Parçacık modelleriyle temsil edilen fiziksel sistem örnekleri. Temel parçacıklar

“Kendimize neden bir grup yetenekli ve kendini adamış insanın hayatlarını gözle görülemeyecek kadar küçük nesneleri kovalamaya adadığını soruyoruz? Aslında parçacık fizikçilerinin yaptığı şey insanın merakı ve içinde yaşadığımız dünyanın nasıl çalıştığını bilme arzusuyla ilgilidir." Sean Carroll

Hala kuantum mekaniği tabirinden korkuyorsanız ve standart modelin ne olduğunu hala bilmiyorsanız kediye hoş geldiniz. Yayınımda temel parçacık fiziğinin yanı sıra kuantum dünyasının temellerini de olabildiğince basit ve anlaşılır bir şekilde anlatmaya çalışacağım. Fermiyonlar ve bozonlar arasındaki temel farkların neler olduğunu, kuarkların neden bu kadar tuhaf isimlere sahip olduğunu ve son olarak neden herkesin Higgs Bozonunu bulmayı bu kadar çok istediğini anlamaya çalışacağız.

Biz neyden yapıldık?

Pekala, mikro dünyaya yolculuğumuza basit bir soruyla başlayacağız: Çevremizdeki nesneler nelerden yapılmıştır? Dünyamız, tıpkı bir ev gibi, özel bir şekilde birleştirildiğinde sadece görünüşte değil, özelliklerinde de yeni bir şey yaratan birçok küçük tuğladan oluşur. Aslında, onlara yakından bakarsanız, çok fazla farklı türde blok olmadığını, sadece her seferinde farklı şekillerde birbirlerine bağlanarak yeni formlar ve olgular oluşturduğunu göreceksiniz. Her blok, hikayemde tartışılacak olan bölünmez bir temel parçacıktır.

Örneğin, Mendeleev'in periyodik tablosunun ikinci elementi olan bir inert gaz olan bir maddeyi ele alalım. helyum. Evrendeki diğer maddeler gibi helyum da atomlar arasındaki bağlardan oluşan moleküllerden oluşur. Ancak bu durumda helyumun bizim için biraz özel bir durumu var çünkü tek bir atomdan oluşuyor.

Bir atom nelerden oluşur?

Helyum atomu ise etrafında iki elektronun döndüğü atom çekirdeğini oluşturan iki nötron ve iki protondan oluşur. En ilginç olanı ise burada kesinlikle bölünmez olan tek şeyin elektron.

Kuantum dünyasının ilginç anı

Nasıl az Bir temel parçacığın kütlesi, Daha yer kaplıyor. Bu nedenle protondan 2000 kat daha hafif olan elektronlar, atom çekirdeğine göre çok daha fazla yer kaplar.

Nötronlar ve protonlar sözde gruba aittir. hadronlar(güçlü etkileşime maruz kalan parçacıklar) ve daha da kesin olmak gerekirse, baryonlar.

Hadronlar gruplara ayrılabilir
  • Üç kuarktan oluşan baryonlar
  • Parçacık-antiparçacık çiftinden oluşan mezonlar

Nötron, adından da anlaşılacağı gibi nötr yüklüdür ve iki aşağı kuark ve bir yukarı kuark olarak bölünebilir. Pozitif yüklü bir parçacık olan proton, bir aşağı kuark ve iki yukarı kuarka bölünür.

Evet evet şaka yapmıyorum, onlara gerçekten üst ve alt deniyor. Öyle görünüyor ki, eğer yukarı ve aşağı kuarkları ve hatta elektronu keşfedersek, bunları tüm Evreni tanımlamak için kullanabiliriz. Ancak bu ifade gerçeklerden çok uzak olacaktır.

Asıl sorun, parçacıkların bir şekilde birbirleriyle etkileşime girmesi gerektiğidir. Eğer dünya yalnızca bu üçlüden (nötron, proton ve elektron) oluşsaydı, o zaman parçacıklar uzayın uçsuz bucaksız genişliklerinde uçardı ve asla hadronlar gibi daha büyük oluşumlar halinde bir araya gelmezdi.

Fermiyonlar ve Bozonlar

Oldukça uzun zaman önce bilim adamları, standart model adı verilen temel parçacıkları temsil etmenin kullanışlı ve kısa bir biçimini buldular. Tüm temel parçacıkların bölündüğü ortaya çıktı fermiyonlar tüm maddenin oluştuğu ve bozonlar Fermiyonlar arasında çeşitli etkileşim türlerini taşıyanlar.

Bu gruplar arasındaki fark çok açıktır. Gerçek şu ki, kuantum dünyasının yasalarına göre fermiyonların hayatta kalabilmesi için bir miktar alana ihtiyacı vardır, ancak bozonlar için boş alanın varlığı neredeyse önemsizdir.

Fermiyonlar
Daha önce de belirtildiği gibi, bir grup fermiyon etrafımızdaki görünür maddeyi yaratır. Gördüğümüz her şey, nerede görürsek görelim, fermiyonlar tarafından yaratılmıştır. Fermiyonlar ikiye ayrılır kuarklar birbirleriyle güçlü bir şekilde etkileşime giriyor ve hadronlar gibi daha karmaşık parçacıkların içinde kilitleniyor ve leptonlar uzayda benzerlerinden bağımsız olarak özgürce var olan.

Kuarklar iki gruba ayrılır.

  • Üst tip. Yükü +2\3 olan üst kuarklar şunları içerir: üst kuarklar, çekicilik ve gerçek kuarklar
  • Alt tip. -1\3 yüklü alt tip kuarklar şunları içerir: alt, garip ve tılsım kuarkları
Yukarı ve aşağı kuarklar en büyük kuarklardır, yukarı ve aşağı kuarklar ise en küçük kuarklardır. Kuarklara neden bu kadar alışılmadık isimler verildiği, daha doğru bir ifadeyle “tatların” verildiği bilim insanları için hala bir tartışma konusu.

Leptonlar da iki gruba ayrılır.

