Стандартна модель

Вся матерія складається з кварків, лептонів та частинок - переносників взаємодій.

Стандартною моделлю сьогодні прийнято називати теорію, що найкраще відображає наші уявлення про вихідний матеріал, з якого спочатку побудовано Всесвіт. Вона ж описує, як саме матерія утворюється з цих базових компонентів, і сили та механізми взаємодії між ними.

Зі структурної точки зору елементарні частинки, з яких складаються атомні ядра (нуклони), і взагалі всі важкі частинки —адрони(баріонитамезони) — складаються із ще більш простих частинок, які прийнято називати фундаментальними. У цій ролі по-справжньому фундаментальних первинних елементів матерії виступають кварки, електричний заряд яких дорівнює 2/3 або одиничного позитивного заряду протона. Найпоширеніші та найлегші кварки називаютьверхнімінижнімі позначають, відповідно,u(від англійськоїup) іd(down). Іноді їх називаютьпротоннимінейтроннимкварком через те, що протон складається з комбінаціїuud, а нейтрон -udd.Верхній кварк має заряд 2/3; нижній - негативний заряд. Оскільки протон складається з двох верхніх і одного нижнього, а нейтрон - з одного верхнього і двох нижніх кварків, ви можете самостійно переконатися, що сумарний заряд протона і нейтрона виходить рівним 1 і 0, і переконатися, що в цьому Стандартна модель адекватно описує реальність . Дві інші пари кварків входять до складу екзотичніших частинок. Кварки з другої пари називаютьзачарованим-c(відcharmed) ідивним-s(відstrange). Третю пару складаютьістинний-t(відtruth, або в англ. традиціїtop) ікрасивий-b(відbeauty, або в англ. традиціїbottom) кварки. Практично всі частинки, що передбачаються Стандартною моделлю і складаються з різних комбінацій кварків, вже відкриті експериментально.

Інший будівельний набір складається з цеглинок, званихлептонами.Найпоширеніший з лептонів — давно нам знайомийелектрон, що входить до структури атомів, але не бере участі в ядерних взаємодіях, обмежуючись міжатомними. Крім нього (і парної йому античастинки під назвою <пози> ) до лептонів відносяться більш важкі частинки - мюон і тау-лептон з їх античастинками. Крім того, кожному лептону зіставлена ​​своя незаряджена частка з нульовою (або практично нульовою) масою спокою; такі частинки називаються, відповідно, електронне, мюонне або таонненейтрино.

Отже, лептони, подібно кваркам, також утворюють три «сімейні пари». Така симетрія не вислизнула від спостережливих очей теоретиків, проте переконливого пояснення їй досі не запропоновано. Як би там не було, кварки та лептони є основним будівельним матеріалом Всесвіту.

Щоб зрозуміти зворотний бік медалі – характер сил взаємодії між кварками та лептонами, – потрібно зрозуміти, як сучасні фізики-теоретики інтерпретують саме поняття сили. У цьому нам допоможе аналогія. Уявіть собі двох човнярів, що гребають на зустрічних курсах по річці Кем у Кембриджі. Один весляр від щедрості душевної вирішив почастувати колегу шампанським і, коли вони пропливали один повз одне, кинув йому повну пляшку шампанського.В результаті дії закону збереження імпульсу, коли перший весляр кинув пляшку, курс його човна відхилився від прямолінійного в протилежний бік, а коли другий весляр впіймав пляшку, її імпульс передався йому, і другий човен також відхилився від прямолінійного курсу, але вже в протилежний бік. Таким чином, в результаті обміну шампанським обидві човни змінили напрямок. Відповідно до законів механіки Ньютона це означає, що між човнами відбулася силова взаємодія. Але ж човни не вступали між собою у прямий дотик? Тут ми бачимо наочно, і розуміємо інтуїтивно, що сила взаємодії між човнами була передана носієм імпульсу — пляшкою шампанського. Фізики назвали б їїпереносником взаємодії.

