ตัวอย่างของระบบทางกายภาพที่แสดงโดยแบบจำลองอนุภาค อนุภาคมูลฐาน

“เราถามตัวเองว่าทำไมกลุ่มคนที่มีพรสวรรค์และทุ่มเทจึงอุทิศชีวิตเพื่อไล่ตามสิ่งของเล็กๆ น้อยๆ จนมองไม่เห็นด้วยซ้ำ? ในความเป็นจริง สิ่งที่นักฟิสิกส์อนุภาคทำคือเกี่ยวกับความอยากรู้อยากเห็นของมนุษย์และความปรารถนาที่จะรู้ว่าโลกที่เราอาศัยอยู่นั้นทำงานอย่างไร" Sean Carroll

หากคุณยังคงกลัววลีกลศาสตร์ควอนตัม แต่ยังไม่รู้ว่าโมเดลมาตรฐานคืออะไร ยินดีต้อนรับสู่แมว ในสิ่งพิมพ์ของฉัน ฉันจะพยายามอธิบายพื้นฐานของโลกควอนตัม รวมถึงฟิสิกส์อนุภาคเบื้องต้นอย่างเรียบง่ายและชัดเจนที่สุด เราจะพยายามค้นหาว่าเฟอร์มิออนและโบซอนแตกต่างกันอย่างไร ทำไมควาร์กถึงมีชื่อแปลกๆ และสุดท้าย ทำไมใครๆ ถึงอยากค้นหาฮิกส์โบซอนมากนัก

เราทำจากอะไร?

เราจะเริ่มต้นการเดินทางสู่โลกใบเล็กด้วยคำถามง่ายๆ: วัตถุรอบตัวเราทำมาจากอะไร? โลกของเราก็เหมือนกับบ้านที่ประกอบด้วยอิฐขนาดเล็กจำนวนมาก ซึ่งเมื่อรวมกันในลักษณะพิเศษ จะทำให้เกิดสิ่งใหม่ ไม่เพียงแต่รูปลักษณ์ภายนอกเท่านั้น แต่ยังรวมถึงคุณสมบัติของมันด้วย ในความเป็นจริง หากคุณมองดูพวกมันอย่างใกล้ชิด คุณจะพบว่ามีบล็อคประเภทต่างๆ ไม่มากนัก พวกมันแค่เชื่อมโยงถึงกันด้วยวิธีที่แตกต่างกันในแต่ละครั้ง ก่อให้เกิดรูปแบบและปรากฏการณ์ใหม่ๆ แต่ละบล็อกเป็นอนุภาคมูลฐานที่แบ่งแยกไม่ได้ ซึ่งจะกล่าวถึงในเรื่องราวของฉัน

ตัวอย่างเช่น ลองหาสสารบางอย่างให้เป็นองค์ประกอบที่สองของตารางธาตุของ Mendeleev ซึ่งเป็นก๊าซเฉื่อย ฮีเลียม- เช่นเดียวกับสสารอื่นๆ ในจักรวาล ฮีเลียมประกอบด้วยโมเลกุลซึ่งในทางกลับกันก็เกิดจากพันธะระหว่างอะตอม แต่ในกรณีนี้ สำหรับเรา ฮีเลียมมีความพิเศษนิดหน่อย เพราะมันประกอบด้วยอะตอมเพียงอะตอมเดียว

อะตอมประกอบด้วยอะไร?

อะตอมของฮีเลียมจะประกอบด้วยนิวตรอนสองตัวและโปรตอนสองตัวซึ่งประกอบเป็นนิวเคลียสของอะตอมซึ่งมีอิเล็กตรอนสองตัวหมุนรอบอยู่ สิ่งที่น่าสนใจที่สุดคือสิ่งเดียวที่แบ่งแยกไม่ได้อย่างแน่นอนในที่นี้ก็คือ อิเล็กตรอน.

ช่วงเวลาที่น่าสนใจของโลกควอนตัม

ยังไง น้อยมวลของอนุภาคมูลฐาน มากกว่าเธอใช้พื้นที่ ด้วยเหตุนี้อิเล็กตรอนซึ่งเบากว่าโปรตอนถึง 2,000 เท่าจึงใช้พื้นที่มากกว่ามากเมื่อเทียบกับนิวเคลียสของอะตอม

นิวตรอนและโปรตอนอยู่ในกลุ่มที่เรียกว่า ฮาดรอน(อนุภาคอาจมีปฏิกิริยารุนแรง) และเพื่อให้แม่นยำยิ่งขึ้น แบริออน.

Hadrons สามารถแบ่งออกเป็นกลุ่มได้

• แบริออนซึ่งประกอบด้วยควาร์กสามตัว
• มีซอนซึ่งประกอบด้วยคู่อนุภาค-ปฏิปักษ์

ตามชื่อนิวตรอนมีประจุเป็นกลางและสามารถแบ่งออกเป็นควาร์กสองตัวและอัพควาร์กหนึ่งตัว โปรตอนซึ่งเป็นอนุภาคที่มีประจุบวก แบ่งออกเป็นดาวน์ควาร์กหนึ่งตัวและอัพควาร์กสองตัว

ใช่ ฉันไม่ได้ล้อเล่น จริงๆ แล้วมันถูกเรียกว่าบนและล่าง ดูเหมือนว่าถ้าเราค้นพบควาร์กขึ้นและลง และแม้แต่อิเล็กตรอน เราก็สามารถใช้พวกมันเพื่ออธิบายจักรวาลทั้งหมดได้ แต่ข้อความนี้คงห่างไกลจากความจริงมาก

ปัญหาหลักคืออนุภาคจะต้องมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน หากโลกประกอบด้วยตรีเอกานุภาพเพียงเท่านี้ (นิวตรอน โปรตอน และอิเล็กตรอน) อนุภาคก็จะลอยไปรอบๆ พื้นที่อันกว้างใหญ่ และจะไม่รวมตัวกันเป็นกลุ่มก้อนที่ใหญ่ขึ้น เช่น ฮาดรอน

เฟอร์มิออนและโบซอน

นานมาแล้ว นักวิทยาศาสตร์ได้คิดค้นรูปแบบที่ใช้แทนอนุภาคมูลฐานได้อย่างสะดวกและรัดกุม เรียกว่าแบบจำลองมาตรฐาน ปรากฎว่าอนุภาคมูลฐานทั้งหมดถูกแบ่งออกเป็น เฟอร์มิออนซึ่งทุกสิ่งประกอบด้วยและ โบซอนซึ่งมีปฏิสัมพันธ์หลายประเภทระหว่างเฟอร์มิออน

ความแตกต่างระหว่างกลุ่มเหล่านี้ชัดเจนมาก ความจริงก็คือเฟอร์มิออนจำเป็นต้องมีพื้นที่เพื่อความอยู่รอดตามกฎของโลกควอนตัม แต่สำหรับโบซอนแล้ว การมีพื้นที่ว่างนั้นแทบไม่สำคัญเลย

เฟอร์มิออน

ดังที่ได้กล่าวไปแล้วกลุ่มเฟอร์มิออนสร้างสสารที่มองเห็นได้รอบตัวเรา อะไรก็ตามที่เราเห็น ไม่ว่าเราจะเห็นที่ไหนก็ตาม ก็ถูกสร้างขึ้นโดยเฟอร์มิออน เฟอร์มิออนแบ่งออกเป็น ควาร์กมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างรุนแรงและกักขังอยู่ภายในอนุภาคที่ซับซ้อนมากขึ้น เช่น ฮาดรอน และ เลปตันซึ่งมีอยู่อย่างเสรีในอวกาศโดยเป็นอิสระจากเพื่อนของพวกเขา

ควาร์กแบ่งออกเป็นสองกลุ่ม

• ประเภทท็อป. ท็อปควาร์กที่มีประจุ +2\3 ได้แก่ ท็อป ควาร์ก และควาร์กที่แท้จริง
• ประเภทด้านล่าง. ควาร์กชนิดต่ำกว่าซึ่งมีประจุ -1\3 ได้แก่ ควาร์กชนิดก้น แปลก และชาร์ม

ควาร์กขึ้นและลงเป็นควาร์กที่ใหญ่ที่สุด และควาร์กขึ้นและลงมีขนาดเล็กที่สุด เหตุใดควาร์กจึงได้รับชื่อที่ผิดปกติหรือเรียกให้ถูกต้องกว่านั้นว่า "รสชาติ" ยังคงเป็นประเด็นถกเถียงสำหรับนักวิทยาศาสตร์

เลปตันส์ยังแบ่งออกเป็นสองกลุ่ม

• กลุ่มแรกซึ่งมีประจุ “-1” ประกอบด้วย: อิเล็กตรอน มิวออน (อนุภาคที่หนักกว่า) และอนุภาคเทา (มวลมากที่สุด)
• กลุ่มที่สองซึ่งมีประจุเป็นกลางประกอบด้วย: อิเล็กตรอนนิวตริโน มิวออนนิวตริโน และเทานิวตริโน

นิวตริโนเป็นอนุภาคเล็กๆ ของสสารที่แทบจะตรวจไม่พบ ประจุของมันคือ 0 เสมอ

คำถามเกิดขึ้นว่านักฟิสิกส์จะพบอนุภาคอีกหลายรุ่นที่จะมวลมากกว่ารุ่นก่อนๆ หรือไม่ เป็นเรื่องยากที่จะตอบ แต่นักทฤษฎีเชื่อว่ารุ่นของเลปตันและควาร์กนั้นจำกัดอยู่เพียงสามรุ่นเท่านั้น

คุณไม่เห็นความคล้ายคลึงกันบ้างไหม? ทั้งควาร์กและเลปตันแบ่งออกเป็นสองกลุ่ม ซึ่งต่างกันโดยมีหน้าที่ต่างกัน? แต่เพิ่มเติมในภายหลัง...

