Стандартная модель элементарных частиц для начинающих

Стандартная модель элементарных частиц для начинающих

«Мы задаёмся вопросом, почему группа талантливых и преданных своему делу людей готова посвятит жизнь погоне за такими малюсенькими объектами, которые даже невозможно увидеть? На самом деле, в занятиях физиков элементарных частиц проявляется человеческое любопытство и желание узнать, как устроен мир, в котором мы живём» Шон Кэрролл

Если вы всё ещё боитесь фразы квантовая механика и до сих пор не знаете, что такое стандартная модель — добро пожаловать под кат. В своей публикации я попытаюсь максимально просто и наглядно объяснить азы квантового мира, а так же физики элементарных частиц. Мы попробуем разобраться, в чём основные отличия фермионов и бозонов, почему кварки имеют такие странные названия, и наконец, почему все так хотели найти Бозон Хиггса.

Из чего мы состоим?

Ну что же, наше путешествие в микромир мы начнём с незатейливого вопроса: из чего состоят окружающие нас предметы? Наш мир, как дом, состоит из множества небольших кирпичиков, которые особым образом соединяясь, создают что-то новое, не только по внешнему виду, но ещё и по своим свойствам. На деле, если сильно к ним приглядеться, то можно обнаружить, что различных видов блоков не так уж и много, просто каждый раз они соединяются друг с другом по-разному, образуя новые формы и явления. Каждый блок — это неделимая элементарная частица, о которой и пойдёт речь в моём рассказе.

Для примера, возьмём какое-нибудь вещество, пусть у нас это будет второй элемент периодической системы Менделеева, инертный газ, гелий. Как и остальные вещества во Вселенной, гелий состоит из молекул, которые в свою очередь образованы связями между атомами. Но в данном случае, для нас, гелий немного особенный, потому что он состоит всего из одного атома.

Из чего состоит атом?

Атом гелия, в свою очередь, состоит из двух нейтронов и двух протонов, составляющих атомное ядро, вокруг которого вращаются два электрона. Самое интересное, что абсолютно неделимым здесь является лишь электрон.

Интересный момент квантового мира

Чем меньше масса элементарной частицы, тем больше места она занимает. Именно по этой причине электроны, которые в 2000 раз легче протона, занимают гораздо больше места по сравнению с ядром атома.

Нейтроны и протоны относятся к группе так называемых адронов (частиц, подверженных сильному взаимодействию), а если быть ещё точнее, барионов.

Адроны можно разделить на группы

• Барионов, которые состоят из трёх кварков
• Мезонов, которые состоят из пары: частица-античастица

Нейтрон, как ясно из его названия, является нейтрально заряженным, и может быть поделён на два нижних кварка и один верхний кварк. Протон, положительно заряженная частица, делится на один нижний кварк и два верхних кварка.

Да, да, я не шучу, они действительно называются верхний и нижний. Казалось бы, если мы открыли верхний и нижний кварк, да ещё электрон, то сможем с их помощью описать всю Вселенную. Но это утверждение было бы очень далеко от истины.

Главная проблема — частицы должны как-то между собой взаимодействовать. Если бы мир состоял лишь из этой троицы (нейтрон, протон и электрон), то частицы бы просто летали по бескрайним просторам космоса и никогда бы не собирались в более крупные образования, вроде адронов.

Фермионы и Бозоны

Достаточно давно учёными была придумана удобная и лаконичная форма представления элементарных частиц, названная стандартной моделью. Оказывается, все элементарные частицы делятся на фермионы, из которых и состоит вся материя, и бозоны, которые переносят различные виды взаимодействий между фермионами.

Разница между этими группами очень наглядна. Дело в том, что фермионам для выживания по законам квантового мира необходимо некоторое пространство, а для бозонов почти не важно наличие свободного места.

Фермионы

Группа фермионов, как было уже сказано, создаёт видимую материю вокруг нас. Что бы мы и где ни увидели, создано фермионами. Фермионы делятся на кварки, сильно взаимодействующие между собой и запертые внутри более сложных частиц вроде адронов, и лептоны, которые свободно существуют в пространстве независимо от своих собратьев.

Кварки делятся на две группы.