Так само і силові взаємодії між частинками відбуваються за допомогою обміну частинками-переносниками цих взаємодій. Фактично, різницю між фундаментальними силами взаємодії між частинками ми проводимо лише остільки, оскільки у ролі переносників цих взаємодій виступають різні частки. Таких взаємодій чотири:сильне(саме воно утримує кварки всередині частинок),електромагнітне,слабке(саме воно призводить до деяких форм радіоактивного розпаду) тагравітаційне .Переносниками сильної колірної взаємодії єглюони, які не володіють ні масою, ні електричним зарядом. Цей тип взаємодії описується квантовою хромодинамікою. Електромагнітна взаємодія відбувається за допомогою обміну квантами електромагнітного випромінювання, які називаютьсяфотонамиі також позбавлені маси. 11>, які «важать» у разбільше протона, - в лабораторних умовах їх уперше вдалося виявити лише на початку років. Нарешті, гравітаційне взаємодія передається у вигляді обміну не володіють власною масоюгравітонами— цих посередників поки експериментально виявити зірвалася.

У рамках Стандартної моделі перші три типи фундаментальних взаємодій вдалося об'єднати, і вони не розглядаються окремо, а вважаються трьома різними проявами сили єдиної природи. Повертаючись до аналогії, припустимо, що інша пара веслярів, пропливаючи один повз одного по річці Кем, обмінялася не пляшкою шампанського, а лише склянкою морозива. Від цього човни також відхилиться від курсу на протилежні сторони, але значно слабші. Сторонньому спостерігачеві може здатися, що у цих двох випадках між човнами діяли різні сили: у першому випадку відбувся обмін рідиною (пляшку я пропоную до уваги не брати, оскільки більшості з нас цікавий її вміст), а в другому — твердим тілом (морозивом). А тепер уявіть, що в Кембриджі того дня стояла рідкісна для північних місць літня спека, і морозиво в польоті розтануло. Тобто достатньо деякого підвищення температури, щоб зрозуміти, що, фактично, взаємодія не залежить від того, рідке або тверде тіло виступає в ролі його переносника. Єдина причина, через яку нам уявлялося, що між човнами діють різні сили, полягала у зовнішній відмінності переносника-морозива, викликаного недостатньою для його плавлення температурою. Підніміть температуру — і сили взаємодії стануть єдиними наочно.

Сили, що діють у Всесвіті, також сплавляються воєдино за високих енергій (температур) взаємодії, після чого розрізнити їх неможливо.Першимиоб'єднуються(саме так це прийнято називати) слабка ядерна та електромагнітна взаємодії. В результаті ми отримуємо так званеелектрослабке взаємодія, що спостерігається навіть лабораторно при енергіях, що розвиваються сучасними прискорювачами елементарних частинок. У ранньому Всесвіті енергії були такі високі, що в перші секунди після Великого вибуху не було межі між слабкими ядерними та електромагнітними силами. Лише після того, як середня температура Всесвіту знизилася до 10 14 K, всі чотири силові взаємодії, що спостерігаються сьогодні, розділилися і набули сучасного вигляду. Поки температура була вищою від цієї позначки, діяли лише три фундаментальні сили: сильної, об'єднаної електрослабкої та гравітаційної взаємодій.

Об'єднання електрослабкої та сильної ядерної взаємодії відбувається за температур близько 10 27 К. У лабораторних умовах такі енергії сьогодні недосяжні. Найпотужніший сучасний прискорювач — будується нині на кордоні Франції та Швейцарії Великий адронний колайдер (Large Hadron Collider) — зможе розганяти частинки до енергій, які становлять лише 0,000000001% від необхідної для об'єднання електрослабкої та сильної ядерної взаємодії. Тож, мабуть, експериментального підтвердження цього об'єднання чекати нам доведеться довго. Таких енергій немає і в сучасному Всесвіті, проте в перші з його існування температура Всесвіту була вищою 10 27 К, і у Всесвіті діяло всього дві сили - електросильної і гравітаційної взаємодії. Теорії, що описують ці процеси, називають «теоріями Великого об'єднання» (ТВО). Безпосередньо перевірити ТВО не можна, але вони дають певні прогнози щодо процесів, що протікають при нижчих енергіях. На сьогоднішнійдень всі передбачення ТВО для відносно низьких температур та енергій підтверджуються експериментально.

Отже, Стандартна модель, в узагальненому вигляді, є теорією будови Всесвіту, в якій матерія складається з кварків і лептонів, а сильні, електромагнітні та слабкі взаємодії між ними описуються теоріями великого об'єднання. Така модель, очевидно, не сповнена, оскільки не включає гравітацію. Імовірно, повніша теорія з часом все-таки буде розроблена (див.Універсальні теорії), а на сьогодні Стандартна модель — це найкраще з того, що ми маємо.