طرق التطوير

أمثلة على الأنظمة الفيزيائية التي تمثلها نماذج الجسيمات. النموذج القياسي للتفاعلات الأساسية. عمليات الإغلاق والفتحات

أدى اكتشاف حديث قام به فريق من العلماء بقيادة يواكيم ماتياس لأول مرة إلى زعزعة أسس فيزياء الجسيمات الحديثة ، وبالتحديد النموذج القياسي. تمكن الباحثون من التنبؤ بمتغير غير قياسي لانحلال جسيم B-meson ، والذي لا يأخذ في الاعتبار هذا النموذج. علاوة على ذلك ، تم تأكيد تخميناتهم على الفور تقريبًا تجريبيًا.

تجدر الإشارة إلى أنه في السنوات الأخيرة ، يقول الفيزيائيون المشاركون في دراسة الجسيمات الأولية بشكل متزايد أن هذا الانضباط أصبح بالفعل صغيرًا جدًا في إطار النموذج القياسي المألوف للجميع. في الواقع ، لقد تم بالفعل تسجيل العديد من الظواهر التي يصعب تفسيرها في إطارها. على سبيل المثال ، لا يمكن لهذا النموذج التنبؤ بالجسيمات التي يمكن أن تشكل المادة المظلمة ، كما أنه لا يجيب على السؤال الذي كان يعذب العلماء لفترة طويلة - لماذا يوجد مادة في كوننا أكثر من المادة المضادة (عدم تناسق الباريون). كما أن التفسير الأيرزيوني لعملية التحويل البارد للنواة ، والذي كتبنا عنه منذ وقت ليس ببعيد ، يتجاوز أيضًا "فعل" نفس النموذج القياسي.

ومع ذلك ، لا يزال معظم الفيزيائيين متمسكين بهذه الطريقة الخاصة لشرح الحياة الغامضة للجسيمات الأولية. يرجع ذلك جزئيًا إلى حقيقة أنه حتى الآن لم يبتكر أحد أي شيء أفضل ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن معظم تنبؤات النموذج القياسي لا تزال تحتوي على تأكيد تجريبي (وهو ما لا يمكن قوله عن الفرضيات البديلة). علاوة على ذلك ، حتى وقت قريب ، لم يتم العثور على انحرافات خطيرة عن هذا النموذج في التجارب. ومع ذلك ، لا يبدو أن هذا حدث منذ فترة طويلة. قد يعني هذا ولادة نظرية جديدة تمامًا لفيزياء الجسيمات ، حيث سيبدو النموذج القياسي الحالي كحالة خاصة ، تمامًا كما تبدو نظرية نيوتن للجاذبية العامة كحالة خاصة للجاذبية في إطار النسبية العامة.

بدأ كل شيء بحقيقة أن مجموعة دولية من الفيزيائيين بقيادة يواكيم ماتياس قد وضعوا عدة تنبؤات حول أي نوع من الانحرافات في احتمالية اضمحلال B-meson يمكن أن ينحرف عن النموذج القياسي ويشير إلى فيزياء جديدة. دعني أذكرك أن B-meson هو جسيم يتكون من b-quark و d-antiquark. وفقًا لأحكام النموذج القياسي ، يمكن أن يتحلل هذا الجسيم إلى ميون (جسيم سالب الشحنة ، في الواقع إلكترون ثقيل جدًا) ومضاد ، على الرغم من أن احتمال حدوث مثل هذا الحدث ليس مرتفعًا جدًا. ومع ذلك ، في مؤتمر في كيوتو العام الماضي ، أفاد الفيزيائيون العاملون في مصادم الهادرونات الكبير أنهم تمكنوا من تسجيل آثار مثل هذا الاضمحلال (والاحتمال الذي تم توقعه نظريًا).

اعتبرت مجموعة ماتياس أن هذا الميزون يجب أن يتحلل بشكل مختلف نوعًا ما - إلى زوج من الميونات وجسيم غير معروف حتى الآن K * ، والذي يتحلل على الفور تقريبًا إلى كاون وبيون (ميزونان أخف وزنًا). يُذكر أن العلماء أبلغوا عن نتائج أبحاثهم في 19 يوليو في اجتماع للجمعية الفيزيائية الأوروبية ، والمتحدث التالي من أولئك الذين تحدثوا في هذا الحدث (كان هذا الفيزيائي نيكولاس سيرا من LHCb بالتعاون من الهادرون الكبير. Collider) أن مجموعته تمكنت من إصلاح آثار مثل هذه الأعطال. علاوة على ذلك ، تزامنت النتائج التجريبية لمجموعة سيرا تقريبًا تمامًا مع الانحرافات المتوقعة في تقرير الدكتور ماتياس والمؤلفين المشاركين!

ومن المثير للاهتمام أن علماء الفيزياء يقيمون هذه النتائج بدلالة إحصائية تبلغ 4.5 درجة مئوية ، مما يعني أن موثوقية الحدث الموصوف عالية جدًا جدًا. اسمحوا لي أن أذكركم بأن الدليل التجريبي لثلاثة يعتبر نتائج ذات أهمية كبيرة ، وخمسة تعتبر اكتشافًا راسخًا - هذه هي القيمة المهمة المخصصة لنتائج تجارب العام الماضي ، والتي وجدت أخيرًا آثارًا من وجود بوزون هيغز.

ومع ذلك ، يعتقد الدكتور ماتياس نفسه أنه لا ينبغي التسرع في الاستنتاجات بعد. "لتأكيد هذه النتائج ، ستكون هناك حاجة لدراسات نظرية إضافية ، بالإضافة إلى قياسات جديدة. ومع ذلك ، إذا كانت استنتاجاتنا صحيحة حقًا ، فسنواجه أول تأكيد مباشر لوجود فيزياء جديدة - نظرية أكثر عمومية من النظرية العامة. النموذج القياسي المقبول. إذا سمح بوزون هيغز أخيرًا باستخدام أحجية الصور المقطوعة للنموذج القياسي ، يمكن أن تكون هذه النتائج أول قطعة من أحجية الصور المقطوعة الجديدة - أكبر بكثير ، كما يقول العالم.

النموذج القياسيهي نظرية حديثة لبنية وتفاعلات الجسيمات الأولية ، تم التحقق منها تجريبياً بشكل متكرر. تستند هذه النظرية إلى عدد صغير جدًا من الافتراضات وتسمح لك بالتنبؤ نظريًا بخصائص آلاف العمليات المختلفة في عالم الجسيمات الأولية. في الغالبية العظمى من الحالات ، يتم تأكيد هذه التنبؤات عن طريق التجربة ، وأحيانًا بدقة عالية بشكل استثنائي ، وتصبح تلك الحالات النادرة التي لا تتفق فيها تنبؤات النموذج القياسي مع التجربة موضوع نقاش ساخن.

النموذج القياسي هو الحد الذي يفصل بين ما هو معروف بشكل موثوق وما هو افتراضي في عالم الجسيمات الأولية. على الرغم من نجاحه الباهر في وصف التجارب ، لا يمكن اعتبار النموذج القياسي النظرية النهائية للجسيمات الأولية. علماء الفيزياء على يقين من ذلك يجب أن يكون جزءًا من نظرية أعمق لبنية العالم الصغير. أي نوع من هذه النظرية لم يعرف بعد على وجه اليقين. لقد طور المنظرون عددًا كبيرًا من المرشحين لمثل هذه النظرية ، لكن التجربة فقط يجب أن تُظهر أيًا منهم يتوافق مع الوضع الحقيقي الذي نشأ في عالمنا. لهذا السبب يبحث الفيزيائيون بإصرار عن أي انحرافات عن النموذج القياسي ، أو أي جسيمات ، أو قوى ، أو تأثيرات لا يتنبأ بها النموذج القياسي. يطلق العلماء مجتمعين على كل هذه الظواهر "فيزياء جديدة". بالضبط البحث عن فيزياء جديدة وهي المهمة الرئيسية لمصادم الهادرونات الكبير.

