Standardní model částicové fyziky je teorie, která se týká elektromagnetické , slabé a silné jaderné interakce a klasifikace všech známých elementárních částic . Byl vyvinut během druhé poloviny XX th století , do jednoho globálního iniciativy na základech kvantové mechaniky . Současná formulace byla dokončena v polovině 70. let po experimentálním potvrzení kvarků . Od té doby objevy top kvarku (1995), tau neutrina (2000) a Higgsova bosonu (2012) poskytly standardnímu modelu ještě větší důvěryhodnost. Všechny částice standardního modelu byly nyní experimentálně pozorovány. Díky úspěchu při vysvětlování nejrůznějších experimentálních výsledků je standardní model někdy považován za „teorii téměř všeho“.
Jedná se o reprezentaci, která platí pro kvantové objekty a snaží se vysvětlit jejich interakce. Je postavena na triptychu částice , síly , prostředníka , to znamená, že rozlišuje rodiny částic podle sil, na které jsou citlivé, přičemž každá síla je vyvíjena pomocí mediátorů vyměňovaných částicemi, které jsou v nich obsaženy. Tito mediátoři jsou známí jako bosony , zatímco částice tvořící hmotu se nazývají fermiony (kvarky a leptony).
Standardní model má v roce 2016 devatenáct volných parametrů k popisu hmotností tří leptonů , šesti kvarků, Higgsova bosonu a osmi konstant k popisu různých vazeb mezi částicemi. Hodnota každého z těchto parametrů není stanovena prvními principy , musí být stanovena experimentálně.
Pro teoretiky, standardní model je paradigma z kvantové pole , který provádí široké spektrum fyzikálních jevů. Používá se k vytváření nových modelů, které zahrnují hypotetické částice , zvláštní rozměry nebo supersymetrie .
Představa, že všechno záležitost je složena z elementárních částic se datuje přinejmenším do VI th století před naším letopočtem. AD . V XIX th století, John Dalton , přes jeho práci na stechiometrii , dospěl k závěru, že každý prvek přírody byla složena z jednoho typu částice. Slovo atom , po řeckém slově ἄτομος , atomos („nedělitelný“), se od té doby vztahovalo na nejmenší částice chemického prvku , ale fyzici brzy zjistili, že atomy nejsou ve skutečnosti částice. menších částic, jako jsou elektrony , kolem jejího jádra, které jsou samy o sobě tvořeny protony a neutrony . Zkoumání na počátku XX -tého století jaderné fyziky a kvantové fyziky vyvrcholily objevem jaderného štěpení v 1939 Lise Meitner (založený na zkušenostech Otto Hahn ) a jaderné fúze v roce 1932 Mark Oliphant ; dva objevy také vedly k vývoji jaderných zbraní . Vývoj urychlovačů částic po druhé světové válce umožnil během padesátých a šedesátých let objevit širokou škálu částic během hluboce nepružných experimentů s rozptylem . Tehdy to byla otázka „částicové zoo“. Tento termín přestal platit po formulaci standardního modelu v 70. letech, kdy bylo velké množství částic vysvětleno jako kombinace relativně malého počtu dalších ještě elementárních částic.
Objev Higgsova bosonu umožnil shodu a aktualizaci tabulky složek hmoty, která byla vytvořena v roce 2005 u příležitosti světového roku fyziky, v roce 2014.
K dnešnímu dni jsou hmota a energie lépe pochopeny z hlediska kinematiky a interakce elementárních částic. Doposud fyzika redukovala zákony upravující chování a interakci všech známých forem hmoty a energie na malý počet základních zákonů a teorií. Jedním z hlavních cílů fyziky je najít společný základ sjednocující všechny její teorie v teorii všeho , ve kterém by všechny ostatní známé zákony byly zvláštními případy.
I když je standardní model je považován za autonomní a koherentní teorie, a byl velmi úspěšný při poskytování experimentálně zjištěným předpovědi ( CP symetrii nebo problém hierarchie ), se ponechá několik jevy nevysvětlených a nemůže být považováno za jeden. Teorie vůbec . Neposkytuje tedy teoretické ospravedlnění gravitace , jak je popsáno v obecné relativitě , ani nezohledňuje zrychlení rozpínání vesmíru (což lze vysvětlit temnou energií ). Tento model také neobsahuje žádné částice, které by mohly tvořit temnou hmotu , které mají všechny vlastnosti požadované kosmologickými pozorováními . Rovněž nepopisuje správně oscilaci neutrin a jejich hmotnost.
