Стандартная модель

Standard Model of Elementary Particles ua.png
Взаимодействие между истинно элементарными частицами (полями) в Стандартной модели. Важно, что некоторые поля имеют самодию, т.е. взаимодействуют с собой.

Стандартная модель в физике элементарных частиц - теоретическая конструкция, описывающая электромагнитную, слабую и сильную взаимодействие всех элементарных частиц. Гравитацию Стандартная модель не включает.

Стандартная модель состоит из следующих утверждений.

Частицами-носителями взаимодействий являются:

    • 8 глюонов для сильного взаимодействия (группа симметрии SU (3))
    • 3 тяжелых калибровочные бозоны (W +, W -, Z 0) для слабого взаимодействия (группа симметрии SU (2))
    • один фотон для электромагнитного взаимодействия (группа симметрии U (1)).
  • В отличие от электромагнитной и сильной, слабое взаимодействие может смешивать фермионы из разных поколений, что приводит к нестабильности всех частиц, за исключением легких, и к таким эффектам, как CP-нарушения и осцилляции нейтрино.

До сих пор все прогнозы Стандартной модели подтверждались экспериментами, иногда с фантастической точностью в миллионные доли процента. Только в последние годы стали появляться результаты, в которых прогнозы Стандартной модели слегка расходятся с экспериментом. Время, очевидно, что Стандартная модель не может быть последним словом в физике элементарных частиц, ибо она содержит очень много внешних параметров, а также не включает гравитацию. Поэтому поиск отклонений от Стандартной модели - один из самых активных направлений исследования в последние годы. Ожидается, что эксперименты на коллайдере LHC смогут зарегистрировать множество отклонений от Стандартной модели.


Основы квантовой теории поля

Как основа Стандартной модели выступает квантовая теория поля - раздел теоретической физики, изучающая квантованные релятивистские поля. В ее рамках все материальные объекты представляются полями, кванты которых соответствуют частицам. Все поля квантовой теории поля лоренц-ковариантными, то есть для них выполняются постулаты специальной теории относительности. Кроме того от них требуется специальная симметрия относительно локальных преобразований, которую называют калибровочной инвариантностью, которая позволяет объединить частицы, наблюдаемые в екпериментах, в отдельные семьи и поколения.


Кварки

Составляющие адронов - кварки : барионы содержат 3 кварки, мезоны - кварк и антикварк. 6 ароматов кварков объединены в 3 семейства (поколения), каждое из которых все массивнее. Кварки up-типа (Q = 2/3): u, c, t, и кварки down-типа (Q = -1 / 3): d, s, b. По кварковой модели протон состоит из uud, нейтрон - из udd. В 50-х годах было открыто Δ + +, который имеет спин 3/2 и состоит из трех u-кварков. Это противоречит принципа Паули : поскольку кварки фермионы, то они не могут находиться в одном квантовом состоянии (с одинаковыми всеми квантовыми числами). Поэтому было добавлено еще одно квантовое число (еще одна степень свободы) - цвет, который может принимать значения: зеленый (или желтый), синий и красный. Цвета выбраны для удобства по аналогии с оптики. В экспериментах это квантовое число в экспериментах наблюдать нельзя, поскольку все наблюдаемые частицы являются бесцветными: барионы состоят из трех кварков разных цветов - получаем белый цвет (как смешивание света), мезоны состоят из двух кварков, которые имеют противоположные цвета (например, красный и античервоний). Раздел физики, который изучает цветную взаимодействие, называется квантовая хромодинамика.


Математический аппарат

Базируется на теории групп.