A részecskefizika standard modellje egy olyan elmélet, amely az elektromágnesességre , a gyenge és erős magkölcsönhatásokra , valamint az összes ismert szubatomi részecske osztályozására vonatkozik . A XX . Század második felében fejlesztették ki a kvantummechanika alapjait átfogó globális együttműködési kezdeményezéssé . A jelenlegi készítményt az 1970-es évek közepén véglegesítették a kvarkok kísérleti megerősítését követően . Azóta a felső kvark (1995), a tau neutrino (2000) és a Higgs bozon (2012) felfedezései még nagyobb hitelességet adnak a standard modellnek. A standard modell összes részecskéjét kísérletileg megfigyeltük. A sokféle kísérleti eredmény magyarázatában elért sikere miatt a standard modellt néha „szinte minden elméletének” tekintik.
Ez egy olyan reprezentáció, amely a kvantum objektumokra vonatkozik, és megpróbálja elmagyarázni kölcsönhatásukat. A triptichon részecskére , erőre , mediátorra épül , vagyis megkülönbözteti a részecskék családjait azoktól az erőktől, amelyekre érzékenyek, és mindegyik erőt a benne lévő részecskék által kicserélt mediátorok segítségével fejtik ki. Ezeket a mediátorokat bozonoknak nevezik , míg az anyagot alkotó részecskéket fermionoknak (kvarkoknak és leptonoknak) nevezik .
A standard modell 2016-ban tizenkilenc szabad paraméterrel rendelkezik a három lepton , a hat kvark, a Higgs-bozon és nyolc konstans tömegének leírására a részecskék közötti különböző kapcsolatok leírására . Ezeknek a paramétereknek az értékét az első elvek nem rögzítik , ezt kísérletileg kell meghatározni.
Az elméleti szakemberek számára a standard modell a kvantumtérelmélet paradigmája , amely a fizikai jelenségek széles spektrumát valósítja meg. Új modellek felépítésére használják, amelyek hipotetikus részecskéket , extra dimenziókat vagy szuperszimmetriákat tartalmaznak .
Az ötlet, hogy minden kérdésben áll elemi részecskék tekint vissza, legalább a VI -én század ie. Kr . U. A XIX . Században John Dalton a sztöchiometriával foglalkozó munkájával arra a következtetésre jutott, hogy a természet minden eleme egyetlen típusú részecskéből áll. Az atom szó a görög ἄτομος , atomos ("oszthatatlan") szó után azóta egy kémiai elem legkisebb részecskéjére utal , de a fizikusok hamar felfedezték, hogy az atomok valójában nem részecskék, hanem a természet alapjai, hanem egy konglomerátum kisebb részecskék, például elektronok , a magja körül, amelyek maguk is protonokból és neutronokból állnak . A felfedezések kora XX th század nukleáris fizika és kvantumfizika csúcsosodott felfedezése maghasadás 1939- Lise Meitner (tapasztalatai alapján Otto Hahn ), valamint a nukleáris fúzió 1932-ben Mark Oliphant ; a két felfedezés az atomfegyverek kifejlesztéséhez is vezetett . A részecskegyorsítók kifejlesztése a második világháború után az ötvenes és hatvanas években lehetővé tette a részecskék sokféle felfedezését mélyen rugalmatlan szórási kísérletek során . Akkor egy "részecske-állatkertről" volt szó. Ez a kifejezés az 1970-es években a standard modell megfogalmazása után használhatatlanná vált, amelyben a részecskék nagy számát viszonylag kis számú más, még elemi részecske kombinációjának magyarázták.
A Higgs-bozon felfedezése lehetővé tette a konszenzust és az anyag összetevőinek táblázatának 2014-es frissítését, amelyet 2005-ben hoztak létre a fizika világévében.
A mai napig az anyag és az energia jobban értelmezhető az elemi részecskék kinematikája és kölcsönhatása szempontjából. Eddig a fizika az anyag és az energia minden ismert formájának viselkedését és kölcsönhatását szabályozó törvényeket néhány alapvető törvényre és elméletre redukálta. A fizika egyik fő célja, hogy minden elméletét egyesítő közös alapot találjon minden elméletben , amelyben az összes többi ismert törvény különleges eset lenne.
Bár a Standard Modell minősül önálló és koherens elmélet, és nagyon sikeres volt abban, hogy a kísérleti előrejelzések ( CP szimmetria vagy a hierarchia probléma ), akkor hagy számos olyan jelenséget magyarázott , és nem lehet azt állítani, hogy az egyik. Elmélet egyáltalán . Így nem nyújt elméleti igazolást a gravitációról , ahogy azt az általános relativitáselmélet leírja , és nem veszi figyelembe az Univerzum tágulásának gyorsulását (ami sötét energiával magyarázható ). Ez a modell nem tartalmaz olyan részecskéket sem, amelyek sötét anyagot alkothatnának , és rendelkeznek a kozmológiai megfigyelések által megkövetelt összes tulajdonsággal . Nem írja le helyesen a neutrínók és tömegük oszcillációját sem .
