Еще в начале прошлого века люди были уверены в том что протоны и нейтроны являются неделимыми, но эксперименты по их взаимодействию, при движении с большими скоростями в ускорителях показали что это не так. Мари Гелл-Манн назвал частицы из которых состоят протоны и нейтроны кварками. За их исследование Гелл-Манн в 1969 году был удостоен Нобелевской премии.
Можно сказать, что именно открытие кварков и желание создать единую теорию, описывающую все в нашей вселенной, подтолкнуло человечество к созданию стандартной модели.
Что такое стандартная модель?
Вообщем, речь идет о физике элементарных частиц. Что такое стандартная модель? - это теория в физике элементарных частиц, которая описывает все известные фундаментальные взаимодействия (кроме гравитационного) и классифицирует все известные элементарные частицы. Над ее созданием работало множество ученых на протяжении второй половины XX века.
Говоря проще, это попытка описать нашу вселенную вещество и как оно взаимодействует, как все устроено с помощью элементарных частиц.
Формулировка стандартной модели в том виде, в котором она сейчас существует была доработана в середине 1970-х годов после того, как были получены экспериментальные подтверждения существования кварков.
Как видно из рисунка выше, стандартная модель представляет собой классификацию элементарных частиц, которые отвечают за строение материи и ее взаимодействие между собой. Давайте кратко рассмотрим ее основные элементы. Более подробно о каждом из них, возможно, мы поговорим в последующих статьях.
Основные элементы Стандартной модели
Мне нравится сравнивать стандартную модель с таблицей Менделеева. Кажется, это как то же самое, только для физики. В ней описаны те самые "кирпичики" из которых строится наша вселенная, в том числе и все химические элементы.
Как вы уже могли заметить, стандартная модель включает в себя следующие элементарные частицы: кварки, лептоны и бозоны.
Стоит оговориться, что в физике элементарных частиц существует такая характеристика как спин.
Спин - это квантовомеханическое свойство частиц, которое можно представить себе как вращение вокруг своей оси.
По спину, все частицы элементарные частицы делятся на фермионы и бозоны. Фермионы обладают полуцелым спином. Все вещества состоят из фермионов. Атомы и молекулы формируются из комбинаций фермионов. К ним относятся кварки и лептоны.
Кварки
Кварки составляют протоны и нейтроны. Известно шесть "ароматов" (или если так будет проще - типов) кварков: верхний (u), нижний (d), странный (s), очарованный (c), истинный (t), и прелестный (b). Кварк каждого "аромата" в свою очередь может быть еще и трех "цветов" - красного, зеленого и синего.
"Цвета" и "ароматы" в данном контексте имеют не привычное нам значение. Так физики назвали характеристики кварков.
Лептоны
Лептоны включают в себя электрон (e), мюон (μ), тау-лептон (τ) и соответствующие нейтрино (νe, νμ, ντ).
Бозоны
Бозоны - это частицы переносчики фундаментальных взаимодействий. Бозоны представляют собой частицы с целым спином.
К ним относятся фотон (γ) для электромагнитного взаимодействия, W и Z бозоны для слабого взаимодействия, глюоны (g) для сильного взаимодействия и обнаруженный в 2013 году бозон Хиггса (H).
Думаю самое время поговорить о фундаментальных взаимодействиях.
Фундаментальные взаимодействия
Выше мы разобрались с частицами из которых строится материя. А вот за то, как материя взаимодействует между собой и как создаются более сложные структуры отвечают фундаментальные взаимодействия. У каждого взаимодействия существует своя частица переносчик - бозон.
Всего выделяют 4 фундаментальных взаимодействия - электромагнитное, сильное, слабое и гравитационное. Сегодня говорят еще о пятном фундаментальном взаимодействии, которое бы ответило на вопросы о темной материи и темной энергии. Но оно остается на уровне гипотез.
Электромагнитное взаимодействие описывается квантовой электродинамикой (КЭД) и передается фотонами. Как понятно из названия, оно отвечает за то, что мы видим глазами свет и цвета, ток в наших проводах, то почему работает микроволновка, и то почему электроны удерживаются в атомах.
Слабое взаимодействие ответственно за радиоактивный распад и другие формы ядерных реакций. Его переносчиком являются W и Z бозоны.
Сильное взаимодействие объясняет почему существуют атомные ядра. До 1971 года физики толком не понимали, как атомные ядра держатся вместе. Им было известно, что ядра состоят из протонов и нейтронов: протоны имеют положительный заряд, а нейтроны — нейтральные. По тогдашним законам физики, положительно заряженные протоны должны были бы отталкиваться и разлетаться в разные стороны. Но этого не происходит. Почему? Для ответа на этот вопрос понадобилась новая физика. Так появилась квантовая хромодинамика - теория, описывающая взаимодействие кварков. Кварки имеют различный "цветовой заряд", который и позволяет им удерживаться вместе. Тот же механизм взаимодействия применим и для объяснения удержания вместе протонов и нейтронов в ядре.
Частица которая является переносчиком сильного взаимодействия - глюон.
Бозон Хиггса
Поле Хиггса объясняет, почему частицы, отвечающие за слабое взаимодействие (W- и Z-бозоны), имеют массу, а частицы, отвечающие за сильное и электромагнитное взаимодействие (глюоны и фотоны), массы не имеют. Бозон Хиггса, который передает это поле, является скалярной частицей с нулевым спином.
А бозон Хиггса является элементарной частицей поля Хиггса.
А где гравитация? и другие проблемы
Стандартная модель успешно предсказывает результаты множества экспериментов и проверок, но также имеет свои ограничения. Она не включает гравитацию, которую описывает общая теория относительности, и не объясняет природу тёмной материи и тёмной энергии. Хотя как вы могли видеть на картинке выше, гравитацию пытаются включить в стандартную модель. Частицей переносчиком у нее должен быть гравитон. Но проверенной твердой теории, описывающей гравитацию в рамках стандартной модели сегодня нет. Все это остается в рамках гипотез.
Из-за этого учёные продолжают искать теории, которые могут объединить все известные силы природы, такие как теория струн или петлевая квантовая гравитация.
Помимо этого, стандартная модель не дает ответа на вопросы о природе темной материи и темной энергии. Модель несовместима с формирующейся моделью лямбда-CDM космологии.
Некоторые физики считают ее специальной и неэлегантной, требующей 19 числовых констант, значения которых не связаны и произвольны.
Хотя как я говорил уже выше, попытки доработать стандартную модель предпринимаются.