Стандартная теория элементарных частиц. FAQ: Стандартная модель

Сегодня Стандартная модель является одной из важнейших теоретических конструкций в физике элементарных частиц, описывающих электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Главные положения и составные части этой теории описывает физик, член-корреспондент РАН Михаил Данилов

1

Сейчас на основе экспериментальных данных создана очень совершенная теория, которая описывает практически все явления, которые мы наблюдаем. Эта теория скромно называется «Стандартная модель элементарных частиц». В ней имеется три поколения фермионов: кварков, лептонов. Это, так сказать, строительный материал. Из первого поколения построено все, что мы видим вокруг нас. В него входят u- и d-кварки, электрон и электронное нейтрино. Протоны и нейтроны состоят из трех кварков: uud и udd, соответственно. Но есть еще два поколения кварков и лептонов, которые в какой-то степени повторяют первое, но тяжелее и в конце концов распадаются на частицы первого поколения. У всех частиц имеются античастицы, обладающие противоположными зарядами.

2

Стандартная модель включает три взаимодействия. Электромагнитное взаимодействие удерживает электроны внутри атома и атомы внутри молекул. Переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон. Сильное взаимодействие удерживает протоны и нейтроны внутри атомного ядра, а кварки внутри протонов, нейтронов и других адронов (так Л. Б. Окунь предложил называть частицы, участвующие в сильном взаимодействии). В сильном взаимодействии принимают участие кварки и построенные из них адроны, а также и переносчики самого взаимодействия - глюоны (от английского glue - клей). Адроны состоят либо из трех кварков, как протон и нейтрон, либо из кварка и антикварка, как, скажем, π±мезон, состоящий из u- и анти-d- кварков. Слабое взаимодействие приводит к редким распадам, таким как распад нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино. Переносчиками слабого взаимодействия являются W- и Z-бозоны. В слабом взаимодействии принимают участие и кварки, и лептоны, но оно при наших энергиях весьма мало. Это однако объясняется просто большой массой W- и Z-бозонов, которые на два порядка тяжелее протонов. При энергиях больше массы W- и Z-бозонов силы электромагнитного и слабого взаимодействия становятся сравнимыми, и они объединяются в единое электрослабое взаимодействие. Предполагается, что при намного бо льших энергиях и сильное взаимодействие объединится с остальными. Кроме электрослабого и сильного взаимодействий имеется еще гравитационное взаимодействие, которое не входит в Стандартную модель.

W, Z-бозоны

g - глюоны

H0 - бозон Хиггса.

3

Стандартная модель может быть сформулирована только для безмассовых фундаментальных частиц, т. е. кварков, лептонов, W- и Z-бозонов. Для того, чтобы они приобрели массу, обычно вводится поле Хиггса, названное по имени одного из ученых, предложивших этот механизм. В этом случае в Стандартной модели должна быть еще одна фундаментальная частица - бозон Хиггса. Поиски этого последнего кирпичика в стройном здании Стандарной модели активно ведутся на самом крупном коллайдере в мире - Большом адроном коллайдере (БАК). Уже получены указания на существование бозона Хиггса с массой около 133 масс протона. Однако статистическая надежность этих указаний еще недостаточна. Ожидается, что до конца 2012 г. ситуация прояснится.

4

Стандартная модель прекрасно описывает практически все эксперименты по физике элементарных частиц, хотя поиски явлений, выходящих за рамки СМ, настойчиво ведутся. Последним намеком на физику за рамками СМ явилось обнаружение в 2011 г. в эксперименте LHCb на БАК неожиданно большого различия в свойствах так называемых очарованных мезонов и их античастиц. Однако, по-видимому, даже такое большое различие может быть объяснено в рамках СМ. С другой стороны, в 2011 г. было получено еще одно, искавшееся несколько десятилетий, подтверждение СМ, предсказывающей существование экзотических адронов. Физики из Института теоретической и экспериментальной физики (Москва) и Института ядерной физики (Новосибирск) в рамках международного эксперимента BELLE обнаружили адроны, состоящие из двух кварков и двух антикварков. Скорее всего, это молекулы из мезонов, предсказанные теоретиками ИТЭФ М. Б. Волошиным и Л. Б. Окунем.