โบซอนส์

หากไม่มีพวกมัน เฟอร์มิออนก็จะบินไปรอบจักรวาลอย่างต่อเนื่อง แต่ด้วยการแลกเปลี่ยนโบซอน เฟอร์มิออนจะสื่อสารถึงปฏิสัมพันธ์บางประเภทระหว่างกัน โบซอนเองก็แทบไม่มีปฏิสัมพันธ์กัน
ในความเป็นจริง โบซอนบางตัวยังคงมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน แต่จะมีการหารือในรายละเอียดเพิ่มเติมในบทความในอนาคตเกี่ยวกับปัญหาของไมโครเวิลด์

ปฏิสัมพันธ์ที่ส่งโดยโบซอนคือ:

• แม่เหล็กไฟฟ้า, อนุภาคคือโฟตอน แสงถูกส่งผ่านโดยใช้อนุภาคไร้มวลเหล่านี้
• นิวเคลียร์ที่แข็งแกร่ง, อนุภาคคือกลูออน ด้วยความช่วยเหลือของพวกเขา ควาร์กจากนิวเคลียสของอะตอมจะไม่แตกตัวเป็นอนุภาคเดี่ยวๆ
• นิวเคลียร์ที่อ่อนแอ, อนุภาค - ±W และ Z โบซอน ด้วยความช่วยเหลือของพวกเขา เฟอร์มิออนจะถ่ายเทมวล พลังงาน และสามารถแปลงร่างเป็นกันและกันได้
• แรงโน้มถ่วง , อนุภาค - กราวิตอน- แรงที่อ่อนมากในระดับจุลทรรศน์ มองเห็นได้เฉพาะบนวัตถุมวลมหาศาลเท่านั้น

ประโยคเกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วง
การมีอยู่ของกราวิตอนยังไม่ได้รับการยืนยันจากการทดลอง มีอยู่ในรูปแบบทางทฤษฎีเท่านั้น ในกรณีส่วนใหญ่จะไม่พิจารณาในรูปแบบมาตรฐาน

เพียงเท่านี้ก็ประกอบโมเดลมาตรฐานแล้ว

ปัญหาเพิ่งเริ่มต้น

แม้จะมีการแสดงอนุภาคที่สวยงามมากในแผนภาพ แต่ก็ยังมีคำถามสองข้อ อนุภาคได้มวลมาจากไหน และคืออะไร? ฮิกส์ โบซอนซึ่งโดดเด่นกว่าโบซอนที่เหลือ

เพื่อที่จะเข้าใจแนวคิดในการใช้ฮิกส์โบซอน เราจำเป็นต้องหันไปใช้ทฤษฎีสนามควอนตัม พูดง่ายๆ ก็คือสามารถโต้แย้งได้ว่าโลกทั้งใบหรือทั้งจักรวาลไม่ได้ประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กที่สุด แต่ประกอบด้วยสาขาต่างๆ มากมาย เช่น กลูออน ควาร์ก อิเล็กตรอน แม่เหล็กไฟฟ้า ฯลฯ ในทุกสาขาเหล่านี้ มีความผันผวนเล็กน้อยเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง แต่เรารับรู้ว่าสิ่งที่แข็งแกร่งที่สุดนั้นเป็นอนุภาคมูลฐาน ใช่ และวิทยานิพนธ์ฉบับนี้มีข้อโต้แย้งอย่างมาก จากมุมมองของทวินิยมของคลื่นอนุภาค วัตถุเดียวกันของโลกใบเล็กในสถานการณ์ที่แตกต่างกันจะมีพฤติกรรมเป็นคลื่นหรือเป็นอนุภาคมูลฐาน ขึ้นอยู่กับว่าสะดวกกว่าสำหรับนักฟิสิกส์ในการสังเกตกระบวนการในการสร้างแบบจำลองสถานการณ์อย่างไร .

สนามฮิกส์

ปรากฎว่ามีสิ่งที่เรียกว่าฟิลด์ Higgs ซึ่งเป็นค่าเฉลี่ยที่ไม่ต้องการเข้าใกล้ศูนย์ ผลก็คือ สนามนี้พยายามรับค่าคงที่ที่ไม่ใช่ศูนย์ทั่วทั้งจักรวาล สนามนี้ประกอบขึ้นเป็นพื้นหลังที่อยู่ทั่วไปทุกหนทุกแห่งและคงที่ ซึ่งเป็นผลมาจากการแกว่งที่รุนแรงของฮิกส์โบซอนปรากฏขึ้น
และต้องขอบคุณสนามฮิกส์ที่ทำให้อนุภาคมีมวล
มวลของอนุภาคมูลฐานขึ้นอยู่กับว่ามันมีปฏิสัมพันธ์กับสนามฮิกส์แรงแค่ไหนบินอยู่ข้างในอย่างต่อเนื่อง
และเป็นเพราะฮิกส์โบซอน หรือแม่นยำกว่าเพราะสนามของมัน แบบจำลองมาตรฐานจึงมีกลุ่มอนุภาคที่คล้ายกันมากมาย สนามฮิกส์บังคับให้สร้างอนุภาคเพิ่มเติมมากมาย เช่น นิวตริโน

ผลลัพธ์

สิ่งที่ผมได้แบ่งปันคือแนวคิดที่ผิวเผินที่สุดเกี่ยวกับธรรมชาติของแบบจำลองมาตรฐาน และสาเหตุที่เราต้องการ Higgs Boson นักวิทยาศาสตร์บางคนยังคงหวังลึกๆ ว่าอนุภาคคล้ายฮิกส์ที่พบในปี 2012 ที่ LHC เป็นเพียงข้อผิดพลาดทางสถิติ ท้ายที่สุดแล้ว สนามฮิกส์ได้ทำลายความสมมาตรที่สวยงามของธรรมชาติหลายประการ ทำให้การคำนวณของนักฟิสิกส์สับสนมากขึ้น
บางคนถึงกับเชื่อว่ารุ่นมาตรฐานนั้นอยู่ในช่วงปีสุดท้ายเนื่องจากความไม่สมบูรณ์ แต่สิ่งนี้ไม่ได้รับการพิสูจน์จากการทดลอง และแบบจำลองมาตรฐานของอนุภาคมูลฐานยังคงเป็นตัวอย่างการทำงานของอัจฉริยะทางความคิดของมนุษย์

รุ่นมาตรฐานเป็นทฤษฎีสมัยใหม่เกี่ยวกับโครงสร้างและอันตรกิริยาของอนุภาคมูลฐานที่ได้รับการทดสอบซ้ำแล้วซ้ำอีก ทฤษฎีนี้มีพื้นฐานมาจากสมมุติฐานจำนวนน้อยมาก และทำให้สามารถทำนายคุณสมบัติของกระบวนการต่างๆ หลายพันกระบวนการในโลกของอนุภาคมูลฐานในทางทฤษฎีได้ ในกรณีส่วนใหญ่ การทำนายเหล่านี้ได้รับการยืนยันโดยการทดลอง ซึ่งบางครั้งก็มีความแม่นยำสูงมาก และกรณีที่ซึ่งเกิดขึ้นไม่บ่อยนักเมื่อการคาดการณ์ของแบบจำลองมาตรฐานแตกต่างไปจากการทดลอง กลายเป็นหัวข้อถกเถียงกันอย่างเผ็ดร้อน

แบบจำลองมาตรฐานคือขอบเขตที่แยกสิ่งที่รู้ได้อย่างน่าเชื่อถือออกจากสิ่งที่สมมุติในโลกของอนุภาคมูลฐาน แม้จะประสบความสำเร็จอย่างน่าประทับใจในการอธิบายการทดลอง แต่แบบจำลองมาตรฐานก็ไม่ถือเป็นทฤษฎีขั้นสุดท้ายของอนุภาคมูลฐาน นักฟิสิกส์มั่นใจว่า มันจะต้องเป็นส่วนหนึ่งของทฤษฎีเชิงลึกเกี่ยวกับโครงสร้างของโลกใบเล็ก- ทฤษฎีประเภทนี้ยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัด นักทฤษฎีได้พัฒนาผู้สมัครจำนวนมากสำหรับทฤษฎีดังกล่าว แต่การทดลองเท่านั้นที่ควรแสดงให้เห็นว่าทฤษฎีใดสอดคล้องกับสถานการณ์จริงในจักรวาลของเรา นี่คือเหตุผลว่าทำไมนักฟิสิกส์จึงมองหาความเบี่ยงเบนไปจากแบบจำลองมาตรฐาน อนุภาค แรง หรือผลกระทบใดๆ ที่แบบจำลองมาตรฐานไม่ได้ทำนายไว้ นักวิทยาศาสตร์เรียกปรากฏการณ์เหล่านี้รวมกันว่า "ฟิสิกส์ใหม่"; อย่างแน่นอน การค้นหาฟิสิกส์ใหม่เป็นภารกิจหลักของ Large Hadron Collider.