  • Yükü “-1” olan ilk grup şunları içerir: elektron, müon (daha ağır parçacık) ve tau parçacığı (en büyük kütleli)
  • Nötr yüklü ikinci grup şunları içerir: elektron nötrino, müon nötrino ve tau nötrino
Nötrino, tespit edilmesi neredeyse imkansız olan küçük bir madde parçacığıdır. Yükü her zaman 0'dır.

Fizikçilerin öncekilerden daha büyük kütleli birkaç nesil parçacık daha bulup bulamayacağı sorusu ortaya çıkıyor. Buna cevap vermek zor ama teorisyenler lepton ve kuark nesillerinin üçle sınırlı olduğuna inanıyorlar.

Hiçbir benzerlik görmüyor musun? Hem kuarklar hem de leptonlar, birbirlerinden sorumlu olarak farklılık gösteren iki gruba ayrılır? Ama bunun hakkında daha sonra daha fazlası...

Bozonlar
Onlar olmasaydı fermiyonlar sürekli bir akış halinde evrenin etrafında uçarlardı. Ancak bozon alışverişi yaparak fermiyonlar birbirleriyle bir tür etkileşim kurarlar. Bozonların kendileri pratik olarak birbirleriyle etkileşime girmezler.
Aslında bazı bozonlar hala birbirleriyle etkileşim halindedir, ancak bu konu mikro dünyanın sorunlarıyla ilgili gelecekteki makalelerde daha ayrıntılı olarak tartışılacaktır.

Bozonlar tarafından iletilen etkileşim:

  • Elektromanyetik parçacıklar fotonlardır. Işık bu kütlesiz parçacıklar kullanılarak iletilir.
  • Güçlü nükleer parçacıklar gluonlardır. Onların yardımıyla atom çekirdeğindeki kuarklar tek tek parçacıklara bölünmez.
  • Zayıf nükleer, parçacıklar - ±W ve Z bozonları. Fermiyonlar onların yardımıyla kütleyi, enerjiyi aktarır ve birbirlerine dönüşebilirler.
  • Yerçekimsel , parçacıklar - gravitonlar. Mikroskobik ölçekte son derece zayıf bir kuvvet. Yalnızca süper kütleli cisimlerde görünür hale gelir.
Yerçekimi etkileşimi ile ilgili madde.
Gravitonların varlığı henüz deneysel olarak doğrulanmadı. Yalnızca teorik bir versiyon olarak mevcutturlar. Çoğu durumda standart modelde dikkate alınmazlar.

İşte bu, standart model monte edildi.

Sorunlar yeni başladı

Diyagramdaki parçacıkların çok güzel temsiline rağmen, iki soru kalıyor. Parçacıklar kütlelerini nereden alıyorlar ve bunlar nedir? Higgs bozonu, bozonların geri kalanından öne çıkıyor.

Higgs bozonunu kullanma fikrini anlamak için kuantum alan teorisine dönmemiz gerekiyor. Basit bir ifadeyle, tüm dünyanın, tüm Evrenin en küçük parçacıklardan değil, birçok farklı alandan oluştuğu iddia edilebilir: gluon, kuark, elektron, elektromanyetik vb. Tüm bu alanlarda sürekli olarak hafif dalgalanmalar yaşanıyor. Ancak bunların en güçlülerini temel parçacıklar olarak algılıyoruz. Evet ve bu tez oldukça tartışmalı. Parçacık-dalga düalizmi açısından bakıldığında, mikro dünyanın aynı nesnesi farklı durumlarda ya bir dalga olarak ya da temel bir parçacık olarak davranır; bu yalnızca süreci gözlemleyen fizikçinin durumu modellemesinin ne kadar uygun olduğuna bağlıdır. .

Higgs alanı
Ortalama değeri sıfıra yaklaşmak istemeyen Higgs alanı adı verilen bir alan olduğu ortaya çıktı. Sonuç olarak bu alan, Evren boyunca sıfır olmayan sabit bir değer almaya çalışır. Higgs Bozonunun ortaya çıkmasını sağlayan güçlü salınımların bir sonucu olarak alan, her yerde mevcut ve sabit bir arka plan oluşturur.
Higgs alanı sayesinde parçacıklara kütle kazandırılmıştır.
Bir temel parçacığın kütlesi Higgs alanıyla ne kadar güçlü etkileşime girdiğine bağlıdır., sürekli içinde uçuyor.
Ve tam da Higgs bozonu yüzünden, daha doğrusu onun alanı yüzünden, standart model bu kadar çok benzer parçacık grubuna sahip. Higgs alanı, nötrinolar gibi birçok ek parçacığın oluşmasını zorladı.

Sonuçlar

Standart modelin doğası ve Higgs Bozonuna neden ihtiyaç duyduğumuz konusunda en yüzeysel kavramları paylaştım. Bazı bilim insanları hâlâ içten içe 2012 yılında LHC'de bulunan Higgs benzeri parçacığın sadece istatistiksel bir hata olduğunu umuyor. Sonuçta Higgs alanı doğadaki birçok güzel simetriyi bozarak fizikçilerin hesaplamalarını daha kafa karıştırıcı hale getiriyor.
Hatta bazıları kusurlarından dolayı standart modelin son yıllarını yaşadığına inanıyor. Ancak bu deneysel olarak kanıtlanmadı ve temel parçacıkların standart modeli, insan düşüncesinin dehasının işleyen bir örneği olmaya devam ediyor.

Standart Model temel parçacıkların yapısı ve etkileşimleri üzerine deneysel olarak defalarca test edilen modern bir teoridir. Bu teori çok az sayıda varsayıma dayanmaktadır ve temel parçacıklar dünyasındaki binlerce farklı sürecin özelliklerini teorik olarak tahmin etmeyi mümkün kılmaktadır. Vakaların büyük çoğunluğunda, bu tahminler deneylerle, bazen son derece yüksek doğrulukla doğrulanır ve Standart Modelin tahminlerinin deneyden farklılaştığı nadir durumlar hararetli tartışmaların konusu haline gelir.

