A Standard Modell (SM) egy elméleti konstrukció az elemi részecskefizikában , amely leírja az összes elemi részecske elektromágneses , gyenge és erős kölcsönhatását . A modern készítmény a kvarkok létezésének kísérleti megerősítése után a 2000-es években készült el . A t-kvark (1995) [1] , a b-kvark (1977) és a tau-neutrínó (2000) felfedezése megerősítette az SM helyességét.
A Standard Modell nem elmélete mindennek , mivel nem írja le a sötét anyagot , a sötét energiát , és nem tartalmazza a gravitációt . A köztes vektorbozonok létezésének kísérleti megerősítése az 1980-as évek közepén befejezte a Standard Modell felépítését és főként való elfogadását. A modell enyhe bővítésének szükségessége 2002-ben, a neutrínó oszcillációinak felfedezése után merült fel, a Higgs-bozon létezésének 2012-es megerősítése pedig befejezte a Standard Modell által megjósolt elemi részecskék kísérleti kimutatását [2] .
Ennek ellenére az SM rendkívül fontos az elméleti és kísérleti részecskefizika szempontjából . A teoretikusok számára az SM egy olyan elmélet alapvető példája, amely a fizikai jelenségek széles skáláját mutatja be, beleértve a spontán szimmetriatörést , kvantum anomáliákat [ stb . további dimenziókat és kiterjesztett szimmetriákat (például szuperszimmetriát ) próbálva megmagyarázni a kísérleti eredményeket, amelyekre az SM nem vonatkozik. A kísérletezők viszont az SM-et arra használják, hogy olyan jelenségeket keressenek, amelyek túlmutatnak annak határain. Ezenkívül az SM a részecskefizikán kívüli területeken is talált alkalmazásokat, például a csillagászatban , a kozmológiában és a magfizikában .
A standard modell a következő összetevőket tartalmazza: 6 kvark, 6 lepton, 4 erőhordozó részecske és 1 Higgs-bozon. Ha figyelembe vesszük az antirészecskéket és a gluonok különböző színű töltéseit, akkor az SM összesen 61 egyedi részecskét ír le [3] [4] .
A Standard Modell alapjait 1960-ban Sheldon Glashow fektette le , aki megpróbálta egyesíteni az elektromágneses és a gyenge erőket. 1967-ben Steven Weinberg és Abdus Salam beépítette a Higgs-mechanizmust Glashow elméletébe, így adva annak modern formáját. A Higgs-mechanizmus szükséges a tömeg megjelenéséhez az összes SM elemi részecskében - W-bozonokban, Z-bozonokban, kvarkokban és leptonokban . 1973-ban a CERN-ben felfedezték a Z-bozon által hordozott semleges áramokat, ami után az elektrogyenge elmélet széles körben elfogadottá vált. Glashow, Salam és Weinberg megosztva kapott 1979-ben a fizikai Nobel-díjat a létrehozásáért. A W és Z bozonokat kísérleti úton fedezték fel 1981-ben, és tömegük megfelelt az SM előrejelzésének. Az erős erő elmélete, amelyben sok tudós vesz részt, 1973-1974 körül öltötte modern formáját, amikor a kísérletek megerősítették, hogy a hadronok tört töltésű kvarkokból állnak.
Az anyag és az energia jelenleg a kinematika és az elemi részecskék (EP) kölcsönhatása szempontjából érthető a legjobban. Ma a fizika az összes ismert anyag- és energiaforma viselkedését és kölcsönhatásait szabályozó törvényeket alapvető törvények és elméletek kis halmazára redukálta. A fizika fő célja egy olyan „közös alapot” találni, amely ezeket az elméleteket egyetlen általános „ minden elméletté ” egyesítheti , amelyben minden más ismert törvény különleges eset lenne, és amelyből az anyag minden formája viselkedése, ill. energiára lehetne következtetni.(legalábbis elvileg). Az SM a két fő korábbi elméletet - az elektrogyenge kölcsönhatás kvantumelméletét és a kvantumkromodinamikát - egy belsőleg koherens elméletté egyesítette, amely az összes ismert részecske közötti kölcsönhatást kvantumtérelmélet (QFT) segítségével írja le.