• Верхнего типа. К кваркам верхнего типа, с зарядом +23, относят: верхний, очарованный и истинный кварки
• Нижнего типа. К кваркам нижнего типа, с зарядом -13, относят: нижний, странный и прелестный кварки

Истинный и прелестный являются самыми большими кварками, а верхний и нижний — самыми маленькими. Почему кваркам дали такие необычные названия, а говоря более правильно, «ароматы», до сих пор для учёных предмет споров.

Лептоны также делятся на две группы.

• Первая группа, с зарядом «-1», к ней относят: электрон, мюон (более тяжёлую частицу) и тау-частицу (самую массивную)
• Вторая группа, с нейтральным зарядом, содержит: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино

Нейтрино — есть малая частица вещества, засечь которую практически невозможно. Её заряд всегда равен 0.

Возникает вопрос, не найдут ли физики ещё несколько поколений частиц, которые будут еще более массивными, по сравнению с предыдущими. На него ответить трудно, однако теоретики считают, что поколения лептонов и кварков исчерпываются тремя.

Не находите никакого сходства? И кварки, и лептоны делятся на две группы, которые отличаются друг от друга зарядом на единицу? Но об этом позже.

Бозоны

Без них бы фермионы сплошным потоком летали по вселенной. Но обмениваясь бозонами, фермионы сообщают друг другу какой-либо вид взаимодействия. Сами бозоны же с друг другом практически не взаимодействуют.
На самом деле, некоторые бозоны всё же взаимодействуют друг с другом, но об этом будет рассказано более подробно в следующих статьях о проблемах микромира

Взаимодействие, передаваемое бозонами, бывает:

• Электромагнитным, частицы — фотоны. С помощью этих безмассовых частиц передаётся свет.
• Сильным ядерным, частицы — глюоны. С их помощью кварки из ядра атома не распадаются на отдельные частицы.
• Слабым ядерным, частицы — ±W и Z бозоны. С их помощью фермионы перекидываются массой, энергией, и могут превращаться друг в друга.
• Гравитационным, частицы — гравитоны. Чрезвычайно слабая в масштабах микромира сила. Становится видимой только на сверхмассивных телах.

Оговорка о гравитационном взаимодействии.
Существование гравитонов экспериментально ещё не подтверждено. Они существуют лишь в виде теоретической версии. В стандартной модели в большинстве случаев их не рассматривают.

Вот и всё, стандартная модель собрана.

Проблемы только начались

Несмотря на очень красивое представление частиц на схеме, осталось два вопроса. Откуда частицы берут свою массу и что такое Бозон Хиггса, который выделяется из остальных бозонов.

Для того, что бы понимать идею применения бозона Хиггса, нам необходимо обратиться к квантовой теории поля. Говоря простым языком, можно утверждать, что весь мир, вся Вселенная, состоит не из мельчайших частиц, а из множества различных полей: глюонного, кваркового, электронного, электромагнитного и.т.д. Во всех этих полях постоянно возникают незначительные колебания. Но наиболее сильные из них мы воспринимаем как элементарные частицы. Да и этот тезис весьма спорный. С точки зрения корпускулярно-волнового дуализма, один и тот же объект микромира в различных ситуациях ведёт себя то как волна, то как элементарная частица, это зависит лишь от того, как физику, наблюдающему за процессом, удобнее смоделировать ситуацию.

Поле Хиггса

Оказывается, существует так называемое поле Хиггса, среднее значение которого не хочет стремиться к нулю. В результате чего, это поле старается принять некоторое постоянное ненулевое значение во всей Вселенной. Поле составляет вездесущий и постоянный фон, в результате сильных колебаний которого и появляется Бозон Хиггса.
И именно благодаря полю Хиггса, частицы наделяются массой.
Масса элементарной частицы, зависит от того, насколько сильно она взаимодействует с полем Хиггса, постоянно пролетая внутри него.
И именно из-за Бозона Хиггса, а точнее из-за его поля, стандартная модель имеет так много похожих групп частиц. Поле Хиггса вынудило сделать множество добавочных частиц, таких, например, как нейтрино.