5

Несмотря на все успехи Стандартной модели, у нее имеется много недостатков. Количество свободных параметров теории превышает 20, и совершенно неясно, откуда возникает их иерархия. Почему масса t-кварка в 100 тысяч раз больше массы u-кварка? Почему константа связи t- и d-кварков, впервые измеренная в международном эксперименте ARGUS при активном участии физиков ИТЭФ, в 40 раз меньше константы связи с- и d-кварков? На эти вопросы СМ не дает ответа. Наконец, зачем нужны 3 поколения кварков и лептонов? Японские теоретики М. Кобаяши и Т. Маскава в 1973 г. показали, что существование 3-х поколений кварков позволяет объяснить различие свойств материи и антиматерии. Гипотеза М.Кобаяши и Т. Маскавы была подверждена в экспериментах BELLE и BaBar при активном участии физиков из ИЯФ и ИТЭФ. В 2008 г. М. Кобаяши и Т. Маскава были удостоены за свою теорию Нобелевской премии

6

В Стандартной модели имеются и более фундаментальные проблемы. Мы уже сейчас знаем, что СМ не является полной. Из астрофизических исследований известно, что существует материя, которой нет в СМ. Это так называемая темная материя. Ее примерно в 5 раз больше, чем обычной материи, из которой мы состоим. Пожалуй, основным недостатком Стандартной Модели является отсутствие в ней внутренней самосогласованности. Так, например, естественная масса бозона Хиггса, возникающая в СМ из-за обмена виртуальными частицами, на много порядков превышает массу, необходимую для объяснения наблюдаемых явлений. Одним из выходов, самым популярным в настоящий момент, является гипотеза о суперсимметрии - предположение о том, что имеется симметрия между фермионами и бозонами. Впервые эту идею высказали в 1971 г. Ю. А. Гольфанд и Е. П. Лихтман в ФИАНе, и теперь она пользуется громадной популярностью.

7

Существование суперсимметричных частиц не только позволяет стабилизировать поведение СМ, но и дает очень естественного кандидата на роль темной материи - самую легкую суперсимметричную частицу. Хотя в настоящий момент нет никаких надежных экспериментальных подтверждений этой теории, она настолько красива и так элегантно позволяет решить проблемы Стандартной модели, что очень многие в нее верят. На БАК активно ведутся поиски суперсимметричных частиц и других альтернатив СМ. Например, ищут дополнительные измерения пространства. Если они существуют, то многие проблемы могут быть решены. Возможно, гравитация становится сильной на относительно больших расстояниях, что тоже будет большим сюрпризом. Возможны другие, альтернативные модели Хиггса, механизмы возникновения массы у фундаментальных частиц. Поиск эффектов за рамками Стандартной модели ведется очень активно, но пока безуспешно. Очень многое должно проясниться в ближайшие годы.

«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 +2\3, относят: верхний, очарованный и истинный кварки
Нижнего типа. К кваркам нижнего типа, с зарядом -1\3, 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.

Мир элементарных частиц подчиняется квантовым законам и всё ещё не до конца познан. Определяющим понятием при построении различных моделей взаимодействия элементарных частиц является понятие симметрии, понимаемое как математическое свойство неизменности процессов взаимодействия при различных преобразованиях координат или внутренних параметров модели. Такие преобразования образуют группы называемые группами симметрии.

Именно на основе понятия симметрии строится и Стандартная модель. Прежде всего, она обладает пространственно-временной симметрией относительно вращений и сдвигов в пространстве-времени. Соответствующая группа симметрии носит название группы Лоренца (или Пуанкаре). Этой симметрии соответствует независимость предсказаний от выбора системы отсчёта. Кроме того, имеются группы внутренней симметрии – симметрии относительно вращений в пространстве «изоспина» и «цвета» (в случае слабых и сильных взаимодействий соответственно). Также ещё имеется группа фазовых вращений, связанная с электромагнитными взаимодействиями. Этим симметриям соответствуют законы сохранения электрического заряда, «цветного» заряда и т.д. Полная группа внутренней симметрии Стандартной модели, полученная на основе анализа многочисленных экспериментальных данных, есть произведение унитарных групп SU(3) x SU(2) x U(1). Все частицы Стандартной модели принадлежат различным представлениям групп симметрии, причём частицы разного спина никогда не перемешиваются.