المكونات الرئيسية للنموذج القياسي

أداة العمل في النموذج القياسي هي نظرية المجال الكمي - وهي نظرية تحل محل ميكانيكا الكم بسرعات قريبة من سرعة الضوء. الأشياء الرئيسية فيه ليست الجسيمات ، كما هو الحال في الميكانيكا الكلاسيكية ، وليس "موجات الجسيمات" ، كما في ميكانيكا الكم ، ولكن المجالات الكمومية: الإلكترونية ، والميون ، والكهرومغناطيسية ، والكوارك ، وما إلى ذلك - واحد لكل مجموعة متنوعة من "كيانات العالم الصغير".

كل من الفراغ ، وما نعتبره جسيمات منفصلة ، وتشكيلات أكثر تعقيدًا لا يمكن اختزالها إلى جسيمات منفصلة - كل هذا يوصف على أنه حالات مختلفة للحقول. عندما يستخدم الفيزيائيون كلمة "جسيم" ، فإنهم يقصدون في الواقع حالات الحقول هذه ، وليس الأشياء النقطية الفردية.

يتضمن النموذج القياسي المكونات الرئيسية التالية:

مجموعة من "لبنات" المادة الأساسية - ستة أنواع من اللبتونات وستة أنواع من الكواركات. كل هذه الجسيمات تدور بمقدار 1/2 فرميونات وتنظم نفسها بشكل طبيعي إلى ثلاثة أجيال. العديد من الهادرونات - جزيئات مركبة تشارك في التفاعل القوي - تتكون من كواركات في مجموعات مختلفة.
ثلاثة أنواع من القواتتعمل بين الفرميونات الأساسية - الكهرومغناطيسية والضعيفة والقوية. التفاعلات الكهرومغناطيسية والضعيفة وجهان لنفس الشيء التفاعل الكهروضعيف. القوة القوية منفصلة ، وهذه القوة هي التي تربط الكواركات في الهادرونات.
كل هذه القوى موصوفة على أساس مبدأ القياس- لم يتم إدخالها في النظرية "قسرًا" ، ولكن يبدو أنها تنشأ من تلقاء نفسها نتيجة لمتطلبات أن تكون النظرية متناظرة فيما يتعلق بتحولات معينة. تؤدي الأنواع المنفصلة من التناظر إلى ظهور تفاعلات قوية وكهربائية ضعيفة.
على الرغم من حقيقة وجود تناظر كهروضعيف في النظرية نفسها ، إلا أنه يتم انتهاكه تلقائيًا في عالمنا. الانكسار التلقائي للتناظر الكهروضعيف- عنصر ضروري للنظرية ، وفي إطار النموذج القياسي يحدث الانتهاك بسبب آلية هيغز.
القيم العددية لـ حوالي عشرين من الثوابت: هذه هي كتل الفرميونات الأساسية ، والقيم العددية لثوابت اقتران التفاعلات التي تميز قوتها ، وبعض الكميات الأخرى. يتم استخلاصها جميعًا مرة واحدة وإلى الأبد من المقارنة مع الخبرة ولم يعد يتم تعديلها في حسابات أخرى.

بالإضافة إلى ذلك ، فإن النموذج القياسي عبارة عن نظرية قابلة لإعادة التنظيم ، أي أن كل هذه العناصر يتم إدخالها فيه بطريقة متسقة ذاتيًا تسمح ، من حيث المبدأ ، بإجراء الحسابات بالدرجة المطلوبة من الدقة. ومع ذلك ، غالبًا ما تكون الحسابات بالدرجة المطلوبة من الدقة معقدة بشكل لا يطاق ، لكن هذه ليست مشكلة النظرية نفسها ، بل تتعلق بقدراتنا الحسابية.

ما يمكن للنموذج القياسي فعله وما لا يستطيع فعله

يعتبر النموذج القياسي ، من نواحٍ عديدة ، نظرية وصفية. إنه لا يعطي إجابات للعديد من الأسئلة التي تبدأ بـ "لماذا": لماذا يوجد الكثير من الجسيمات وهذه بالضبط؟ من أين أتت هذه التفاعلات وبالتحديد مع هذه الخصائص؟ لماذا احتاجت الطبيعة لخلق ثلاثة أجيال من الفرميونات؟ لماذا القيم العددية للمعلمات متطابقة تمامًا؟ بالإضافة إلى ذلك ، فإن النموذج القياسي غير قادر على وصف بعض الظواهر التي لوحظت في الطبيعة. على وجه الخصوص ، لا مكان لكتل النيوترينو وجزيئات المادة المظلمة. لا يأخذ النموذج القياسي في الاعتبار الجاذبية ، ولا يُعرف ما يحدث لهذه النظرية على مقياس بلانك للطاقات ، عندما تصبح الجاذبية مهمة للغاية.

ومع ذلك ، إذا تم استخدام النموذج القياسي للغرض المقصود منه ، للتنبؤ بنتائج تصادمات الجسيمات الأولية ، فإنه يسمح ، بناءً على العملية المحددة ، بإجراء حسابات بدرجات متفاوتة من الدقة.

بالنسبة للظواهر الكهرومغناطيسية (تشتت الإلكترون ، مستويات الطاقة) يمكن أن تصل الدقة إلى أجزاء في المليون أو حتى أفضل. يتم الاحتفاظ بالسجل هنا بواسطة العزم المغناطيسي الشاذ للإلكترون ، والذي يتم حسابه بدقة أفضل من واحد من المليار.
يتم حساب العديد من العمليات عالية الطاقة التي تستمر بسبب التفاعلات الكهروضعيفة بدقة أفضل من نسبة مئوية.
الأسوأ من ذلك كله هو التفاعل القوي مع طاقات غير عالية جدًا. تختلف دقة حساب مثل هذه العمليات اختلافًا كبيرًا: في بعض الحالات يمكن أن تصل إلى النسبة المئوية ، وفي حالات أخرى ، يمكن أن تعطي الأساليب النظرية المختلفة إجابات تختلف عدة مرات.

يجدر التأكيد على أن حقيقة أن بعض العمليات يصعب حسابها بالدقة المطلوبة لا تعني أن "النظرية سيئة". إنه أمر معقد للغاية ، والتقنيات الرياضية الحالية ليست كافية بعد لتتبع كل عواقبه. على وجه الخصوص ، تتعلق إحدى مشاكل الألفية الرياضية الشهيرة بمشكلة الحبس في نظرية الكم مع تفاعل مقياس غير أبيليان.

أدبيات إضافية:

يمكن العثور على المعلومات الأساسية حول آلية هيغز في كتاب ل.ب.

"نتساءل لماذا يكرس مجموعة من الأشخاص الموهوبين والمخلصين حياتهم لمطاردة الأشياء الصغيرة جدًا بحيث لا يمكن رؤيتها حتى؟ في الواقع ، في صفوف علماء فيزياء الجسيمات ، يتجلى الفضول البشري والرغبة في معرفة كيفية عمل العالم الذي نعيش فيه ". شون كارول

إذا كنت لا تزال خائفًا من عبارة ميكانيكا الكم وما زلت لا تعرف ما هو النموذج القياسي - مرحبًا بك في cat. سأحاول في منشوري أن أشرح أساسيات عالم الكم ، وكذلك فيزياء الجسيمات الأولية ، بأكبر قدر ممكن من البساطة والوضوح. سنحاول معرفة الاختلافات الرئيسية بين الفرميونات والبوزونات ، ولماذا تحمل الكواركات مثل هذه الأسماء الغريبة ، وأخيرًا ، لماذا كان الجميع حريصًا جدًا على العثور على بوزون هيغز.

