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 Стандартная модель описывает фундаментальные частицы материи и переносчики трех взаимодействий; точное число зависит от принятого способа подсчета частиц, античастиц, цветов и состояний.

Стандартная модель включает 12 фермионов материи (шесть кварков и шесть лептонов), калибровочные бозоны — фотон, восемь глюонов, W⁺, W⁻ и Z⁰ — и бозон Хиггса. Количество «частиц» зависит от способа подсчета состояний, поэтому простая цифра без пояснения может вводить в заблуждение.

Материя и силы природы

В природе выделяют четыре фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Стандартная модель описывает последние три; гравитация в нее не входит. Хиггсовское поле играет важную роль в механизме появления масс у некоторых элементарных частиц, но его обычно не выделяют как «пятое фундаментальное взаимодействие» наравне с четырьмя силами природы.

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.

Фермионы Стандартной модели представлены шестью кварками и шестью лептонами. Кварки имеют электрические заряды +2/3 или −1/3 в единицах заряда электрона и участвуют в сильном взаимодействии. Лептоны — электрон, мюон, тау-лептон и три нейтрино — в сильном взаимодействии не участвуют. Мюон и тау-лептон нестабильны; электрон стабилен, а распад нейтрино экспериментально не наблюдался.

Сильное взаимодействие переносится восемью глюонами, электромагнитное — фотоном, а слабое — W⁺, W⁻ и Z⁰-бозонами. Эти частицы участвуют в различных слабых процессах, включая бета-распад. Бозон Хиггса является квантовым возбуждением отдельного хиггсовского поля и не относится к калибровочным переносчикам трех взаимодействий.

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

Гравитация остается за пределами Стандартной модели. В некоторых квантовых теориях предполагается существование гравитона — гипотетического кванта гравитационного поля, однако он не обнаружен экспериментально, и завершенной проверенной квантовой теории гравитации пока нет.