Стандартная модель – современная теория строения и взаимодействий элементарных частиц, теория базируется на очень небольшом количестве постулатов и позволяет теоретически предсказывать свойства различных процессов в мире элементарных частиц. Для описания свойств и взаимодействий элементарных частиц используется понятие физического поля, которое ставится в соответствие каждой частице: электронное, мюонное, кварковое и т.д. Поле есть специфическая форма распределения материи в пространстве. Поля, сопоставляемые элементарным частицам, имеют квантовую природу. Элементарные частицы являются квантами соответствующих полей. Рабочим инструментом Стандартной модели является квантовая теория поля. Квантовая теория поля (КТП) является теоретической основой описания микрочастиц, их взаимодействий и взаимопревращений. Maтематический аппарат квантовой теории поля (КТП) позволяет описать рождение и уничтожение частицы в каждой пространственно-временной точке.

Стандартная модель описывает три типа взаимодействия: электромагнитное, слабое и сильное. Гравитационное взаимодействие не входи в Стандартную модель.

Основным вопросом для описания динамики элементарных частиц является вопрос о выборе системы первичных полей, т.е. о выборе частиц (и соответственно полей), которые следует считать наиболее фундаментальными (элементарными) при описании наблюдаемых частиц материи. Стандартная модель отбирает в качестве фундаментальных частиц бесструктурные частицы со спином ½: три пары лептонов ( , ( и три пары кварков обычно группируемые в три поколения.

Современное представление о физике частиц содержится в так называемой Стандартной Модели . Стандартная Модель (СМ) физики частиц базируется на квантовой электродинамике, квантовой хромодинамике и кварк-партонной модели.
Квантовая электродинамика (КЭД) − высокоточная теория − описывает процессы, происходящие под действием электромагнитных сил, которые изучены с высокой степенью точности.
Квантовая хромодинамика (КХД), описывающая процессы сильных взаимодействий, строится по аналогии с КЭД, но в большей степени является полуэмпирической моделью.
Кварк-партонная модель объединяет теоретические и экспериментальные результаты исследований свойств частиц и их взаимодействий.
До сего времени не обнаружено отклонений от Стандартной Модели.
Основное содержание Стандартной Модели представлено в таблицах 1, 2, 3. Конституентами материи являются три поколения фундаментальных ферми онов (I, II, III), свойства которых перечислены в табл. 1. Фундаментальные бозоны - переносчики взаимодействий (табл. 2), которые можно представить с помощью диаграммы Фейнмана (рис. 1).

Таблица 1: Фермионы − (спин полуцелый в единицах ћ) конституенты материи

	Лептоны, спин = 1/2			Кварки, спин = 1/2
	Аромат	Масса, ГэВ/с 2	Электрический заряд, е	Аромат	Масса, ГэВ/с 2	Электрический заряд, е
I	ν e	< 7·10 -9	0	u, up	0.005	2/3
I	е, электрон	0.000511	-1	d, down	0.01	-1/3
II	ν μ	< 0.0003	0	с, charm	1.5	2/3
II	μ, мюон	0.106	-1	s, strange	0.2	-1/3
III	ν τ	< 0.03	0	t, top	170	2/3
III	τ, тау	1.7771	-1	b, bottom	4.7	-1/3

Таблица 2: Бозоны - переносчики взаимодействий (спин = 0, 1, 2 ... в единицах ћ)

Переносчики взаимодействия	Масса, ГэВ/с2	Электрический заряд, е
Электрослабое взаимодействие
γ, фотон, спин = 1	0	0
W - , спин = 1	80.22	-1
W + , спин = 1	80.22	+1
Z 0 , спин = 1	91.187	0
Сильное (цветовое) взаимодействие
5, глюоны, спин = 1	0	0
Неоткрытые бозоны
H 0 , Хиггс, спин = 0	> 100	0
G, гравитон, спин = 2	?	0

Таблица 3: Сравнительные характеристики фундаментальных взаимодействий

Сила взаимодействия указана относительно сильного.