A szabványos modell a következő rendelkezésekből áll:
A neutrínó oszcillációinak felfedezése miatt a szabványos modellnek olyan bővítésre van szüksége, amely további 3 neutrínótömeget és legalább 4 paramétert tartalmaz a PMNS neutrínókeverő mátrixból , hasonlóan a CKM kvark keverési mátrixhoz, és esetleg további 2 keverési paramétert, ha a neutrínó Majorana . részecskék . Ezenkívül a kvantumkromodinamika vákuumszöge néha bekerül a standard modell paraméterei közé . Figyelemre méltó, hogy egy 20 páratlan számból álló matematikai modell képes leírni a fizikában eddig elvégzett kísérletek millióinak eredményeit [5] .
A Standard Modell lokális nyomtáv szimmetriára épül , spontán megtörve [6] előtt . Mindhárom paraméter egy adott típusú interakcióért felelős. A kvantumelektrodinamika invariáns az U(1) lokális szelvénytranszformációk alatt : azaz a Lagrange invariáns a lokális szelvénytranszformációk alatt . A gyenge kölcsönhatást (Yang-Mills mező) invariancia jellemzi az SU(2) nem-abeli szimmetriacsoportokhoz képest [7] :
Ez a mérőtranszformáció felírható 2×2-es unitárius mátrixként, amelynek determinánsa eggyel egyenlő. Az elektrogyenge kölcsönhatásra, mint az elektrodinamika és a gyenge kölcsönhatás egyesítésére, van egy szimmetria . Az erős kölcsönhatásokat a kvantumkromodinamika írja le, amelyet az SU(3) szimmetria jellemez . Az SU(3) csoport egy determinánssal rendelkező 3x3 mátrixok csoportja. A 3×3-as mátrix kilenc elemű, de az a követelmény, hogy a determináns eggyel egyenlő legyen, a független elemek számát nyolcra csökkenti. Ezért van 8 gluon.
A tömeg nélküli részecskék ( W- és Z-bozonok ) létezése az elektrogyenge kölcsönhatási modellből következik , de kísérletileg bebizonyosodott, hogy ezeknek a töltött részecskéknek van tömegük. Ezt a problémát a spontán szimmetriatörés mechanizmusa ( Higgs-mechanizmus ) oldja meg. A Higgs-mező (Higgs-bozon) biztosít tömeget ezeknek a tömeg nélküli részecskéknek.
Az SM 12 elemi részecskét tartalmaz ½ spinnel, amelyeket fermionoknak neveznek . A spin-statisztika tétele szerint a fermionok engedelmeskednek a Pauli-féle kizárási elvnek. Minden fermionnak van egy antirészecskéje. Az SM fermionokat aszerint osztályozzák, hogy hogyan hatnak egymásra (vagy ennek megfelelően, a töltésük szerint). Hat kvark (u-kvark és d-kvark, c-kvark és s-kvark, t-kvark és b-kvark) és hat lepton (elektron és e-neutrínó, müon és mu-neutrínó, taon és tau-neutrínó) létezik. ) . Az egyes halmazok párjai generációkba vannak csoportosítva, így a különböző generációk megfelelő részecskéi hasonló tulajdonságokat mutatnak. A kvarkok meghatározó tulajdonsága, hogy színük van (rgb) , és ezért részt vesznek az erős kölcsönhatásban. A színbezártság jelensége az , hogy a kvarkok mindig egymáshoz kötve színsemleges összetett részecskéket ( hadronokat ) képeznek. A hadron vagy egy kvarkot tartalmaz egy megfelelő antikvarkkal ( mezon ), vagy három három különböző színű kvarkot ( barionokat ). A proton és a neutron a legkisebb tömegű barionok ( p = u + u + d , n = u + d + d ). A kvarkok elektromos töltést és gyenge izospint is hordoznak . Így elektromágneses és gyenge kölcsönhatásban is részt vesznek.