Standart Model, temel parçacıklar dünyasında güvenilir olarak bilinenleri varsayımsal olanlardan ayıran sınırdır. Deneyleri tanımlamadaki etkileyici başarısına rağmen Standart Model, temel parçacıkların kesin teorisi olarak kabul edilemez. Fizikçiler bundan emin mikro dünyanın yapısına ilişkin daha derin bir teorinin parçası olmalı. Bunun nasıl bir teori olduğu henüz kesin olarak bilinmiyor. Teorisyenler böyle bir teori için çok sayıda aday geliştirdiler, ancak bunlardan hangisinin Evrenimizdeki gerçek duruma karşılık geldiğini yalnızca deneyler gösterebilir. Bu nedenle fizikçiler ısrarla Standart Model'den herhangi bir sapmayı, Standart Model tarafından öngörülmeyen herhangi bir parçacığı, kuvveti veya etkiyi arıyorlar. Bilim insanları topluca tüm bu fenomenleri “Yeni Fizik” olarak adlandırıyor; Kesinlikle Yeni Fizik arayışı Büyük Hadron Çarpıştırıcısının ana görevidir.

Standart Modelin Temel Bileşenleri

Standart Modelin çalışma aracı, ışık hızına yakın hızlarda kuantum mekaniğinin yerini alan bir teori olan kuantum alan teorisidir. İçindeki anahtar nesneler klasik mekanikte olduğu gibi parçacıklar ya da kuantum mekaniğinde olduğu gibi "parçacık-dalgalar" değil, kuantum alanları: elektron, müon, elektromanyetik, kuark vb. - her tür “mikro dünyanın varlığı” için bir tane.

Hem boşluk hem de bireysel parçacıklar olarak algıladığımız şeyler ve tek tek parçacıklara indirgenemeyen daha karmaşık oluşumlar, bunların hepsi alanların farklı durumları olarak tanımlanır. Fizikçiler "parçacık" sözcüğünü kullandıklarında aslında tek tek nokta nesneleri değil, bu alan durumlarını kastediyorlar.

Standart model aşağıdaki ana bileşenleri içerir:

  • Maddenin bir dizi temel "yapı taşı" - altı tür lepton ve altı tür kuark. Bu parçacıkların tümü 1/2 spinli fermiyonlardır ve kendilerini üç nesil halinde çok doğal bir şekilde organize ederler. Güçlü kuvveti oluşturan parçacıklar olan çok sayıda hadron, farklı kombinasyonlardaki kuarklardan oluşur.
  • Üç tür kuvvet temel fermiyonlar arasında hareket eder - elektromanyetik, zayıf ve güçlü. Zayıf ve elektromanyetik etkileşimler tek bir etkileşimin iki yüzüdür. elektrozayıf etkileşim. Güçlü etkileşim tek başınadır ve kuarkları hadronlara bağlayan da budur.
  • Bütün bu kuvvetler temelde açıklanmıştır. gösterge prensibi- teoriye "zorla" dahil edilmezler, ancak teorinin belirli dönüşümlere göre simetri gereksiniminin bir sonucu olarak kendiliğinden ortaya çıkmış gibi görünürler. Belirli simetri türleri güçlü ve elektrozayıf etkileşimlere yol açar.
  • Teorinin kendisinin elektrozayıf simetriye sahip olmasına rağmen dünyamızda kendiliğinden bozuldu. Elektrozayıf simetrinin kendiliğinden kırılması teorinin gerekli bir unsurudur ve Standart Modelde ihlal Higgs mekanizması nedeniyle meydana gelir.
  • için sayısal değerler yaklaşık iki düzine sabit: bunlar temel fermiyonların kütleleri, güçlerini karakterize eden etkileşimlerin bağlanma sabitlerinin sayısal değerleri ve diğer bazı miktarlardır. Bunların hepsi deneyimle yapılan karşılaştırmalardan kesin olarak çıkarılmıştır ve artık daha sonraki hesaplamalarda düzeltilmemektedir.

Ek olarak, Standart Model yeniden normalleştirilebilir bir teoridir, yani tüm bu unsurlar, prensipte hesaplamaların gerekli doğruluk derecesi ile yapılmasına izin verecek şekilde kendi içinde tutarlı bir şekilde dahil edilir. Bununla birlikte, çoğu zaman istenen doğruluk derecesine sahip hesaplamalar son derece karmaşık hale gelir, ancak bu teorinin kendisiyle ilgili bir sorun değil, hesaplama yeteneklerimizle ilgili bir sorundur.

Standart Modelin yapabilecekleri ve yapamayacakları

Standart Model büyük ölçüde tanımlayıcı bir teoridir. “Neden” ile başlayan birçok soruya cevap vermiyor: Neden bu kadar çok parçacık var ve tam olarak bunlar? Bu belirli etkileşimler nereden geldi ve tam olarak bu özelliklerle mi geldi? Doğa neden üç nesil fermiyon yaratma ihtiyacı duydu? Parametrelerin sayısal değerleri neden tam olarak oldukları gibi? Ayrıca Standart Model doğada gözlemlenen bazı olayları açıklayamamaktadır. Özellikle nötrino kütlelerine ve karanlık madde parçacıklarına yer yoktur. Standart Model yerçekimini hesaba katmıyor ve yerçekimi son derece önemli hale geldiğinde Planck enerji ölçeğinde bu teoriye ne olacağı bilinmiyor.

Standart Modeli, temel parçacıkların çarpışmasının sonuçlarını tahmin etmek için amaçlanan amacı için kullanırsanız, belirli sürece bağlı olarak, hesaplamaların değişen doğruluk dereceleriyle gerçekleştirilmesine olanak tanır.

  • Elektromanyetik olaylar için (elektron saçılması, enerji seviyeleri), doğruluk milyonda bir parçaya veya hatta daha iyisine ulaşabilir. Buradaki rekor, elektronun milyarda birinden daha iyi bir doğrulukla hesaplanan anormal manyetik momentine aittir.
  • Elektrozayıf etkileşimler nedeniyle meydana gelen birçok yüksek enerjili süreç, yüzde birden daha iyi bir doğrulukla hesaplanır.
  • Hesaplanması en zor etkileşim, çok yüksek enerjilerde değildir. Bu tür süreçlerin hesaplanmasının doğruluğu büyük ölçüde değişir: bazı durumlarda yüzdelere ulaşabilir, diğer durumlarda farklı teorik yaklaşımlar birkaç kez farklı cevaplar verebilir.