Рис. 1: Диаграмма Фейнмана: А + В = С + D, а − константа взаимодействия, Q 2 = -t − 4-импульс, который частица А передает частице В в результате одного из четырех типов взаимодействий.

1.1 Основные положения Стандартной Модели

Адроны состоят из кварков и глюонов (партонов). Кварки − фермионы со спином 1/2 и массой m 0; глюоны - бозоны со спином 1 и массой m = 0.
Кварки классифицируются по двум признакам: аромат и цвет. Известно 6 ароматов кварков и 3 цвета для каждого кварка.
Аромат - характеристика, сохраняющаяся в сильных взаимодействиях.
Глюон составлен из двух цветов − цвета и антицвета, а все остальные квантовые числа у него равны нулю. При испускании глюона кварк меняет цвет, но не аромат. Всего работает 8 глюонов.
Элементарные процессы в КХД строятся по аналогии с КЭД: тормозное испускание глюона кварком, рождение кварк-антикварковых пар глюоном. Процесс рождения глюонов глюоном не имеет аналога в КЭД.
Статическое глюонное поле не стремится к нулю на бесконечности, т.е. полная энергия такого поля бесконечна. Таким образом, кварки не могут вылетать из адронов, имеет место конфайнмент.
Между кварками действуют силы притяжения, имеющие два необычных свойства: а) асимптотическую свободу на очень малых расстояниях и б) инфракрасное пленение - конфайнмент, благодаря тому, что потенциальная энергия взаимодействия V(r) неограниченно растет с увеличением расстояния между кварками r, V(r) = -α s /r + ær, α s и æ − константы.
Кварк-кварковое взаимодействие не аддитивно.
В виде свободных частиц могут существовать только цветовые синглеты:
мезонный синглет, для которого волновая функция определяется соотношением

и барионный синглет с волновой функцией

где R - красный, В - синий, G - зеленый.

Различают токовые и составляющие кварки, которые имеют разные массы.
Сечения процесса А + В = С + Х с обменом одним глюоном между кварками, входящими в состав адронов, записываются в виде:

ŝ = x a x b s, = x a t/x c .

Символами a, b, c, d обозначены кварки и относящиеся к ним переменные, символами А, В, С − адроны, ŝ, , , − величины, относящиеся к кваркам, − функция распределения кварков а в адроне А (или, соответственно, - кварков b в адроне В), − функция фрагментации кварка с в адроны С, d/dt − элементарное сечение qq взаимодействия.

1.2 Поиск отклонений от Стандартной Модели

При существующих энергиях ускоренных частиц хорошо выполняются все положения КХД и тем более КЭД. В планирующихся экспериментах с более высокими энергиями частиц одной из главных задач считается поиск отклонений от Стандартной Модели.
Дальнейшее развитие физики высоких энергий связано с решением следующих задач:

Поиск экзотических частиц, имеющих структуру, отличную от принятой в Стандартной Модели.
Поиск нейтринных осцилляции ν μ ↔ ν τ и связанная с этим проблема массы нейтрино (ν m ≠ 0).
Поиск распада протона, время жизни которого оценивается величиной τ эксп > 10 33 лет.
Поиск структуры фундаментальных частиц (струны, преоны при расстояниях d < 10 -16 см).
Обнаружение деконфайнмированной адронной материи (кварк-глюонной плазмы).
Изучение нарушения СР-инвариантности при распаде нейтральных K-мезонов, D-мезонов и B-частиц.
Изучение природы тёмной материи.
Изучение состава вакуума.
Поиск Хиггс-бозона.
Поиск суперсимметричных частиц.