Итоги

То, что было рассказано мною, это самые поверхностные понятия о природе стандартной модели и о том, зачем нам нужен Бозон Хиггса. Некоторые учёные до сих пор в глубине души надеются, что частица, найденная в 2012 году и похожая на Бозон Хиггса в БАКе, была просто статистической погрешностью. Ведь поле Хиггса нарушает многие красивые симметрии природы, делая расчёты физиков более запутанными.
Некоторые даже считают, что стандартная модель доживает свои последние годы из-за своего несовершенства. Но экспериментально это не доказано, и стандартная модель элементарных частиц остаётся действующим образцом гения человеческой мысли.

Что такое спин?

Прежде чем переходить к дальнейшим инновациям в области физики, следует определиться с характеристиками всех частиц. К наиболее известным, не считая массы и электрического заряда, относится также и спин. Данная величина называется иначе как «собственный момент импульса» и никоим образом не связана с перемещением субъядерного объекта как целого. Ученым удалось обнаружить частицы со спином 0, ½, 1, 3/2 и 2. Чтобы представить наглядно, хоть и упрощенно, спин, как свойство объекта, рассмотрим следующий пример.

Пусть у предмета имеется спин равный 1. Тогда такой объект при повороте на 360 градусов возвратится в исходное положение. На плоскости этим предметом может быть карандаш, который после разворота на 360 градусов окажется в исходном положении. В случае с нулевым спином, при любом вращении объекта он будет выглядеть всегда одинаково, к примеру, одноцветный мячик.

Для спина ½ потребуется предмет, сохраняющий свой вид при развороте на 180 градусов. Им может быть все тот же карандаш, только симметрично наточенный с обеих сторон. Спин равный 2 потребует сохранения формы при повороте на 720 градусов, а 3/2 – 540.

Данная характеристика имеет очень большое значение для физики элементарных частиц.

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока “Элементарные частицы”

Вы уже знаете, что с давних времён учёные пытались найти наименьшие «кирпичики» материи, при помощи которых можно понять иерархическую структуру строения вещества. Сначала у древних греков (Демокрит, Эпикур) такими неделимыми частицами считались атомы, из которых, по их убеждениям, состоят все тела. Когда Демокрит назвал простейшие нерасчленимые далее частицы атомами (слово атом, напомним, означает «неделимый»), то ему, вероятно, всё представлялось в принципе не очень сложным. Различные предметы, растения, животные состоят из неделимых неизменных частиц. Превращения, наблюдаемые в мире, — это простая перестановка атомов. «Всё в мире течёт, всё изменяется, кроме самих атомов, которые остаются неизменными».

Более 2200 лет понятие Демокрита об атоме не претерпевало практически никаких изменений. Только в начале XIX века данное понятие конкретизировали химики, которые считали атомы наименьшими частицами вещества, определяющими его химические свойства (Я. Берцелиус, Дж. Дальтон, А. Авогадро).

Лишь в конце XIX века, после открытия электрона Томсоном и исследования явления радиоактивности Беккерелем и супругами Кюри, учёные подвергли сомнению элементарность атома и предположили, что он также имеет сложное строение. А в начале нового столетия Эрнест Резерфорд подтвердил это экспериментально и предложил ядерную модель атома, в которой ядро считается также сложным образованием. В 1919 году Резерфорд открыл протон — нуклон, имеющий положительный заряд. Другая частица — нейтрон, входящая в состав ядра, была открыта спустя 13 лет Джеймсом Чедвиком. С тех пор протоны, нейтроны и электроны, а также фотоны стали считаться элементарными частицами.

Затем последовал бум в открытии новых частиц. Сначала (в 1932 году) американец Карл Андерсон обнаружил позитрон — частицу с массой, равно массе электрона, но имеющую положительный элементарный заряд. В 1935 году для объяснения обменного характера сильного взаимодействия нуклонов в ядре японский физик Xидэки Юкава выдвинул гипотезу о существовании пи-мезонов, которые были обнаружены англичанином Сесилом Пауэллом в 1947 году в космических лучах.

Немного раньше (в 1937 году) в космическом излучении были обнаружены мюоны — частицы с отрицательным или положительным элементарным зарядом и массой, в 207 раз превышающей массу электрона.

Позже, по мере возрастания мощности ускорителей, создания новых детекторов элементарных частиц и усовершенствования методики эксперимента, было обнаружено около 400 элементарных частиц.

В настоящее время элементарными называют частицы, которые на современном уровне развития физики нельзя считать соединением более «простых» частиц, существующих в свободном состоянии.