Bazı süreçlerin gerekli doğrulukla hesaplanmasının zor olmasının “teorinin kötü olduğu” anlamına gelmediğini vurgulamakta fayda var. Ancak bu çok karmaşık ve mevcut matematiksel teknikler henüz tüm sonuçların izini sürmek için yeterli değil. Özellikle, ünlü matematiksel Milenyum Problemlerinden biri, kuantum teorisindeki Abelian olmayan ayar etkileşimleriyle sınırlandırılma problemiyle ilgilidir.

Ek literatür:

  • Higgs mekanizması hakkında temel bilgiler L. B. Okun'un “Temel Parçacıkların Fiziği” (kelimeler ve resimler düzeyinde) ve “Leptonlar ve Kuarklar” (ciddi ama erişilebilir düzeyde) kitabında bulunabilir.

Joaquim Mathias liderliğindeki bir bilim insanları ekibinin yakın zamanda yaptığı bir keşif, ilk kez modern parçacık fiziğinin temelini, yani Standart Model'i ciddi biçimde sarstı. Araştırmacılar, bu modelin hesaba katmadığı B-mezon parçacığının bozunumunun standart olmayan bir varyantını tahmin edebildiler. Üstelik tahminleri neredeyse anında deneysel olarak doğrulandı.

Son zamanlarda temel parçacıkların incelenmesiyle ilgilenen fizikçilerin, bu disiplinin zaten tanıdık Standart Model çerçevesinde çok sıkışık hale geldiğini giderek daha fazla söylediğini belirtmek gerekir. Aslında kendi çerçevesinde açıklanması zor olan pek çok olgu zaten kaydedilmiştir. Örneğin, bu model hangi parçacıkların karanlık maddeyi oluşturabileceğini tahmin edemiyor ve aynı zamanda bilim adamlarının uzun süredir kafasını kurcalayan bir soruya da cevap vermiyor: Evrenimizde neden antimaddeden daha fazla madde var (baryonik asimetri). Ve kısa bir süre önce hakkında yazdığımız, çekirdeklerin soğuk dönüşüm sürecinin ersiyon yorumu da o Standart Modelin "eyleminin" ötesine geçiyor.

Yine de çoğu fizikçi, temel parçacıkların gizemli yaşamını açıklamak için hâlâ bu özel yönteme bağlı kalıyor. Bunun nedeni kısmen hiç kimsenin henüz daha iyi bir şey yaratmamış olması, kısmen de Standart Model'in tahminlerinin çoğunun hala deneysel olarak doğrulanmış olmasıdır (bu, alternatif hipotezler hakkında söylenemez). Üstelik yakın zamana kadar yapılan deneylerde bu modelden ciddi sapmalar bulmak mümkün değildi. Ancak görünen o ki bu çok uzun zaman önce gerçekleşmedi. Bu, tamamen yeni bir parçacık fiziği teorisinin doğuşu anlamına gelebilir; buna göre mevcut Standart Model özel bir durum gibi görünecektir - tıpkı Newton'un evrensel çekim teorisinin genel görelilik çerçevesinde özel bir çekim durumu gibi görünmesi gibi.

Her şey, Joaquim Mathias liderliğindeki uluslararası bir fizikçi grubunun, B-mezon bozunması olasılığındaki hangi sapmaların Standart Modelden farklılaşabileceği ve yeni fiziğe işaret edebileceği konusunda çeşitli tahminlerde bulunmasıyla başladı. B-mezonun, b-kuark ve d-antikuarktan oluşan bir parçacık olduğunu hatırlatmama izin verin. Standart Model'e göre bu parçacık, bir müon (negatif yüklü bir parçacık, aslında çok ağır bir elektron) ve bir antimüona bozunabilir, ancak böyle bir olayın olasılığı çok yüksek değildir. Ancak geçen yıl Kyoto'daki bir konferansta Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda çalışan fizikçiler, böyle bir bozulmanın izlerini (ve teorik olarak tahmin edilen olasılıkla) tespit edebildiklerini bildirdiler.

Mathias'ın grubu, bu mezonun biraz farklı bir şekilde bozunması gerektiğine inanıyordu: bir çift müona ve henüz bilinmeyen bir K* parçacığına, bu parçacık da neredeyse anında bir kaon ve bir pion'a (iki hafif mezon) bozunuyor. Bilim adamlarının araştırmalarının sonuçlarını 19 Temmuz'da Avrupa Fizik Derneği'nin bir toplantısında rapor etmeleri ve bu etkinlikte konuşanların bir sonraki konuşmacısının (LHCb işbirliğinden Büyük Hadron'dan fizikçi Nicolas Serra olması) dikkat çekicidir. Collider), grubunun bu tür bozulmaların izlerini kaydetmeyi başardığını bildirdi. Üstelik Serra'nın grubunun deneysel sonuçları, Dr. Mathias ve ortak yazarlarının raporunda öngörülen sapmalarla neredeyse tamamen örtüşüyordu!

İlginç bir şekilde, fizikçiler bu sonuçları 4,5σ istatistiksel anlamlılıkla tahmin ediyorlar, bu da açıklanan olayın güvenilirliğinin çok çok yüksek olduğu anlamına geliyor. Üç σ'nun deneysel kanıtlarının önemli öneme sahip sonuçlar olarak kabul edildiğini ve beş σ'nun tamamen başarılı bir keşif olarak kabul edildiğini hatırlatmama izin verin - bu, nihayet izlerini keşfeden geçen yılki deneylerin sonuçlarına atanan güvenilirlik değeridir. Higgs bozonunun varlığı.

Ancak Dr. Matthias, henüz aceleyle sonuca varmaya gerek olmadığına inanıyor. "Bu sonuçları doğrulamak için yeni ölçümlerin yanı sıra ek teorik çalışmalara da ihtiyaç duyulacak. Ancak, eğer sonuçlarımız gerçekten doğruysa, yeni fiziğin varlığının ilk doğrudan doğrulanmasıyla karşı karşıya kalacağız; bu teori, eski teoriden daha genel bir teori. Genel olarak kabul edilen Standart Model. Eğer Higgs bozonu sonunda Standart Model bulmacasını bir araya getirmeyi mümkün kıldıysa, o zaman bu sonuçlar yeni bir bulmacanın ilk parçası olabilir, çok daha büyük" diyor bilim insanı.