1.3 Нерешенные вопросы Стандартной Модели

Фундаментальная физическая теория, Стандартная Модель электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий элементарных частиц (кварков и лептонов) является общепризнанным достижением физики XX века. Она объясняет все известные экспериментальные факты в физике микромира. Однако существует целый ряд вопросов, на которые в Стандартной Модели нет ответа.

Неизвестна природа механизма спонтанного нарушения электрослабой калибровочной инвариантности.

Объяснение существования масс у W ± - и Z 0 -бозонов требует введения в теорию скалярных полей с неинвариантным относительно калибровочных преобразований основным состоянием -вакуумом.
Следствием этого является возникновение новой скалярной частицы - бозона Хиггса.

СМ не объясняет природу квантовых чисел.

Что такое заряды (электрические; барионные; лептонные: Le, L μ , L τ : цветовые: синий, красный, зеленый) и почему они квантуются?
Почему существует 3 поколения фундаментальных фермионов (I, II, III)?

СМ не включает гравитацию, отсюда путь включения гравитации в СМ - Новая гипотеза о существовании дополнительных измерений в пространстве микромира.
Нет объяснения, почему фундаментальный масштаб Планка (М ~ 10 19 ГэВ) так далек от фундаментального масштаба электрослабых взаимодействий (М ~ 10 2 ГэВ).

В настоящее время наметился путь решения этих проблем. Он состоит в развитии нового представления о структуре фундаментальных частиц. Предполагается, что фундаментальные частицы представляют собой объекты, которые принято называть "струнами". Свойства струн рассматриваются в быстро развивающейся Модели Суперструн, которая претендует на установление связи между явлениями, происходящими в физике элементарных частиц и в астрофизике. Такая связь привела к формулировке новой дисциплины - космологии элементарных частиц.

Что представляет собой структура Стандартной модели? Какими свойствами обладают частицы, входящие в Стандартную модель? Возможно ли существование четвертого поколения элементарных частиц? На эти и другие вопросы отвечает доктор физико-математических наук Дмитрий Казаков.

Последняя треть XX века ознаменовалась тем, что была создана, подтверждена экспериментально, принята и увенчана Нобелевской премией Стандартная модель фундаментальных взаимодействий. Что это такое?

Прежде всего, это модель, которая описывает фундаментальные частицы материи и все их взаимодействия. Модель эта является моделью квантовой теории поля и формулируется как лагранжева квантовая теория поля. Это теория, которая описывается как квантовая механика полей, квантами которых являются элементарные частицы, и включает в себя все фундаментальные частицы материи. Таких частиц не так уж много - это шесть кварков и шесть лептонов. Они участвуют в трех видах : сильном, слабом и электромагнитном. Гравитационное взаимодействие в данном случае мы игнорируем в силу его малости, и оно не входит в Стандартную модель. Итак, три вида взаимодействий и шесть типов частиц.

У Стандартной модели есть структура, эта структура обычно связывается с группами симметрии. Три вида взаимодействий - три группы симметрии. Все эти группы относятся к одному и тому же классу - это так называемые унитарные группы. Электромагнитные взаимодействия описываются группой симметрии SU (1), унитарные группы с одним параметром, и, соответственно, одна частица-переносчик электромагнитных взаимодействий - это фотон. У слабых взаимодействий группа симметрии SU (2), здесь уже есть три параметра, и, соответственно, есть три частицы-переносчика слабых взаимодействий - это W- и Z-бозоны. Сильные взаимодействия описываются группой SU (3), здесь уже восемь параметров и, соответственно, восемь полей-переносчиков взаимодействий - их называют глюонами. Это что касается переносчиков взаимодействий.

Сами частицы материи тоже относятся к представлениям групп симметрии. С точки зрения группы сильных взаимодействий - а в них участвуют только кварки - кварки выступают в Стандартной модели в виде триплетов, то есть они имеют квантовые числа, приобретающие три значения, часто это называют словом «цвет»: синий, красный, зеленый. В слабых взаимодействиях все частицы выступают в виде дублетов - это низшее представление группы симметрии слабых взаимодействий. У нас существуют верхние и нижние кварки, электрон и нейтрино - вот примеры двух дублетов.

