стандартен модел

Цялата материя е изградена от кварки, лептони и частици, които носят сили.

Стандартният модел днес се нарича теорията, която най-добре отразява нашето разбиране за изходния материал, от който първоначално е изградена Вселената. Той също така описва как точно се образува материята от тези основни компоненти и силите и механизмите на взаимодействие между тях.

От структурна гледна точка елементарните частици, които изграждат атомните ядра (нуклони), и като цяло всички тежки частици —адрони(бариониимезони) — се състоят от още по-прости частици, които обикновено се наричат ​​фундаментални. В тази роля истински фундаменталните първични елементи на материята сакварките, чийто електрически заряд е равен на 2/3 или единичен положителен заряд на протона. Най-често срещаните и най-леките кварки се наричат ​​upиdownи се обозначават съответноu(от английскиup) иd(down). Понякога те също се наричат ​​протонинеутронкварки, защото протонът се състои от комбинациятаuud, а неутронът еudd.Горният кварк има заряд 2/3; дъно - отрицателен заряд. Тъй като протонът се състои от два нагоре и един надолу кварк, а неутронът се състои от един нагоре и два надолу кварка, можете независимо да проверите дали общият заряд на протона и неутрона се оказва строго равен на 1 и 0 и да се уверите, че Стандартният модел адекватно описва реалността в това. Другите две двойки кварки са част от по-екзотични частици. Кварките от втората двойка се наричат ​​очаровани-c(отcharmed) иstrange-s(отstrange). Третата двойка еtrue—t(отtruth, илиtopв английската традиция) иbeautiful—b(отbeauty, илиbottomв английската традиция) кварки. Почти всички частици, предвидени от Стандартния модел и състоящи се от различни комбинации от кварки, вече са открити експериментално.

Друг градивен комплект се състои от градивни елементи, нареченилептони.Най-често срещаният от лептоните е отдавна познатиятелектрон, който е част от структурата на атомите, но не участва в ядрени взаимодействия, като е ограничен до междуатомни. В допълнение към него (и неговата сдвоена античастица, нареченапозитрон), лептоните включват по-тежки частици - мюон и тау лептон с техните античастици. Освен това на всеки лептон се приписва своя собствена незаредена частица с нулева (или практически нулева) маса на покой; такива частици се наричат ​​съответно електрон, мюон или таоннеутрино.

И така, лептоните, подобно на кварките, също образуват три "семейни двойки". Подобна симетрия не е убягнала от наблюдателните очи на теоретиците, но все още не е предложено убедително обяснение за нея. Както и да е, кварките и лептоните са основните градивни елементи на Вселената.

За да разберем обратната страна на монетата – природата на силите на взаимодействие между кварките и лептоните – трябва да разберем как съвременните теоретични физици интерпретират самата концепция за сила. Една аналогия ще ни помогне с това. Представете си двама лодкари, които гребят на противоположни курсове по река Кам в Кеймбридж. Един гребец от щедрост реши да почерпи свой колега с шампанско и когато минаха един покрай друг, му хвърли пълна бутилка шампанско.В резултат на закона за запазване на импулса, когато първият гребец хвърли бутилката, курсът на неговата лодка се отклони от праволинейния курс в обратната посока, а когато вторият гребец улови бутилката, нейният импулс се прехвърли върху него и втората лодка също се отклони от праволинейния курс, но в обратната посока. Така в резултат на размяната на шампанско и двете лодки смениха посоката си. Според законите на Нютоновата механика това означава, че между лодките е възникнало силово взаимодействие. Но лодките не са влезли в пряк контакт една с друга, нали? Тук едновременно виждаме визуално и разбираме интуитивно, че силата на взаимодействие между лодките е пренесена от носителя на импулса - бутилка шампанско. Физиците биха го нареклиносител на взаимодействие.