من ماذا صنعنا نحن؟

حسنًا ، سنبدأ رحلتنا إلى العالم المصغر بسؤال بسيط: مما تتكون الأشياء من حولنا؟ يتكون عالمنا ، مثل المنزل ، من العديد من الطوب الصغير ، والذي ، عند دمجها بطريقة خاصة ، يخلق شيئًا جديدًا ، ليس فقط في المظهر ، ولكن أيضًا في خصائصها. في الواقع ، إذا نظرت إليها عن كثب ، ستجد أنه لا يوجد الكثير من الأنواع المختلفة من الكتل ، إنها فقط في كل مرة تتصل ببعضها البعض بطرق مختلفة ، وتشكل أشكالًا وظواهر جديدة. كل كتلة هي جسيم أولي غير قابل للتجزئة ، والذي سيتم مناقشته في قصتي.

على سبيل المثال ، لنأخذ بعض المضمون ، فليكن العنصر الثاني في النظام الدوري لمندليف ، غاز خامل ، الهيليوم. مثل المواد الأخرى في الكون ، يتكون الهيليوم من جزيئات تتشكل بدورها من روابط بين الذرات. لكن في هذه الحالة ، بالنسبة لنا ، الهيليوم مميز بعض الشيء لأنه ذرة واحدة فقط.

مما تتكون الذرة؟

تتكون ذرة الهليوم ، بدورها ، من نيوترونين وبروتونين ، يشكلان النواة الذرية ، التي يدور حولها إلكترونان. الشيء الأكثر إثارة للاهتمام هو أن الشيء الوحيد غير القابل للتجزئة تمامًا هنا هو إلكترون.

لحظة مثيرة للاهتمام في عالم الكم

كيف أقلكتلة الجسيم الأولي أكثرتشغل مساحة. ولهذا السبب تشغل الإلكترونات ، وهي أخف بمقدار 2000 مرة من البروتون ، مساحة أكبر بكثير من نواة الذرة.

تنتمي النيوترونات والبروتونات إلى مجموعة ما يسمى الهادرونات(الجسيمات عرضة لتفاعل قوي) ، ولكي تكون أكثر دقة ، باريونات.

يمكن تقسيم الهدرونات إلى مجموعات
تتكون الباريونات من ثلاثة كواركات

الميزونات ، والتي تتكون من زوج: جسيم مضاد

النيوترون ، كما يوحي اسمه ، مشحون بشكل محايد ، ويمكن تقسيمه إلى كواركين سفليين وكوارك علوي واحد. ينقسم البروتون ، وهو جسيم موجب الشحنة ، إلى كوارك سفلي واحد وكواركين علويين.

نعم ، نعم ، أنا لا أمزح ، يُطلق عليهم حقًا العلوي والسفلي. يبدو أننا إذا اكتشفنا الكواركات العلوية والسفلية ، وحتى الإلكترون ، فسنكون قادرين على وصف الكون بأكمله بمساعدتهم. لكن هذا البيان سيكون بعيدًا جدًا عن الحقيقة.

المشكلة الرئيسية هي أن الجسيمات يجب أن تتفاعل بطريقة ما مع بعضها البعض. إذا كان العالم يتألف فقط من هذا الثالوث (النيوترون والبروتون والإلكترون) ، فإن الجسيمات ستطير ببساطة عبر مساحات شاسعة من الفضاء ولن تتجمع أبدًا في تشكيلات أكبر ، مثل الهادرونات.

الفرميونات والبوزونات

منذ زمن بعيد ، اخترع العلماء شكلاً مناسبًا وموجزًا لتمثيل الجسيمات الأولية ، يُطلق عليه النموذج القياسي. اتضح أن جميع الجسيمات الأولية مقسمة إلى الفرميونات، والتي تتكون منها كل المادة ، و البوزوناتالتي تحمل أنواعًا مختلفة من التفاعلات بين الفرميونات.

الفرق بين هذه المجموعات واضح جدا. الحقيقة هي أنه وفقًا لقوانين العالم الكمي ، تحتاج الفرميونات إلى بعض المساحة للبقاء على قيد الحياة ، في حين أن نظيراتها ، البوزونات ، يمكن أن تعيش بسهولة فوق بعضها البعض في تريليونات.

الفرميونات

مجموعة من الفرميونات ، كما ذكرنا سابقًا ، تخلق مادة مرئية من حولنا. كل ما نراه وأينما كان يتم إنشاؤه بواسطة الفرميونات. الفرميونات مقسمة إلى جسيمات دون الذرية، التي تتفاعل بقوة مع بعضها البعض وتحتجز داخل جسيمات أكثر تعقيدًا مثل الهادرونات ، و اللبتونات، التي توجد بحرية في الفضاء بشكل مستقل عن نظيراتها.

جسيمات دون الذريةتنقسم إلى مجموعتين.

النوع العلوي. تشمل الكواركات العلوية ، بتهمة +23: كواركات علوية ، وكواركات ساحرة ، وكواركات حقيقية
النوع السفلي. تتضمن الكواركات من النوع السفلي ، بشحنها -13: كواركات سفلية وغريبة وساحرة

الكواركات الحقيقية والرائعة هي أكبر الكواركات ، بينما الكواركات العلوية والسفلية هي الأصغر. لماذا أعطيت الكواركات مثل هذه الأسماء غير العادية ، والأصح ، "النكهات" ، لا يزال موضع جدل بين العلماء.

لبتوناتتنقسم أيضًا إلى مجموعتين.

المجموعة الأولى ، بشحنة "-1" ، تشمل: إلكترون وميون (جسيم أثقل) وجسيم تاو (أكبر كتلة)
المجموعة الثانية ، ذات الشحنة المحايدة ، تحتوي على: نيوترينو الإلكترون ، نيوترينو الميون ونيوترينو تاو.

النيوترينو هو جسيم صغير من المادة يكاد يكون من المستحيل اكتشافه. شحنتها دائمًا 0.

السؤال الذي يطرح نفسه هو ما إذا كان الفيزيائيون سيجدون عدة أجيال أخرى من الجسيمات ستكون أكثر ضخامة من الأجيال السابقة. من الصعب الإجابة عن هذا السؤال ، لكن المنظرين يعتقدون أن أجيال اللبتونات والكواركات محدودة بثلاثة أجيال.

لا تجد أي أوجه تشابه؟ تنقسم كل من الكواركات واللبتونات إلى مجموعتين تختلفان عن بعضهما البعض في الشحنة لكل وحدة؟ ولكن أكثر عن ذلك لاحقا...

البوزونات

بدونها ، ستطير الفرميونات حول الكون في تيار مستمر. لكن عند تبادل البوزونات ، تخبر الفرميونات بعضها البعض بنوع من التفاعل. البوزونات نفسها لا تتفاعل مع بعضها البعض.

التفاعل الذي تنقله البوزونات هو:

الكهرومغناطيسي، الجسيمات - الفوتونات. هذه الجسيمات عديمة الكتلة تنقل الضوء.
نووي قوي، الجسيمات عبارة عن غلوونات. بمساعدتهم ، لا تتحلل الكواركات من نواة الذرة إلى جسيمات منفصلة.
نووي ضعيفوالجسيمات - بوزونات W و Z. بمساعدتهم ، يتم نقل الفرميونات بالكتلة والطاقة ويمكن أن تتحول إلى بعضها البعض.
الجاذبية ، حبيبات - الجرافيتون. قوة ضعيفة للغاية بمقياس الصورة المصغرة. يصبح مرئيًا فقط على الأجسام فائقة الكتلة.

تحفظ حول تفاعل الجاذبية.
لم يتم تأكيد وجود الجرافيتونات تجريبياً. هم موجودون فقط في شكل نسخة نظرية. في النموذج القياسي ، في معظم الحالات ، لا يتم النظر فيها.