ส่วนประกอบพื้นฐานของรุ่นมาตรฐาน

เครื่องมือในการทำงานของแบบจำลองมาตรฐานคือทฤษฎีสนามควอนตัม ซึ่งเป็นทฤษฎีที่มาแทนที่กลศาสตร์ควอนตัมด้วยความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วแสง วัตถุหลักในนั้นไม่ใช่อนุภาคเหมือนในกลศาสตร์คลาสสิก และไม่ใช่ "คลื่นอนุภาค" เหมือนในกลศาสตร์ควอนตัม แต่ สนามควอนตัม: อิเล็กตรอน, มิวออน, แม่เหล็กไฟฟ้า, ควาร์ก ฯลฯ - หนึ่งอันสำหรับ "เอนทิตีของไมโครเวิลด์" แต่ละประเภท

ทั้งสุญญากาศ และสิ่งที่เรารับรู้ว่าเป็นอนุภาคแต่ละอนุภาค และการก่อตัวที่ซับซ้อนมากขึ้นซึ่งไม่สามารถลดเหลือเพียงอนุภาคเดี่ยวได้ ทั้งหมดนี้ถูกอธิบายว่าเป็นสถานะของสนามข้อมูลที่แตกต่างกัน เมื่อนักฟิสิกส์ใช้คำว่า "อนุภาค" จริงๆ แล้วหมายถึงสถานะของสนามข้อมูล ไม่ใช่วัตถุแต่ละจุด

รุ่นมาตรฐานประกอบด้วยส่วนผสมหลักดังต่อไปนี้:

• ชุดของ "องค์ประกอบพื้นฐาน" ของสสาร - เลปตันหกประเภทและควาร์กหกประเภท- อนุภาคทั้งหมดนี้เป็นสปิน 1/2 เฟอร์มิออน และจัดตัวเองเป็นสามชั่วอายุคนอย่างเป็นธรรมชาติ ฮาดรอนจำนวนมากซึ่งเป็นอนุภาคที่เป็นส่วนประกอบของแรงอย่างสูง ประกอบขึ้นจากควาร์กที่มีส่วนผสมต่างกัน
• กองกำลังสามประเภททำหน้าที่ระหว่างเฟอร์มิออนพื้นฐาน - แม่เหล็กไฟฟ้า, อ่อนแอและแข็งแกร่ง ปฏิกิริยาที่อ่อนแอและแม่เหล็กไฟฟ้านั้นเป็นสองด้านของอันเดียว ปฏิสัมพันธ์ทางไฟฟ้าอ่อน- ปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงนั้นยืนอยู่คนเดียว และนั่นคือสิ่งที่ผูกควาร์กเข้ากับฮาดรอน
• กองกำลังทั้งหมดนี้อธิบายไว้บนพื้นฐาน หลักการวัด- สิ่งเหล่านี้ไม่ได้ถูกแนะนำเข้าสู่ทฤษฎีแบบ "บังคับ" แต่ดูเหมือนว่าจะเกิดขึ้นเองอันเป็นผลมาจากข้อกำหนดของความสมมาตรของทฤษฎีที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงบางอย่าง ความสมมาตรบางประเภททำให้เกิดปฏิกิริยารุนแรงและอ่อนแอทางไฟฟ้า
• แม้ว่าทฤษฎีนี้จะมีความสมมาตรทางไฟฟ้าที่อ่อนแอ แต่ในโลกของเรามันก็ถูกทำลายไปโดยธรรมชาติ การทำลายสมมาตรของอิเล็กโตรอ่อนแอโดยธรรมชาติเป็นองค์ประกอบที่จำเป็นของทฤษฎี และภายในแบบจำลองมาตรฐาน การละเมิดเกิดขึ้นเนื่องจากกลไกของฮิกส์
• ค่าตัวเลขสำหรับ ค่าคงที่ประมาณสองโหล: สิ่งเหล่านี้คือมวลของเฟอร์มิออนพื้นฐาน ค่าตัวเลขของการมีเพศสัมพันธ์ค่าคงที่ของการโต้ตอบที่แสดงถึงความแข็งแกร่งของพวกมัน และปริมาณอื่น ๆ ทั้งหมดจะถูกดึงออกมาเพียงครั้งเดียวและทั้งหมดจากการเปรียบเทียบกับประสบการณ์ และจะไม่ถูกปรับเปลี่ยนในการคำนวณเพิ่มเติมอีกต่อไป

นอกจากนี้ โมเดลมาตรฐานยังเป็นทฤษฎีที่ทำให้เป็นมาตรฐานได้ กล่าวคือ องค์ประกอบทั้งหมดเหล่านี้ถูกนำมาใช้ในลักษณะที่สอดคล้องกันในตัวเอง ซึ่งโดยหลักการแล้ว ช่วยให้การคำนวณสามารถดำเนินการได้ด้วยระดับความแม่นยำที่ต้องการ อย่างไรก็ตาม การคำนวณที่มีระดับความแม่นยำตามที่ต้องการมักจะมีความซับซ้อนอย่างมาก แต่นี่ไม่ใช่ปัญหากับตัวทฤษฎีเอง แต่เป็นปัญหากับความสามารถในการคำนวณของเรา

สิ่งที่ Standard Model ทำได้และทำไม่ได้

โมเดลมาตรฐานส่วนใหญ่เป็นทฤษฎีเชิงพรรณนา มันไม่ได้ให้คำตอบสำหรับคำถามมากมายที่ขึ้นต้นด้วย "ทำไม": เหตุใดจึงมีอนุภาคมากมายและสิ่งเหล่านี้จริงๆ การโต้ตอบเฉพาะเหล่านี้มาจากไหนและมีคุณสมบัติเหล่านี้อย่างไร เหตุใดธรรมชาติจึงต้องสร้างเฟอร์มิออนสามชั่วอายุคน? เหตุใดค่าตัวเลขของพารามิเตอร์จึงเป็นค่าที่แน่นอน? นอกจากนี้แบบจำลองมาตรฐานไม่สามารถอธิบายปรากฏการณ์บางอย่างที่พบในธรรมชาติได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ไม่มีที่สำหรับมวลนิวตริโนและอนุภาคสสารมืด แบบจำลองมาตรฐานไม่ได้คำนึงถึงแรงโน้มถ่วง และไม่ทราบว่าเกิดอะไรขึ้นกับทฤษฎีนี้ในระดับพลังงานพลังค์ เมื่อแรงโน้มถ่วงมีความสำคัญอย่างยิ่ง

หากคุณใช้แบบจำลองมาตรฐานตามวัตถุประสงค์ที่ต้องการเพื่อทำนายผลลัพธ์ของการชนของอนุภาคมูลฐาน แบบจำลองนั้นจะช่วยให้ทำการคำนวณด้วยระดับความแม่นยำที่แตกต่างกันไป ขึ้นอยู่กับกระบวนการเฉพาะ

• สำหรับปรากฏการณ์แม่เหล็กไฟฟ้า (การกระเจิงของอิเล็กตรอน ระดับพลังงาน) ความแม่นยำสามารถเข้าถึงส่วนในล้านส่วนหรือดีกว่านั้นก็ได้ บันทึกนี้ถูกยึดไว้โดยโมเมนต์แม่เหล็กที่ผิดปกติของอิเล็กตรอน ซึ่งคำนวณด้วยความแม่นยำมากกว่าหนึ่งพันล้าน
• กระบวนการพลังงานสูงจำนวนมากที่เกิดขึ้นเนื่องจากการโต้ตอบทางไฟฟ้าที่อ่อนแอได้รับการคำนวณด้วยความแม่นยำที่ดีกว่าหนึ่งเปอร์เซ็นต์
• ปฏิกิริยาที่ยากที่สุดในการคำนวณคือต้องใช้พลังงานไม่สูงเกินไป ความแม่นยำของการคำนวณกระบวนการดังกล่าวแตกต่างกันอย่างมาก: ในบางกรณีอาจสูงถึงเปอร์เซ็นต์ ในกรณีอื่น ๆ วิธีการทางทฤษฎีที่แตกต่างกันสามารถให้คำตอบที่แตกต่างกันหลายครั้ง

