Fizikas standarta modelis — definīcija, elementārdaļiņas un pamatspēki
Fizikas standarta modelis — skaidra definīcija par elementārdaļiņām, fermioniem, bozoniem un trim izskaidrojamajiem pamatspēkiem. Uzzini pamatus un to nozīmi pētniecībā.
Fizikas standarta modelis (SM) ir kvantu lauku teorija, kas apraksta elementārajām daļiņām, kas ir fermioni un bozoni, un to savstarpējās mijiedarbības. SM izskaidro trīs no četriem dabas pamatspēkiem: gravitācija, elektromagnētisms, vājais spēks un stiprais spēks — no tiem gravitāciju Standarta modelis nesatur, bet pārējie trīs tiek aprakstīti ļoti precīzi.
Modelis balstās uz kvantu mehānikas un speciālās relativitātes idejām, izmantojot fizikālā lauka koncepciju un simetrijas principu lomu. Daļa SM matemātikas ietver grupu teorija un lauka teorijas matemātiskos instrumentus. No lauka teorijas izriet lagrāna (Lagrangian) un Hamiltona (Hamiltonian) funkciju formulējumi, kas nosaka vienādojumus un dinamiku kvantu laukos.
Pamatideja un simetriju grupa
Standarta modeļa mijiedarbības tiek uzskatītas par gauge (vada) mijiedarbībām, ko nosaka gauge simetriju grupa SU(3) × SU(2) × U(1). Šī grupa nosaka, kuras lauka kombinācijas ir saglabātas un kādiem bozoniem pieder mijiedarbību kvantu — gluoniem attiecībā uz SU(3) (stiprais spēks), W un Z bozoniem attiecībā uz SU(2) (vājais spēks) un fotonam attiecībā uz U(1) (elektromagnētisms).
Elementārdaļiņas
Svarīgākās SM daļiņu klases ir:
- Fermioni (materiāldaļiņas) — trīs ģimenes (generācijas), katrā ir divi kvarki un divi leptonu veidi:
- 1. ģimene: up (u), down (d) kvarki; electrons (e) un elektron-neitrīno (νe)
- 2. ģimene: charm (c), strange (s) kvarki; muons (μ) un muon-neitrīno (νμ)
- 3. ģimene: top (t), bottom (b) kvarki; tau (τ) un tau-neitrīno (ντ)
- Bozoni (mijiedarbību pārnēsātāji) — fotons (γ) elektrodinamikai, W± un Z0 vājam spēkam, gluoni (g) stiprajam spēkam, un vēl skalārais Higsa lauks (H), kas nav gauge bozonu grupa, bet ir būtisks masu radīšanai.
Higss un masu iegūšana
Higsa mehānisms skaidro, kā daļiņas iegūst masu, sagrozot elektromagnētiskā un vājā spēka simetriju (elektro-vājā simetrijas spontāna laušana). Higsa bozona eksistence tika eksperimentāli apstiprināta 2012. gadā Lielajā hadronu akseleratorā (LHC). Bez Higsa lauka SM nevarētu izskaidrot masu attiecību starp W/Z un fotonu, kā arī fermionu masu ģimenes struktūru.
Panākumi un pārbaudījumi
- SM ļoti precīzi prognozē kvantu elektrodinamikas (QED) rezultātus, W un Z bozonu īpašības un daudzas citu procesu sadalījumu varbūtības.
- Quarku krāsu teorija (kvantu hromodinamika, QCD) skaidro hadronu struktūru un eksperimentālas izmaiņas augstas enerģijas reakcijās.
- Modeļa precizitāte ir apstiprināta ar daudziem precīziem eksperimentiem — no elektrona magnētiskā momenta līdz lielajiem akseleratoriem.
Ierobežojumi un neatrisinātie jautājumi
Lai gan SM ir ārkārtīgi veiksmīgs, tas neatrisina vairākus fundamentālus jautājumus:
- Gravitācija: SM neiekļauj gravitāciju un nav kvantu gravitācijas teorijas.
- Tumšā matērija un tumšā enerģija: novērojumi kosmosā liecina par vielu un enerģiju formām, kuras SM neprognozē.
- Neitrīnu mases un oscilācijas: SM sākotnēji paredzēja masu nulli neitrīniem; tomēr neitrīnu oscilācijas pierāda, ka tiem ir nelielas masas — tas prasa paplašinājumus vai papildfunkcijas.
- Hierarhijas un dabiskuma jautājums: Higsa masas priekšmeta stabilitāte (kāpēc tā ir relatīvi maza salīdzinājumā ar Plancka skalu) ved pie teorētisku papildinājumu, piemēram, supersimetrijas, meklējumiem.
