Стандартная модель
Вся материя состоит из кварков, лептонов и частиц — переносчиков взаимодействий.
Стандартной моделью сегодня принято называть теорию, наилучшим
образом отражающую наши представления об исходном материале, из которого
изначально построена Вселенная. Она же описывает, как именно материя
образуется из этих базовых компонентов, и силы и механизмы
взаимодействия между ними.
Со структурной точки зрения элементарные частицы, из которых состоят атомные ядра (нуклоны), и вообще все тяжелые частицы — адроны (барионы и мезоны) —
состоят из еще более простых частиц, которые принято называть
фундаментальными. В этой роли по-настоящему фундаментальных первичных
элементов материи выступают кварки, электрический заряд которых равен 2/3 или –1/3 единичного положительного заряда протона. Самые распространенные и легкие кварки называют верхним и нижним и обозначают, соответственно, u (от английского up) и d (down). Иногда их же называют протонным и нейтронным кварком по причине того, что протон состоит из комбинации uud, а нейтрон — udd. Верхний кварк имеет заряд 2/3; нижний — отрицательный заряд –1/3.
Поскольку протон состоит из двух верхних и одного нижнего, а
нейтрон — из одного верхнего и двух нижних кварков, вы можете
самостоятельно убедиться, что суммарный заряд протона и нейтрона
получается строго равным 1 и 0, и удостовериться, что в этом Стандартная
модель адекватно описывает реальность. Две другие пары кварков входят в
состав более экзотических частиц. Кварки из второй пары называют очарованным — c (от charmed) и странным — s (от strange). Третью пару составляют истинный — t (от truth, или в англ. традиции top) и красивый — b (от beauty, или в англ. традиции bottom)
кварки. Практически все частицы, предсказываемые Стандартной моделью и
состоящие из различных комбинаций кварков, уже открыты экспериментально.
Другой строительный набор состоит из кирпичиков, называемых лептонами. Самый распространенный из лептонов — давно нам знакомый электрон,
входящий в структуру атомов, но не участвующий в ядерных
взаимодействиях, ограничиваясь межатомными. Помимо него (и парной ему
античастицы под названием позитрон) к лептонам относятся более
тяжелые частицы — мюон и тау-лептон с их античастицами. Кроме того,
каждому лептону сопоставлена своя незаряженная частица с нулевой (или
практически нулевой) массой покоя; такие частицы называются,
соответственно, электронное, мюонное или таонное нейтрино.
Итак, лептоны, подобно кваркам, также образуют три «семейных пары».
Такая симметрия не ускользнула от наблюдательных глаз теоретиков, однако
убедительного объяснения ей до сих пор не предложено. Как бы то ни
было, кварки и лептоны представляют собой основной строительный материал
Вселенной.
Чтобы понять оборотную сторону медали — характер сил
взаимодействия между кварками и лептонами, — нужно понять, как
современные физики-теоретики интерпретируют само понятие силы. В этом
нам поможет аналогия. Представьте себе двух лодочников, гребущих на
встречных курсах по реке Кэм в Кэмбридже. Один гребец от щедрости
душевной решил угостить коллегу шампанским и, когда они проплывали друг
мимо друга, кинул ему полную бутылку шампанского. В результате действия
закона сохранения импульса, когда первый гребец кинул бутылку, курс его
лодки отклонился от прямолинейного в противоположную сторону, а когда
второй гребец поймал бутылку, ее импульс передался ему, и вторая лодка
также отклонилась от прямолинейного курса, но уже в противоположную
сторону. Таким образом, в результате обмена шампанским обе лодки
изменили направление. Согласно законам механики Ньютона
это означает, что между лодками произошло силовое взаимодействие. Но
ведь лодки не вступали между собой в прямое соприкосновение? Здесь мы и
видим наглядно, и понимаем интуитивно, что сила взаимодействия между
лодками была передана носителем импульса — бутылкой шампанского.
Физики назвали бы ее переносчиком взаимодействия.
В точности так же и силовые взаимодействия между частицами происходят
посредством обмена частицами-переносчиками этих взаимодействий.
Фактически, различие между фундаментальными силами взаимодействия между
частицами мы и проводим лишь постольку, поскольку в роли переносчиков
этих взаимодействий выступают разные частицы. Таких взаимодействий
четыре: сильное (именно оно удерживает кварки внутри частиц), электромагнитное, слабое (именно оно приводит к некоторым формам радиоактивного распада) и гравитационное. Переносчиками сильного цветового взаимодействия являются глюоны, не обладающие ни массой, ни электрическим зарядом. Этот тип взаимодействия описывается квантовой хромодинамикой. Электромагнитное взаимодействие происходит посредством обмена квантами электромагнитного излучения, которые называются фотонами и также лишены массы. Слабое взаимодействие, напротив, передается массивными векторными или калибровочными бозонами, которые «весят» в 80-90 раз больше протона, — в лабораторных условиях их впервые удалось обнаружить лишь в начале 1980-х годов. Наконец, гравитационное взаимодействие передается посредством обмена не обладающими собственной массой гравитонами — этих посредников пока что экспериментально обнаружить не удалось.