เป็นเรื่องที่ควรเน้นว่าความจริงที่ว่ากระบวนการบางอย่างยากต่อการคำนวณด้วยความแม่นยำที่ต้องการไม่ได้หมายความว่า "ทฤษฎีไม่ดี" เพียงแต่ว่ามันซับซ้อนมากและเทคนิคทางคณิตศาสตร์ในปัจจุบันยังไม่เพียงพอที่จะติดตามผลที่ตามมาทั้งหมด โดยเฉพาะอย่างยิ่ง หนึ่งในปัญหาทางคณิตศาสตร์แห่งสหัสวรรษที่มีชื่อเสียงข้อหนึ่งเกี่ยวข้องกับปัญหาการจำกัดขอบเขตในทฤษฎีควอนตัมที่มีการโต้ตอบแบบไม่ใช่เกจแบบอาบีเลียน

วรรณกรรมเพิ่มเติม:

• ข้อมูลพื้นฐานเกี่ยวกับกลไกฮิกส์สามารถพบได้ในหนังสือของ L. B. Okun “ฟิสิกส์ของอนุภาคมูลฐาน” (ในระดับคำและรูปภาพ) และ “เลปตันและควาร์ก” (ในระดับร้ายแรงแต่เข้าถึงได้)

การค้นพบเมื่อเร็วๆ นี้โดยทีมนักวิทยาศาสตร์ที่นำโดย Joaquim Mathias ได้เขย่ารากฐานของฟิสิกส์อนุภาคสมัยใหม่อย่างจริงจังเป็นครั้งแรก ซึ่งก็คือแบบจำลองมาตรฐาน นักวิจัยสามารถคาดการณ์การสลายตัวของอนุภาคบีมีซอนในรูปแบบที่ไม่ได้มาตรฐาน ซึ่งแบบจำลองนี้ไม่ได้คำนึงถึง ยิ่งไปกว่านั้น การคาดเดาของพวกเขาได้รับการยืนยันจากการทดลองเกือบจะในทันที

ควรสังเกตว่าเมื่อเร็วๆ นี้นักฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องกับการศึกษาอนุภาคมูลฐานเริ่มพูดกันมากขึ้นว่าวินัยนี้แคบเกินไปภายใต้กรอบของแบบจำลองมาตรฐานที่คุ้นเคย อันที่จริง มีปรากฏการณ์หลายอย่างที่ได้รับการบันทึกไว้แล้วซึ่งยากจะอธิบายภายในกรอบของมัน ตัวอย่างเช่น แบบจำลองนี้ไม่สามารถคาดเดาได้ว่าอนุภาคใดที่อาจประกอบเป็นสสารมืด และยังไม่ได้ตอบคำถามที่ทรมานนักวิทยาศาสตร์มานาน - เหตุใดในจักรวาลของเราจึงมีสสารมากกว่าปฏิสสาร (ความไม่สมมาตรแบริออน) และการตีความ ersion ของกระบวนการเปลี่ยนรูปนิวเคลียสด้วยความเย็น ซึ่งเราเขียนถึงเมื่อไม่นานมานี้ ยังไปไกลกว่า "การกระทำ" ของแบบจำลองมาตรฐานนั้นด้วย

อย่างไรก็ตาม นักฟิสิกส์ส่วนใหญ่ยังคงยึดถือวิธีการเฉพาะนี้ในการอธิบายชีวิตลึกลับของอนุภาคมูลฐาน ส่วนหนึ่งเป็นเพราะยังไม่มีใครสร้างอะไรที่ดีกว่านี้ ส่วนหนึ่งเป็นเพราะการคาดการณ์ส่วนใหญ่ของแบบจำลองมาตรฐานยังคงมีการยืนยันเชิงทดลอง (ซึ่งไม่สามารถพูดเกี่ยวกับสมมติฐานทางเลือกได้) ยิ่งไปกว่านั้น จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ ไม่สามารถพบการเบี่ยงเบนร้ายแรงจากแบบจำลองนี้ในการทดลองได้ อย่างไรก็ตาม ดูเหมือนว่าสิ่งนี้จะเกิดขึ้นเมื่อไม่นานมานี้ นี่อาจหมายถึงการกำเนิดของทฤษฎีฟิสิกส์อนุภาคใหม่ทั้งหมด ซึ่งแบบจำลองมาตรฐานในปัจจุบันจะมีลักษณะเป็นกรณีพิเศษ เช่นเดียวกับที่ทฤษฎีความโน้มถ่วงสากลของนิวตันดูเหมือนเป็นกรณีพิเศษของแรงโน้มถ่วงภายในกรอบของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

ทุกอย่างเริ่มต้นจากข้อเท็จจริงที่ว่ากลุ่มนักฟิสิกส์นานาชาติที่นำโดย Joaquim Mathias ได้คาดการณ์หลายประการว่าความเบี่ยงเบนในความน่าจะเป็นของการสลายตัวของบีเมสันอาจแตกต่างจากแบบจำลองมาตรฐานและบ่งบอกถึงฟิสิกส์ใหม่ ฉันขอเตือนคุณว่าบีมีซอนเป็นอนุภาคที่ประกอบด้วยบีควาร์กและดีแอนติควาร์ก ตามแบบจำลองมาตรฐาน อนุภาคนี้สามารถสลายตัวเป็นมิวออน (อนุภาคที่มีประจุลบ โดยพื้นฐานแล้วเป็นอิเล็กตรอนหนักมาก) และแอนติมิวออน แม้ว่าความน่าจะเป็นของเหตุการณ์ดังกล่าวจะไม่สูงมากก็ตาม อย่างไรก็ตาม เมื่อปีที่แล้วที่การประชุมที่เกียวโต นักฟิสิกส์ที่ทำงานที่ Large Hadron Collider รายงานว่าพวกเขาสามารถตรวจจับร่องรอยของการสลายดังกล่าวได้ (และด้วยความน่าจะเป็นที่คาดการณ์ไว้ในทางทฤษฎี)

กลุ่มของมาเธียสเชื่อว่ามีซอนนี้ควรสลายตัวในลักษณะที่แตกต่างออกไปเล็กน้อย กลายเป็นมิวออนคู่หนึ่งและอนุภาค K* ที่ยังไม่ทราบชื่อ ซึ่งเกือบจะสลายตัวเป็นคาออนและไพออน (มีซอนเบากว่าสองตัว) เกือบจะในทันที เป็นที่น่าสังเกตว่านักวิทยาศาสตร์รายงานผลการวิจัยของพวกเขาในวันที่ 19 กรกฎาคมในการประชุมของ European Physical Society และวิทยากรคนต่อไปจากผู้ที่พูดในงานนี้ (นี่คือนักฟิสิกส์ Nicolas Serra จากความร่วมมือ LHCb จาก Large Hadron Collider) รายงานว่ากลุ่มของเขาสามารถบันทึกร่องรอยการผุพังดังกล่าวได้ ยิ่งไปกว่านั้น ผลการทดลองของกลุ่ม Serra เกือบจะใกล้เคียงกับความเบี่ยงเบนที่คาดการณ์ไว้ในรายงานของดร. มาเธียสและผู้เขียนร่วมของเขาเกือบทั้งหมด!