Standardní model zahrnuje členy několika tříd elementárních částic ( leptony , kvarky , měřicí bosony a Higgsův boson ), které lze zase odlišit jinými charakteristikami, například jejich barevným nábojem .
Standardní model zahrnuje dvanáct elementární částice z rotace a půl (polovina-číslo odstředění), které jsou proto fermions . Podle spinově statistické věty fermiony respektují Pauliho vylučovací princip . Každému fermionu odpovídá antičástice .
Fermioni poslouchají statistiku Fermi-Dirac a nemohou spolu koexistovat ve stejném kvantovém stavu (například na stejné atomové oběžné dráze ).
Elementární fermiony se dělí na leptony a kvarky , které následují po třech generacích, které se od sebe liší pouze hmotností, která je s každou generací vyšší. Pouze částice první generace tvoří obyčejnou hmotu. Je to proto, že částice druhé a třetí generace jsou nestabilní a rychle se rozpadají na lehčí částice první generace.
Ačkoli jsou základní, kvarky nemohou existovat izolovaně. Jsou seskupeny do hadronů, které přicházejí ve formě párů kvark-antikvark ( mesons ) nebo kvarkových trií ( baryons ). Například protony jsou tvořeny dvěma up kvarky a jedním down kvarkem , zatímco neutrony jsou tvořeny jedním up kvarkem a dvěma down kvarky .
Níže uvedené tabulky seskupují různé fermiony podle generace. Aby nedošlo k přetížení této tabulky, antičástice tam nejsou zastoupeny. Elektrický náboj je zde indikován elementárními náboji .
První generaceČástice | Hodnocení | Elektrická nabíječka | Silný náboj (barevný náboj) | Hmotnost | Roztočit |
---|---|---|---|---|---|
Elektron | E | -1 | 511 keV / c 2 | 1/2 | |
Elektronické neutrino | v e | 0 | <225 eV / c 2 | 1/2 | |
Quark Up | u | 2/3 | červená, zelená, modrá | ~ 3 MeV / c 2 | 1/2 |
Quark dolů | d | -1/3 | červená, zelená, modrá | ~ 6 MeV / c 2 | 1/2 |
Částice | Hodnocení | Elektrická nabíječka | Těžký náklad | Hmotnost | Roztočit |
---|---|---|---|---|---|
Muon | μ | -1 | 106 MeV / c 2 | 1/2 | |
Muonské neutrino | ν μ | 0 | <190 keV / c 2 | 1/2 | |
Quark Charm | vs. | 2/3 | červená, zelená, modrá | ~ 1,3 GeV / c 2 | 1/2 |
Quark Strange | s | -1/3 | červená, zelená, modrá | ~ 100 MeV / c 2 | 1/2 |
Částice | Hodnocení | Elektrická nabíječka | Těžký náklad | Hmotnost | Roztočit |
---|---|---|---|---|---|
Tau nebo 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 | červená, zelená, modrá | 171 GeV / c 2 | 1/2 |
Quark Bottom | b | -1/3 | červená, zelená, modrá | ~ 4,2 GeV / c 2 | 1/2 |
Ve standardním modelu jsou měřicí bosony vektory nebo podpory síly a hrají roli prostředníka mezi základními silami : slabými, silnými a elektromagnetickými.
Měřicí bosony se řídí statistikou Bose-Einstein ; mají plnou rotaci a mohou spolu koexistovat ve stejném kvantovém stavu (miliardy identických fotonů žijících v laserovém paprsku).
Higgsův boson není síla mediátor, a tudíž nepatří do skupiny bosons měřidla.
Tyto částice pole mohou být skutečné nebo virtuální . V posledně uvedeném případě mají extrémně krátkou dobu existence a jsou nepřímo sledováni jejich působením, které spočívá v podstatě v přenosu základních sil. To je také důvod, proč se tyto virtuální částice nazývají také „částice posla“ nebo „mediátory“.
FotonK y fotony (Spin 1 a o nulové hmotnosti a náboje) jsou mediátory elektromagnetické síly mezi elektricky nabitých částic.