Интересно, что кварки и лептоны повторяют друг друга, это называется поколениями. Есть первое поколение, второе поколение и третье поколение Стандартной модели. Вообще говоря, не очень понятно, почему природа выбрала три поколения. Есть первое поколение частиц, из которых состоит весь наблюдаемый мир, есть копия - второе поколение, и есть третья копия - это третье поколение. В Стандартную модель входят . Эти частицы являются фундаментальными в том смысле, что мы не видим никакой структуры в этих частицах.

Вообще-то говоря, абсолютного утверждения сделать нельзя, поскольку раньше протон тоже казался частицей без структуры, а потом эта структура была обнаружена. Поэтому нельзя сказать, что те частицы, которые мы сейчас считаем бесструктурными, являются такими всегда.

Возможно, в будущем что-то нам приоткроется, что сейчас не известно. Но на сегодняшний день те частицы, которые составляют Стандартную модель, являются бесструктурными точечными частицами - это кварки и лептоны, они представляются как точечные частицы Стандартной модели. Если мы хотим описать какой-то процесс, происходящий в природе, - как правило, в нем участвуют не сами кварки, а частицы, составленные из кварков, то есть адроны. Лептоны же - электрон, мюон, таон - по-прежнему наблюдаются в виде свободных или взаимодействующих частиц в природе. Поэтому процессы, которые описываются с лептонами, непосредственно описываются Стандартной моделью, с адронами - опосредованно.

Так или иначе, любые взаимодействия и любые превращения, которые мы наблюдаем в природе как на малых, так и на больших расстояниях, описываются Стандартной моделью.

В этом смысле Стандартная модель венчает собой все здание физики элементарных частиц и в некоем смысле все здание фундаментальной физики, поскольку описывает самые фундаментальные законы природы, которые известны на сегодняшний день.

Какими же свойствами обладают частицы, входящие в Стандартную модель? Прежде всего, мы привыкли описывать квантовый мир с помощью так называемых квантовых чисел. Примером квантового числа является электрический заряд. Электрический заряд - это характеристика частицы, которая нам понятна. Частицы бывают положительно заряженные, отрицательно заряженные, вовсе не заряженные, и электрический заряд - это на самом деле квантовое число, которое сохраняется в природе. Сохранение электрического заряда в Стандартной модели описывается соответствующей группой симметрии, из теории симметрии следует сохранение электрического заряда.

Но это не единственная характеристика частиц, поскольку, как известно, в Стандартной модели есть три группы симметрии. Сильные взаимодействия описывают цветные объекты. Цвет, конечно, понятие условное, просто квантовое число, которое приобретает три значения, удобно обозначать для наглядности цветом. Так вот, цветной заряд тоже обладает группой симметрии и тоже сохраняющаяся величина, цветной заряд кварков сохраняется. В слабых взаимодействиях есть свой заряд, его называют левым из-за спина - немножко сложное название, имеющее историческую причину, но это тоже характеристика слабых взаимодействий, это тоже заряд, который сохраняется. Таким образом, все частицы имеют квантовые числа, квантовые заряды, которые сохраняются, как следует из симметрии Стандартной модели.

В Стандартной модели есть свойства, которые на первый взгляд не очень понятны. Например, когда мы говорим о кварках, мы говорим, что кварки нельзя наблюдать в свободном состоянии. То есть мы настолько уверены, что кварки существуют внутри адронов, что тот факт, что мы их не можем напрямую наблюдать, нам не кажется уже странным. Но свойства, которыми обладают эти частицы, очень хорошо проявляются на эксперименте, и поэтому на эксперименте мы подтверждаем все свойства Стандартной модели.