- Matter–antimatter asimetrija: SM CP pārkāpums nav pietiekams, lai izskaidrot novērojamo Visuma vairākumu no matērijas pār antimateriju.
- Stiprais CP-problēms: jautājums, kāpēc QCD neiekļauj pamanāmu CP simetrijas pārkāpumu (risināšanai piedāvāts, piemēram, aksions).
Turpmākās izpētes virzieni
Fizikas kopiena aktīvi meklē paplašinājumus SM: eksperimentālas meklēšanas LHC un citos detektoros (jaunas daļiņas, precīzāki mērījumi), neitrīnu eksperimentu attīstība, meklējumi pēc tumšās matērijas signāliem, kā arī teorētiskas pieejas kvantu gravitācijai un vienotai teorijai. Standarta modelis joprojām ir pamats, no kura izriet sagataves jauniem atklājumiem.
Elementāro daļiņu standarta modelis. 1 GeV/c2 = 1,783x10-27 kg. 1 MeV/c2 = 1,783x10-30 kg.
Fermioni
Fermioni ir daļiņas, kas savienojas kopā, veidojot visu mūsu redzamo "matēriju". Fermionu grupu piemēri ir protons un neitrons. Fermjoniem piemīt tādas īpašības kā lādiņš un masa, ko var novērot ikdienā. Tiem piemīt arī citas īpašības, piemēram, spins, vājš lādiņš, hiperlādiņš un krāsu lādiņš, kuru ietekme ikdienā parasti nav redzama. Šīm īpašībām ir piešķirti skaitļi, ko sauc par kvantu skaitļiem.
Fermioni ir daļiņas, kuru spina skaitlis ir nepāra, pozitīvs skaitlis, reizināts ar pusi: 1/2, 3/2, 5/2 utt. Mēs sakām, ka fermioniem ir "puse no veselā skaita spina".
Svarīgs fakts par fermijoniem ir tas, ka tie ievēro likumu, ko sauc par Pauli izslēgšanas principu. Šis noteikums nosaka, ka divi fermioni nevar atrasties vienā un tajā pašā "vietā", jo diviem fermioniem atomā nevar būt vienādi kvantu skaitļi. Fermioni ievēro arī teoriju, ko sauc par Fermī-Diraka statistiku. Ar vārdu "fermions" tiek godināts fiziķis Enriko Fermi.
Ir 12 dažādi fermionu veidi. Katru veidu sauc par "flavoru". To nosaukumi ir šādi:
- Kvarki - augšup, lejup, dīvaini, burvīgi, augšējie, apakšējie
- Leptoni - elektronu, mionu, tau, elektronu neitrīno, mionu neitrīno, tau neitrīno. Elektrons ir vislabāk zināmais leptons.
Kvarki ir sagrupēti trīs pāros. Katru pāri sauc par "paaudzi". Katra pāra pirmajam kvarkam ir 2/3 lādiņš, bet otrajam kvarkam -1/3 lādiņa. Trīs veidu neitrīno lādiņiem ir lādiņš 0. Elektronam, mionam un tauonam ir lādiņš -1.
Viela sastāv no atomiem, un atomi sastāv no elektroniem, protoniem un neitroniem. Protoni un neitroni sastāv no augšupējiem un lejupējiem kvarkiem. Var atrast vienu leptonu atsevišķi, bet nekad nevar atrast kvarkus vienus pašus. Tas ir tāpēc, ka kvarkus kopā satur krāsu spēks.
Trīs kvārku attēls protonā
Bosoni
Bosoni ir otrais elementārdaļiņu tips standarta modelī. Visiem bozoniem ir vesels spins (1, 2, 3 utt.), tāpēc daudzi no tiem var atrasties vienā un tajā pašā vietā vienlaikus. Pastāv divu veidu bozoni - mērījumu bozoni un Higsa bozons. Gāzu bozoni ir tie, kas padara iespējamus dabas pamatspēkus. (Mēs vēl neesam pārliecināti, vai gravitācija darbojas ar gabarītbozona palīdzību.) Katrs spēks, kas iedarbojas uz fermijoniem, rodas tāpēc, ka starp fermijoniem pārvietojas gabarītbozoni, kas pārnes spēku. Bozoni darbojas saskaņā ar teoriju, ko sauc par Bosa-Einšteina statistiku. Ar vārdu "bozons" tiek godināts indiešu fiziķis Satjendra Nats Bosē.