В рамках Стандартной модели первые три типа фундаментальных
взаимодействий удалось объединить, и они более не рассматриваются по
отдельности, а считаются тремя различными проявлениями силы единой
природы. Возвращаясь к аналогии, предположим, что другая пара гребцов,
проплывая друг мимо друга по реке Кэм, обменялась не бутылкой
шампанского, а всего лишь стаканчиком мороженого. От этого лодки также
отклонятся от курса в противоположные стороны, но значительно слабее.
Стороннему наблюдателю может показаться, что в этих двух случаях между
лодками действовали разные силы: в первом случае произошел обмен
жидкостью (бутылку я предлагаю во внимание не принимать, поскольку
большинству из нас интересно ее содержимое), а во втором — твердым
телом (мороженым). А теперь представьте, что в Кембридже в тот день
стояла редкостная для северных мест летняя жара, и мороженое в полете
растаяло. То есть, достаточно некоторого повышения температуры, чтобы
понять, что, фактически, взаимодействие не зависит от того, жидкое или
твердое тело выступает в роли его переносчика. Единственная причина, по
которой нам представлялось, что между лодками действуют различные силы,
состояла во внешнем отличии переносчика-мороженого, вызванном
недостаточной для его плавления температурой. Поднимите
температуру — и силы взаимодействия предстанут наглядно едиными.
Силы, действующие во Вселенной, также сплавляются воедино при высоких
энергиях (температурах) взаимодействия, после чего различить их
невозможно. Первыми объединяются (именно так это принято называть) слабое ядерное и электромагнитное взаимодействия. В результате мы получаем так называемое электрослабое взаимодействие, наблюдаемое даже лабораторно при энергиях, развиваемых современными ускорителями элементарных частиц. В ранней Вселенной энергии были столь высоки, что в первые 10–10 секунды
после Большого взрыва не было грани между слабыми ядерными и
электромагнитными силами. Лишь после того, как средняя температура
Вселенной понизилась до 1014 K, все четыре наблюдаемые
сегодня силовые взаимодействия разделились и приняли современный вид.
Пока температура была выше этой отметки, действовали лишь три
фундаментальные силы: сильного, объединенного электрослабого и
гравитационного взаимодействий.
Объединение электрослабого и сильного ядерного взаимодействия происходит при температурах порядка 1027К.
В лабораторных условиях такие энергии сегодня недостижимы. Самый мощный
современный ускоритель — строящийся в настоящее время на границе
Франции и Швейцарии Большой адронный коллайдер (Large Hadron
Collider) — сможет разгонять частицы до энергий, которые составляют
всего 0,000000001% от необходимой для объединения электрослабого и
сильного ядерного взаимодействий. Так что, вероятно, экспериментального
подтверждения этого объединения ждать нам придется долго. Таких энергий
нет и в современной Вселенной, однако в первые 10–35 с ее существования температура Вселенной была выше 1027 К, и во Вселенной действовало всего две силы — электросильного и
гравитационного взаимодействия. Теории, описывающие эти процессы,
называют «теориями Великого объединения» (ТВО). Напрямую проверить ТВО
нельзя, но они дают определенные прогнозы и относительно процессов,
протекающих при более низких энергиях. На сегодняшний день все
предсказания ТВО для относительно низких температур и энергий
подтверждаются экспериментально.
Итак, Стандартная модель, в обобщенном виде, представляет собой
теорию строения Вселенной, в которой материя состоит из кварков и
лептонов, а сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия между ними
описываются теориями великого объединения. Такая модель, очевидно, не
полна, поскольку не включает гравитацию. Предположительно, более полная
теория со временем все-таки будет разработана (см. Универсальные теории), а на сегодня Стандартная модель — это лучшее из того, что мы имеем.
Энциклопедия Джеймса Трефила «Природа науки. 200 законов мироздания».
Джеймс Трефил — профессор физики университета Джорджа Мэйсона (США), один из наиболее известных западных авторов научно-популярных книг.
Похожее
-
В классической механике Ньютона любая сила — это всего лишь сила притяжения или отталкивания, вызывающая изменение характера движения физического тела. В современных квантовых теориях, однако, понятие силы (трактуемое теперь как взаимодействие между элементарными частицами) интерпретируется несколько иначе. Силовое взаимодействие теперь считается результатом обмена частицей-носителем взаимодействия между двумя взаимодействующими частицами. При таком подходе электромагнитное взаимодействие между, например, двумя электронами, обусловлено обменом фотоном между ними, и аналогичным образом обмен другими частицами-посредниками приводит к возникновению трех прочих видов взаимодействий.
