Štandardný model fyziky: Elementárne častice, sily a základné princípy
Objavte Štandardný model: prehľad elementárnych častíc, základných síl a kľúčových princípov kvantovej fyziky. Jasne, stručne, pre každého. Zistite viac.
Štandardný model (SM) fyziky je kvantovo-poľovej teória elementárnych častíc, ktoré sa delia na fermóny a bozóny. Popisuje tri zo štyroch základných prírodných síl: elektromagnetizmus, slabú silu a silnú silu. Štvrtú — gravitáciu — SM nevysvetľuje a jej spojenie s kvantovou teóriou zostáva otvorenou otázkou.
Model čerpá z kvantovej mechaniky a špeciálnej teórie relativity, používa pojem fyzikálneho poľa a mechanizmy založené na narušení symetrie. Dôležitou matematickou súčasťou je teória grúp. Formálne sa SM konštruuje pomocou kvantovej teórie polí s Lagrangeovou hustotou (Lagrangianom); dynamika sa potom získava z princípu stacionárnej akcie a Euler–Lagrangeových rovníc. Alternatívny, ekvivalentný popis poskytuje Hamiltonova formulácia.
Elementárne častice
- Fermóny — stavebné kamene hmoty, majú polovičné spinové kvantové číslo (spin 1/2). Delia sa na:
- kvarky: up (u), down (d), charm (c), strange (s), top (t), bottom (b). Kvarky nesú tzv. farebný náboj a sú vždy vázané v hadrónoch (napr. protón, neutron) v dôsledku confinementu.
- leptóny: elektron (e), mión (μ), tau (τ) a ich neutrína (νe, νμ, ντ). Leptóny sa nezúčastňujú silnej interakcie.
- Bozóny — sprostredkovatelia síl a poľoví kvantá:
- fotón (γ) — nositeľ elektromagnetickej sily, pôsobí medzi nabitými časticami;
- W+, W− a Z — nositelia slabej sily, zodpovedné za procesy ako beta rozpad;
- gluóny (g) — osmička gluónov sprostredkúva silnú interakciu medzi kvarkami;
- Higgsov bozón (H) — spojený s Higgsovým poľom, mechanizmom, ktorý vytvára hmotnosť pre W/Z a fermióny cez spontánne narušenie elektroslabej symetrie.
Sily a ich teoretické vyjadrenie
- Elektromagnetizmus je popísaný abelovou gauge symetriou U(1) a jeho kvantom je fotón.
- Slabá sila spolu s elektromagnetizmom tvoria elektroslabú interakciu, modelovanú gauge grupou SU(2)×U(1). Spontánnym narušením tejto symetrie vznikajú masívne W a Z bozóny.
- Silnú interakciu opisuje kvantová chromodynamika (QCD) s gauge grupou SU(3); gluóny prenášajú farebnú silu. QCD vysvetľuje jav asymptotickej voľnosti pri vysokých energiách a confinement pri nízkych energiách.
Základné princípy a matematika
Štandardný model je kvantová teória polí založená na gauge symetriách. Základné prvky matematického aparátu sú:
- teória grúp (určuje štruktúru symetrií a typy interakcií),
- Lagrangeova hustota (Lagrangian), z ktorej sú odvodené rovnice pohybu pomocou princípu stacionárnej akcie,
- renormalizačné techniky (umožňujú výpočty a elimináciu nekonečných výsledkov v kvantovej teórii).
Úspechy a limity
- SM dosiahla veľký experimentálny úspech: predpovedala existenciu W a Z bosónov, kvarkov (vrátane top kvarku) a najnovšie potvrdený Higgsov bozón (objav 2012 na LHC).
- Zároveň má niekoľko zásadných nedostatkov: nezahrňuje kvantovú gravitáciu, nevysvetľuje tmavú hmotu ani energiu, nepostačuje na úplné vysvetlenie asymetrie medzi hmotou a antihmotou v vesmíre, má problém hierarchie (prečo je Higgsova hmotnosť relatívne malá) a neobsahuje v štandardnej podobe neutrínové hmotnosti (pozorované neutrínové oscilácie naznačujú, že neutrína majú hmotu).
- Preto fyzici skúmajú rozšírenia SM (napr. supersymetriu, veľké zjednotené teórie, teórie so sterilemi neutrínami alebo rôzne modely tmavej hmoty) a pokračujú v experimentoch (LHC, neutrínové observatóriá, astrofyzikálne merania).