Günümüzde Standart Model, tüm temel parçacıkların elektromanyetik, zayıf ve güçlü etkileşimlerini açıklayan parçacık fiziğinin en önemli teorik yapılarından biridir. Bu teorinin ana hükümleri ve bileşenleri, Rusya Bilimler Akademisi'nin ilgili üyesi olan fizikçi Mikhail Danilov tarafından açıklanmaktadır.

1

Artık deneysel verilere dayanarak, gözlemlediğimiz hemen hemen tüm olayları açıklayan çok mükemmel bir teori oluşturuldu. Bu teoriye mütevazı bir şekilde "Temel Parçacıkların Standart Modeli" adı verilir. Üç nesil fermiyon vardır: kuarklar ve leptonlar. Bu tabiri caizse yapı malzemesidir. Çevremizde gördüğümüz her şey ilk nesilden itibaren inşa edilmiştir. U- ve d-kuarkları, bir elektronu ve bir elektron nötrinosunu içerir. Protonlar ve nötronlar üç kuarktan oluşur: sırasıyla uud ve udd. Ancak, bir dereceye kadar ilkini tekrarlayan, ancak daha ağır olan ve sonuçta ilk neslin parçacıklarına bozunan iki nesil kuark ve lepton daha var. Tüm parçacıkların zıt yüklere sahip antiparçacıkları vardır.

2

Standart model üç etkileşim içerir. Elektromanyetik kuvvet, elektronları bir atomun içinde, atomları da moleküllerin içinde tutar. Elektromanyetik etkileşimin taşıyıcısı fotondur. Güçlü etkileşim, protonları ve nötronları atom çekirdeğinin içinde tutar ve kuarkları protonların, nötronların ve diğer hadronların içinde tutar (L. B. Okun'un güçlü etkileşime katılan parçacıkları adlandırmayı önerdiği gibi). Güçlü etkileşim, onlardan oluşturulan kuarkları ve hadronları ve ayrıca etkileşimin taşıyıcılarını - gluonları (İngiliz yapıştırıcısından - yapıştırıcıdan) içerir. Hadronlar ya bir proton ve bir nötron gibi üç kuarktan ya da u- ve anti-d-kuarklardan oluşan bir π± mezon gibi bir kuark ve bir antikuarktan oluşur. Zayıf etkileşim, bir nötronun bir protona, bir elektrona ve bir elektron antinötrinosuna bozunması gibi nadir bozunmalara yol açar. Zayıf etkileşimin taşıyıcıları W ve Z bozonlarıdır. Hem kuarklar hem de leptonlar zayıf etkileşimde yer alır, ancak bizim enerjilerimizde bu çok küçüktür. Ancak bu, protonlardan iki kat daha ağır olan W ve Z bozonlarının büyük kütlesiyle basitçe açıklanabilir. W ve Z bozonlarının kütlesinden daha büyük enerjilerde, elektromanyetik ve zayıf etkileşimlerin kuvvetleri karşılaştırılabilir hale gelir ve bunlar tek bir elektrozayıf etkileşim halinde birleşir. Çok fazla b olduğu varsayılmaktadır. Ö daha yüksek enerjiler ve güçlü etkileşim geri kalanlarla birleşecek. Elektrozayıf ve güçlü etkileşimlerin yanı sıra Standart Modelde yer almayan yerçekimsel etkileşim de bulunmaktadır.

W, Z bozonları

g - gluonlar

H0 Higgs bozonudur.

3

Standart Model yalnızca kütlesiz temel parçacıklar, yani kuarklar, leptonlar, W ve Z bozonları için formüle edilebilir. Kütle kazanmaları için genellikle bu mekanizmayı öneren bilim adamlarından birinin adını taşıyan Higgs alanı tanıtılır. Bu durumda Standart Modelde başka bir temel parçacığın daha olması gerekir: Higgs bozonu. Standart Modelin ince binasındaki bu son tuğlanın aranması, dünyanın en büyük çarpıştırıcısı olan Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda (LHC) aktif olarak sürüyor. Yaklaşık 133 proton kütlesine sahip Higgs bozonunun varlığına dair belirtiler zaten alınmış durumda. Ancak bu endikasyonların istatistiksel güvenilirliği halen yetersizdir. 2012 yılı sonunda durumun daha da netleşmesi bekleniyor.

4

Standart Model, temel parçacıkların fiziğindeki hemen hemen tüm deneyleri mükemmel bir şekilde tanımlamaktadır, ancak Standart Model çerçevesinin ötesindeki fenomenlerin araştırılması ısrarla yürütülmektedir. SM'nin ötesindeki fizikteki en son ipucu, 2011 yılında LHC'deki LHCb deneyinde büyülenmiş mezonlar ve bunların antipartiküllerinin özelliklerinde beklenmedik derecede büyük bir farklılığın keşfedilmesiydi. Ancak görünen o ki bu kadar büyük bir fark bile SM çerçevesinde açıklanabiliyor. Öte yandan, 2011 yılında, egzotik hadronların varlığını öngören, onlarca yıldır aranan SM'nin bir başka doğrulaması daha elde edildi. Uluslararası BELLE deneyinin bir parçası olarak Teorik ve Deneysel Fizik Enstitüsü (Moskova) ve Nükleer Fizik Enstitüsü'nden (Novosibirsk) fizikçiler, iki kuark ve iki antikuarktan oluşan hadronları keşfettiler. Büyük olasılıkla bunlar, ITEP teorisyenleri M. B. Voloshin ve L. B. Okun tarafından tahmin edilen mezonlardan oluşan moleküllerdir.