Для всех элементарных частиц характерна способность рождаться и уничтожаться при взаимодействии с другими частицами. Например, мы знаем, что нейтрон в ядре может распасться на протон, электрон и антинейтрино. Но, что удивительно, эти частицы не являются составными частями нейтрона — внутри нейтрона их нет, так как они рождаются только в момент распада. Аналогично ему в класс элементарных частиц попадает мюон, который распадается на электрон, нейтрино и антинейтрино.

Открытие большого количества новых микрочастиц, побудило учёных иначе посмотреть на проблему их элементарности. Согласно современным представлениям — это не просто первоначальные неделимые частицы, составляющие вещество, а специфические объекты, которым кроме всего прочего присуще слабое взаимодействие как особый вид фундаментального взаимодействия.

По своей интенсивности слабое взаимодействие во много раз меньше сильного и электромагнитного взаимодействия. Однако оно значительно сильнее гравитационного притяжения, поскольку массы элементарных частиц очень малы и радиус их взаимодействия равен лишь одному аттометру (10 –18 м).

Общими характеристиками всех элементарных частиц является масса, время жизни, электрический заряд и спин.

Первоначально классификация элементарных частиц осуществлялась по их массе, что и получило отражение в названиях типов частиц (лепто́ны — лёгкие, мезо́ны — средние и барио́ны — тяжёлые). Выражают массы частиц, как правило, в массах электрона. Электрические заряды элементарных частиц являются кратными величине элементарного электрического заряда.

В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы).

Стабильными в пределах точности современных измерений являются электрон, протон, фотон и нейтрино. К квазистабильным относятся частицы, распадающиеся за счёт электромагнитного и слабого взаимодействий. Их время жизни больше 10 –20 секунд. А резонансами (то есть нестабильными частицами) называются элементарные частицы, распадающиеся за счёт сильного взаимодействия. Их время жизни очень мало (10 –22 —10 –24 с).

Спин (что с английского буквально переводится как ‘вращение, вращать’) — это собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого.

Чаще всего спин измеряется в единицах постоянной Дирака и равен произведению данной постоянной и спинового квантового числа:

𝐽 = 𝑗ℏ, где 𝑗 = 0; 1/2; 1; 3/2…

Таким образом, каждая элементарная частица обладает набором дискретных квантовых чисел, которые однозначно определяют её специфические свойства.

В зависимости от присущего типа взаимодействия все элементарные частицы, кроме фотона, делятся на две основные группы: лептоны (от греческого тонкий, лёгкий), которые характеризуют только сильное взаимодействие. И адроны (от греческого большой, сильный), участвующие во всех типах взаимодействий — гравитационном, электромагнитном, сильном и слабом.

Адроны делятся на два класса: с целым спином — мезоны (или бозоны); и с полуцелым спином — фермионы (или барионы). Самыми лёгкими из барионов являются нуклоны. За ними следуют так называемые гипероны. Вся таблица замыкается омега-минус-частицей, открытой в 1964 году. Её масса в 3273 раза больше массы электрона.

В том же году американские учёные Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг независимо друг от друга выдвинули теорию кварков. Кварками они назвали предполагаемые «настоящие элементарные частицы», из которых состоят все адроны. Сначала было предложено три кварка (или три «аромата») — u, d, s, названия которых происходят от английских слов up — вверх, down — вниз и strange — странный.

Затем были обнаружены адроны, для объяснения свойств которых, пришлось предположить существование ещё трёх «ароматов» с, b и t (от английских слов charm — очарование; beauty — прелесть, красота и truth — истина).

Все шесть кварков располагают в виде трёх семейств (дуплетов) аналогично лептонным семействам. Спины у всех кварков полуцелые. У каждого кварка есть свой антикварк, спины которых также полуцелые. Электрические заряды кварков равны одной трети или двум третям элементарного заряда. Барионы состоят из трёх различных кварков, мезоны — из кварка и антикварка.

Кварки в адронах взаимодействуют посредством глюонов, которые не существуют в свободном виде и проявляются только в процессах рождения и уничтожения барионов и мезонов.

