Стандартная модель

Открытие Дж. Дж. Томсоном в 1897 году электрона стало первым шагом к построению Стандартной модели. В рамках этой модели предсказаны фундаментальные частицы, обнаруженные в начале 1970-х годов. С их помощью физики надеялись постигнуть все загадки природы.

Стандартная модель отнюдь не описывает всех взаимодействий и видов материи, например темной. Однако она представляется перспективным путем понимания сути видимой (барионной) материи и трех видов фундаментального взаимодействия из четырех известных.

На этом рисунке показаны 17, без бозона Хиггса, подтвержденных элементарных частиц Стандартной модели (обратите внимание, что W-бозонов два типа). Колонки фермионов показывают соответственно три «поколения» частиц, причем слева размещены наиболее стабильные, а справа — более короткоживущие. Каждая частица имеет античастицу, и вместе со всеми античастицами и составными частицами Модель описывает 61 частицу.

Сейчас Стандартная модель рассматривает 17 частиц. Плюс бозон Хиггса , открытый в 2012 году на БАК. В начале 1970-х годов в списке элементарных частиц было много пробелов, и чтобы поймать более массивные частицы, требовались более сложные детекторы.

Материя и силы природы

В природе выделяют четыре фундаментальные силы, или взаимодействия (поле Хиггса признали и называют пятым фундаментальным взаимодействием). Гравитационное взаимодействие притягивает тела на астрономических расстояниях. Это самая слабая сила, которая не объясняется Стандартной моделью, даже будучи включенной в нее. Далее идет электромагнитное взаимодействие, отвечающее за притяжение между двумя противоположно заряженными частицами и отталкивание одноименных зарядов, что верно и в отношении полюсов магнита. Эта сила действует и в макроскопических масштабах.

Детектор ALICE на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе — ведущей европейской лаборатории физики элементарных частиц на границе Швейцарии и Франции под Женевой. Это одна из 6 экспериментальных установок БАК, построенная для наблюдения рассеяния протонов на тяжелых ядрах. Результатом экспериментов стало получение кваркглюонной плазмы — первобытной, наиболее базовой формы материи

Слабое ядерное взаимодействие проявляется на расстояниях меньше атомного ядра и участвует в так называемых слабых распадах частиц и бета-распаде, когда из ядер атомов выбрасываются электроны. И, наконец, существует сильное ядерное взаимодействие, которое удерживает нуклоны в ядрах. Оно самое сильное, но и самое короткодействующее.

Стандартная модель разделяет элементарные частицы на фермионы, на которые действуют силы (и распространяется запрет Паули), и бозоны, которые переносят силы между фермионами. Среди фермионов выделяют шесть кварков (три с электрическим зарядом 1 /3 и еще три — с зарядом 2 /3 в единицах заряда электрона), а шесть лептонов внутренней структуры не имеют и представлены тремя поколениями нейтрино своего «аромата» и соответственно тремя связанными с ними заряженными частицами. Единственным стабильным лептоном является электрон. Кварки участвуют в сильном взаимодействии, а лептоны — нет.

По всем взаимодействиям, кроме гравитационного и без учета бозона Хиггса, можно насчитать только пять бозонов. Сильное взаимодействие переносится глюонами (всего, предположительно, 8 независимых типов), электромагнетизм передается квантами электромагнитного излучения фотонами, а слабое взаимодействие — тремя калибровочными бозонами. Из них W-бозоны (положительно и отрицательно заряженные) осуществляют взаимодействие между лептоном и его нейтрино и выталкивают тяжелые лептоны из массивных частиц, подобно тому как выбрасываются электроны из ядер в процессе бетараспада. Z-бозон переносит обменное взаимодействие между электроном и электронным нейтрино, за счет чего те вылетают из ядра.

Исследования в рамках Стандартной модели требуют самых больших и дорогих лабораторий в мире, таких как компактный мюонный соленоид в составе Большого адронного коллайдера

В случае альфа-распада действуют сильное и электромагнитное взаимодействия, выталкивая альфа-частицу из ядра. Недостающим элементом в этой системе является гравитация — сила притяжения между любыми фермионами без исключения. Были предложения назвать бозон, передающий гравитационное взаимодействие, «гравитоном». Но он столь мал, что пока его никто не нашел.