A standard modell olyan tagjai több elemi részecskék ( leptonok , kvarkok , nyomtáv bozonok és a Higgs-bozon ), amely viszont lehet különböztetni más jellemzők, mint például a szín díjat. .
A Standard Modell tartalmaz tizenkét elemi részecskék a centrifugálás ½ (fél-egész centrifugálás), amelyek ezért fermionok . A spin-statisztikai tétel szerint a fermionok tiszteletben tartják a Pauli kizárási elvét . Minden fermionnak egy antirészecske felel meg .
A fermionok engedelmeskednek a Fermi-Dirac statisztikának, és nem létezhetnek egymás mellett ugyanabban a kvantum állapotban ( például ugyanazon az atompályán ).
Az elemi fermionok leptonokra és kvarkokra oszlanak , három nemzedéket követve , amelyek csak tömegükben különböznek egymástól, ami minden generációnál magasabb. Csak az első generációs részecskék alkotják a hétköznapi anyagot. A második és harmadik generációs részecskék ugyanis instabilak és gyorsan szétesnek az első generációs, könnyebb részecskékké.
Bár a kvarkok elemiek , nem létezhetnek elszigetelten. Ezeket csoportosítva hadronokat amelyben jön formájában kvark-antikvark pár ( mezonok ), vagy túró triók ( barionok ). Például a protonok két fel kvarkból és egy lefelé kvarkból állnak , míg a neutronok egy fel kvarkból és két lefelé kvarkból állnak .
Az alábbi táblázatok generáció szerint csoportosítják a különböző fermionokat . Annak érdekében, hogy ne terhelje túl ezt a táblázatot, az antirészecskék nincsenek ott ábrázolva. Az elektromos töltést ott jelzik az elemi töltések .
Első generációRészecske | Értékelés | Elektromos töltő | Erős töltés (színes töltés) | Tömeg | Spin |
---|---|---|---|---|---|
Elektron | e | -1 | 511 keV / c 2 | 1/2 | |
Elektronikus neutrino | ν e | 0 | <225 eV / c 2 | 1/2 | |
Quark Up | u | 2/3 | piros, zöld, kék | ~ 3 MeV / c 2 | 1/2 |
Quark le | d | -1/3 | piros, zöld, kék | ~ 6 MeV / c 2 | 1/2 |
Részecske | Értékelés | Elektromos töltő | Nehéz rakomány | Tömeg | Spin |
---|---|---|---|---|---|
Muon | μ | -1 | 106 MeV / c 2 | 1/2 | |
Muonic neutrino | ν μ | 0 | <190 keV / c 2 | 1/2 | |
Quark varázsa | vs. | 2/3 | piros, zöld, kék | ~ 1,3 GeV / c 2 | 1/2 |
Quark Furcsa | s | -1/3 | piros, zöld, kék | ~ 100 MeV / c 2 | 1/2 |
Részecske | Értékelés | Elektromos töltő | Nehéz rakomány | Tömeg | Spin |
---|---|---|---|---|---|
Tau vagy Tauon | τ | -1 | 1,78 GeV / c 2 | 1/2 | |
Tauic Neutrino | ν τ | 0 | <18,2 MeV / c 2 | 1/2 | |
Quark Top | t | 2/3 | piros, zöld, kék | 171 GeV / c 2 | 1/2 |
Quark Bottom | b | -1/3 | piros, zöld, kék | ~ 4,2 GeV / c 2 | 1/2 |
A standard modellben a nyomtávú bozonok az erő vektorai vagy támaszai, és közvetítő szerepet játszanak az alapvető erők között : gyengék, erősek és elektromágnesesek.
A nyomtávos bozonok engedelmeskednek a Bose-Einstein statisztikának ; teljes pörgésük van, és egymással azonos kvantumállapotban létezhetnek (azonos fotonok milliárdjai élnek együtt lézersugárban).
A Higgs-bozon nem erőközvetítő, ezért nem tartozik a nyomtávú bozonok osztályába.
Ezek a mezőrészecskék lehetnek valósak vagy virtuálisak . Ez utóbbi esetben rendkívül rövid időtartamúak, és közvetett módon figyelhetők meg tevékenységükkel, amely lényegében az alapvető erők átadásában áll. Ezért nevezik ezeket a virtuális részecskéket „messenger részecskéknek” vagy „közvetítőknek” is.