Standartmodelis nosaka, ka ir:
- 12 fermioni, katram no tiem ir sava antidaļiņa;
- 12 gab. bozoni: W+ , W- un Z;
Visas šīs daļiņas ir novērotas dabā vai laboratorijā. Modelis arī paredz, ka eksistē Higsa bozons. Modelis saka, ka fermjoniem ir masa (tie nav tikai tīra enerģija), jo Higsa bozoni ceļo starp tiem turp un atpakaļ. Tiek uzskatīts, ka Higsa bozons ir atklāts 2012. gada 4. jūlijā. Tā ir daļiņa, kas piešķir masu citām daļiņām.
Fundamentālie spēki
Ir zināmi četri galvenie dabas spēki. Šie spēki ietekmē fermjonus, un tos pārnēsā bozoni, kas pārvietojas starp šiem fermjoniem. Standartmodelis izskaidro trīs no šiem četriem spēkiem.
- Spēcīgs spēks: Šis spēks satur kopā kvarkus, lai veidotu hadronus, piemēram, protonus un neitronus. Stiprā spēka virzītājspēks ir gluoni. Kvārku, spēcīgā spēka un gliūnu teoriju sauc par kvantu hromodinamiku (QCD).
- Atlikušais stiprais spēks satur kopā protonus un neitronus, veidojot katra atoma kodolu. Šo spēku pārnēsā mezoni, kas sastāv no diviem kvarkiem.
- Vājš spēks: Šis spēks var mainīt fermiona garšu un izraisa beta sabrukumu. Vājais spēks darbojas ar trim gabarītbozoniem: W+ , W- un Z bozons.
- Elektromagnētiskais spēks: Šis spēks izskaidro elektrību, magnētismu un citus elektromagnētiskos viļņus, tostarp gaismu. Šī spēka nesējs ir fotons. Apvienoto elektronu, fotonu un elektromagnētisma teoriju sauc par kvantu elektrodinamiku.
- Smagums: Tas ir vienīgais fundamentālais spēks, kas nav izskaidrots SM. Iespējams, ka to pārnēsā daļiņa, ko sauc par gravitonu. Fiziķi meklē gravitonu, bet pagaidām to nav atraduši.
Stiprie un vājie spēki ir redzami tikai atoma kodola iekšienē. Tie darbojas tikai ļoti nelielos attālumos - tikpat lielos, cik plats ir protons. Elektromagnētiskais spēks un gravitācija darbojas jebkurā attālumā, bet šo spēku spēks samazinās, jo attālums starp ietekmējamiem objektiem kļūst lielāks. Spēks samazinās līdz ar attāluma starp ietekmējamiem objektiem kvadrātu: piemēram, ja divi objekti viens no otra atrodas divreiz tālāk, gravitācijas spēks starp tiem kļūst četras reizes mazāks (22 =4).
Ierobežojumi
Standartmodelis nevar būt visa teorija. Tajā nav iekļauta pilna gravitācijas teorija, ko apraksta vispārējā relativitātes teorija, un tajā nav izskaidrota Visuma paātrinātā izplešanās (ko, iespējams, apraksta tumšā enerģija). Modelī nav iekļauta neviena tumšās matērijas daļiņa, kurai piemīt visas novērojumos kosmoloģijā novērotās īpašības. Tiek uzskatīts, ka SM ir teorētiski paškonsekventa. Tas ir uzrādījis milzīgus un nepārtrauktus panākumus eksperimentālo prognožu jomā, taču dažas lietas paliek neizskaidrotas.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir fizikas standarta modelis?
A: Fizikas standarta modelis ir teorija par elementārdaļiņām, kas ir fermioni vai bozoni.
J: Ko izskaidro standarta modelis?
A: Standartmodelis izskaidro trīs no četriem dabas pamatspēkiem, proti, elektromagnētismu, vājos spēkus un stipros spēkus.
J: Kāds ir ceturtais dabas pamatspēks?
A: Ceturtais dabas pamatspēks ir gravitācija.
J: Vai standarta modelis izskaidro gravitāciju?
A: Nē, standarta modelis nepaskaidro gravitāciju.
J: Kādas fizikas daļas izmanto standarta modelī?
A: Standartmodelī izmantotās fizikas daļas ietver kvantu mehāniku un speciālo relativitāti, kā arī fizikālā lauka un simetrijas laušanas idejas.
J: Kādu matemātiku izmanto standarta modelī?
A: Standartmodelī izmantotā matemātika ir grupu teorija, kā arī vienādojumi, kuriem ir lielākais un mazākais punkts, ko sauc par Lagrangiāniem un Hamiltoniāniem.
J: Kādi ir divi daļiņu veidi, ko izskaidro standarta modelis?
A: Standartmodelis izskaidro divu veidu daļiņas - fermioni vai bozoni.
Meklēt