-
Валерий Рубаков, Эдуард Боос
Курилка Гутенберга
Физика элементарных частиц стремится определить строительные блоки материи и описать взаимодействия, которые их связывают: законы, по которым живет все во Вселенной и развивается сама Вселенная. На сегодняшний день наиболее точной теоретической конструкцией описания физики элементарных частиц является так называемая Стандартная модель, которая в свою очередь построена на теории квантовых полей. Однако в Стандартной модели есть внутренние трудности, которые указывают на ее неполноту. Кроме того, существует целый ряд экспериментальных результатов, которым Стандартная модель не дает адекватного объяснения, таких как темная материя и темная энергия, асимметрия материи и антиматерии во Вселенной, массы нейтрино. Об этом дискуссия Валерия Рубакова — академика РАН, главного научного сотрудник отдела теоретической физики Института ядерных исследований РАН, и Эдуарда Бооса — доктора физико-математических наук, заведующего отделом экспериментальной физики высоких энергий НИИ ядерной физики МГУ.
-
Лев Дудко, Аркадий Липкин, Алексей Семихатов
На грани безумия
Существование тесной взаимосвязи космоса с практически невидимым микромиром — самый загадочный аспект современной физики. Планеты и даже целые скопления небесных звёзд «разбросаны» по бескрайним просторам, подобно пылинкам и элементарным частицам. Казалось бы, это лишь метафоричная связь. Но уже в первую секунду возникновения Вселенной, всё её содержимое состояло именно из мельчайших частичек — кварков. Невероятно, но эфемерные кирпичики вещества — основной строительный материал всего мироздания. Всего 6 видов или ароматов кварков, соединившись, образуют атомы, молекулы и другие частицы, а затем — Макрокосмос. Устройство Вселенной учёным удалось изучить достаточно детально, а вот с элементарными крупинками веществ нередко возникают проблемы. Не так быстро они раскрывают свои тайны, как хотелось бы. Даже единую теорию, которая могла бы описать весь известный «зоопарк» частиц, до сих пор создать не удаётся. Насколько наши знания о микромире полны и достоверны? Как кваркам удалось создать галактики и на что ещё способны эти крошечные частицы?
-
Чем дольше период изменения блеска переменной звезды класса цефеид, тем больше энергии она излучает.
-
Квантовая механика, не говоря уже о квантовой теории поля, имеет репутацию странной, пугающей и контринтуитивной науки. В научном сообществе есть те, кто по сей день ее не признает. Однако же квантовая теория поля — единственная подтвержденная экспериментом теория, способная объяснить взаимодействие микрочастиц при низких энергиях. Почему это важно? Андрей Ковтун, студент МФТИ и сотрудник кафедры фундаментальных взаимодействий, рассказывает, как с помощью этой теории добраться до главных законов природы или придумать их самим.
-
Представьте себе электрические и магнитные поля. Что вы для этого сделали? Знаете ли вы, как это нужно сделать? И как я сам представляю себе электрическое и магнитное поля? Что я на самом деле при этом вижу? Что требуется от научного воображения? Отличается ли оно чем-то от попытки представить себе комнату, полную невидимых ангелов? Нет, это не похоже на такую попытку.
-
Андрей Болибрух
В этих двух лекциях мы хотим рассказать вам о дифференциальных формах, расслоениях и связностях. Эти понятия сейчас активно используются в разных областях математики и физики, и нам хотелось бы хотя бы немного вас с ними познакомить. Для того чтобы наш рассказ не был излишне абстрактным, мы привязаться к такому физическому объекту, как электромагнитное поле, и показать вам как при попытке описания этого поля естественным путем возникают все перечисленные понятия.
-
Михаил Данилов
В своем выступлении Михаил Данилов даст ответ на вопрос, закончено ли построение современной физики после того, как было подтверждено существование бозона Хиггса — последнего недостающего звена Стандартной модели. Современная Стандартная модель, венчающая квантовую теорию, объединяет три взаимодействия (то есть все кроме гравитационного), бозоны — переносчики взаимодействий, кварки и лептоны. Предсказания, которые делаются в рамках Стандартной модели, многократно подтверждались экспериментально.
-
Дмитрий Казаков
И первая загадка, которая стоит перед теоретиками, состоит в том, что природа зачем-то создала три копии нашего мира. Мы живем в нашем мире, видим все, что есть вокруг нас. Все это, как было известно еще древним грекам, сделано из атомов. С начала прошлого века стало известно, как устроен атом — внутри него есть ядро и электроны, которые вращаются вокруг него. Ядро состоит из протонов и нейтронов. Казалось бы, мы знаем, из чего состоит весь наш мир — из этого. А оказалось, что — нет. Что природа создала три копии. Так вот, первая копия — то, из чего мы с вами состоим, — тут кварки, u- и d-кварки, из них сделаны протоны и нейтроны. Все, что вокруг нас — это вот тут, больше нам ничего не нужно. Но природа почему-то сделала еще одну копию и еще одну.
-
Михаил Данилов
Сегодня мы поговорим о материи, антиматерии, темной материи и еще кое о чем. Свой рассказ я буду иллюстрировать примерами исследований, в которых я сам принимал участие — или принимали участие сотрудники моего института. В результате картина будет не очень объективна, но, на мой взгляд, намного интереснее рассказывать о том, что делал сам, чем пересказывать чужие результаты.
Далее >>>
|
|