FotonA γ fotonok (az 1. spin és a nulla tömeg és töltés) az elektromágneses erő közvetítői az elektromosan töltött részecskék között.
Gyenge bozonokA W + , W - és Z 0 szelvényű bozonok (spin 1 és nagy tömeg) közvetítik a különböző ízű részecskék (kvarkok és leptonok) közötti gyenge kölcsönhatást .
GluonokA nyolc gluon (1-es spinű és nulla tömegű) a színes töltéssel (kvarkokkal) rendelkező részecskék közötti erős kölcsönhatás közvetítője .
A Higgs-bozon (a spin 0, amely skaláris mező ) állítólag egy spontán szimmetriatörő mechanizmus révén adja tömegét a többi részecskére, amelyet ebben az összefüggésben Higgs-mechanizmusnak neveznek . A CERN bejelentette2012. július 45 sigma (99,99997%) magabiztossággal fedezték fel az LHC-nek köszönhetően egy 125,3 GeV⋅c −2 ± 0,6 tömegű részecskét . Ez a részecske lehet a Higgs-bozon, de további vizsgálatokra van szükség ahhoz, hogy minden bizonyossággal meg lehessen mondani.
Típusok | Generációk | Antirészecske | Színek | Teljes | |
---|---|---|---|---|---|
Quarks | 2 | 3 | Pár | 3 | 36 |
Leptonok | Pár | Bármi | 12. | ||
Gluonok | 1 | 1 | Önmaga | 8. | 8. |
Foton | Önmaga | Bármi | 1 | ||
Boson Z | Önmaga | 1 | |||
Boson W | Pár | 2 | |||
Higgs-bozon | Önmaga | 1 | |||
Összes elemi részecske (ismert): | 61 |
Ha a részecskéket úgy számoljuk meg, hogy megkülönböztetjük különböző színeiket és antirészecskéiket, akkor mind a 61 elemi részecskét megszámoljuk.
Egy matematikai szempontból a kvantumtérelméletekben hivatalossá keretében szelvény elméletek felhasználásával csoportok a helyi szimmetria formájában Lie-csoportok komplex szolgáló egyes szelvény szimmetriák modellezni. Így :
A standard modell tizenkilenc szabad paramétere a kilenc fermion tömege, a CKM mátrix négy paramétere, a három erő kapcsolási állandói, a kvantum-kromodinamika theta-szöge és két Higgs-paraméter.
A részecskefizika standard modelljének paraméterei | ||
---|---|---|
Szimbólum | Leírás | Érték |
m e | Elektron tömeg | 511 keV |
m μ | Muon mise | 105,7 MeV |
m τ | Tau tömege | 1,78 GeV |
m u | A kvark tömege fel | 1,9 MeV |
m d | Tömeg kvark le | 4,4 MeV |
m s | A furcsa kvark tömege | 87 MeV |
m c | Báj kvark tömeg | 1.32 GeV |
m b | Az alsó kvark tömege | 4.24 GeV |
m t | Felső kvarktömeg | 172,7 GeV |
θ 12 | Keverés szög θ 12 a CKM mátrix | 13,1 ° |
θ 23 | Keverés szög θ 23 a CKM mátrix | 2,4 ° |
θ 13 | Keverés szög θ 13 a CKM mátrix | 0,2 ° |
δ | A CP-szimmetria megsértésének paramétere a CKM-mátrixban | 0,995 |
g 1 vagy g ' | Csatlakozási állandó az U nyomtávcsoportra (1) (elektromágnesesség) | 0,357 |
g 2 vagy g | Csatlakozási állandó az SU (2) szelvénycsoport számára ( gyenge kölcsönhatás ) | 0,652 |
g 3 vagy g s | Csatlakozási állandó az SU (3) nyomtávcsoporthoz ( erős kölcsönhatás ) | 1.221 |
θ QCD | A kvantum kromodinamika theta szöge | ~ 0 |
v | A Higgs-mező "várható értéke vákuumban" | 246 GeV |
m H | Higgs bozontömeg | ~ 125 GeV |
A standard modell nem teljes elmélet az alapvető kölcsönhatásokról, és számos jellemzője azt sugallja, hogy léteznie kell egy „fizikának, amely meghaladja a standard modellt”. Azonban legalább addig2021. március, egyetlen intézkedés vagy tapasztalat sem győzte le előrejelzéseit.
A standard modell nem tartalmazza a gravitációt . A kvantummechanika és a relativitáselmélet egységesítését megkísérlő számos elmélet közül többen a hipotetikus bozon , a graviton létezését veszik figyelembe .
Szerint Alain Connes , „senki sem gondolja, hogy a standard modell a történet vége, különösen azért, mert a nagy szabad paraméterek száma is tartalmaz. " .