สิ่งที่น่าสนใจคือนักฟิสิกส์ประเมินผลลัพธ์เหล่านี้โดยมีนัยสำคัญทางสถิติที่4.5σ ซึ่งหมายความว่าความน่าเชื่อถือของเหตุการณ์ที่อธิบายไว้นั้นสูงมาก ฉันขอเตือนคุณว่าหลักฐานการทดลองของสาม σ ถือเป็นผลลัพธ์ที่มีนัยสำคัญ และห้า σ ถือเป็นการค้นพบที่ประสบความสำเร็จอย่างสมบูรณ์ - นี่คือคุณค่าของความน่าเชื่อถือที่กำหนดให้กับผลลัพธ์ของการทดลองเมื่อปีที่แล้ว ซึ่งในที่สุดก็ค้นพบร่องรอยของ การดำรงอยู่ของฮิกส์โบซอน

อย่างไรก็ตาม ดร.แมทเธียสเองเชื่อว่ายังไม่ต้องรีบด่วนสรุป "จำเป็นต้องมีการศึกษาทางทฤษฎีเพิ่มเติม เช่นเดียวกับการวัดใหม่ เพื่อยืนยันผลลัพธ์เหล่านี้ อย่างไรก็ตาม หากข้อสรุปของเราถูกต้องจริงๆ เราจะต้องเผชิญกับการยืนยันโดยตรงครั้งแรกของการมีอยู่ของฟิสิกส์ใหม่ ซึ่งเป็นทฤษฎีที่กว้างกว่า แบบจำลองมาตรฐานที่เป็นที่ยอมรับโดยทั่วไป ถ้าในที่สุดฮิกส์โบซอนก็สามารถต่อปริศนาของแบบจำลองมาตรฐานได้ ผลลัพธ์เหล่านี้อาจเป็นปริศนาชิ้นแรกที่มีขนาดใหญ่กว่ามาก" นักวิทยาศาสตร์กล่าว

ปัจจุบัน แบบจำลองมาตรฐานเป็นหนึ่งในโครงสร้างทางทฤษฎีที่สำคัญที่สุดในฟิสิกส์ของอนุภาค โดยอธิบายถึงปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้า ความอ่อนแอ และรุนแรงของอนุภาคมูลฐานทั้งหมด บทบัญญัติหลักและส่วนประกอบของทฤษฎีนี้อธิบายโดยนักฟิสิกส์ซึ่งเป็นสมาชิกของ Russian Academy of Sciences Mikhail Danilov

1

จากข้อมูลการทดลอง ในปัจจุบัน มีการสร้างทฤษฎีที่สมบูรณ์แบบมากขึ้น ซึ่งอธิบายปรากฏการณ์เกือบทั้งหมดที่เราสังเกตได้ ทฤษฎีนี้เรียกอย่างสุภาพว่า "แบบจำลองมาตรฐานของอนุภาคมูลฐาน" มีเฟอร์มิออนสามรุ่น: ควาร์กและเลปตัน นี่คือวัสดุก่อสร้าง ทุกสิ่งที่เราเห็นรอบตัวเราถูกสร้างขึ้นตั้งแต่รุ่นแรก ประกอบด้วยยู- และ ดี-ควาร์ก อิเล็กตรอน และอิเล็กตรอนนิวตริโน โปรตอนและนิวตรอนประกอบด้วยควาร์กสามชนิด: uud และ udd ตามลำดับ แต่มีควาร์กและเลปตอนอีกสองรุ่น ซึ่งเกิดขึ้นซ้ำในรุ่นแรกบ้าง แต่จะหนักกว่าและสลายตัวเป็นอนุภาคของรุ่นแรกในที่สุด อนุภาคทั้งหมดมีปฏิปักษ์ที่มีประจุตรงกันข้าม

2

โมเดลมาตรฐานประกอบด้วยการโต้ตอบสามแบบ แรงแม่เหล็กไฟฟ้าจับอิเล็กตรอนภายในอะตอมและอะตอมภายในโมเลกุล พาหะของปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าคือโฟตอน ปฏิกิริยารุนแรงจะกักโปรตอนและนิวตรอนไว้ในนิวเคลียสของอะตอม และควาร์กในโปรตอน นิวตรอน และแฮดรอนอื่นๆ (ดังที่แอล. บี. โอคุนเสนอให้เรียกอนุภาคที่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยารุนแรง) ปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งนั้นเกี่ยวข้องกับควาร์กและฮาดรอนที่สร้างขึ้นจากพวกมันรวมถึงพาหะของปฏิกิริยานั้นเอง - กลูออน (จากกาวภาษาอังกฤษ - กาว) แฮดรอนประกอบด้วยควาร์กหนึ่งในสามควาร์ก เช่น โปรตอนและนิวตรอน หรือควาร์กและแอนติควาร์ก เช่น π± มีซอน ซึ่งประกอบด้วย u- และแอนติ-ดี-ควาร์ก ปฏิกิริยาที่อ่อนแอทำให้เกิดการสลายตัวที่หายาก เช่น การสลายนิวตรอนให้เป็นโปรตอน อิเล็กตรอน และแอนตินิวตริโนของอิเล็กตรอน พาหะของอันตรกิริยาที่อ่อนแอคือ W- และ Z-bosons ทั้งควาร์กและเลปตันมีส่วนร่วมในการโต้ตอบที่อ่อนแอ แต่ด้วยพลังงานของเรามันมีขนาดเล็กมาก อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้อธิบายได้ง่ายๆ ด้วยมวลขนาดใหญ่ของโบซอน W และ Z ซึ่งมีขนาดหนักกว่าโปรตอนอยู่ 2 เท่า ที่พลังงานมากกว่ามวลของ W- และ Z-bosons แรงของแม่เหล็กไฟฟ้าและอันตรกิริยาอ่อนจะเทียบเคียงได้ และพวกมันรวมกันเป็นอันตรกิริยาอิเล็กโทรนิกส์เดียว สันนิษฐานว่าที่ b มาก โอพลังงานที่สูงขึ้นและปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งจะรวมเป็นหนึ่งเดียวกับส่วนที่เหลือ นอกจากปฏิกิริยาอิเล็กโทรอ่อนและปฏิกิริยารุนแรงแล้ว ยังมีปฏิกิริยาแรงโน้มถ่วงด้วย ซึ่งไม่รวมอยู่ในแบบจำลองมาตรฐาน

W, Z โบซอน

กรัม - กลูออน

H0 คือฮิกส์โบซอน

3

แบบจำลองมาตรฐานสามารถกำหนดได้สำหรับอนุภาคมูลฐานไร้มวลเท่านั้น เช่น ควาร์ก เลปตอน โบซอน W และ Z เพื่อให้พวกมันได้รับมวล มักจะแนะนำสนามฮิกส์ซึ่งตั้งชื่อตามนักวิทยาศาสตร์คนหนึ่งที่เสนอกลไกนี้ ในกรณีนี้ ควรมีอนุภาคพื้นฐานอีกตัวหนึ่งในแบบจำลองมาตรฐาน - ฮิกส์โบซอน การค้นหาอิฐก้อนสุดท้ายในอาคารเรียวของโมเดลมาตรฐานกำลังดำเนินการอย่างแข็งขันที่เครื่องชนที่ใหญ่ที่สุดในโลก - Large Hadron Collider (LHC) ได้รับการบ่งชี้ถึงการมีอยู่ของฮิกส์โบซอนซึ่งมีมวลประมาณ 133 โปรตอนแล้ว อย่างไรก็ตาม ความน่าเชื่อถือทางสถิติของข้อบ่งชี้เหล่านี้ยังไม่เพียงพอ คาดว่าภายในสิ้นปี 2555 สถานการณ์จะชัดเจนขึ้น

4

แบบจำลองมาตรฐานอธิบายการทดลองเกือบทั้งหมดในฟิสิกส์ของอนุภาคมูลฐานได้อย่างสมบูรณ์แบบ แม้ว่าการค้นหาปรากฏการณ์ที่อยู่นอกกรอบของแบบจำลองมาตรฐานจะดำเนินการอย่างต่อเนื่องก็ตาม คำแนะนำล่าสุดเกี่ยวกับฟิสิกส์นอกเหนือจาก SM คือการค้นพบในปี 2554 ถึงความแตกต่างอย่างมากอย่างไม่คาดคิดในคุณสมบัติของสิ่งที่เรียกว่ามีซอนที่มีเสน่ห์และปฏิปักษ์ของพวกมันในการทดลอง LHCb ที่ LHC อย่างไรก็ตาม เห็นได้ชัดว่าแม้แต่ความแตกต่างที่ยิ่งใหญ่ก็สามารถอธิบายได้ภายในกรอบของ SM ในทางกลับกัน ในปี 2011 ได้รับการยืนยันอีกครั้งเกี่ยวกับ SM ซึ่งได้รับการแสวงหามานานหลายทศวรรษ ซึ่งทำนายการมีอยู่ของฮาดรอนที่แปลกใหม่ นักฟิสิกส์จากสถาบันฟิสิกส์ทฤษฎีและการทดลอง (มอสโก) และสถาบันฟิสิกส์นิวเคลียร์ (โนโวซีบีร์สค์) ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของการทดลอง BELLE นานาชาติได้ค้นพบฮาดรอนที่ประกอบด้วยควาร์กสองตัวและแอนติควาร์กสองตัว เป็นไปได้มากว่าสิ่งเหล่านี้คือโมเลกุลที่เกิดจากมีซอน ซึ่งทำนายโดยนักทฤษฎี ITEP M. B. Voloshin และ L. B. Okun