Есть характеристики, которые неочевидны. Например, Стандартная модель описывает массы частиц и переходы одного сорта частиц в другие, при этом сохраняя нужные симметрии. Интересный пример слабого взаимодействия, в котором происходит нарушение ряда симметрий, в частности нарушение пространственной четности или нарушение зарядового сопряжения, когда частицы заменяются на античастицы.

Что еще входит в Стандартную модель? Помимо кварков и лептонов в Стандартную модель входит хиггсовский бозон. возник в теории по той причине, что понадобилось найти механизм, который дал бы массу всем частицам Стандартной модели. Это было достигнуто путем спонтанного обнаружения симметрии, путем введения в теорию дополнительного скалярного поля, то есть обладающего спином ноль, который получил название хиггсовский бозон.

Тем самым полный состав полей Стандартной модели состоит из шести кварков, шести лептонов, одного хиггсовского бозона и переносчиков всех трех видов взаимодействий. Все эти частицы экспериментально открыты. Последней открытой частицей был хиггсовский бозон - он был открыт в 2012 году. Все остальные были открыты еще в XX веке, последним было открыто нейтрино, которое называется таонное нейтрино, третье нейтрино, и оно было открыто в 2000 году. Тем самым XX век завершил Стандартную модель за исключением хиггсовского бозона, и все частицы экспериментально подтверждены.

Возникает вопрос: заканчивается ли на этом история или, может быть, есть еще какие-то частицы, которые не вошли пока в Стандартную модель, но должны будут туда войти? Или, может быть, существует что-то совсем другое, что не описывается Стандартной моделью? На все эти вопросы есть различные ответы, истину мы пока не знаем.

Прежде всего, если говорить о новых частицах типа новых кварков и новых лептонов, которые еще не открыты, как я уже сказал, в Стандартной модели есть три поколения этих частиц. Спрашивается: есть ли четвертое поколение? Экспериментально четвертого поколения не видно. Более того, есть косвенные данные, связанные как с экспериментами физики частиц, так и в космологии, что, возможно, четвертого поколения и нет. Дело в том, что в Стандартной модели есть так называемая : сколько кварков, столько и лептонов. А вот на лептоны (точнее говоря, на нейтрино) , что количество независимых полей нейтрино равно трем. Там есть небольшая лазейка для четвертого, но, по всей вероятности, она тоже скоро будет закрыта.

Если число нейтрино равно трем и есть кварк-лептонная симметрия, то и число поколений всех остальных частиц равно трем, и тем самым мы завершаем Стандартную модель.

Хиггсовский бозон только один. Может ли их быть два, или четыре, или больше? Ответ такой же: возможно. Возможно, существуют другие хиггсовские бозоны, возможно, мы открыли пока только один. Но теория разрешает присутствие большого количества хиггсовских бозонов. Есть ли они или нет - это вопрос к эксперименту. В этом смысле может так оказаться, что Стандартная модель еще не завершена, еще будут открыты новые частицы. Но, может быть, и нет - одного бозона достаточно, чтобы дать массу всем частицам.

Новые взаимодействия - мы говорили о трех видах взаимодействий, которые входят в Стандартную модель, все они реализуются как обмен переносчиками, калибровочными полями со спином единица. В некотором смысле и хиггсовский бозон может рассматриваться как переносчик четвертого взаимодействия, когда он выступает как переносчик взаимодействия со спином ноль. Но есть ли еще? Нет ли каких-то новых взаимодействий или каких-то новых групп симметрии, более широких, чем Стандартная модель? Не входит ли Стандартная модель как составная часть в какую-то более общую теорию? Этот вопрос тоже открыт. Не исключено, что это так, не исключено, что она входит в более общую теорию, но этого пока не видно.

Надо сказать, что, когда мы говорим о том, что Стандартная модель триумфально завершилась, мы говорим о том, что все без исключения эксперименты, которые ставятся на ускорителях, в подземной физике, в космосе, - все они блестяще, совершенно с завидной точностью, с точностью иногда до десяти десятитысячных знаков, описываются Стандартной моделью. В этом смысле это совершенно уникальная модель, которая позволяет описать огромную часть неживой природы с помощью очень простых универсальных математических формул.