5

Standart Modelin tüm başarılarına rağmen birçok eksikliği bulunmaktadır. Teorinin serbest parametrelerinin sayısı 20'yi aşıyor ve hiyerarşilerinin nereden geldiği tamamen belirsiz. T-kuarkın kütlesi neden u-kuarkın kütlesinden 100 bin kat daha büyük? İlk kez ITEP fizikçilerinin aktif katılımıyla gerçekleştirilen uluslararası ARGUS deneyinde ölçülen t- ve d-kuarkların bağlanma sabiti neden c- ve d-kuarkların bağlanma sabitinden 40 kat daha azdır? SM bu sorulara cevap vermiyor. Son olarak neden 3 kuşak kuark ve leptona ihtiyaç var? Japon teorisyenler M. Kobayashi ve T. Maskawa, 1973 yılında kuarkların 3 kuşak varlığının, madde ve antimadde özelliklerindeki farklılığı açıklamayı mümkün kıldığını gösterdiler. M. Kobayashi ve T. Maskawa'nın hipotezi, BINP ve ITEP'ten fizikçilerin aktif katılımıyla yapılan BELLE ve BaBar deneylerinde doğrulandı. 2008 yılında M. Kobayashi ve T. Maskawa, teorileri nedeniyle Nobel Ödülü'ne layık görüldü.

6

Standart Model'in daha temel sorunları da var. SM'nin tamamlanmadığını zaten biliyoruz. SM'de olmayan bir maddenin olduğu astrofizik araştırmalarından bilinmektedir. Bu sözde karanlık maddedir. Yaptığımız sıradan maddeden yaklaşık 5 kat daha fazladır. Belki de Standart Modelin ana dezavantajı kendi içinde tutarlılığın olmayışıdır. Örneğin, Standart Model'de sanal parçacıkların değişimi nedeniyle ortaya çıkan Higgs bozonunun doğal kütlesi, gözlemlenen olguyu açıklamak için gerekli olan kütleden kat kat daha büyüktür. Şu anda en popüler olan çözümlerden biri süpersimetri hipotezidir; fermiyonlar ve bozonlar arasında simetri olduğu varsayımıdır. Bu fikir ilk olarak 1971'de Lebedev Fizik Enstitüsü'nde Yu. A. Golfand ve E. P. Likhtman tarafından dile getirildi ve şimdi son derece popüler.

7

Süpersimetrik parçacıkların varlığı yalnızca SM'nin davranışını stabilize etmeyi mümkün kılmakla kalmaz, aynı zamanda en hafif süpersimetrik parçacık olan karanlık maddenin rolü için çok doğal bir aday sağlar. Bu teori şu anda güvenilir bir deneysel kanıt olmamasına rağmen o kadar güzel ve Standart Modelin sorunlarını o kadar zarif bir şekilde çözüyor ki, birçok insan ona inanıyor. LHC aktif olarak süpersimetrik parçacıklar ve SM'ye alternatifler arıyor. Örneğin, uzayın ek boyutlarını arıyorlar. Varsa, birçok sorun çözülebilir. Belki de yer çekimi nispeten büyük mesafelerde güçleniyor ki bu da büyük bir sürpriz olabilir. Temel parçacıklarda kütlenin ortaya çıkması için başka alternatif Higgs modelleri ve mekanizmaları da mümkündür. Standart Modelin ötesindeki etkilerin araştırılması oldukça aktiftir ancak şu ana kadar başarısız olmuştur. Önümüzdeki yıllarda pek çok şey daha net hale gelecektir.

Fizikte temel parçacıklar, atom çekirdeği ölçeğinde, bileşen parçalarına bölünemeyen fiziksel nesnelerdi. Ancak bugün bilim insanları bunlardan bazılarını ayırmayı başardı. Bu küçük nesnelerin yapısı ve özellikleri parçacık fiziği tarafından incelenmektedir.

Tüm maddeyi oluşturan en küçük parçacıklar eski çağlardan beri bilinmektedir. Ancak sözde "atomculuğun" kurucularının Antik Yunan filozofu Leukippos ve onun daha ünlü öğrencisi Demokritos olduğu düşünülüyor. İkincisinin “atom” terimini icat ettiği varsayılmaktadır. Eski Yunancadan “atomos”, eski filozofların görüşlerini belirleyen “bölünmez” olarak tercüme edilmiştir.

Daha sonra atomun hala iki fiziksel nesneye (çekirdek ve elektron) bölünebileceği anlaşıldı. İkincisi daha sonra ilk temel parçacık oldu; 1897'de İngiliz Joseph Thomson katot ışınlarıyla bir deney yaptı ve bunların aynı kütle ve yüke sahip özdeş parçacıklardan oluşan bir akış olduğunu keşfetti.

Thomson'ın çalışmalarına paralel olarak, x-ışınları üzerinde çalışan Henri Becquerel, uranyumla deneyler yapıyor ve yeni bir radyasyon türü keşfediyor. 1898'de Fransız fizikçi Marie ve Pierre Curie, çeşitli radyoaktif maddeleri inceleyerek aynı radyoaktif radyasyonu keşfettiler. Daha sonra alfa parçacıkları (2 proton ve 2 nötron) ve beta parçacıklarından (elektronlar) oluştuğu anlaşılacak ve Becquerel ile Curie Nobel Ödülü'nü alacaklardı. Marie Sklodowska-Curie, uranyum, radyum ve polonyum gibi elementlerle araştırmasını yaparken eldiven kullanmamak dahil hiçbir güvenlik önlemi almamıştı. Sonuç olarak, 1934'te lösemiye yakalandı. Büyük bilim adamının başarılarının anısına, Curie çifti tarafından keşfedilen polonyum elementine, Mary'nin anavatanı olan Latince - Polonya'dan Polonia adı verildi.

Fotoğraf 1927 V Solvay Kongresi'nden. Bu makaledeki tüm bilim adamlarını bu fotoğrafta bulmaya çalışın.

Albert Einstein, 1905'ten bu yana yayınlarını, varsayımları deney sonuçlarıyla çelişen ışığın dalga teorisinin kusurlarına adadı. Bu da daha sonra seçkin fizikçiyi ışığın bir kısmı olan “ışık kuantumu” fikrine yönlendirdi. Daha sonra 1926'da Amerikalı fiziksel kimyager Gilbert N. Lewis tarafından Yunanca "phos" ("ışık") kelimesinden tercüme edilerek "foton" adı verildi.