هذا كل شيء ، يتم تجميع النموذج القياسي.

بدأت المشكلة للتو

على الرغم من التمثيل الجميل جدًا للجسيمات في الرسم التخطيطي ، يبقى سؤالان. من أين تحصل الجسيمات على كتلتها وما هو هيغز بوزون، والتي تبرز عن بقية البوزونات.

لفهم فكرة استخدام بوزون هيغز ، نحتاج إلى اللجوء إلى نظرية المجال الكمي. بعبارات بسيطة ، يمكن القول إن العالم كله ، الكون كله ، لا يتكون من أصغر الجسيمات ، ولكن من العديد من المجالات المختلفة: غلوون ، كوارك ، إلكتروني ، كهرومغناطيسي ، إلخ. في كل هذه المجالات ، تحدث تقلبات طفيفة باستمرار. لكننا نعتبر أقوىها جسيمات أولية. نعم ، وهذه الأطروحة مثيرة للجدل إلى حد كبير. من وجهة نظر ثنائية الموجة الجسدية ، يتصرف نفس الكائن في العالم المصغر في مواقف مختلفة مثل الموجة ، أحيانًا مثل الجسيم الأولي ، ويعتمد ذلك فقط على الكيفية التي يكون بها أكثر ملاءمة للفيزيائي الذي يراقب العملية لنمذجة الموقف .

مجال هيغز

اتضح أن هناك ما يسمى بمجال هيغز ، متوسطه لا يريد أن يذهب إلى الصفر. نتيجة لذلك ، يحاول هذا الحقل أخذ قيمة ثابتة غير صفرية في جميع أنحاء الكون. يشكل الحقل الخلفية المنتشرة والثابتة ، ونتيجة لذلك يظهر بوزون هيجز كنتيجة لتقلبات قوية.
وبفضل مجال هيغز ، تتمتع الجسيمات بالكتلة.
تعتمد كتلة الجسيم الأولي على مدى قوة تفاعله مع مجال هيغزتحلق باستمرار بداخلها.
وبسبب بوزون هيغز ، وبشكل أكثر تحديدًا بسبب مجاله ، يحتوي النموذج القياسي على العديد من مجموعات الجسيمات المتشابهة. أجبر حقل هيغز على تكوين العديد من الجسيمات الإضافية ، مثل النيوترينوات.

نتائج

ما قيل لي هو الفهم الأكثر سطحية لطبيعة النموذج القياسي ولماذا نحتاج إلى Higgs Boson. لا يزال بعض العلماء يأملون في أن الجسيم الذي تم العثور عليه في عام 2012 والذي يشبه بوزون هيغز في LHC كان مجرد خطأ إحصائي. بعد كل شيء ، يكسر مجال هيغز العديد من التناظرات الجميلة للطبيعة ، مما يجعل حسابات الفيزيائيين أكثر إرباكًا.
يعتقد البعض أن النموذج القياسي يعيش سنواته الأخيرة بسبب نقصه. لكن هذا لم يتم إثباته تجريبيًا ، ويظل النموذج القياسي للجسيمات الأولية مثالًا صالحًا على عبقرية الفكر البشري.

ويرد الفهم الحديث لفيزياء الجسيمات في ما يسمى النموذج القياسي . يعتمد النموذج القياسي (SM) لفيزياء الجسيمات على الديناميكا الكهربية الكمية والديناميكا اللونية الكمومية ونموذج الكوارك بارتون.
الديناميكا الكهربية الكمية (QED) - نظرية عالية الدقة - تصف العمليات التي تحدث تحت تأثير القوى الكهرومغناطيسية ، والتي تمت دراستها بدرجة عالية من الدقة.
يتم إنشاء الديناميكا اللونية الكمومية (QCD) ، التي تصف عمليات التفاعلات القوية ، عن طريق القياس مع QED ، ولكن إلى حد كبير هو نموذج شبه تجريبي.
يجمع نموذج الكوارك بارتون بين النتائج النظرية والتجريبية لدراسة خصائص الجسيمات وتفاعلاتها.
حتى الآن ، لم يتم العثور على انحرافات عن النموذج القياسي.
يتم عرض المحتوى الرئيسي للنموذج القياسي في الجداول 1 ، 2 ، 3. مكونات المادة هي ثلاثة أجيال من الفرميونات الأساسية (I ، II ، III) ، والتي تم سرد خصائصها في الجدول. 1. البوزونات الأساسية - ناقلات التفاعلات (الجدول 2) ، والتي يمكن تمثيلها باستخدام مخطط فاينمان (الشكل 1).

الجدول 1: الفرميونات - (نصف عدد صحيح تدور في وحدات من ћ) مكونات المادة

	اللبتونات ، تدور = 1/2			الكواركات تدور = 1/2
	رائحة	وزن، GeV / ثانية 2	كهربائي تهمة ، ه	رائحة	وزن، GeV / ثانية 2	كهربائي تهمة ، ه
أنا	v ه	< 7·10 -9	0	ش فوق	0.005	2/3
أنا	ه ، الإلكترون	0.000511	-1	د ، لأسفل	0.01	-1/3
ثانيًا	ν μ	< 0.0003	0	ج ، سحر	1.5	2/3
ثانيًا	ميكرون	0.106	-1	ق ، غريب	0.2	-1/3
ثالثا	ν τ	< 0.03	0	ر ، أعلى	170	2/3
ثالثا	τ ، تاو	1.7771	-1	ب ، القاع	4.7	-1/3

الجدول 2: البوزونات - ناقلات التفاعلات (الدوران = 0 ، 1 ، 2 ... بوحدات)

ناقلات التفاعلات	وزن، GeV / s2	كهربائي تهمة ، ه
التفاعل الكهروضعيف
γ ، فوتون ، دوران = 1	0	0
W - ، الدوران = 1	80.22	-1
W + ، الدوران = 1	80.22	+1
Z 0 ، الدوران = 1	91.187	0
تفاعل قوي (ملون)
5 ، جلون ، تدور = 1	0	0
البوزونات غير المكتشفة
H 0 ، هيغز ، تدور = 0	> 100	0
G ، جرافيتون ، الدوران = 2	?	0

الجدول 3: الخصائص المقارنة للتفاعلات الأساسية

يشار إلى قوة التفاعل بالنسبة للتفاعل القوي.

أرز. 1: مخطط فاينمان: A + B = C + D ، a هو ثابت التفاعل ، Q 2 = -t - 4-الزخم الذي ينتقله الجسيم A إلى الجسيم B نتيجة لواحد من أربعة أنواع من التفاعلات.

1.1 أساسيات النموذج القياسي

تتكون الهدرونات من كواركات وغلونات (بارتونات). الكواركات هي الفرميونات ذات اللف المغزلي 1/2 وكتلة m 0 ؛ الغلوونات هي بوزونات ذات لف مغزلي 1 وكتلة م = 0.
تصنف الكواركات بطريقتين: النكهة واللون. هناك 6 نكهات من الكواركات و 3 ألوان لكل كوارك.
النكهة هي خاصية يتم الحفاظ عليها في التفاعلات القوية.
يتكون الجلون من لونين - لون ولون مضاد ، وجميع الأرقام الكمية الأخرى له تساوي الصفر. عندما ينبعث غلوون ، يتغير لون الكوارك وليس النكهة. هناك 8 جلونات في المجموع.
يتم إنشاء العمليات الأولية في QCD عن طريق القياس مع QED: bremsstrahlung من gluon بواسطة كوارك ، إنتاج أزواج كوارك - مضاد كوارك بواسطة غلوون. عملية إنتاج الغلوون بواسطة الغلوون ليس لها نظير في QED.
لا يميل مجال gluon الثابت إلى الصفر عند اللانهاية ، أي الطاقة الكلية لمثل هذا المجال لانهائية. وهكذا ، لا يمكن للكواركات أن تطير من الهادرونات ؛ ويحدث الحبس.
تعمل قوى الجذب بين الكواركات ، والتي لها خاصيتان غير عاديتين: أ) الحرية المقاربة على مسافات صغيرة جدًا و ب) محاصرة الأشعة تحت الحمراء - الحبس ، بسبب حقيقة أن الطاقة الكامنة للتفاعل V (r) تنمو إلى أجل غير مسمى مع زيادة المسافة بين الكواركات r ، V (r) = -α s / r + ær ، α s و æ هي ثوابت.
تفاعل كوارك كوارك ليس مادة مضافة.
يمكن أن توجد فقط الفردي الملونة كجزيئات حرة:
القميص الميزون ، والذي من أجله يتم إعطاء الدالة الموجية

وقبعة باريون مع دالة موجية

حيث R أحمر ، B أزرق ، G أخضر.

