Standardmodellen (SM) er en teoretisk konstruktion i elementærpartikelfysik, der beskriver de elektromagnetiske , svage og stærke vekselvirkninger mellem alle elementarpartikler . Den moderne formulering blev afsluttet i 2000'erne efter eksperimentel bekræftelse af eksistensen af kvarker . Opdagelsen af t-quark (1995) [1] , b-quark (1977) og tau-neutrino (2000) bekræftede rigtigheden af SM.
Standardmodellen er ikke en teori om alt , da den ikke beskriver mørkt stof , mørk energi og ikke inkluderer tyngdekraften . Eksperimentel bekræftelse af eksistensen af mellemvektorbosoner i midten af 1980'erne afsluttede konstruktionen af standardmodellen og dens accept som den vigtigste. Behovet for en lille udvidelse af modellen opstod i 2002, efter opdagelsen af neutrinoscillationer , og bekræftelsen af eksistensen af Higgs-bosonen i 2012 fuldendte den eksperimentelle påvisning af elementarpartikler forudsagt af standardmodellen [2] .
Ikke desto mindre er SM ekstremt vigtig for teoretisk og eksperimentel partikelfysik . For teoretikere er SM et grundlæggende eksempel på en teori, der demonstrerer en bred vifte af fysiske fænomener, herunder spontane symmetribrud , kvanteanomalier osv. Den bruges som grundlag for at konstruere mere eksotiske modeller, herunder hypotetiske partikler , yderligere dimensioner og udvidede symmetrier (for eksempel supersymmetri ) i et forsøg på at forklare eksperimentelle resultater, der ikke er dækket af SM. Til gengæld bruger forsøgsledere SM til at søge efter fænomener, der går ud over dets grænser. Derudover har SM fundet anvendelser i områder uden for partikelfysik, såsom astronomi , kosmologi og kernefysik .
Standardmodellen inkluderer følgende ingredienser: 6 kvarker, 6 leptoner, 4 kraftbærerpartikler og 1 Higgs-boson. Hvis antipartikler og forskellige farveladninger af gluoner tages i betragtning, så beskriver SM i alt 61 unikke partikler [3] [4] .
Grundlaget for standardmodellen blev lagt i 1960 af Sheldon Glashow , som forsøgte at forene de elektromagnetiske og svage kræfter. I 1967 inkorporerede Steven Weinberg og Abdus Salam Higgs-mekanismen i Glashows teori, hvilket gav den sin moderne form. Higgs-mekanismen er nødvendig for forekomsten af masse i alle SM elementære partikler - W-bosoner, Z-bosoner, kvarker og leptoner . I 1973 blev neutrale strømme båret af Z-bosonen opdaget på CERN, hvorefter den elektrosvage teori fik bred accept. Glashow, Salam og Weinberg delte 1979 Nobelprisen i fysik for dens skabelse. W- og Z-bosonerne blev eksperimentelt opdaget i 1981, og deres masser var i overensstemmelse med SM-forudsigelsen. Teorien om den stærke kraft, som mange videnskabsmænd er involveret i, fik sin moderne form omkring 1973-1974, da eksperimenter bekræftede, at hadroner er sammensat af kvarker med en fraktionel ladning.
På nuværende tidspunkt forstås stof og energi bedst ud fra kinematik og vekselvirkningen mellem elementarpartikler (EP). I dag har fysikken reduceret de love, der styrer adfærden og interaktionerne mellem alle kendte former for stof og energi til et lille sæt grundlæggende love og teorier. Fysikkens hovedmål er at finde et "fælles grundlag", der kunne forene alle disse teorier til en generel " teori om alt ", hvor alle andre kendte love ville være specielle tilfælde, og hvorfra opførselen af alle former for stof og energi kunne udledes (i hvert fald i princippet). SM kombinerede de to vigtigste tidligere teorier - kvanteteorien om den elektrosvage interaktion og kvantekromodynamik - til en internt sammenhængende teori, der beskriver interaktionen mellem alle kendte partikler i form af kvantefeltteori (QFT).
Standardmodellen består af følgende bestemmelser:
På grund af opdagelsen af neutrino-oscillationer har standardmodellen brug for en udvidelse, der introducerer yderligere 3 neutrinomasser og mindst 4 parametre af PMNS neutrino-blandingsmatrix svarende til CKM-kvarkblandingsmatricen, og muligvis 2 flere blandingsparametre, hvis neutrinoer er Majorana partikler . Også vakuumvinklen for kvantekromodynamik introduceres nogle gange blandt parametrene i standardmodellen . Det er bemærkelsesværdigt, at en matematisk model med et sæt på 20 ulige tal er i stand til at beskrive resultaterne af millioner af eksperimenter udført til dato i fysik [5] .