5

แม้ว่า Standard Model จะประสบความสำเร็จ แต่ก็มีข้อบกพร่องมากมาย จำนวนพารามิเตอร์อิสระของทฤษฎีเกิน 20 ตัว และไม่มีความชัดเจนโดยสิ้นเชิงว่าลำดับชั้นมาจากไหน เหตุใดมวลของทีควาร์กจึงมากกว่ามวลของยูควาร์กถึง 100,000 เท่า เหตุใดค่าคงที่คัปปลิ้งของ t- และ d-ควาร์ก ซึ่งวัดครั้งแรกในการทดลอง ARGUS ระหว่างประเทศโดยมีส่วนร่วมอย่างแข็งขันของนักฟิสิกส์ ITEP ซึ่งน้อยกว่าค่าคงที่คัปปลิ้งของ c- และ d-ควาร์ก 40 เท่า SM ไม่ตอบคำถามเหล่านี้ สุดท้ายแล้ว เหตุใดควาร์กและเลปตันถึง 3 รุ่นจึงจำเป็น? นักทฤษฎีชาวญี่ปุ่น M. Kobayashi และ T. Maskawa แสดงให้เห็นในปี 1973 ว่าการมีอยู่ของควาร์ก 3 รุ่นทำให้สามารถอธิบายความแตกต่างในคุณสมบัติของสสารและปฏิสสารได้ สมมติฐานของ M. Kobayashi และ T. Maskawa ได้รับการยืนยันในการทดลอง BELLE และ BaBar โดยมีนักฟิสิกส์จาก BINP และ ITEP มีส่วนร่วมอย่างแข็งขัน ในปี 2008 M. Kobayashi และ T. Maskawa ได้รับรางวัลโนเบลสาขาทฤษฎีของพวกเขา

6

นอกจากนี้ยังมีปัญหาพื้นฐานเพิ่มเติมเกี่ยวกับโมเดลมาตรฐานอีกด้วย เรารู้แล้วว่า SM ยังไม่สมบูรณ์ เป็นที่ทราบกันดีจากการวิจัยทางดาราศาสตร์ว่ามีสสารที่ไม่อยู่ใน SM นี่คือสิ่งที่เรียกว่าสสารมืด มากกว่าเรื่องธรรมดาที่เราสร้างขึ้นประมาณ 5 เท่า บางทีข้อเสียเปรียบหลักของโมเดลมาตรฐานก็คือการขาดความสอดคล้องภายในตนเอง ตัวอย่างเช่น มวลธรรมชาติของฮิกส์โบซอนซึ่งเกิดขึ้นในแบบจำลองมาตรฐานเนื่องจากการแลกเปลี่ยนอนุภาคเสมือน มีขนาดใหญ่กว่ามวลที่จำเป็นในการอธิบายปรากฏการณ์ที่สังเกตได้หลายประการ วิธีแก้ปัญหาอย่างหนึ่งที่ได้รับความนิยมมากที่สุดในขณะนี้คือสมมติฐานสมมาตรยิ่งยวด ซึ่งเป็นข้อสันนิษฐานว่ามีความสมมาตรระหว่างเฟอร์มิออนและโบซอน แนวคิดนี้แสดงออกครั้งแรกในปี 1971 โดย Yu. A. Golfand และ E. P. Likhtman ที่ Lebedev Physical Institute และตอนนี้ก็ได้รับความนิยมอย่างมาก

7

การมีอยู่ของอนุภาคสมมาตรยิ่งยวดไม่เพียงแต่ทำให้พฤติกรรมของ SM มีเสถียรภาพเท่านั้น แต่ยังให้ตัวเลือกที่เป็นธรรมชาติมากสำหรับบทบาทของสสารมืด ซึ่งเป็นอนุภาคสมมาตรยิ่งยวดที่เบาที่สุด แม้ว่าในปัจจุบันยังไม่มีหลักฐานการทดลองที่เชื่อถือได้สำหรับทฤษฎีนี้ แต่ก็มีความสวยงามมากและแก้ปัญหาของแบบจำลองมาตรฐานได้อย่างสวยงามจนหลายคนเชื่อในทฤษฎีนี้ LHC กำลังค้นหาอนุภาคสมมาตรยิ่งยวดและทางเลือกอื่นนอกเหนือจาก SM อย่างแข็งขัน ตัวอย่างเช่น พวกเขากำลังมองหามิติเพิ่มเติมของพื้นที่ หากมีอยู่ก็จะสามารถแก้ไขปัญหามากมายได้ บางทีแรงโน้มถ่วงอาจแข็งแกร่งในระยะทางที่ค่อนข้างไกล ซึ่งก็น่าประหลาดใจมากเช่นกัน แบบจำลองและกลไกทางเลือกอื่นๆ ของฮิกส์สำหรับการเกิดขึ้นของมวลในอนุภาคมูลฐานก็เป็นไปได้ การค้นหาเอฟเฟกต์ที่อยู่นอกเหนือโมเดลมาตรฐานนั้นมีการใช้งานมาก แต่ก็ยังไม่ประสบผลสำเร็จ หลายๆ อย่างน่าจะชัดเจนขึ้นในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า

ในวิชาฟิสิกส์ อนุภาคมูลฐานเป็นวัตถุทางกายภาพในระดับนิวเคลียสของอะตอมซึ่งไม่สามารถแบ่งออกเป็นส่วนประกอบต่างๆ ได้ อย่างไรก็ตาม ในปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามแยกบางส่วนออกแล้ว โครงสร้างและคุณสมบัติของวัตถุขนาดเล็กเหล่านี้ได้รับการศึกษาโดยฟิสิกส์ของอนุภาค

อนุภาคที่เล็กที่สุดที่ประกอบเป็นสสารทั้งหมดเป็นที่รู้จักมาตั้งแต่สมัยโบราณ อย่างไรก็ตาม ผู้ก่อตั้งสิ่งที่เรียกว่า "อะตอมนิยม" ถือเป็นนักปรัชญาชาวกรีกโบราณ เลวซิปปุส และเดโมคริตุส นักเรียนที่มีชื่อเสียงมากกว่าของเขา สันนิษฐานว่าฝ่ายหลังเป็นผู้บัญญัติคำว่า "อะตอม" จากภาษากรีกโบราณ "อะตอม" แปลว่า "แบ่งแยกไม่ได้" ซึ่งกำหนดมุมมองของนักปรัชญาโบราณ

ต่อมาเป็นที่รู้กันว่าอะตอมยังคงสามารถแบ่งออกเป็นวัตถุทางกายภาพสองชนิด ได้แก่ นิวเคลียสและอิเล็กตรอน ต่อมากลายเป็นอนุภาคมูลฐานตัวแรก เมื่อในปี พ.ศ. 2440 โจเซฟ ทอมสัน ชาวอังกฤษได้ทำการทดลองกับรังสีแคโทด และค้นพบว่าพวกมันเป็นกระแสของอนุภาคที่เหมือนกันซึ่งมีมวลและประจุเท่ากัน

ควบคู่ไปกับงานของทอมสัน อองรี เบคเคอเรล ซึ่งศึกษารังสีเอกซ์ ทำการทดลองกับยูเรเนียมและค้นพบรังสีชนิดใหม่ ในปี พ.ศ. 2441 นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส Marie และ Pierre Curie ศึกษาสารกัมมันตภาพรังสีหลายชนิด และค้นพบรังสีกัมมันตภาพรังสีชนิดเดียวกัน ต่อมาพบว่าประกอบด้วยอนุภาคอัลฟา (โปรตอน 2 ตัวและนิวตรอน 2 ตัว) และอนุภาคบีตา (อิเล็กตรอน) และเบกเคอเรลและกูรีจะได้รับรางวัลโนเบล ในขณะที่ทำการวิจัยเกี่ยวกับธาตุต่างๆ เช่น ยูเรเนียม เรเดียม และพอโลเนียม Marie Sklodowska-Curie ไม่ได้ใช้มาตรการด้านความปลอดภัยใดๆ รวมถึงการไม่ใช้ถุงมือด้วยซ้ำ ผลก็คือในปี พ.ศ. 2477 เธอถูกโรคมะเร็งเม็ดเลือดขาวแซงหน้า ในความทรงจำของความสำเร็จของนักวิทยาศาสตร์ผู้ยิ่งใหญ่องค์ประกอบที่ค้นพบโดยคู่รักคูรีคือพอโลเนียมได้รับการตั้งชื่อเพื่อเป็นเกียรติแก่บ้านเกิดของแมรี - โปโลเนียจากละติน - โปแลนด์

ภาพถ่ายจากการประชุม V Solvay Congress พ.ศ. 2470 ลองค้นหานักวิทยาศาสตร์ทั้งหมดจากบทความนี้ในรูปนี้