V skratke, Štandardný model je veľmi úspešná teória opisujúca väčšinu známych elementárnych javov pri vysokých energiách, ale zároveň jasne naznačuje, že naše pochopenie základných zákonov prírody nie je úplné a vyžaduje ďalší výskum.
Štandardný model elementárnych častíc. 1 GeV/c2 = 1,783x10-27 kg. 1 MeV/c2 = 1,783x10-30 kg.
Fermóny
Fermóny sú častice, ktoré sa spájajú a tvoria všetku "hmotu", ktorú vidíme. Príkladmi skupín fermiónov sú protón a neutrón. Fermióny majú vlastnosti, ako je náboj a hmotnosť, ktoré možno pozorovať v každodennom živote. Majú aj ďalšie vlastnosti, ako napríklad spin, slabý náboj, hypernáboj a farebný náboj, ktorých účinky sa v každodennom živote zvyčajne neprejavujú. Týmto vlastnostiam sú priradené čísla nazývané kvantové čísla.
Fermióny sú častice, ktorých spinové číslo sa rovná nepárnemu kladnému číslu krát jedna polovica: 1/2, 3/2, 5/2 atď. Hovoríme, že fermóny majú "polovičný celočíselný spin".
Dôležitým faktom o fermiónoch je, že sa riadia pravidlom nazývaným Pauliho vylučovací princíp. Toto pravidlo hovorí, že žiadne dva fermóny nemôžu byť v rovnakom čase na rovnakom "mieste", pretože žiadne dva fermóny v atóme nemôžu mať v rovnakom čase rovnaké kvantové čísla. Fermióny sa tiež riadia teóriou nazývanou Fermiho-Diracova štatistika. Slovo "fermón" je poctou fyzikovi Enrikovi Fermimu.
Existuje 12 rôznych typov fermiónov. Každý typ sa nazýva "príchuť". Ich názvy sú:
- Kvarky - nahor, nadol, zvláštne, kúzlo, hore, dole
- Leptóny - elektrón, mión, tauón, elektrónové neutríno, miónové neutríno, tauónové neutríno. Elektrón je najznámejší leptón.
Kvarky sú zoskupené do troch párov. Každý pár sa nazýva "generácia". Prvý kvark v každom páre má náboj 2/3 a druhý kvark má náboj -1/3. Tri druhy neutrín majú náboj 0. Elektrón, mión a tauón majú náboj -1.
Hmota sa skladá z atómov a atómy sa skladajú z elektrónov, protónov a neutrónov. Protony a neutróny sa skladajú z kvarkov nahor a nadol. Jeden leptón môžete nájsť samostatne, ale kvarky samostatne nikdy nenájdete. Je to preto, lebo kvarky drží pohromade farebná sila.
Obrázok troch kvarkov v protóne
Bosóny
Bosóny sú druhým typom elementárnych častíc v štandardnom modeli. Všetky bozóny majú celočíselný spin (1, 2, 3 atď.), takže sa ich môže nachádzať veľa na tom istom mieste v tom istom čase. Existujú dva typy bozónov, meracie bozóny a Higgsov bozón. Gauge bozóny umožňujú existenciu základných prírodných síl. (Zatiaľ si nie sme istí, či gravitácia funguje prostredníctvom meracieho bozónu.) Každá sila, ktorá pôsobí na fermióny, sa deje preto, lebo meracie bozóny sa pohybujú medzi fermónmi a prenášajú silu. Bosóny sa riadia teóriou nazývanou Boseho-Einsteinova štatistika. Slovo "bozón" je poctou indickému fyzikovi Satyendrovi Nathovi Boseovi.
Štandardný model hovorí, že existujú:
- 12 fermiónov, z ktorých každý má vlastnú antičasticu;
- Bosony 12 kalibrov: W+ , W- a Z;
Všetky tieto častice boli pozorované buď v prírode, alebo v laboratóriu. Model tiež predpovedá existenciu Higgsovho bozónu. Model hovorí, že fermóny majú hmotnosť (nie sú len čistou energiou), pretože Higgsove bozóny medzi nimi cestujú tam a späť. Predpokladá sa, že Higgsov bozón bol objavený 4. júla 2012. Je to častica, ktorá dáva hmotnosť iným časticiam.