A standard modell nem jósolja meg, hogy miért van három fermion generáció ugyanazon töltésekkel, de nagyon különböző tömegtartományokban. Az u kvark tömege a MeV.c −2, míg a t a 170 GeV .c −2 nagyságrendű . Másrészt semmi sem mondja, hogy nincsenek más családok. 2008-tól egyetlen standard modellen kívüli elmélet sem magyarázza pontosan e három család létét. A unitarity a CKM mátrix egy érzékeny teszt a létezését egy másik generáció fermionok.
A Lagrangian of gauge standard modell három belső szimmetriával rendelkezik a részecskékben , és . A fermioncsaládokhoz hasonlóan semmi sem akadályozza a szimmetriák alcsoportjainak létét. Ez ráadásul kedves téma a nagy egyesülés elméletei számára , amelyek elvileg lehetővé teszik ezen szimmetriák magyarázatát azzal, hogy az első háromnál nagyobb csoport alcsoportjaiként veszik fel őket. A matematikai csoport alkalmas lehetett, és rajtuk alapult a Nagy Egyesülés ( GUT ) elmélete . De ez a mérőszimmetria bonyolította a standard modellt, mivel 24 bozon postulálására kényszerült, és mindenekelőtt a proton bomlását jósolta meg, amelyet kísérletileg soha nem figyeltek meg.
A standard modell magában foglalja azt a tényt, hogy minden részecske egy antirészecskének felel meg. Fizikai jellemzőik szinte azonosak. Egy részecske és antirészecskéje azonos tömegű, de ellentétes töltésű (barion és lepton).
A modell nem írja le azt a sötét anyagot, amely az univerzum nagy részét alkotná.
A hipotetikus szuperszimmetrikus részecskék közül a legkönnyebb lenne a sötét anyag egyik jelöltje.
Marad egy olyan elmélet megfogalmazása, amely kiegészíti a standard modellt, és megmagyarázza, hogy miért nem detektáltak eddig ezeket a részecskéket (az LHC vagy más detektor).
A proton elektromos töltésének térfogatával végzett kísérletek két különböző ábrát adnak, és a tudósok nem tudják megállapítani, hogy a hiba a kísérlet körülményei között van-e, vagy maga az elmélet hiányos.
A standard modell feltételezi, hogy a töltött leptonok, azaz az elektronok, a müonok és a tauonok kölcsönhatásai csak tömegkülönbségeik miatt változnak. Az elektronokkal és a müonokkal végzett kísérletek megerősítették ezt a hipotézist, de a B-mezon bomlásának legújabb vizsgálatai a tau leptont magas energiákban mutatják be, eltéréseket az elmélettől. Ha ezek az eredmények beigazolódnak, ez utat nyithat a részecskék közötti új interakciók számára.
A standard modell jósol a müon egy mágneses momentum , amelynek Lände faktor g közel van a 2, de valamivel magasabb, mivel a létrehozása és megsemmisülés a pár virtuális részecskék a közelében, és a jellemzőit az ismert részecskék lehetővé teszik, hogy kiszámítja a g −2 különbség (az „ anomális pillanat ”). 2001-ben a mérési g meg a nemzeti laboratórium Brookhaven ( New York állam , Amerikai Egyesült Államok ), így eredményeként egy kicsit magasabb, mint a számított érték, de nem eléggé kis hibahatárral, hogy garantálják az ellentmondást. 2021 áprilisában, két év adatgyűjtés után, különböző berendezésekkel, a Fatavilab ( Batavia, Illinois) nagyon hasonló eredményt jelentett be. A két mérés kombinációja különbséget ad a mért érték és az elméleti érték között, amely 4,2-szer nagyobb, mint a szórás , és ezért szignifikánsan nem nulla. Az egyik lehetséges magyarázat a részecskék létezése, amelyeket a standard modell nem jósolt meg, és ezért új virtuális részecskék.
A "gyönyörű" mezont (amely tartalmaz egy b kvarkot ) "furcsa" mezonvá ( s kvarkot tartalmazó) átalakítunk, amely vagy egy elektron és egy pozitron , vagy egy müon és egy antimuon emisszióval rendelkezik . A standard modell azt jósolja, hogy a különféle töltött leptonok , az elektron, a müon és a tau ugyanazokat az elektromos gyengeségű kölcsönhatási erőket fejtik ki és érzik . Ban ben2021. március, Proton-proton ütközéseket analizáltuk a detektor LHCb a LHC a CERN mutatják közötti aszimmetria elektronok és müonokat, az utóbbi kiadott kevesebb (a különbség 3.1 standard deviáció ). Ha ezek az eredmények beigazolódnak, ez a standard modell újabb elutasítását jelentené, és talán a kvarkok és a leptonok közötti új alapvető kölcsönhatásra utalna.