ตั้งแต่ปี 1905 เป็นต้นมา อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ได้อุทิศสิ่งพิมพ์ของเขาให้กับความไม่สมบูรณ์ของทฤษฎีคลื่นแสง ซึ่งทฤษฎีดังกล่าวขัดแย้งกับผลการทดลอง ซึ่งต่อมาได้นำนักฟิสิกส์ที่โดดเด่นมาสู่แนวคิดเรื่อง "ควอนตัมแสง" - ส่วนหนึ่งของแสง ต่อมาในปี พ.ศ. 2469 ได้มีการตั้งชื่อว่า "โฟตอน" ซึ่งแปลมาจากภาษากรีกว่า "ฟอส" ("แสง") โดยนักเคมีกายภาพชาวอเมริกัน กิลเบิร์ต เอ็น. ลูอิส

ในปี 1913 เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ จากผลการทดลองที่ได้ดำเนินการไปแล้วในขณะนั้น ตั้งข้อสังเกตว่ามวลของนิวเคลียสขององค์ประกอบทางเคมีหลายชนิดนั้นคูณด้วยมวลของนิวเคลียสไฮโดรเจน ดังนั้นเขาจึงสันนิษฐานว่านิวเคลียสของไฮโดรเจนเป็นส่วนประกอบของนิวเคลียสของธาตุอื่น ในการทดลองของเขา รัทเทอร์ฟอร์ดฉายรังสีอะตอมไนโตรเจนด้วยอนุภาคอัลฟา ซึ่งผลก็คือปล่อยอนุภาคจำนวนหนึ่งซึ่งตั้งชื่อโดยเออร์เนสต์ว่าเป็น "โปรตอน" จากภาษากรีกอีกคำหนึ่งว่า "โปรโตส" (ตัวแรก ตัวหลัก) ต่อมาได้รับการยืนยันจากการทดลองว่าโปรตอนเป็นนิวเคลียสของไฮโดรเจน

แน่นอนว่าโปรตอนไม่ใช่ส่วนประกอบเดียวของนิวเคลียสขององค์ประกอบทางเคมี แนวคิดนี้นำโดยข้อเท็จจริงที่ว่าโปรตอนสองตัวในนิวเคลียสจะผลักกัน และอะตอมจะสลายตัวทันที ดังนั้นรัทเทอร์ฟอร์ดจึงตั้งสมมติฐานว่ามีอนุภาคอื่นซึ่งมีมวลเท่ากับมวลของโปรตอน แต่ไม่มีประจุ การทดลองบางอย่างของนักวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์ของธาตุกัมมันตรังสีและธาตุที่เบากว่าทำให้พวกเขาค้นพบรังสีชนิดใหม่ ในปีพ.ศ. 2475 เจมส์ แชดวิกระบุว่าอนุภาคนี้ประกอบด้วยอนุภาคที่เป็นกลางมากซึ่งเขาเรียกว่านิวตรอน

ดังนั้นจึงค้นพบอนุภาคที่มีชื่อเสียงที่สุด ได้แก่ โฟตอน อิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอน

นอกจากนี้ การค้นพบวัตถุใต้นิวเคลียร์ใหม่ยังกลายเป็นเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นบ่อยมากขึ้น และในขณะนี้มีการรู้จักอนุภาคประมาณ 350 อนุภาค ซึ่งโดยทั่วไปถือว่าเป็น "ระดับประถมศึกษา" ส่วนที่ยังไม่ได้แยกจะถือว่าไม่มีโครงสร้างและเรียกว่า "พื้นฐาน"

สปินคืออะไร?

ก่อนที่จะก้าวไปข้างหน้าด้วยนวัตกรรมเพิ่มเติมในสาขาฟิสิกส์ จะต้องกำหนดลักษณะของอนุภาคทั้งหมดก่อน ที่รู้จักกันดีที่สุดนอกเหนือจากมวลและประจุไฟฟ้าแล้วยังรวมถึงการหมุนด้วย ปริมาณนี้เรียกอีกอย่างว่า "โมเมนตัมเชิงมุมภายใน" และไม่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของวัตถุใต้นิวเคลียร์โดยรวมแต่อย่างใด นักวิทยาศาสตร์สามารถตรวจจับอนุภาคด้วยการหมุน 0, ½, 1, 3/2 และ 2 เพื่อให้เห็นภาพ แม้ว่าจะง่ายขึ้น ให้หมุนเป็นคุณสมบัติของวัตถุ ให้พิจารณาตัวอย่างต่อไปนี้

ปล่อยให้วัตถุมีการหมุนเท่ากับ 1 จากนั้นวัตถุดังกล่าวเมื่อหมุน 360 องศา จะกลับสู่ตำแหน่งเดิม บนเครื่องบิน วัตถุนี้อาจเป็นดินสอก็ได้ ซึ่งหลังจากหมุน 360 องศา ก็จะไปอยู่ที่ตำแหน่งเดิม ในกรณีของการหมุนเป็นศูนย์ ไม่ว่าวัตถุจะหมุนอย่างไร มันก็จะมีลักษณะเหมือนเดิมเสมอ เช่น ลูกบอลสีเดียว

สำหรับการหมุน 1/2 ครั้ง คุณจะต้องมีวัตถุที่คงรูปลักษณ์ไว้เมื่อหมุน 180 องศา อาจเป็นดินสออันเดียวกันได้ เพียงลับให้คมทั้งสองด้านเท่านั้น การหมุน 2 จะต้องคงรูปร่างไว้เมื่อหมุน 720 องศา และการหมุน 3/2 จะต้อง 540

คุณลักษณะนี้มีความสำคัญมากสำหรับฟิสิกส์ของอนุภาค

แบบจำลองมาตรฐานของอนุภาคและปฏิกิริยา

นักวิทยาศาสตร์ตัดสินใจจัดโครงสร้างวัตถุเหล่านั้นขึ้นมาด้วยชุดของวัตถุขนาดเล็กที่น่าประทับใจซึ่งประกอบกันเป็นโลกรอบตัวเรา และนี่คือวิธีที่โครงสร้างทางทฤษฎีที่รู้จักกันดีที่เรียกว่า "แบบจำลองมาตรฐาน" ก่อตัวขึ้น เธออธิบายปฏิสัมพันธ์สามอย่างและอนุภาค 61 ชิ้นโดยใช้อนุภาคพื้นฐาน 17 ชนิด ซึ่งบางส่วนเธอคาดการณ์ไว้นานก่อนการค้นพบ

การโต้ตอบทั้งสามคือ:

• แม่เหล็กไฟฟ้า มันเกิดขึ้นระหว่างอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า ในกรณีง่ายๆ ที่ทราบจากโรงเรียน วัตถุที่มีประจุตรงข้ามจะดึงดูด และวัตถุที่มีประจุในทำนองเดียวกันจะผลักกัน สิ่งนี้เกิดขึ้นผ่านทางพาหะที่เรียกว่าปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้า - โฟตอน
• แข็งแกร่งมิฉะนั้น - ปฏิสัมพันธ์ทางนิวเคลียร์ ดังที่ชื่อบอกเป็นนัย การกระทำของมันขยายไปถึงวัตถุลำดับนิวเคลียสของอะตอม ซึ่งมีหน้าที่ในการดึงดูดโปรตอน นิวตรอน และอนุภาคอื่น ๆ ที่ประกอบด้วยควาร์กด้วย ปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงนั้นดำเนินการโดยกลูออน
• อ่อนแอ. มีประสิทธิภาพในระยะทางที่เล็กกว่าขนาดของแกนกลางถึงพันเท่า เลปตันและควาร์ก รวมถึงปฏิปักษ์ของพวกมัน มีส่วนร่วมในปฏิสัมพันธ์นี้ ยิ่งไปกว่านั้น ในกรณีที่มีปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอ พวกเขาสามารถแปลงร่างเป็นกันและกันได้ พาหะคือโบซอน W+, W− และ Z0

จึงได้จัดทำ Standard Model ขึ้นมาดังนี้ ประกอบด้วยควาร์กหกตัว ซึ่งฮาดรอนทั้งหมด (อนุภาคที่มีปฏิสัมพันธ์รุนแรง) ประกอบด้วย:

• บน(u);
• หลงเสน่ห์ (c);
• จริง(t);
• ล่าง (ง);
• แปลก(s);
• น่ารัก (ข)

เป็นที่ชัดเจนว่านักฟิสิกส์มีฉายามากมาย อีก 6 อนุภาคคือเลปตัน เหล่านี้เป็นอนุภาคพื้นฐานที่มีการหมุน ½ ซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในการโต้ตอบที่รุนแรง

• อิเล็กตรอน;
• อิเล็กตรอนนิวตริโน;
• มึน;
• มิวออนนิวตริโน;
• เทาเลปตัน;
• เทานิวตริโน

และกลุ่มที่สามของแบบจำลองมาตรฐานคือเกจโบซอน ซึ่งมีการหมุนเท่ากับ 1 และแสดงเป็นพาหะของการโต้ตอบ:

• กลูออน - แข็งแกร่ง;
• โฟตอน - แม่เหล็กไฟฟ้า;
• Z-boson - อ่อนแอ;
• W boson อ่อนแอ