A fennmaradó hat fermionnak nincs színtöltése, és leptonoknak nevezik őket . Az elektron , a müon és a taon elektromos töltéssel rendelkeznek, és részt vehetnek elektromágneses és gyenge kölcsönhatásokban. A három neutrínónak szintén nincs elektromos töltése, így csak gyenge kölcsönhatásban tudnak részt venni. Alacsony energiákon a neutrínók rendkívül gyengén lépnek kölcsönhatásba az anyaggal, és óriási úthosszuk ~ 10 18 m , ami rendkívül megnehezíti tanulmányozásukat. Minden következő generáció egy tagjának tömege nagyobb, mint a fiatalabb generáció megfelelő részecskéjének. Az első (fiatalabb) generáció részecskéi stabilak [8] . Minden barion anyag az első generációs részecskékből áll. Különösen az összes kémiai elem atomja az atommagokat ( nukleonokat ) körülvevő elektronokból áll, amelyek protonokból és neutronokból állnak, ezek pedig u-kvarkokból és d-kvarkokból állnak . A második és harmadik generáció töltött részecskéi éppen ellenkezőleg, rövid életűek és nagyon rövid felezési idejük van. Ezért csak nagy energiájú eseményekben és kísérletekben figyelhetők meg.
Az SM-ben a mérőbozonokat olyan erőhordozókként határozzák meg, amelyek az erős, gyenge és elektromágneses alapvető kölcsönhatásokat hajtják végre. A kölcsönhatások a fizikában úgy értendők, mint egyes részecskék másokra való befolyásolásának módja. Makroszkópikus szinten az elektromágnesesség lehetővé teszi, hogy a részecskék elektromos és mágneses mezőn keresztül kölcsönhatásba lépjenek egymással, a gravitáció pedig lehetővé teszi, hogy a tömegű részecskék vonzzák egymást, összhangban Einstein általános relativitáselméletével. Az SM ezeket az erőket az anyagrészecskék más részecskékkel való cseréjének eredményének tekinti, amelyeket "erőhordozó részecskéknek" neveznek (szigorúan véve ez csak a "perturbációelméletként" ismert közelítő számítási módszer szó szerinti értelmezésével van így. "). Az erőhordozó részecskék cseréje esetén a hatás makroszinten ugyanaz, mint az erőkölcsönhatás esetén. Ezért a hordozó részecskéket ezen kölcsönhatások közvetítőinek vagy „ágenseinek” nevezik [10] . A Feynman-diagramok , amelyek a perturbációelmélet közelítésének vizuális ábrázolásai, "erőhordozó részecskéket" használnak, és kiválóan megegyeznek a tapasztalatokkal a nagyenergiájú kísérletek elemzésekor. A perturbációelmélet (és vele együtt a hordozórészecskék fogalma) azonban más helyzetekben nem működik. Ide tartozik az alacsony energiájú kvantumkromodinamika, a kötött állapotok és a szolitonok. Minden SM mérőbozonnak van spinje (mint az anyagrészecskéknek is). A spinértékük 1, ami bozonokká teszi őket. Ezért nem engedelmeskednek a Pauli-féle kizárási elvnek, amely korlátozásokat ír elő a fermionokra. Az alábbiakban ismertetjük a különböző típusú mérőbozonokat:
Az SM által leírt részecskék közötti kölcsönhatásokat a jobb oldali diagram foglalja össze.
A Higgs-bozon egy hatalmas skaláris elemi részecske. Peter Higgs és társszerzői jósolták meg 1964-ben. A Higgs-bozon az SM sarokköve. Nincs belső spinje, ezért bozonnak tekintik (hasonlóan a mérőbozonokhoz, amelyek egész spinnel rendelkeznek). A Higgs-bozon megfigyelése rendkívül nagy energiát és nyalábsűrűséget igényel a High Energy Colliderben . Ezért ez volt az egyetlen alapvető részecske, amelyet az SM megjósolt, de egy ideig nem fedezték fel 5,0 σ megbízhatósággal . 2012 júliusában azonban a CERN egy "Higgs-szerű" részecske megfigyeléséről számolt be, amelynek megbízhatósága 4,0 σ [11] . További kísérletek után deklarálták a felfedezés megbízhatóságát [12] [13] .