هناك كواركات حالية ومكونة لها كتل مختلفة.
تتم كتابة المقاطع العرضية للعملية A + B = C + X مع تبادل غلوون واحد بين الكواركات التي تتكون منها الهادرونات على النحو التالي:

ŝ = س أ س ب ق ، = س أ ت / س ج.

تشير الرموز أ ، ب ، ج ، د إلى الكواركات والمتغيرات المتعلقة بها ، والرموز А ، ، С تشير إلى الهادرونات ، ŝ ، ، ، الكميات المتعلقة بالكواركات ، تشير إلى دالة توزيع الكواركات a في الهادرون A (أو ، على التوالي ، - الكواركات ب في هادرون ب) ، هي دالة تجزئة الكوارك ج إلى هادرونات ج ، د / دت هو المقطع العرضي الأولي qq للتفاعل.

1.2 البحث عن الانحرافات عن النموذج القياسي

في الطاقات الحالية للجسيمات المتسارعة ، تظل جميع أحكام QCD ، وحتى أكثر من QED ، جيدة. في التجارب المخططة مع طاقات الجسيمات الأعلى ، تتمثل إحدى المهام الرئيسية في إيجاد الانحرافات عن النموذج القياسي.
يرتبط التطوير الإضافي لفيزياء الطاقة العالية بحل المشكلات التالية:

ابحث عن الجسيمات الغريبة ببنية مختلفة عن تلك المقبولة في النموذج القياسي.
ابحث عن تذبذبات النيوترينو ν μ ↔ ν τ والمشكلة ذات الصلة لكتلة النيوترينو (ν م ≠ 0).
ابحث عن اضمحلال البروتون الذي يقدر عمره بـ τ exp> 10 33 سنة.
ابحث عن بنية الجسيمات الأساسية (سلاسل ، بريونات على مسافات د< 10 -16 см).
الكشف عن مادة hadronic deconfined (بلازما كوارك-غلوون).
دراسة انتهاك CP في اضمحلال الميزونات K و D-mesons و B المحايدة.
دراسة طبيعة المادة المظلمة.
دراسة تكوين الفراغ.
ابحث عن بوزون هيغز.
ابحث عن الجسيمات فائقة التناظر.

1.3 أسئلة النموذج القياسي التي لم يتم حلها

تعتبر النظرية الفيزيائية الأساسية ، النموذج القياسي للتفاعلات الكهرومغناطيسية والضعيفة والقوية للجسيمات الأولية (الكواركات واللبتونات) إنجازًا معترفًا به عمومًا لفيزياء القرن العشرين. يشرح كل الحقائق التجريبية المعروفة في فيزياء العالم المجهري. ومع ذلك ، هناك عدد من الأسئلة التي لا يجيب عليها النموذج القياسي.

إن طبيعة آلية الانتهاك التلقائي لثبات مقياس الكهروضعيف غير معروفة.

يتطلب شرح وجود كتل لبوزونات W ± و Z 0 إدخال نظرية الحقول العددية بحالة أرضية ، وهي الفراغ ، وهي غير ثابتة فيما يتعلق بتحولات القياس.
كانت نتيجة ذلك ظهور جسيم عددي جديد - بوزون هيغز.

لا يشرح SM طبيعة الأعداد الكمية.

ما هي الشحنات (الكهربائية ، الباريون ، اللبتون: Le ، L μ ، L: اللون: أزرق ، أحمر ، أخضر) ولماذا يتم تكميمها؟
لماذا توجد 3 أجيال من الفرميونات الأساسية (الأول ، الثاني ، الثالث)؟

لا يتضمن SM الجاذبية ، وبالتالي فإن طريقة تضمين الجاذبية في SM هي فرضية جديدة حول وجود أبعاد إضافية في فضاء العالم الصغير.
لا يوجد تفسير لكون مقياس بلانك الأساسي (M ~ 10 19 GeV) بعيدًا عن المقياس الأساسي للتفاعلات الكهروضعيفة (M ~ 10 2 GeV).

حاليا ، هناك طريقة لحل هذه المشاكل. يتكون من تطوير فكرة جديدة عن بنية الجسيمات الأساسية. من المفترض أن الجسيمات الأساسية هي أشياء تسمى عادة "أوتار". يتم أخذ خصائص الأوتار في الاعتبار في نموذج Superstring سريع التطور ، والذي يدعي إنشاء علاقة بين الظواهر التي تحدث في فيزياء الجسيمات وفي الفيزياء الفلكية. أدى هذا الارتباط إلى صياغة نظام جديد - علم كون الجسيمات الأولية.

يعتبر النموذج القياسي للجسيمات الأولية أعظم إنجاز للفيزياء في النصف الثاني من القرن العشرين. لكن ماذا بعد ذلك؟

النموذج القياسي (SM) للجسيمات الأولية ، القائم على مقياس التناظر ، هو ابتكار رائع لموراي جيل مان ، وشيلدون جلاشو ، وستيفن واينبرغ ، وعبد السلام ، ومجموعة كاملة من العلماء اللامعين. يصف SM بشكل مثالي التفاعلات بين الكواركات واللبتونات على مسافات تتراوح بين 10 و 17 م (1 ٪ من قطر البروتون) ، والتي يمكن دراستها في المسرعات الحديثة. ومع ذلك ، فإنه يبدأ في الانزلاق بالفعل على مسافات تتراوح بين 10 و 18 مترًا ، وحتى أكثر من ذلك لا يوفر تقدمًا لمقياس بلانك المرغوب الذي يتراوح بين 10 و 35 مترًا.

من المعتقد أنه هناك تندمج جميع التفاعلات الأساسية في وحدة الكم. سيتم استبدال SM يومًا ما بنظرية أكثر اكتمالًا ، والتي ، على الأرجح ، لن تكون أيضًا الأخيرة والأخيرة. يحاول العلماء إيجاد بديل للنموذج القياسي. يعتقد الكثير أنه سيتم بناء نظرية جديدة من خلال توسيع قائمة التناظرات التي تشكل أساس SM. واحدة من أكثر الأساليب الواعدة لحل هذه المشكلة لم يتم وضعها فقط من خلال الاتصال بمشاكل SM ، ولكن حتى قبل إنشائها.

تخضع الجسيمات لإحصاءات فيرمي ديراك (الفرميونات ذات الدوران نصف الصحيح) وبوز آينشتاين (البوزونات ذات الدوران الصحيح). في بئر الطاقة ، يمكن لجميع البوزونات أن تحتل نفس مستوى الطاقة المنخفض ، مما يشكل تكاثف بوز-آينشتاين. من ناحية أخرى ، تخضع الفرميونات لمبدأ استبعاد باولي ، وبالتالي لا يمكن لجسيمين لهما نفس الأرقام الكمية (على وجه الخصوص ، الدورات أحادية الاتجاه) أن تشغل نفس مستوى الطاقة.