สิ่งเหล่านี้ยังรวมถึงอนุภาค spin-0 ที่เพิ่งค้นพบ ซึ่งพูดง่ายๆ ก็คือให้มวลเฉื่อยแก่วัตถุใต้นิวเคลียร์อื่นๆ ทั้งหมด

ด้วยเหตุนี้ ตามแบบจำลองมาตรฐาน โลกของเราจึงมีลักษณะดังนี้ สสารทั้งหมดประกอบด้วยควาร์ก 6 ตัว ก่อตัวเป็นแฮดรอน และเลปตัน 6 ตัว อนุภาคทั้งหมดเหล่านี้สามารถมีส่วนร่วมในปฏิกิริยา 3 แบบ โดยตัวพาคือโบซอนแบบเกจ

ข้อเสียของรุ่นมาตรฐาน

อย่างไรก็ตาม แม้กระทั่งก่อนการค้นพบฮิกส์โบซอน ซึ่งเป็นอนุภาคสุดท้ายที่แบบจำลองมาตรฐานทำนายไว้ นักวิทยาศาสตร์ก็ได้ก้าวข้ามขีดจำกัดไปแล้ว ตัวอย่างที่ชัดเจนของสิ่งนี้คือสิ่งที่เรียกว่า “ปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วง” ซึ่งทัดเทียมกับสิ่งอื่นในปัจจุบัน สันนิษฐานว่าพาหะของมันคืออนุภาคที่มีการหมุน 2 ซึ่งไม่มีมวลและนักฟิสิกส์ยังไม่สามารถตรวจจับได้ - "กราวิตอน"

ยิ่งไปกว่านั้น แบบจำลองมาตรฐานยังอธิบายอนุภาคได้ 61 ตัว และปัจจุบันมนุษย์รู้จักอนุภาคมากกว่า 350 ตัวแล้ว ซึ่งหมายความว่างานของนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎียังไม่สิ้นสุด

การจำแนกประเภทอนุภาค

เพื่อให้ชีวิตง่ายขึ้น นักฟิสิกส์ได้จัดกลุ่มอนุภาคทั้งหมดตามลักษณะโครงสร้างและคุณลักษณะอื่นๆ การจำแนกประเภทขึ้นอยู่กับเกณฑ์ต่อไปนี้:

• ตลอดชีวิต.
  1. มั่นคง. ซึ่งรวมถึงโปรตอนและแอนติโปรตอน อิเล็กตรอนและโพซิตรอน โฟตอน และกราวิตอน การดำรงอยู่ของอนุภาคเสถียรไม่ได้ถูกจำกัดด้วยเวลา ตราบใดที่อนุภาคเหล่านั้นยังอยู่ในสภาพอิสระ เช่น อย่าโต้ตอบกับสิ่งใดเลย
  2. ไม่เสถียร หลังจากนั้นครู่หนึ่ง อนุภาคอื่นๆ ทั้งหมดจะสลายตัวเป็นส่วนต่างๆ ของพวกมัน ซึ่งเป็นสาเหตุว่าทำไมพวกมันจึงถูกเรียกว่าไม่เสถียร ตัวอย่างเช่น มิวออนมีชีวิตอยู่เพียง 2.2 ไมโครวินาที และโปรตอน - 2.9.10 * 29 ปี หลังจากนั้นมันสามารถสลายตัวเป็นโพซิตรอนและไพออนที่เป็นกลาง
• น้ำหนัก.
  1. อนุภาคมูลฐานไม่มีมวล ซึ่งมีเพียงสามอนุภาคเท่านั้น ได้แก่ โฟตอน กลูออน และกราวิตอน
  2. อนุภาคขนาดใหญ่ยังเหลืออยู่ทั้งหมด
• ค่าสปิน
  1. การหมุนทั้งหมดรวมถึง ศูนย์ มีอนุภาคที่เรียกว่าโบซอน
  2. อนุภาคที่มีการหมุนรอบครึ่งจำนวนเต็มเรียกว่าเฟอร์มิออน
• การมีส่วนร่วมในการโต้ตอบ
  1. ฮาดรอน (อนุภาคโครงสร้าง) เป็นวัตถุใต้นิวเคลียร์ที่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยาทั้งสี่ประเภท มีการกล่าวไว้ก่อนหน้านี้ว่าพวกมันประกอบด้วยควาร์ก แฮดรอนแบ่งออกเป็นสองประเภทย่อย: มีซอน (สปินจำนวนเต็ม, โบซอน) และแบริออน (สปินครึ่งจำนวนเต็ม, เฟอร์มิออน)
  2. มูลฐาน (อนุภาคไม่มีโครงสร้าง) ซึ่งรวมถึงเลปตัน ควาร์ก และเกจโบซอน (อ่านก่อนหน้านี้ - “แบบจำลองมาตรฐาน..”)

เมื่อทำความคุ้นเคยกับการจำแนกประเภทของอนุภาคทั้งหมดแล้ว คุณสามารถระบุบางส่วนได้อย่างแม่นยำ ดังนั้นนิวตรอนจึงเป็นเฟอร์มิออน ฮาดรอน หรือค่อนข้างเป็นแบริออน และเป็นนิวคลีออน กล่าวคือ มันมีการหมุนรอบครึ่งจำนวนเต็ม ประกอบด้วยควาร์กและมีส่วนร่วมในการโต้ตอบ 4 ครั้ง นิวคลีออนเป็นชื่อสามัญของโปรตอนและนิวตรอน

• เป็นที่น่าสนใจที่ฝ่ายตรงข้ามของอะตอมมิกส์ของเดโมคริตุสซึ่งทำนายการมีอยู่ของอะตอมระบุว่าสสารใด ๆ ในโลกจะถูกแบ่งออกอย่างไม่มีกำหนด พวกมันอาจกลายเป็นสิ่งที่ถูกต้องได้ในระดับหนึ่ง เนื่องจากนักวิทยาศาสตร์ได้จัดการแบ่งอะตอมออกเป็นนิวเคลียสและอิเล็กตรอน แยกนิวเคลียสออกเป็นโปรตอนและนิวตรอน และสิ่งเหล่านี้ก็กลายเป็นควาร์ก
• เดโมคริตุสสันนิษฐานว่าอะตอมมีรูปทรงเรขาคณิตที่ชัดเจน ดังนั้นอะตอมของการเผาไหม้ที่ "แหลมคม" อะตอมของของแข็งที่หยาบจะถูกยึดเข้าด้วยกันอย่างแน่นหนาโดยส่วนที่ยื่นออกมา และอะตอมที่เรียบของน้ำจะลื่นไถลระหว่างปฏิกิริยา ไม่เช่นนั้นพวกมันจะไหล
• โจเซฟ ทอมสันได้รวบรวมแบบจำลองอะตอมของเขาเอง ซึ่งเขามองว่าเป็นวัตถุที่มีประจุบวก ซึ่งอิเล็กตรอนดูเหมือนจะ "ติดอยู่" นางแบบของเขาถูกเรียกว่า “โมเดลพุดดิ้งพลัม”
• Quarks ได้ชื่อมาจากนักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน Murray Gell-Mann นักวิทยาศาสตร์ต้องการใช้คำที่คล้ายกับเสียงเป็ดต้มตุ๋น (kwork) แต่ในนวนิยาย Finnegans Wake ของ James Joyce เขาพบคำว่า "ควาร์ก" ในบรรทัด "Three quarks for Mr. Mark!" ซึ่งความหมายไม่ได้ถูกกำหนดไว้อย่างชัดเจน และเป็นไปได้ที่ Joyce จะใช้คำนี้เพียงเพื่อสัมผัสเท่านั้น เมอร์เรย์ตัดสินใจเรียกอนุภาคด้วยคำนี้ เนื่องจากในขณะนั้นรู้จักควาร์กเพียง 3 ตัวเท่านั้น
• แม้ว่าโฟตอนซึ่งเป็นอนุภาคของแสงจะไม่มีมวล แต่เมื่ออยู่ใกล้หลุมดำ ดูเหมือนว่าพวกมันจะเปลี่ยนวิถีโคจรเมื่อพวกมันถูกดึงดูดโดยแรงโน้มถ่วง ในความเป็นจริง วัตถุที่มีมวลมหาศาลทำให้อวกาศ-เวลาโค้งงอ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมอนุภาคใดๆ รวมถึงอนุภาคที่ไม่มีมวล จึงเปลี่ยนวิถีการเคลื่อนที่ไปทางหลุมดำ (ดู)
• เครื่องชนอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่นั้นเป็น "ฮาโดรนิก" อย่างแน่นอน เพราะว่ามันชนคานฮาดรอนสองลำที่มีทิศทางโดยตรง ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีขนาดตามลำดับนิวเคลียสของอะตอมที่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยาทั้งหมด