Slabé bosonyBosony měřidla W + , W - a Z 0 (spin 1 a vysoká hmotnost) zprostředkovávají slabou interakci mezi částicemi různých příchutí (kvarky a leptony).
GluonyOsm gluonů (spin 1 a nulové hmotnosti) jsou mediátory silné interakce mezi částicemi s barevným nábojem (kvarky).
Higgs boson (spin 0, což je skalární pole ), se má udělit jejich hmotnosti na jiných částic o spontánní narušení symetrie mechanismu nazývá v tomto kontextu Higgs mechanismus . CERN oznámil,4. července 2012s důvěrou 5 sigma (99,99997%), že díky LHC objevil částici o hmotnosti 125,3 GeV⋅c −2 ± 0,6. Tato částice by mohla být Higgsovým bosonem, je však zapotřebí dalších studií, aby bylo možné s jistotou říci.
Typy | Generace | Antičástice | Barvy | Celkový | |
---|---|---|---|---|---|
Kvarky | 2 | 3 | Pár | 3 | 36 |
Leptony | Pár | Žádný | 12 | ||
Gluony | 1 | 1 | Sebe | 8 | 8 |
Foton | Sebe | Žádný | 1 | ||
Boson Z | Sebe | 1 | |||
Boson W. | Pár | 2 | |||
Higgs Boson | Sebe | 1 | |||
Celkové elementární částice (známé): | 61 |
Pokud spočítáme částice rozlišením jejich různých barev a jejich antičástic, spočítáme všech 61 elementárních částic.
Z matematického hlediska se kvantových polních teorií byla formována v rámci kalibračních teorií pomocí skupiny z místní symetrie ve formě skupiny lži komplexních podkladových každé z kalibračních symetrií modelované. Tak :
Devatenáct volných parametrů standardního modelu jsou hmotnosti devíti fermionů, čtyři parametry matice CKM, vazebné konstanty pro tři síly, úhel theta kvantové chromodynamiky a dva Higgsovy parametry.
Parametry standardního modelu částicové fyziky | ||
---|---|---|
Symbol | Popis | Hodnota |
m e | Elektronová hmotnost | 511 keV |
m μ | Mionová hmota | 105,7 MeV |
m τ | Hmotnost tau | 1,78 GeV |
m u | Hmotnost kvarku nahoru | 1,9 MeV |
m d | Hmotnost kvarku dolů | 4,4 MeV |
m s | Hmotnost podivného kvarku | 87 MeV |
m c | Kouzlo kvarkové hmoty | 1,32 GeV |
m b | Hmotnost spodního kvarku | 4,24 GeV |
m t | Hmotnost top kvarku | 172,7 GeV |
θ 12 | Míchání úhel t Vstup 12 z CKM matice | 13,1 ° |
θ 23 | Míchání úhel t Vstup 23 z CKM matice | 2,4 ° |
θ 13 | Míchání úhel t Vstup 13 z CKM matice | 0,2 ° |
δ | Parametr narušení symetrie CP v matici CKM | 0,995 |
g 1 nebo g ' | Spojovací konstanta pro skupinu měřidel U (1) (elektromagnetismus) | 0,357 |
g 2 nebo g | Spojovací konstanta pro skupinu měřidel SU (2) ( slabá interakce ) | 0,652 |
g 3 nebo g s | Spojovací konstanta pro skupinu měřidel SU (3) ( silná interakce ) | 1,221 |
θ QCD | Theta Úhel z kvantové chromodynamikou | ~ 0 |
proti | „Očekávaná hodnota ve vakuu“ Higgsova pole | 246 GeV |
m H | Hmotnost Higgsova bosonu | ~ 125 GeV |
Standardní model není úplnou teorií základních interakcí a několik jeho charakteristik naznačuje, že musí existovat „fyzika mimo standardní model“. Minimálně však doBřezen 2021„žádné opatření ani zkušenosti neporazily své předpovědi.
Standardní model nezahrnuje gravitaci . Mezi mnoha teoriemi, které se pokoušejí sjednotit kvantovou mechaniku a teorii relativity , několik lidí považuje existenci gravitonu , hypotetického bosonu.
Podle Alain Connes , „nikdo si myslí, že standardní model je konec příběhu, a to zejména z důvodu velkého počtu volných parametrů, které obsahuje. " .