По абсолютно същия начин възникват силовите взаимодействия между частиците чрез обмен на частици-носители на тези взаимодействия. Всъщност ние правим разлика между основните сили на взаимодействие между частиците само доколкото различни частици действат като носители на тези взаимодействия. Има четири такива взаимодействия:силни(именно това задържа кварките вътре в частиците),електромагнитно,слабо(това е, което води до някои форми на радиоактивен разпад) игравитационно.Носители на силното цветно взаимодействие саглуони, които нямат нито маса, нито електрически заряд. Този тип взаимодействие се описва от квантовата хромодинамика. Електромагнитното взаимодействие възниква чрез обмен на кванти на електромагнитно излъчване, които се наричат ​​фотонии също са лишени от маса.Слабото взаимодействие, напротив, се предава от масивнивекторнииликалибровни бозони, които „претеглят“ пътиповече от протон - в лабораторни условия те са открити за първи път едва в началото на годините. И накрая, гравитационното взаимодействие се предава чрез обмен награвитони, които нямат собствена маса - тези медиатори все още не са открити експериментално.

В рамките на Стандартния модел първите три вида фундаментални взаимодействия са обединени и те вече не се разглеждат отделно, а се считат за три различни проявления на силата от една природа. Връщайки се към аналогията, да предположим, че друга двойка гребци, минавайки покрай река Кам, си размениха не бутилка шампанско, а само чаша сладолед. От това лодките също ще се отклоняват от курса в противоположни посоки, но много по-слабо. За външен наблюдател може да изглежда, че в тези два случая между лодките са действали различни сили: в първия случай е имало обмен на течност (предлагам да не вземаме предвид бутилката, тъй като повечето от нас се интересуват от нейното съдържание), а във втория - твърдо тяло (сладолед). А сега си представете, че този ден в Кеймбридж имаше рядка за северните части лятна жега и сладоледът се разтопи в полет. Тоест известно повишаване на температурата е достатъчно, за да се разбере, че всъщност взаимодействието не зависи от това дали течното или твърдото тяло действа като негов носител. Единствената причина, поради която смятахме, че има различни сили, действащи между лодките, беше, че носителят на сладолед беше различен на външен вид, поради твърде ниската температура, за да го разтопи. Повишете температурата и силите на взаимодействие ще изглеждат визуално обединени.

Силите, действащи във Вселената, също се сливат заедно при високи енергии (температури) на взаимодействие, след което е невъзможно да бъдат разграничени.Първиятобединява(така обикновено се нарича) слабите ядрени и електромагнитни взаимодействия. В резултат на това получаваме така нареченотоелектрослабо взаимодействие, наблюдавано дори в лабораторията при енергии, развивани от съвременните ускорители на частици. В ранната Вселена енергиите са били толкова високи, че в първите секунди след Големия взрив не е имало граница между слабите ядрени и електромагнитни сили. Едва след като средната температура на Вселената падна до 10 14 К, всичките четири силови взаимодействия, наблюдавани днес, се разделиха и придобиха съвременна форма. Докато температурата беше над тази марка, действаха само три основни сили: силно, комбинирано електрослабо и гравитационно взаимодействие.

Обединяването на електрослабите и силните ядрени взаимодействия става при температури от порядъка на 10 27 K. В лабораторни условия такива енергии засега са недостижими. Най-мощният съвременен ускорител, Големият адронен колайдер, който в момента се изгражда на границата между Франция и Швейцария, ще може да ускорява частици до енергии, които са само 0,000000001% от необходимата за комбиниране на електрослабите и силните ядрени взаимодействия. Така че вероятно ще трябва да чакаме дълго време за експериментално потвърждение на тази връзка. В съвременната Вселена няма такива енергии, но за първи път от нейното съществуване температурата на Вселената беше над 10 27 K и във Вселената действаха само две сили -електросилнои гравитационно взаимодействие. Теориите, описващи тези процеси, се наричат ​​„Теории за великото обединение“ (GUTs). Не е възможно директно да се тества TVO, но те също дават определени прогнози за процеси, протичащи при по-ниски енергии. За днесден всички прогнози на TVO за относително ниски температури и енергии се потвърждават експериментално.

И така, Стандартният модел в обобщен вид е теория за структурата на Вселената, в която материята се състои от кварки и лептони, а силните, електромагнитните и слабите взаимодействия между тях се описват от теориите за голямото обединение. Такъв модел очевидно не е пълен, защото не включва гравитацията. Предполага се, че в крайна сметка ще бъде разработена по-пълна теория (вижтеУниверсални теории), а днес Стандартният модел е най-доброто, с което разполагаме.