خليط من الأضداد

في أواخر الستينيات من القرن الماضي ، اقترح يوري جولفاند ، كبير الباحثين في القسم النظري لشبكة المعلومات والعمل بشأن أولوية الغذاء ، على طالب الدراسات العليا يفغيني ليختمان أن يعمم الجهاز الرياضي المستخدم لوصف تماثلات الزمكان الرباعي الأبعاد للنسبية الخاصة (فضاء مينكوفسكي).

وجد ليختمان أن هذه التناظرات يمكن دمجها مع التناظرات الجوهرية للحقول الكمية ذات السبينات غير الصفرية. في هذه الحالة ، تتشكل العائلات (المضاعفات) التي توحد الجسيمات من نفس الكتلة ، والتي لها عدد صحيح ونصف عدد صحيح (بمعنى آخر ، البوزونات والفرميونات). كان هذا جديدًا وغير مفهوم ، لأن كلاهما يخضع لأنواع مختلفة من الإحصائيات الكمومية. يمكن أن تتراكم البوزونات في نفس الحالة ، وتتبع الفرميونات مبدأ باولي ، الذي يحظر بشدة حتى الاتحادات الزوجية من هذا النوع. لذلك ، بدا ظهور تعدد الجزيئات البوزونية والفرميونية وكأنه غرابة رياضية لا علاقة لها بالفيزياء الحقيقية. هذه هي الطريقة التي تم تصورها في شبكة المعلومات والعمل بشأن أولوية الغذاء. في وقت لاحق ، في مذكراته ، وصف أندريه ساخاروف توحيد البوزونات والفرميونات بأنها فكرة عظيمة ، لكنها في ذلك الوقت لم تكن مثيرة للاهتمام بالنسبة له.

ما وراء المعيار

أين هي حدود SM؟ يتوافق النموذج القياسي مع جميع البيانات تقريبًا التي تم الحصول عليها من مسرعات الطاقة العالية. - يشرح الباحث الرائد في معهد البحوث النووية التابع لأكاديمية العلوم الروسية سيرجي ترويتسكي. ومع ذلك ، فإن نتائج التجارب التي تشهد على وجود كتلة في نوعين من النيوترينوات ، وربما في الثلاثة ، لا تتناسب تمامًا مع إطارها. هذه الحقيقة تعني أن SM بحاجة إلى التوسع ، وفي أي واحد لا أحد يعرف حقًا. تشير البيانات الفيزيائية الفلكية أيضًا إلى عدم اكتمال النموذج الصغير. المادة المظلمة ، التي تمثل أكثر من خمس كتلة الكون ، تتكون من جسيمات ثقيلة لا تتناسب مع SM. بالمناسبة ، سيكون من الأدق تسمية هذه المادة بأنها ليست مظلمة ، بل شفافة ، لأنها لا تشع الضوء فحسب ، بل لا تمتصه أيضًا. بالإضافة إلى ذلك ، لا يفسر النموذج SM الغياب شبه الكامل للمادة المضادة في الكون المرئي ".
هناك أيضًا اعتراضات جمالية. كما يلاحظ سيرجي ترويتسكي ، فإن SM قبيحة للغاية. يحتوي على 19 معلمة عددية يتم تحديدها بالتجربة ، ومن وجهة نظر الفطرة السليمة ، تأخذ قيمًا غريبة جدًا. على سبيل المثال ، متوسط الفراغ لحقل هيغز ، المسؤول عن كتل الجسيمات الأولية ، هو 240 جيجا إلكترون فولت. ليس من الواضح سبب كون هذه المعلمة أقل بمقدار 1017 مرة من المعلمة التي تحدد تفاعل الجاذبية. أود الحصول على نظرية أكثر اكتمالا ، والتي ستجعل من الممكن تحديد هذه العلاقة من بعض المبادئ العامة.
كما أن SM لا تفسر الاختلاف الهائل بين كتل الكواركات الأخف وزنًا ، والتي تتكون منها البروتونات والنيوترونات ، وكتلة كوارك القمة ، التي تتجاوز 170 جيجا إلكترون فولت (في جميع النواحي الأخرى ، لا تختلف عن كوارك u ، وهي أخف بنحو 10000 مرة). لا يزال من غير الواضح من أين تأتي الجسيمات التي تبدو متطابقة مع مثل هذه الكتل المختلفة.

دافع ليختمان عن أطروحته عام 1971 ، ثم ذهب إلى VINITI وكاد يتخلى عن الفيزياء النظرية. طُرد غولفاند من شبكة المعلومات والعمل بشأن أولوية الغذاء بسبب التكرار ، ولم يتمكن من العثور على وظيفة لفترة طويلة. ومع ذلك ، اكتشف موظفو المعهد الأوكراني للفيزياء والتكنولوجيا ، دميتري فولكوف وفلاديمير أكولوف ، التماثل بين البوزونات والفرميونات ، بل واستخدموه لوصف النيوترينوات. صحيح ، لم يكتسب سكان موسكو ولا خاركوف أي أمجاد في ذلك الوقت. فقط في عام 1989 حصل Golfand و Likhtman على I.E. تم. في عام 2009 ، مُنح فولوديمير أكولوف (الذي يدرس الفيزياء حاليًا في الكلية التقنية بجامعة مدينة نيويورك) وديمتري فولكوف (بعد وفاته) جائزة أوكرانيا الوطنية للبحث العلمي.

تنقسم الجسيمات الأولية للنموذج القياسي إلى بوزونات وفرميونات حسب نوع الإحصائيات. يمكن للجسيمات المركبة - الهادرونات - أن تخضع لإحصاءات بوز-آينشتاين (مثل الميزونات - الكاونات ، والبيونات) ، أو إحصائيات فيرمي ديراك (الباريونات - البروتونات ، والنيوترونات).

ولادة التناظر الفائق

في الغرب ، ظهرت مخاليط من الحالات البوزونية والفرميونية لأول مرة في نظرية وليدة لم تمثل الجسيمات الأولية كأجسام نقطية ، ولكن كاهتزازات لسلاسل كمومية أحادية البعد.

في عام 1971 ، تم بناء نموذج يتم فيه دمج كل اهتزاز من النوع البوزوني مع اهتزاز الفرميون المقترن. صحيح أن هذا النموذج لم يعمل في الفضاء رباعي الأبعاد لمينكوفسكي ، ولكن في الفضاء والزمان ثنائي الأبعاد لنظريات الأوتار. ومع ذلك ، في عام 1973 ، قدم النمساوي جوليوس ويس والإيطالي برونو زومينو تقريراً إلى CERN (ونشرا مقالاً بعد عام) عن نموذج فائق التناظر رباعي الأبعاد مع بوزون واحد وفرميون واحد. لم تزعم أنها تصف الجسيمات الأولية ، لكنها أوضحت إمكانيات التناظر الفائق في مثال واضح وفيزيائي للغاية. سرعان ما أثبت هؤلاء العلماء أنفسهم أن التناظر الذي اكتشفوه كان نسخة ممتدة من تناظر Golfand و Lichtman. لذلك اتضح أنه في غضون ثلاث سنوات ، تم اكتشاف التناظر الفائق في فضاء مينكوفسكي بشكل مستقل من قبل ثلاثة أزواج من الفيزيائيين.

دفعت نتائج Wess و Zumino إلى تطوير النظريات باستخدام مخاليط البوزون-فيرميون. نظرًا لأن هذه النظريات تربط تناظرات المقياس بالتناظر المكاني والزماني ، فقد أطلق عليها اسم supergauge ثم supersymmetric. إنهم يتوقعون وجود العديد من الجسيمات ، التي لم يتم اكتشاف أي منها حتى الآن. لذا فإن التناظر الفائق في العالم الحقيقي لا يزال افتراضيًا. ولكن حتى لو كان موجودًا ، فلا يمكن أن يكون صارمًا ، وإلا فإن الإلكترونات ستشحن أبناء عمومة بوزونيين بنفس الكتلة تمامًا ، والتي يمكن اكتشافها بسهولة. يبقى أن نفترض أن شركاء التناظر الفائق للجسيمات المعروفة هائلون للغاية ، وهذا ممكن فقط إذا تم كسر التناظر الفائق.