1913 yılında İngiliz fizikçi Ernest Rutherford, o dönemde yapılan deneylerin sonuçlarına dayanarak, birçok kimyasal elementin çekirdek kütlelerinin, hidrojen çekirdeği kütlesinin katları olduğunu kaydetti. Bu nedenle hidrojen çekirdeğinin diğer elementlerin çekirdeklerinin bir bileşeni olduğunu varsaydı. Rutherford deneyinde bir nitrojen atomunu alfa parçacıklarıyla ışınladı ve bunun sonucunda Ernest'in diğer Yunan "protoslarından" (birinci, ana) "proton" olarak adlandırdığı belirli bir parçacık yaydı. Daha sonra protonun bir hidrojen çekirdeği olduğu deneysel olarak doğrulandı.

Açıkçası proton, kimyasal elementlerin çekirdeklerinin tek bileşeni değildir. Bu düşünce, çekirdekteki iki protonun birbirini itmesi ve atomun anında parçalanması gerçeğinden kaynaklanmaktadır. Bu nedenle Rutherford, kütlesi protonun kütlesine eşit olan ancak yüksüz olan başka bir parçacığın varlığını varsaydı. Bilim adamlarının radyoaktif ve daha hafif elementlerin etkileşimi üzerine yaptığı bazı deneyler, onları başka bir yeni radyasyonun keşfedilmesine yol açtı. 1932'de James Chadwick, bunun nötron adını verdiği çok nötr parçacıklardan oluştuğunu belirledi.

Böylece en ünlü parçacıklar keşfedildi: foton, elektron, proton ve nötron.

Dahası, yeni nükleer altı nesnelerin keşfi giderek daha sık görülen bir olay haline geldi ve şu anda genellikle "temel" olarak kabul edilen yaklaşık 350 parçacık biliniyor. Henüz bölünmemiş olanlar yapısız kabul edilir ve "temel" olarak adlandırılır.

Döndürme nedir?

Fizik alanında daha fazla yeniliklere geçmeden önce tüm parçacıkların özelliklerinin belirlenmesi gerekmektedir. Kütle ve elektrik yükünün yanı sıra en bilineni spini de içerir. Bu miktara aksi takdirde "içsel açısal momentum" adı verilir ve hiçbir şekilde nükleer altı nesnenin bir bütün olarak hareketiyle ilişkili değildir. Bilim insanları spini 0, ½, 1, 3/2 ve 2 olan parçacıkları tespit edebildiler. Basitleştirilmiş de olsa spini bir nesnenin özelliği olarak görselleştirmek için aşağıdaki örneği göz önünde bulundurun.

Bir nesnenin dönüşünün 1'e eşit olduğunu varsayalım. Daha sonra böyle bir nesne 360 ​​derece döndürüldüğünde orijinal konumuna geri dönecektir. Düzlemde bu nesne, 360 derecelik bir dönüşten sonra orijinal konumuna gelecek olan bir kalem olabilir. Sıfır dönüş durumunda, nesne nasıl dönerse dönsün, her zaman aynı görünecektir, örneğin tek renkli bir top.

½ dönüş için, 180 derece döndürüldüğünde görünümünü koruyan bir nesneye ihtiyacınız olacaktır. Aynı kalem olabilir, ancak her iki tarafı da simetrik olarak keskinleştirilmiştir. 2'lik bir dönüş, 720 derece döndürüldüğünde şeklin korunmasını gerektirir ve 3/2'lik bir dönüş, 540 derecelik bir dönüş gerektirir.

Bu özellik parçacık fiziği açısından çok önemlidir.

Parçacıkların ve Etkileşimlerin Standart Modeli

Çevremizdeki dünyayı oluşturan etkileyici bir dizi mikro nesneye sahip olan bilim adamları, bunları yapılandırmaya karar verdiler ve "Standart Model" adı verilen iyi bilinen teorik yapı bu şekilde oluştu. Bazıları keşiften çok önce tahmin ettiği 17 temel parçayı kullanarak üç etkileşimi ve 61 parçacığı tanımlıyor.

Üç etkileşim şunlardır:

  • Elektromanyetik. Elektrik yüklü parçacıklar arasında meydana gelir. Okuldan bilinen basit bir durumda, zıt yüklü nesneler birbirini çeker, benzer yüklü nesneler ise iter. Bu, elektromanyetik etkileşimin taşıyıcısı olarak adlandırılan foton aracılığıyla gerçekleşir.
  • Aksi takdirde güçlü - nükleer etkileşim. Adından da anlaşılacağı gibi, eylemi atom çekirdeği düzeyindeki nesnelere kadar uzanır; protonların, nötronların ve yine kuarklardan oluşan diğer parçacıkların çekilmesinden sorumludur. Güçlü etkileşim gluonlar tarafından taşınır.
  • Zayıf. Çekirdeğin boyutundan bin kat daha küçük mesafelerde etkilidir. Bu etkileşimde leptonlar, kuarklar ve onların antiparçacıkları da yer alır. Üstelik zayıf etkileşim durumunda birbirlerine dönüşebilirler. Taşıyıcılar W+, W− ve Z0 bozonlarıdır.

Böylece Standart Model şu şekilde oluşturulmuştur. Tüm hadronların (güçlü etkileşime maruz kalan parçacıklar) oluştuğu altı kuark içerir:

  • Üst(u);
  • Büyülü (c);
  • doğru(t);
  • Alt (d);
  • Garip(ler);
  • Çok güzel (b).

Fizikçilerin pek çok lakapları olduğu açıktır. Diğer 6 parçacık ise leptondur. Bunlar, güçlü etkileşime katılmayan ½ spinli temel parçacıklardır.

  • Elektron;
  • Elektron nötrinosu;
  • Müon;
  • Müon nötrinosu;
  • Tau lepton;
  • Tau nötrinosu.

Standart Modelin üçüncü grubu ise spini 1'e eşit olan ve etkileşimlerin taşıyıcıları olarak temsil edilen ayar bozonlarıdır:

  • Gluon - güçlü;
  • Foton - elektromanyetik;
  • Z-bozon - zayıf;
  • W bozonu zayıftır.