Základné sily
Existujú štyri základné známe prírodné sily. Tieto sily pôsobia na fermóny a sú prenášané bozónmi, ktoré sa pohybujú medzi týmito fermónmi. Štandardný model vysvetľuje tri z týchto štyroch síl.
- Silná sila: Táto sila drží kvarky pohromade a vytvára z nich hadróny, ako sú protóny a neutróny. Silná sila je prenášaná gluónmi. Teória kvarkov, silnej sily a gluónov sa nazýva kvantová chromodynamika (QCD).
- Zvyšková silná sila drží protóny a neutróny pohromade a vytvára jadro každého atómu. Túto silu prenášajú mezóny, ktoré sa skladajú z dvoch kvarkov.
- Slabá sila: Táto sila môže zmeniť chuť fermiónu a spôsobuje beta rozpad. Slabú silu prenášajú tri meracie bozóny: W+ , W- a Z bozón.
- Elektromagnetická sila: Táto sila vysvetľuje elektrinu, magnetizmus a iné elektromagnetické vlny vrátane svetla. Nositeľom tejto sily je fotón. Kombinovaná teória elektrónu, fotónu a elektromagnetizmu sa nazýva kvantová elektrodynamika.
- Gravitácia: Je to jediná základná sila, ktorú SM nevysvetľuje. Jej nositeľom môže byť častica nazývaná gravitón. Fyzici gravitón hľadajú, ale zatiaľ ho nenašli.
Silné a slabé sily sa prejavujú len vo vnútri jadra atómu. Pôsobia len na veľmi malé vzdialenosti: na vzdialenosti, ktoré sú približne také veľké, ako je šírka protónu. Elektromagnetická sila a gravitácia pôsobia na ľubovoľnú vzdialenosť, ale sila týchto síl klesá, keď sa ovplyvnené objekty od seba vzďaľujú. Sila klesá so štvorcom vzdialenosti medzi ovplyvnenými objektmi: napríklad ak sa dva objekty od seba vzdialia dvakrát viac, gravitačná sila medzi nimi bude štyrikrát menšia (22 =4).
Obmedzenia
Štandardný model nie je teóriou všetkého. Nezahŕňa úplnú teóriu gravitácie, ako ju opisuje všeobecná teória relativity, ani nezohľadňuje zrýchľujúce sa rozpínanie vesmíru (ako ho možno opisuje temná energia). Model neobsahuje žiadnu časticu temnej hmoty, ktorá by mala všetky vlastnosti pozorované v kozmológii. Predpokladá sa, že SM je teoreticky sebakonzistentný. V experimentálnych predpovediach preukázal obrovské a pretrvávajúce úspechy, ale niektoré veci ponecháva nevysvetlené.
Otázky a odpovede
Otázka: Čo je to štandardný model fyziky?
Odpoveď: Štandardný model fyziky je teória elementárnych častíc, ktoré sú buď fermóny, alebo bozóny.
Otázka: Čo vysvetľuje štandardný model?
Odpoveď: Štandardný model vysvetľuje tri zo štyroch základných prírodných síl, ktorými sú elektromagnetizmus, slabá sila a silná sila.
Otázka: Čo je štvrtá základná sila prírody?
Odpoveď: Štvrtou základnou prírodnou silou je gravitácia.
Otázka: Vysvetľuje štandardný model gravitáciu?
Odpoveď: Nie, štandardný model nevysvetľuje gravitáciu.
Otázka: Čo obsahujú časti fyziky, ktoré používa štandardný model?
Odpoveď: Časti fyziky, ktoré využíva Štandardný model, zahŕňajú kvantovú mechaniku a špeciálnu teóriu relativity a myšlienky fyzikálneho poľa a narúšania symetrie.
Otázka: Aká matematika sa používa v štandardnom modeli?
Odpoveď: Časť matematiky používanej v Štandardnom modeli je teória grúp, ako aj rovnice, ktoré majú najväčší a najmenší bod, nazývané Lagrangeovci a Hamiltonovci.
Otázka: Aké dva typy častíc vysvetľuje štandardný model?
Odpoveď: Dva typy častíc, ktoré vysvetľuje štandardný model, sú buď fermóny, alebo bozóny.
Prehľadať