دخلت أيديولوجية التناظر الفائق حيز التنفيذ في منتصف السبعينيات ، عندما كان النموذج القياسي موجودًا بالفعل. وبطبيعة الحال ، بدأ الفيزيائيون في بناء امتدادات التناظر الفائق ، بعبارة أخرى ، لإدخال تناظرات بين البوزونات والفرميونات فيها. أول نسخة واقعية من النموذج القياسي فائق التناظر ، المسمى بالنموذج القياسي الفائق التماثل (MSSM) ، اقترحه هوارد جورجي وسافاس ديموبولوس في عام 1981. في الواقع ، هذا هو نفس النموذج القياسي بكل تناظراته ، لكن لكل جسيم شريك مضاف يختلف دورانه عن دورانه بمقدار ½ ، والبوزون إلى الفرميون والفرميون إلى البوزون.

لذلك ، تظل جميع تفاعلات SM في مكانها ، ولكنها تثريها تفاعلات الجسيمات الجديدة مع الجسيمات القديمة ومع بعضها البعض. ظهرت أيضًا إصدارات أكثر تعقيدًا من التناظر الفائق من SM لاحقًا. كلهم يقارنون الجسيمات المعروفة بالفعل مع نفس الشركاء ، لكنهم يفسرون انتهاكات التناظر الفائق بطرق مختلفة.

الجسيمات والجسيمات الفائقة

يتم إنشاء أسماء الشركاء الفائقين للفرميون باستخدام البادئة "s" - إلكترون ، سموون ، سكوارك. يكتسب الشركاء الفائقون للبوزونات النهاية "ino": الفوتون - الفوتينو ، الغلوون - الغلوينو ، Z-boson - الزينو ، W-boson - النبيذ ، Higgs boson - higgsino.

دائمًا ما يكون دوران الشريك الفائق لأي جسيم (باستثناء بوزون هيغز) ½ أقل من دورانه. وبالتالي ، فإن شركاء الإلكترون ، والكواركات ، والفرميونات الأخرى (بالإضافة إلى الجسيمات المضادة بالطبع) ليس لديهم دوران صفري ، في حين أن شركاء الفوتون والبوزونات المتجهة مع الوحدة المغزلية لديهم النصف. هذا يرجع إلى حقيقة أن عدد حالات الجسيم أكبر ، وكلما زاد دورانه. لذلك ، فإن استبدال الطرح بالإضافة سيؤدي إلى ظهور شركاء فائقين زائدين عن الحاجة.

يوجد على اليسار النموذج القياسي (SM) للجسيمات الأولية: الفرميونات (الكواركات ، اللبتونات) والبوزونات (حاملات التفاعل). يوجد على اليمين شركاؤهم الفائقون في النموذج القياسي الفائق التماثل الأدنى ، MSSM: البوزونات (سكوارك ، نومون) والفرميونات (شركاء فائقون لحاملات القوة). تحتوي بوزونات هيغز الخمسة (المميزة برمز أزرق واحد في الرسم التخطيطي) أيضًا على شركائها الفائقين ، وهيجزينو الخماسي.

لنأخذ الإلكترون كمثال. يمكن أن يكون في حالتين - في إحداهما ، يتم توجيه دورانها بالتوازي مع الزخم ، وفي الأخرى ، يكون عكس الموازي. من وجهة نظر SM ، هذه جسيمات مختلفة ، لأنها لا تشارك بشكل متساوٍ في التفاعلات الضعيفة. يمكن أن يوجد جسيم بوحدة دوران وكتلة غير صفرية في ثلاث حالات مختلفة (كما يقول الفيزيائيون ، له ثلاث درجات من الحرية) وبالتالي فهو غير مناسب للشركاء مع الإلكترون. السبيل الوحيد للخروج هو تخصيص شريك فائق مغزلي واحد لكل حالة من حالات الإلكترون واعتبار هذه الإلكترونات جسيمات مختلفة.

إن الشركاء الفائقين في النموذج القياسي للبوزونات أكثر تعقيدًا إلى حد ما. بما أن كتلة الفوتون تساوي صفرًا ، فحتى مع وحدة الدوران ، لا تحتوي على ثلاث درجات من الحرية ، بل درجتان. لذلك ، يمكن تخصيص فوتينو ، الشريك الفائق نصف المغزلي ، والذي ، مثل الإلكترون ، درجتين من الحرية ، بسهولة. تظهر الجلوينوس وفقًا لنفس المخطط. مع هيجز ، أصبح الوضع أكثر تعقيدًا. يحتوي MSSM على اثنين من أزواج بوزونات هيغز ، والتي تتوافق مع أربعة شركاء فائقين - اثنان محايدان واثنان هيجسينوس مشحونان بشكل معاكس. تمتزج المحايدة بطرق مختلفة مع فوتينو وزينو وتشكل أربعة جسيمات يمكن ملاحظتها جسديًا بالاسم الشائع نيوترالينو. تشكل الخلائط المماثلة التي تحمل اسمًا غريبًا للأذن الروسية chargino (بالإنجليزية - chargino) شركاء فائقين من البوزونات الإيجابية والسلبية وأزواج من هيجز المشحونة.

الوضع مع شركاء النيوترينو الفائقين له خصائصه الخاصة أيضًا. إذا لم يكن لهذا الجسيم كتلة ، فسيكون دورانه دائمًا في الاتجاه المعاكس للزخم. لذلك ، سيكون للنيوترينو عديم الكتلة شريك عددي واحد. ومع ذلك ، فإن النيوترينوات الحقيقية لا تزال غير عديمة الكتلة. من الممكن أن تكون هناك أيضًا نيوترينوات ذات عزم ودوران متوازيين ، لكنها ثقيلة جدًا ولم يتم اكتشافها بعد. إذا كان هذا صحيحًا ، فكل نوع من النيوترينو له شريكه الفائق.

وفقًا لأستاذ الفيزياء بجامعة ميتشيغان ، جوردون كين ، فإن الآلية الأكثر عالمية لكسر التناظر الفائق لها علاقة بالجاذبية.

ومع ذلك ، فإن حجم مساهمته في كتل الجسيمات الفائقة لم يتم توضيحه بعد ، وتقديرات المنظرين متناقضة. بالإضافة إلى ذلك ، فهو بالكاد الوحيد. وهكذا ، فإن النموذج القياسي فائق التناظر التالي إلى الأدنى ، NMSSM ، يقدم بوزونين هيجز إضافيين يساهمان في كتلة الجسيمات الفائقة (ويزيد أيضًا عدد النيوترالينوس من أربعة إلى خمسة). يلاحظ كين أن مثل هذا الموقف يضاعف بشكل كبير عدد المعلمات المدمجة في نظريات التناظر الفائق.

حتى الحد الأدنى من امتداد النموذج القياسي يتطلب حوالي مائة معلمة إضافية. لا ينبغي أن يكون هذا مفاجئًا لأن كل هذه النظريات تقدم العديد من الجسيمات الجديدة. مع ظهور نماذج أكثر اكتمالًا واتساقًا ، يجب أن ينخفض عدد المعلمات. بمجرد أن تلتقط أجهزة الكشف في مصادم الهادرونات الكبير الجزيئات الفائقة ، لن تجعلك النماذج الجديدة تنتظر.