При изучении свойств атомов, ядер и элементарных частиц установлен один из фундаментальных законов физики: в системе взаимосвязанных частиц не может находиться два и более фермиона (то есть частиц с полуцелым спином) с тождественными параметрами. Этот закон называется принципом запрета Паули.

Однако в составе многих барионов есть по два, а в некоторых все три одинаковых кварка. Значит, все кварки, из которых состоит барион, должны отличаться каким-то параметром. Этот параметр назвали «цветным зарядом», или просто «цветом». Таких цветов оказалось три: красный, зелёный и синий. Они, естественно, не имеют прямого отношения к оптическому цвету, а лишь условно обозначают существование трёх типов специфических квантовых зарядов у кварков. «Цвета» антикварков соответственно: антикрасный, антисиний и антизелёный.

Оказывается, что, как и в оптике, смешение красного, синего и зелёного цветов в определённой пропорции даёт белый (нейтральный) цвет. Именно поэтому адроны считаются «белыми» или «бесцветными». Нейтрализуют друг друга цвет и антицвет, аналогично дополнительным цветам в оптике. Обмен глюонами между кварками меняет цвет кварка.

В соответствии с действующими в микромире законами сохранения, возникновение частиц происходит только в парах с античастицами. Поэтому все заряженные частицы существуют парами. Это так называемый принцип зарядового сопряжения. Оказалось, что у всех частиц имеются античастицы. Все характеристики частиц и античастиц одинаковы, но заряды (магнитные моменты) противоположны по знаку. Исключение — фотон, пи-ноль-мезон и тау-ноль-мезон — истинно нейтральные частицы, то есть полностью совпадающие со своими античастицами.

При столкновении частицы со своей античастицей (например, при столкновении медленно движущихся электрона и позитрона) они аннигилируют (от латинского «нииль» — ничто), то есть превращаются в какие-либо иные частицы, отличные от исходных:

Возможен и обратный процесс:

В настоящее время сложилась общепринятая теория наиболее общих типов элементарных частиц и их взаимодействий, которая называется стандартной моделью.

Стандартная модель элементарных частиц — теоретическая конструкция в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц.

Согласно стандартной модели существуют два основных вида фундаментальных элементарных частиц: фермионы и бозоны. Фермионы являются элементарными «кирпичиками» окружающего нас вещества, а бозоны — переносчиками взаимодействий между фермионами.

Фундаментальная частица — это бесструктурная элементарная частица, которую до настоящего времени не удалось описать как составную.

В настоящее время данный термин применяется для шести лептонов и шести кварков. Все эти частицы являются фермионами с полуцелым спином и естественным образом организуются в три поколения. Вместе с античастицами фермионы составляют набор из 24 фундаментальных частиц в совокупности с калибровочными бозонами (частицами-переносчиками фундаментальных взаимодействий).

Между фундаментальными фермионами действуют три типа сил — электромагнитные, слабые и сильные. Кварки участвуют в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях; заряженные лептоны — в слабых и электромагнитных; нейтрино — только в слабых взаимодействиях. Сильное взаимодействие связывает кварки в адроны — составные частицы, состоящие из кварков в разных комбинациях.

Взаимодействие частиц, имеющих электрический заряд, происходит путём обмена фотонами — квантами электромагнитного поля. Сильное взаимодействие осуществляется за счёт обмена глюо́нами. Переносчиками слабого взаимодействия являются W ± – и Z°-бозоны.

В 1964 году на основании стандартной модели элементарных частиц Питером Хиггсом было предсказано существование поля (называемого Полем Хиггса), которое имеет ненулевую амплитуду в основном состоянии. Массивный квант этого поля был назван бозоном Хиггса.

Бозон Хиггса — это элементарная частица или элементарный бозон, который обладает нулевым спином. В рамках стандартной модели именно бозон Хиггса «отвечает» за наличие инертной массы у элементарных частиц.

Несколько десятков лет понадобилось учёным для того, чтобы подтвердить существование этой частицы. Лишь 4 июля 2012 года появилось сообщение о том, что на обоих основных детекторах Большого адронного коллайдера наблюдалась новая частица. А 14 марта 2013 года пришло подтверждение, что найденная полугодом ранее частица действительно является бозоном Хиггса.

Подтверждение существования бозона Хиггса завершило экспериментальное обнаружение предсказываемых стандартной моделью элементарных частиц.