Standardmodellen er bygget på en lokal sporviddesymmetri , spontant brudt før [6] . Hver af de tre parametre er ansvarlige for en bestemt type interaktion. Kvanteelektrodynamik er invariant under lokale gauge-transformationer U(1) : det vil sige, at Lagrangian er invariant under lokale gauge-transformationer . Den svage interaktion (Yang-Mills-feltet) er karakteriseret ved invarians med hensyn til ikke-abelske symmetrigrupper SU(2) [7] :
Denne måletransformation kan skrives som en 2×2 enhedsmatrix med determinant lig med én. For den elektrosvage interaktion, som foreningen af elektrodynamik med den svage interaktion, er der en symmetri . Stærke interaktioner er beskrevet af kvantekromodynamik, som er karakteriseret ved SU(3) symmetri . SU(3) -gruppen er en gruppe af 3x3-matricer med determinant en. 3×3-matricen har ni elementer, men kravet om, at determinanten skal være lig med én, reducerer antallet af uafhængige elementer til otte. Derfor er der 8 gluoner.
Eksistensen af masseløse partikler ( W- og Z-bosoner ) følger af den elektrosvage interaktionsmodel , men det er eksperimentelt bevist, at disse ladede partikler har masse. Dette problem løses af mekanismen for spontan symmetribrud ( Higgs-mekanismen ). Higgs-feltet (Higgs-boson) giver masse til disse masseløse partikler.
SM indeholder 12 elementære partikler med spin ½, kendt som fermioner . Ifølge spin-statistik-sætningen adlyder fermioner Pauli-udelukkelsesprincippet. Hver fermion har en antipartikel. SM-fermioner klassificeres efter, hvordan de interagerer (eller tilsvarende efter de ladninger, de bærer). Der er seks kvarker (u-quark og d-quark, c-quark og s-quark, t-quark og b-quark) og seks leptoner (elektron og e-neutrino, muon og mu-neutrino, taon og tau-neutrino ). Parrene i hvert sæt er grupperet i generationer, således at de tilsvarende partikler fra forskellige generationer udviser lignende egenskaber. Den definerende egenskab ved kvarker er, at de har farve (rgb) og derfor deltager i den stærke interaktion. Fænomenet med farveindskrænkning er , at kvarker altid er bundet til hinanden for at danne farveneutrale sammensatte partikler ( hadroner ). En hadron indeholder enten en kvark med en antikvark af den tilsvarende antifarve ( meson ) eller tre kvarker i tre forskellige farver ( baryoner ). Protonen og neutronen er de baryoner med den mindste masse ( p = u + u + d , n = u + d + d ). Quarks bærer også en elektrisk ladning og svag isospin . De deltager således i både elektromagnetiske og svage interaktioner.
De resterende seks fermioner har ingen farveladning og kaldes leptoner . Elektronen , muonen og taonen har en elektrisk ladning og kan deltage i elektromagnetiske og svage interaktioner. De tre neutrinoer har heller ingen elektrisk ladning, så de kan kun deltage i svage interaktioner. Ved lave energier interagerer neutrinoer ekstremt svagt med stof og har en kolossal vejlængde på ~ 10 18 m , hvilket gør dem ekstremt vanskelige at studere. Et medlem af hver næste generation har en masse større end den tilsvarende partikel af den yngre generation. Partikler af den første (yngre) generation er stabile [8] . Alt baryonisk stof består af partikler af den første generation. Især består atomerne af alle kemiske grundstoffer af elektroner, der omgiver atomkerner ( nukleoner ), bestående af protoner og neutroner, og disse er igen sammensat af u-kvarker og d-kvarker . Ladede partikler af anden og tredje generation er tværtimod kortlivede og har en meget kort halveringstid. Derfor observeres de kun i højenergibegivenheder og eksperimenter.
I SM defineres gauge bosoner som bærere af kræfter, der udfører de stærke, svage og elektromagnetiske fundamentale interaktioner. Interaktioner i fysik forstås som en måde at påvirke nogle partikler på andre. På et makroskopisk niveau tillader elektromagnetisme partikler at interagere med hinanden gennem elektriske og magnetiske felter, og tyngdekraften tillader partikler med masse at tiltrække hinanden, i overensstemmelse med Einsteins generelle relativitetsteori. SM betragter disse kræfter som et resultat af udvekslingen af partikler af stof med andre partikler, kendt som "kraftbærende partikler" (strengt taget er dette kun tilfældet med en bogstavelig fortolkning af en omtrentlig beregningsmetode kendt som "perturbation theory "). Ved udveksling af kraftbærende partikler er effekten på makroniveau den samme som ved kraftinteraktion. Derfor kaldes bærerpartikler formidlere af disse interaktioner eller "agenter" af disse kræfter [10] . Feynman-diagrammer , som er en visuel repræsentation af perturbationsteoriens tilnærmelse, bruger "kraftbærerpartikler" og giver fremragende overensstemmelse med erfaringen, når de analyserer højenergieksperimenter. Perturbationsteorien (og med den begrebet bærerpartikler) virker dog ikke i andre situationer. Disse omfatter lavenergi kvantekromodynamik, bundne tilstande og solitoner. Alle SM gauge bosoner har spin (det samme gør stofpartikler). Deres spinværdi er 1, hvilket gør dem til bosoner. Derfor adlyder de ikke Pauli udelukkelsesprincippet, som pålægger fermioner restriktioner. De forskellige typer gauge bosoner er beskrevet nedenfor:
Interaktionerne mellem alle partikler beskrevet af SM er opsummeret i diagrammet til højre.