Standardní model nepředpovídá, proč existují tři generace fermionů nesoucích stejné náboje, ale ve velmi odlišných hmotnostních rozmezích. Hmotnost u kvarku je řádově MeV.c −2, zatímco hmotnost t je řádově 170 GeV .c −2 . Na druhou stranu nic neříká, že neexistují žádné jiné rodiny. Od roku 2008 žádná teorie mimo standardní model přesně nevysvětluje existenci těchto tří rodin. Unitarity o CKM matice je citlivý test pro existenci další generace fermions.
Lagrangián z měřidla standardního modelu má tři vnitřní symetrie v částicích , a . Stejně jako u rodin fermionů nic nebrání existenci podskupin symetrií. Toto je navíc předmět drahý teoriím velkého sjednocení , které v zásadě umožňují vysvětlit tyto symetrie jejich zahrnutím do podskupin skupiny větší než první tři. Matematická skupina mohla být vhodná a právě na nich byla založena teorie velkého sjednocení ( GUT ). Ale tato symetrie měřidla komplikovala standardní model tím, že nutila postulovat 24 bosonů, a především předpovídala rozpad protonů, který nebyl nikdy experimentálně pozorován.
Standardní model zahrnuje skutečnost, že každá částice odpovídá antičástice. Jejich fyzikální vlastnosti jsou téměř totožné. Částice a její antičástice mají stejnou hmotnost, ale opačné náboje (baryon a lepton).
Model nepopisuje temnou hmotu, která by tvořila velkou část vesmíru.
Nejlehčí z hypotetických supersymetrických částic by byl jedním z kandidátů na temnou hmotu.
Zbývá formulovat teorii doplňující standardní model, která by vysvětlovala, proč dosud nebyla detekována žádná z těchto částic ( LHC nebo jiným detektorem).
Experimenty s objemem elektrického náboje protonu poskytují dvě různá čísla a vědci nemohou určit, zda je chyba za podmínek experimentu, nebo zda je samotná teorie neúplná.
Standardní model předpokládá, že interakce nabitých leptonů, tj. Elektronů, mionů a tauonů, se liší pouze kvůli jejich hmotnostním rozdílům. Experimenty s elektrony a miony tuto hypotézu potvrdily, ale nedávné studie o rozpadu B-mezonu zahrnující tau lepton ve vysokých energiích ukazují odchylky od teorie. Pokud se tyto výsledky potvrdí, mohlo by to připravit půdu pro nové interakce mezi částicemi.
Standardní model předpovídá pro mionem se magnetický moment , jehož Lände faktor g se nachází v blízkosti 2, avšak o něco vyšší, v důsledku vytváření a zničení dvojic virtuálních částic v jeho blízkosti, a charakteristiky známých částic, aby bylo možné vypočítat rozdíl g −2 („ anomální moment “). V roce 2001 poskytlo měření g v národní laboratoři v Brookhavenu ( stát New York , USA ) výsledek o něco vyšší než vypočtená hodnota, ale s nedostatečnou mírou chyb, která by zaručila rozpor. V dubnu 2021, po dvou letech sběru dat pomocí různých zařízení, oznámila společnost Fermilab v Batavii (Illinois) velmi podobný výsledek. Kombinace těchto dvou měření dává rozdíl mezi naměřenou hodnotou a teoretickou hodnotou 4,2krát větší než standardní odchylka , a proto je významně nenulový. Jedním z možných vysvětlení je existence částic, které standardní model nepředpovídal, a tedy nové virtuální částice.
„Krásný“ meson (zahrnující b kvark ) se transformuje na „cizím“ meson (zahrnující y tvaroh ) s emisí buď elektron a pozitron , nebo mion a antimuon . Standardní model předpovídá, že různé nabité leptony , elektron, mion a tau , vyvíjejí a pociťují stejné elektroslabé interakční síly . vBřezen 2021, Srážkách protonů analyzované detektoru LHCb Velký hadronový urychlovač ze CERN ukazují asymetrii mezi elektrony a miony, přičemž druhý vydaný méně (rozdíl je 3,1 standardní odchylky ). Pokud se tyto výsledky potvrdí, bylo by to další vzdání se standardního modelu a možná i indikace nové základní interakce mezi kvarky a leptony.