pokolinnya kozhne z yakih dedali masivnishe Kvarki up tipu Q 2 3 u c t i kvarki down tipu Q 1 3 d s b Za kvarkovoyu modellyu proton skladayetsya z uud nejtron z udd V 50 h rokah bulo vidkrito D yakij maye spin 3 2 i skladayetsya z troh u kvarkiv Ce superechit principu Pauli oskilki kvarki fermioni to voni ne mozhut perebuvati v odnomu kvantovomu stani z odnakovimi usima kvantovimi chislami Tomu bulo dodano she odne kvantove chislo she odin stupin svobodi kolir yakij mozhe nabuvati znachen zelenij abo zhovtij sinij i chervonij Nazvi koloriv vibrano dlya zruchnosti za analogiyeyu do optiki V eksperimentah ce kvantove chislo sposterigati ne mozhna oskilki vsi sposterezhuvani chastinki ye bezkolirnimi barioni skladayutsya z troh kvarkiv riznih koloriv otrimuyemo bilij kolir yak zmishuvannya svitla mezoni skladayutsya z dvoh kvarkiv yaki mayut protilezhni kolori napriklad chervonij i antichervonij Rozdil fiziki yakij vivchaye kolorovu vzayemodiyu nazivayetsya kvantova hromodinamika Problemi Standartnoyi modeli RedaguvatiTeoretichnimi ta eksperimentalnimi doslidzhennyami bula zroblena sproba rozshiriti Standartnu model v Ob yednanu teoriyu polya abo v teoriyu vsogo tobto v povnu teoriyu sho poyasnyuye vsi fizichni yavisha vklyuchayuchi konstanti Standartna model maye ryad nedolikiv Vona ne namagayetsya poyasniti gravitaciyu hocha teoretichna chastinka vidoma yak graviton mogla b ce zrobiti i na vidminu vid silnoyi i elektroslabkoyi vzayemodij Standartna model ne proponuye sposobu opisu zagalnoyi teoriyi vidnosnosti kanonichnoyi teoriyi gravitaciyi z poglyadu kvantovoyi teoriyi polya Prichina cogo pomizh vsogo inshogo polyagaye v tomu sho kvantova teoriya gravitaciyi perestaye pracyuvati v masshtabah Planka Yak naslidok u nas nemaye nadijnoyi teoriyi rannogo Vsesvitu Deyaki naukovci vvazhayut teoriyu nadto specialnoyu i neelegantnoyu oskilki vona vimagaye 19 chislovih konstant znachennya yakih ne pov yazani i dovilni Prote Standartna model taka yakoyu vona ye zaraz mozhna poyasniti chomu u nejtrino ye masa nezvazhayuchi na te sho yiyi specifika dosi nezrozumila Vvazhayetsya sho poyasnennya masi nejtrino potrebuye dodatkovih 7 abo 8 konstant yaki takozh budut dovilnimi parametrami Mehanizm Higgsa porodzhuye problemu kalibruvalnoyi iyerarhiyi yaksho v gru vstupaye fizika visokoenergetichnih masshtabiv U comu vipadku dlya togo shob poryadok slabkoyi vzayemodiyi buv nabagato menshim nizh masshtab Planka potribno pidignati bagato parametriv Takozh postaye pitannya kvantovoyi trivialnosti yaka pripuskaye sho nemozhlivo stvoriti poslidovnu kvantovu teoriyu polya za uchastyu skalyarnih elementarnih chastinok Standartnu model slid modifikuvati takim chinom shob vona bula sumisnoyu z Standartnoyu modellyu kosmologiyi Zokrema standartna model ne mozhe poyasniti kilkist vidimoyi holodnoyi temnoyi materiyi i daye vnesok v temnu energiyu yakij zanadto velikij bagato poryadkiv Standartna model takozh ne poyasnyuye sposterezhuvane perevazhannya rechovini nad antirechovinoyu Stacionarnist i odnoridnist vidimogo Vsesvitu i na velikih vidstanyah vimagaye mehanizmu kosmichnoyi inflyaciyi yakij takozh povinen stati rozshirennyam Standartnoyi modeli Isnuvannya ultra visokih energij kosmichnih promeniv vazhko poyasniti v ramkah Standartnoyi modeli Narazi moment nemaye perevirenoyi i vsima prijnyatoyi fizichno matematichnoyi teoriyi sho opisuye vsi vidomi fundamentalni vzayemodiyi Simetriyi v Standartnij modeli RedaguvatiStandartna model pobudovana na lokalnij kalibruvalnij simetriyi S U 3 S U 2 U 1 displaystyle SU 3 times SU 2 times U 1 nbsp spontanno porushenij do S U 3 U 1 displaystyle SU 3 times U 1 nbsp 2 Kozhen z troh parametriv vidpovidaye za konkretnij tip vzayemodiyi Kvantova elektrodinamika ye invariantnoyu vidnosno lokalnih kalibruvalnih peretvoren U 1 lagranzhian invariantnij vidnosno lokalnih kalibruvalnih peretvoren ϕ e i L x t ϕ displaystyle phi rightarrow e i Lambda x t phi nbsp Dlya slabkoyi vzayemodiyi polya Yanga Millsa vlastiva invariantnist vidnosno neabelevoyi grupi simetriyi SU 2 3 ϕ 1 cos L 3 ϕ 1 sin L 3 ϕ 2 displaystyle phi 1 cos Lambda 3 phi 1 sin Lambda 3 phi 2 nbsp ϕ 2 sin L 3 ϕ 1 cos L 3 ϕ 2 displaystyle phi 2 sin Lambda 3 phi 1 cos Lambda 3 phi 2 nbsp ϕ 3 ϕ 3 displaystyle phi 3 phi 3 nbsp Dane kalibruvalne peretvorennya mozhe buti zapisane u viglyadi unitarnoyi matrici 2x2 iz viznachnikom rivnim odinici Vidpovidno elektroslabka vzayemodiya yak ob yednannya elektrodinamiki iz slabkoyu vzayemodiyeyu bude mati simetriyu S U 2 U 1 displaystyle SU 2 times U 1 nbsp Silni vzayemodiyi opisuye kvantova hromodinamika dlya yakoyi vlastiva SU 3 simetriya Grupa SU 3 ce grupa matric 3x3 iz viznachnikom rivnim odinici V matrici 3x3 dev yat elementiv vimoga rivnosti odinici viznachnika zvodit chislo nezalezhnih elementiv do vosmi Os chomu isnuye 8 glyuoniv Iz elektroslabkoyi modeli viplivaye isnuvannya bezmasovih chastinok W i Z bozoni ale eksperimentalno dovedeno sho voni mayut masu Cyu problemu rozv yazuye mehanizm spontannogo porushennya simetriyi mehanizm Higgsa Pole Higgsa bozon Higgsa nadaye masu cim bezmasovim chastinkam Lagranzhian sho opisuye pole Higgsa ye invariantnim vidnosno globalnih kalibruvalnih peretvoren 2 F e i L F displaystyle Phi rightarrow e i Lambda Phi nbsp Div takozh RedaguvatiAnomaliya fizika Nejtrinna minimalna standartna modelPrimitki Redaguvati Polovinka ot magnita Vladislav Kobychev Sergej Popov Populyarnaya mehanika 2 2015Arhiv a b E V Gorbar V P Gusinin 2014 Bozon Higgsa peredbachennya poshuk vidkrittya Visnik NAN Ukrayini ISSN 0372 6436 Rajder L Kvantovaya teoriya polya M Mir 1987 512 s Otrimano z https uk wikipedia org w index php title Standartna model amp oldid 38573004