Higgs-bosonen er en massiv skalar elementarpartikel. Det blev forudsagt af Peter Higgs og medforfattere i 1964. Higgs-bosonen er hjørnestenen i SM. Det har ikke noget iboende spin og betragtes derfor som en boson (svarende til målebosoner, som har heltals spin). Observation af Higgs-bosonen kræver usædvanlig høj energi og stråletæthed i High Energy Collider . Derfor var det den eneste fundamentale partikel forudsagt af SM, men indtil nogen tid ikke opdaget med en pålidelighed på 5,0 σ . I juli 2012 rapporterede CERN imidlertid observationen af en "Higgs-lignende" partikel med en pålidelighed på 4,0 σ [11] . Efter yderligere eksperimenter blev opdagelsens pålidelighed erklæret [12] [13] .
Higgs-bosonen spiller en unik rolle i SM og forklarer, hvorfor alle andre partikler undtagen fotoner, gluoner og neutrinoer har masse. Masserne af elementarpartikler, såvel som skelnen mellem elektromagnetisme (båret af fotoner) og svage kræfter (båret af W- og Z-bosoner) er kritiske i mange aspekter af strukturen af mikrokosmos (og derfor makrokosmos). I den elektrosvage teori giver Higgs-bosonen anledning til masserne af leptoner og kvarker. Da Higgs-bosonen er massiv, skal den også interagere med sig selv.
Higgs-bosonen er meget massiv og henfalder næsten øjeblikkeligt efter at være blevet skabt. Derfor er det kun en meget højenergi partikelaccelerator, der kan detektere og registrere det. CERN begyndte eksperimenter for at detektere og studere Higgs-bosonen ved hjælp af Large Hadron Collider (LHC) i begyndelsen af 2010. Den matematiske konsistens af SM kræver, at den mekanisme, der er ansvarlig for fremkomsten af EP-masser, bliver synlig ved energier omkring 1,4 TeV [14] . Således blev LHC (designet til kollisionen af to stråler af protoner med energier på 7,0-8,0 TeV) skabt for at besvare spørgsmålet om eksistensen af Higgs-bosonen. Den 4. juli 2012 gjorde to store eksperimenter ved LHC ( ATLAS og CMS ) det muligt uafhængigt at rapportere opdagelsen af en ny partikel med en masse på omkring 125,0 GeV/ c² (ca. 133 protonmasser) [15] [16] [17] [18] . Den 13. marts 2013 blev dette bekræftet som den ønskede Higgs-boson [19] [20] .
Fra slutningen af det 20. århundrede blev alle forudsigelser af standardmodellen bekræftet eksperimentelt , nogle gange med meget høj nøjagtighed - op til milliontedele af en procent [21] . Det var først i 2000'erne, at resultater begyndte at dukke op, hvor forudsigelserne af standardmodellen adskiller sig lidt fra eksperimentet, og endda fænomener, der er ekstremt vanskelige at fortolke inden for dens rammer [komm. 1] [komm. 2] . På den anden side er det indlysende, at standardmodellen ikke kan være det sidste ord i elementær partikelfysik , fordi den indeholder for mange eksterne parametre og heller ikke inkluderer tyngdekraften . Derfor er søgen efter afvigelser fra Standardmodellen (den såkaldte " nye fysik ") et af de mest aktive forskningsområder i 2010'erne. Det var forventet, at eksperimenter ved Large Hadron Collider ville kunne registrere mange afvigelser fra standardmodellen (med tilføjelse af massive neutrinoer), men der blev ikke fundet sådanne afvigelser i 12 års eksperimenter. Der var ingen overbevisende tegn på eksistensen af ny fysik uden for standardmodellen før 2021.
I marts 2021 rapporterede LHCb- eksperimentet om opdagelsen af en krænkelse af lepton-universaliteten. Denne krænkelse viser sig i det faktum, at henfaldene af dejlige mesoner B + → K + l + l - (hvor l = µ, e) med emission af myonpar er 15 % mindre hyppige end med emission af elektronpar. Målingerne er uenige med standardmodellens forudsigelser med mere end tre standardafvigelser [24] .
I april 2021 rapporterede Fermilab , at målingerne af g-faktoren for det unormale magnetiske moment af myonen i Muon g-2- eksperimenterne har en statistisk signifikant uoverensstemmelse med forudsigelserne fra standardmodellen med en konfidens større end fire standardafvigelser [25] .
Disse anomalier i myonens adfærd er stærke beviser for eksistensen af den femte fundamentale interaktion [26] [27] .
I april 2022 påviste fysikere fra det internationale samarbejde CDF i deres undersøgelse, lavet på basis af behandlingsdata fra 10 års drift af Tevatron -kollideren , at massen af W-bosonet er 0,09 % højere end forudsagt af standardmodellen [28] [29] .
På russisk:
På fremmedsprog:
Ordbøger og encyklopædier | |
---|---|
I bibliografiske kataloger |
|