Bunlar aynı zamanda yakın zamanda keşfedilen spin-0 parçacığını da içeriyor; bu parçacık, basitçe söylemek gerekirse, diğer tüm nükleer altı nesnelere eylemsiz kütle kazandırır.

Sonuç olarak Standart Model'e göre dünyamız şöyle görünüyor: Tüm maddeler hadronları oluşturan 6 kuark ve 6 leptondan oluşuyor; tüm bu parçacıklar, taşıyıcıları ayar bozonları olan üç etkileşime katılabilir.

Standart Modelin Dezavantajları

Ancak Standart Model'in öngördüğü son parçacık olan Higgs bozonunun keşfinden önce bile bilim insanları bu sınırın ötesine geçmişlerdi. Bunun çarpıcı bir örneği sözdedir. Bugün diğerleriyle aynı seviyede olan “yerçekimi etkileşimi”. Muhtemelen taşıyıcısı, kütlesi olmayan ve fizikçilerin henüz tespit edemediği 2 spinli bir parçacıktır - "graviton".

Üstelik Standart Model 61 parçacığı tanımlıyor ve bugün 350'den fazla parçacık zaten insanlık tarafından biliniyor. Bu, teorik fizikçilerin çalışmalarının bitmediği anlamına geliyor.

Parçacık sınıflandırması

Fizikçiler hayatlarını kolaylaştırmak için tüm parçacıkları yapısal özelliklerine ve diğer özelliklerine göre gruplandırmışlardır. Sınıflandırma aşağıdaki kriterlere dayanmaktadır:

  • Ömür.
    1. Stabil. Bunlara proton ve antiproton, elektron ve pozitron, foton ve graviton dahildir. Kararlı parçacıkların varlığı, serbest durumda oldukları sürece zamanla sınırlı değildir; hiçbir şeyle etkileşime girmeyin.
    2. Dengesiz. Diğer tüm parçacıklar bir süre sonra kendilerini oluşturan parçalara ayrışırlar, bu yüzden onlara kararsız denir. Örneğin, bir müon yalnızca 2,2 mikrosaniye ve bir proton - 2,9,10 * 29 yıl yaşar ve ardından bir pozitron ve nötr bir pion'a bozunabilir.
  • Ağırlık.
    1. Kütlesiz temel parçacıklardan yalnızca üçü vardır: foton, gluon ve graviton.
    2. Geriye kalanlar ise büyük parçacıklardır.
  • Döndürme değeri.
    1. Tüm dönüş dahil. sıfır, bozon adı verilen parçacıklara sahiptir.
    2. Yarım tamsayı spinli parçacıklar fermiyonlardır.
  • Etkileşimlere katılım.
    1. Hadronlar (yapısal parçacıklar), dört tür etkileşimin hepsinde yer alan nükleer altı nesnelerdir. Kuarklardan oluştuklarını daha önce belirtmiştik. Hadronlar iki alt türe ayrılır: mezonlar (tamsayı spin, bozonlar) ve baryonlar (yarım tamsayı spin, fermiyonlar).
    2. Temel (yapısız parçacıklar). Bunlara leptonlar, kuarklar ve ayar bozonları dahildir (daha önce okuyun - “Standart Model..”).

Tüm parçacıkların sınıflandırılmasına aşina olduğunuzda, örneğin bazılarını doğru bir şekilde tanımlayabilirsiniz. Yani nötron bir fermiyondur, bir hadrondur, daha doğrusu bir baryondur ve bir nükleon yani yarım tamsayılı bir spini vardır, kuarklardan oluşur ve 4 etkileşime katılır. Nükleon, proton ve nötronların ortak adıdır.

  • Atomların varlığını öngören Demokritos'un atomculuğuna karşı çıkanların, dünyadaki her maddenin süresiz olarak bölündüğünü belirtmeleri ilginçtir. Bilim insanları atomu çekirdeğe ve elektrona, çekirdeği proton ve nötrona ve bunları da kuarklara bölmeyi zaten başardıkları için, bunların bir dereceye kadar doğru olduğu ortaya çıkabilir.
  • Demokritos, atomların net bir geometrik şekle sahip olduğunu ve bu nedenle ateşin "keskin" atomlarının yandığını, katıların kaba atomlarının çıkıntıları tarafından sıkı bir şekilde bir arada tutulduğunu ve suyun pürüzsüz atomlarının etkileşim sırasında kaydığını, aksi takdirde aktıklarını varsaydı.
  • Joseph Thomson, elektronların "sıkışmış" gibi göründüğü pozitif yüklü bir cisim olarak gördüğü atomun kendi modelini derledi. Modeline “Erikli puding modeli” adı verildi.
  • Kuarklar adını Amerikalı fizikçi Murray Gell-Mann sayesinde aldı. Bilim adamı ördek vakvak sesine benzer bir kelime (kwork) kullanmak istedi. Ancak James Joyce'un Finnegans Wake adlı romanında “Three quarks for Mr. Mark!” dizesinde anlamı tam olarak belirlenemeyen “kuark” kelimesiyle karşılaşmıştır ve Joyce'un bunu sadece kafiye için kullanmış olması muhtemeldir. Murray, o zamanlar yalnızca üç kuark bilindiği için parçacıklara bu kelimeyi adlandırmaya karar verdi.
  • Işık parçacıkları olan fotonlar kütlesiz olmalarına rağmen, bir kara deliğin yakınında, kütleçekim kuvvetleri tarafından kendilerine çekildikçe yörüngelerini değiştiriyor gibi görünüyorlar. Aslında süper kütleli bir cisim uzay-zamanı büker, bu nedenle kütlesi olmayanlar da dahil olmak üzere herhangi bir parçacık kara deliğe doğru yörüngesini değiştirir (bkz.).
  • Büyük Hadron Çarpıştırıcısı tam olarak "hadronik"tir çünkü iki yönlü hadron ışınını, yani tüm etkileşimlere katılan atom çekirdeği düzeyinde boyutlara sahip parçacıkları çarpıştırır.