16.1: Стандартна модель фізики частинок

Last updated
Save as PDF

Page ID: 77111

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Наше найкраще сучасне розуміння фізики на самому базовому рівні полягає в тому, що вона складається з ряду фундаментальних частинок. Ці частинки, як ми можемо сказати, є точками, подібними до електронів (які насправді є однією з основних частинок). Вони мають різні властивості, пов'язані з ними, серед яких маса, спін (кутовий момент), електричний заряд та інші. Саме з цих фундаментальних частинок будується вся матерія, з якою ми взаємодіємо. (Однак матерія, побудована з цих частинок, становить лише 5% від загальної щільності Всесвіту! Див. Розділ 16.7.)

Загалом, ми можемо розділити частинки на дві категорії: ферміони та бозони. Матерія побудована з ферміонів, а взаємодії між матерією - чотирма силами - здійснюються бозонами.

Ферміони діляться на три покоління; це лише перше покоління, з яким ми коли-небудь взаємодіємо щодня. Кожне покоління включає в себе два кварка і два лептона. У першому поколінні кварки називають кварками «вгору» і «вниз». Два лептони - знайомий електрон, а електрон-нейтрино. Кожне з двох інших поколінь має додаткові два кварки, важчі, ніж кварки в першому поколінні; і додаткові два лептони, включаючи більш важку версію електрона, і відповідний нейтрино. Додатково для кожного ферміона існує відповідна античастинка. Наприклад, антиелектрон називається «позитрон». Антиречовина зустрічається рідко. У самому ранньому Всесвіті ми вважаємо, що матерія і антиречовина були присутні в рівних кількостях, але чомусь не зрозуміла матерія мала невелику перевагу. Частинка антиречовини, коли вона зустрічає відповідну частинку речовини, взаємно знищить обидві, вивільняючи їх масу як енергію відповідно до перетворення\(E=m c^{2}\). Ця незначна перевага, яку мала матерія в самому ранньому Всесвіті, - це те, що залишилося для створення зірок, галактик і нас сьогодні.

Таблиця ферміонів із стандартної моделі фізики частинок. Всі дані взяті з PDG (Накамура і група даних частинок, 2010). Заряди знаходяться в одиницях е, елементарний заряд. *: Є три нейтрино. Хоча маси не відомі, у нас є межі, що найважчий - менше 18,2 МеВ, середній - менше 0,19 МеВ, а найлегший - менше 1,3 еВ. Однак масові власні стани і смак (тобто «тип нейтрино») власні стани нейтрино не однакові, тому неможливо ідентифікувати задану масу з заданим типом нейтрино.
Покоління	Ферміон	Символ	Заряджати	Спін	\(m c^{2}\)
Перший	Вниз кварк Вгору Кварк Електрон Електронна нейтрино	d у е \(\nu_{e}\)	-1/3 +2/3 −1 0	1/2 1/2 1/2 1/2	\ (m c^ {2}\) "> 5.05 МеВ 2.49 МеВ 0.51 Мев ∗
Друга	Дивний кварк Шарм Кварк Мюон Мюон Нейтрино	s c \(\mu\) \(\nu_{\mu}\)	-1/3 +2/3 −1 0	1/2 1/2 1/2 1/2	\ (m c^ {2}\) "> 101 МеВ 1.27 ГВт 106 МеВ ∗
Третє	Нижній кварк Топ Кварк Тауон Тау-Нейтрино	б т \(\tau\) \(\nu_{\tau}\)	-1/3 +2/3 −1 0	1/2 1/2 1/2 1/2	\ (m c^ {2}\) "> 4 ГеВ 172 Гев 1.78 ГВт ∗

Кварки ніколи не спостерігаються ізольовано. Здебільшого вони спостерігаються в зв'язаних станах, званих адронами. Протон і нейтрон - дві трикваркові частинки. Тут знаходиться величезний зоопарк додаткових адронних частинок, включаючи баріони (зроблені з трьох кварків) і мезони (складаються з кварка і антикварка). Протон і нейтрон - єдині стабільні адрони. Дійсно, навіть нейтрон не є стабільним, якщо він не пов'язаний з атомом; вільний нейтрон розпаде до протона, електрона та антинейтрино приблизно за 15 хвилин. «Віртуальні» мезони знаходяться всередині ядра. Перехідні мезони та інші види баріонів виробляються в прискорювачах частинок, а також при попаданні космічних променів в атмосферу Землі.

Крім ферміонів, що входять до складу матерії, існує чотири сили, через які взаємодіє речовина. Найбільш звичними з цих сил є гравітація і електромагнітна сила. У наших сучасних теоріях фізики гравітація описується загальною відносністю, і не входить до Стандартної моделі фізики частинок. Ми віримо, що одного разу зможемо створити робочу теорію квантової гравітації, але нам ще належить це успішно зробити. Ми очікуємо, що ця теорія включатиме гравітон як безмасовий бозон спін-2.

Електромагнітна сила найкраще розуміється з чотирьох сил. Він об'єднує електростатичну силу і магнітну силу. Фотон - це частинка, яка несе електромагнітну силу; ми бачимо її як світло. Радіохвилі, інфрачервоне випромінювання, ультрафіолетове випромінювання, рентгенівські промені та гамма-промені - це всі форми світла на довжині хвиль, відмінних від тих, які може виявити наше око. Всі вони складаються з фотонів, квантів електромагнітного поля. Саме електромагнітна сила формує потенціал, в якому електрони рухаються в атомах, і саме та взаємодія регулює взаємодію між атомами.

Оскільки фотон і (передбачуваний) гравітон безмасові, і гравітація, і електромагнетизм - це сили далекого діапазону. На відміну від цього, дві інші сили мають короткий діапазон. Сильна ядерна сила - це сила, яка зв'язує кварки разом у протони та нейтрони, і в кінцевому підсумку зв'язує протони та нейтрони разом у ядра. Бозони, які несуть сильну ядерну силу, називаються глюонами. Вони можуть бути безмасовими, хоча помірна маса не виключена. Однак інші властивості сильної сили обмежують її силою на малій відстані. Слабка ядерна сила, як випливає з назви, набагато слабкіше сильної ядерної сили, і має лише вторинний ефект в ядрах. Носії заряду слабкої сили дійсно масивні, обмежуючи його силою невеликої дальності. Слабка сила - єдина сила, відмінна від сили тяжіння, яка взаємодіє з усіма частинками в стандартній моделі. Нейтрино, зокрема, взаємодіють лише за допомогою слабкої сили, що робить їх надзвичайно важко виявити. Слабка сила відповідає за багато радіоактивного розпаду; це результат слабкої сили, наприклад, що вільний нейтрон розпадається на протон, електрон і антинейтрино. Бозони, які несуть слабку силу, називаються «проміжними векторними бозонами». Їх назва так само, як і їх символ. Є три\(W^{+}\)\(W^{-}\), і\(Z^{0}\) бозони.

Таблиця бозонів в стандартній моделі фізики частинок. Всі заряди знаходяться в одиницях е, елементарний заряд. Не включений гіпотезований гравітон, який був би безмасовим, беззарядним бозоном спін-2.
Сила	Бозон	Символ	Заряджати	Спін	Маса
Електромагнітні	Фотон	\(\gamma\)	0	1	0
Міцний	Глюон	г	0	1	0?
Слабкий	\(\mathrm{W}^{+}\) \(\mathrm{W}^{-}\) Z Бозон	\(\mathrm{W}^{+}\) \(\mathrm{W}^{-}\) \(\mathrm{Z}^{0}\)	+1 −1 0	1 1 1	80 ГеВ 80 ГеВ 19 гев