A Higgs-bozon egyedülálló szerepet játszik az SM-ben, megmagyarázva, hogy a fotonok, gluonok és neutrínók kivételével az összes többi részecske tömege miért van. Az elemi részecskék tömege, valamint az elektromágnesesség (fotonok által hordozott) és a gyenge erők (a W és Z bozonok által hordozott) megkülönböztetése kritikus fontosságú a mikrokozmosz (és így a makrokozmosz) szerkezetének számos vonatkozása szempontjából. Az elektrogyenge elmélet szerint a Higgs-bozon leptonok és kvarkok tömegeit eredményezi. Mivel a Higgs-bozon hatalmas, önmagával is kölcsönhatásba kell lépnie.
A Higgs-bozon nagyon nagy tömegű, és létrejötte után szinte azonnal lebomlik. Ezért csak egy nagyon nagy energiájú részecskegyorsító képes észlelni és regisztrálni. A CERN 2010 elején kezdett kísérleteket a Higgs-bozon kimutatására és tanulmányozására a Large Hadron Collider (LHC) segítségével. Az SM matematikai konzisztenciája megköveteli, hogy az EP-tömegek kialakulásáért felelős mechanizmus 1,4 TeV körüli energiáknál látható legyen [14] . Így jött létre az LHC (két 7,0-8,0 TeV energiájú protonnyaláb ütközésére készült) a Higgs-bozon létezésének kérdésére. 2012. július 4-én az LHC-ben végzett két nagy kísérlet ( ATLAS és CMS ) lehetővé tette egy körülbelül 125,0 GeV/ c² (körülbelül 133 protontömeg) tömegű új részecske felfedezésének független jelentését [15] [16] [17] [18] . 2013. március 13-án megerősítették, hogy ez a kívánt Higgs-bozon [19] [20] .
A 20. század végétől a Standard Modell minden előrejelzését kísérletileg megerősítették , néha nagyon nagy pontossággal – akár milliomod százalékos pontossággal [21] . Csak a 2000-es években kezdtek megjelenni olyan eredmények, amelyekben a Standard Modell előrejelzései némileg eltérnek a kísérlettől, sőt olyan jelenségek is, amelyeket annak keretein belül rendkívül nehéz értelmezni [comm. 1] [comm. 2] . Másrészt nyilvánvaló, hogy a Standard Modell nem lehet az utolsó szó az elemi részecskefizikában , mert túl sok külső paramétert tartalmaz, és a gravitációt sem tartalmazza . Ezért a 2010-es évek egyik legaktívabb kutatási területe a Standard Modelltől való eltérések keresése (az úgynevezett „ új fizika ”). Várható volt, hogy a Nagy Hadronütköztetőben végzett kísérletek sok eltérést képesek lesznek regisztrálni a Standard Modelltől (masszív neutrínók hozzáadásával), de 12 évnyi kísérlet során nem találtak ilyen eltérést. 2021-ig nem voltak meggyőző jelek az új fizika létezésére a Standard Modellen kívül.
2021 márciusában az LHCb kísérlet a lepton univerzalitás megsértésének felfedezéséről számolt be. Ez a szabálysértés abban nyilvánul meg, hogy a szép mezonok B + → K + l + l - (ahol l = µ, e) bomlása müonpárok kibocsátásával 15 %-kal ritkábban történik, mint az elektronpárok kibocsátásával. A mérések több mint három szórással nem egyeznek a Standard Modell előrejelzéseivel [24] .
2021 áprilisában a Fermilab arról számolt be, hogy a müon anomális mágneses momentumának g-tényezőjének mérései a Muon g-2 kísérletekben statisztikailag szignifikáns eltérést mutatnak a Standard Modell előrejelzéseitől négynél nagyobb megbízhatósággal. szórások [25] . Ezek az anomáliák a müon viselkedésében erős bizonyítékai az ötödik alapvető kölcsönhatás létezésének [26] [27] .
2022 áprilisában a CDF nemzetközi együttműködés fizikusai a Tevatron ütköztető 10 éves működésének adatai alapján készült tanulmányukban kimutatták, hogy a W-bozon tömege 0,09%-kal nagyobb, mint a a Standard Modell [28] [29] .
Oroszul:
Idegen nyelveken:
Szótárak és enciklopédiák | |
---|---|
Bibliográfiai katalógusokban |
|