التسلسل الهرمي للجسيمات

تتيح نظريات التناظر الفائق إمكانية القضاء على عدد من نقاط الضعف في النموذج القياسي. يبرز البروفيسور كين لغز بوزون هيغز ، والذي يسمى مشكلة التسلسل الهرمي..

يكتسب هذا الجسيم كتلة في سياق التفاعل مع اللبتونات والكواركات (تمامًا كما يكتسبون كتلة عند التفاعل مع مجال هيغز). في النموذج القياسي SM ، يتم تمثيل المساهمات من هذه الجسيمات من خلال سلسلة متباينة ذات مبالغ لا نهائية. صحيح أن مساهمات البوزونات والفرميونات لها علامات مختلفة ، ومن حيث المبدأ ، يمكن أن تلغي بعضها البعض تمامًا تقريبًا. ومع ذلك ، يجب أن يكون هذا الانقراض مثاليًا تقريبًا ، حيث من المعروف الآن أن كتلة هيجز تبلغ 125 جيجا إلكترون فولت فقط. هذا ليس مستحيلاً ، لكنه غير مرجح إلى حد كبير.

بالنسبة لنظريات التناظر الفائق ، لا داعي للقلق. مع التناظر الفائق الدقيق ، يجب أن تعوض مساهمات الجسيمات العادية وشركائها الفائقين بعضهم البعض تمامًا. نظرًا لكسر التناظر الفائق ، يتبين أن التعويض غير مكتمل ، ويكتسب بوزون هيغز كتلة محدودة ، والأهم من ذلك ، يمكن حسابها. إذا لم تكن كتل الشريك الفائق كبيرة جدًا ، فيجب قياسها في نطاق واحد إلى مائتي GeV ، وهذا صحيح. كما يؤكد كين ، بدأ الفيزيائيون في أخذ التناظر الفائق على محمل الجد عندما ثبت أنه يحل مشكلة التسلسل الهرمي.

لا تنتهي احتمالات التناظر الفائق عند هذا الحد. يستنتج من SM أنه في منطقة الطاقات العالية جدًا ، التفاعلات القوية والضعيفة والكهرومغناطيسية ، على الرغم من أنها تتمتع بنفس القوة تقريبًا ، لا تتحد أبدًا. وفي النماذج فائقة التناظر عند طاقات 1016 جيجا إلكترون فولت ، يحدث مثل هذا الاتحاد ، ويبدو أكثر طبيعية. تقدم هذه النماذج أيضًا حلاً لمشكلة المادة المظلمة. تؤدي الجسيمات الفائقة أثناء عملية التحلل إلى تكوين كلٍ من الجسيمات الفائقة والجسيمات العادية - وبطبيعة الحال ، كتلة أصغر. ومع ذلك ، فإن التناظر الفائق ، على عكس SM ، يسمح بالتحلل السريع للبروتون ، والذي ، لحسن الحظ بالنسبة لنا ، لا يحدث في الواقع.

يمكن إنقاذ البروتون ، ومعه العالم المحيط بأكمله ، بافتراض أنه في العمليات التي تنطوي على جسيمات فائقة ، يتم الحفاظ على رقم كم تكافؤ R ، والذي يساوي واحدًا للجسيمات العادية ، وناقصًا واحدًا للشركاء الفائقين. في مثل هذه الحالة ، يجب أن يكون الجسيم الفائق الأخف ثباتًا تمامًا (ومحايدًا كهربائيًا). بحكم التعريف ، لا يمكن أن تتحلل إلى جزيئات فائقة ، والحفاظ على تكافؤ R يمنعها من التحلل إلى جسيمات. يمكن أن تتكون المادة المظلمة على وجه التحديد من مثل هذه الجسيمات التي ظهرت مباشرة بعد الانفجار العظيم وتجنبت الفناء المتبادل.

في انتظار التجارب

"قبل وقت قصير من اكتشاف بوزون هيغز ، استنادًا إلى نظرية M (النسخة الأكثر تقدمًا من نظرية الأوتار) ، تم توقع كتلته بخطأ اثنين بالمائة فقط! يقول الأستاذ كين. - قمنا أيضًا بحساب كتل الإلكترونات والسمونات والمربعات ، والتي تبين أنها كبيرة جدًا بالنسبة للمسرعات الحديثة - بترتيب عدة عشرات من TeV. إن الشركاء الفائقين للفوتون ، والغلون ، والبوزونات المقاسة الأخرى أخف بكثير ، وبالتالي لديهم فرصة للكشف عنها في المصادم LHC ".

بالطبع ، لا يضمن أي شيء صحة هذه الحسابات: نظرية إم مسألة حساسة. ومع ذلك ، هل من الممكن الكشف عن آثار الجسيمات الفائقة على المسرعات؟ يجب أن تتحلل الجسيمات الضخمة الضخمة بعد الولادة مباشرة. تحدث هذه الانحرافات على خلفية تحلل الجسيمات العادية ، ومن الصعب للغاية تمييزها بشكل لا لبس فيه "، كما يوضح ديمتري كازاكوف ، كبير الباحثين في مختبر الفيزياء النظرية في JINR في دوبنا. سيكون من المثالي أن تظهر الجسيمات الفائقة نفسها بطريقة فريدة لا يمكن الخلط بينها وبين أي شيء آخر ، لكن النظرية لا تتنبأ بهذا.

يتعين على المرء تحليل العديد من العمليات المختلفة والبحث فيما بينها عن العمليات التي لم يتم شرحها بالكامل بواسطة النموذج القياسي. لم تنجح عمليات البحث هذه حتى الآن ، لكن لدينا بالفعل قيودًا على جماهير الشركاء الفائقين. أولئك الذين يشاركون في تفاعلات قوية يجب أن يسحبوا ما لا يقل عن 1 TeV ، في حين أن كتل الجسيمات الفائقة الأخرى يمكن أن تختلف بين عشرات ومئات GeV.

في نوفمبر 2012 ، في ندوة عُقدت في كيوتو ، تم الإبلاغ عن نتائج التجارب في مصادم الهدرونات الكبير (LHC) ، حيث كان من الممكن للمرة الأولى تسجيل انحلال نادر جدًا للميزون B في الميون والأنتيمون. تبلغ احتمالية حدوثه ما يقرب من ثلاثة أجزاء من المليار ، وهو ما يتوافق جيدًا مع تنبؤات SM. نظرًا لأن الاحتمال المتوقع لهذا الانحلال ، المحسوب من MSSM ، قد يكون أكبر بعدة مرات ، فقد قرر البعض أن التناظر الفائق قد انتهى.

ومع ذلك ، يعتمد هذا الاحتمال على العديد من المعلمات غير المعروفة ، والتي يمكن أن تقدم مساهمة كبيرة وصغيرة في النتيجة النهائية ، ولا يزال هناك الكثير من عدم اليقين هنا. لذلك ، لم يحدث شيء رهيب ، والشائعات حول وفاة MSSM مبالغ فيها إلى حد كبير. لكن هذا لا يعني أنها لا تقهر. لا يعمل المصادم LHC بكامل طاقته بعد ، وسوف يصل إليه في غضون عامين فقط ، عندما تصل طاقة البروتون إلى 14 تيرا إلكترون فولت. وإذا لم تكن هناك مظاهر للجسيمات الفائقة ، فمن المرجح أن يموت MSSM موتًا طبيعيًا وسيأتي الوقت لنماذج جديدة فائقة التناظر.

أرقام Grassmann والجاذبية الفائقة

حتى قبل إنشاء MSSM ، تم الجمع بين التناظر الفائق والجاذبية. التطبيق المتكرر للتحولات التي تربط البوزونات والفرميونات يحرك الجسيم في الزمكان. هذا يجعل من الممكن ربط التناظرات الفائقة وتشوهات مقياس الزمكان ، والتي ، وفقًا للنظرية العامة للنسبية ، هي سبب الجاذبية. عندما أدرك الفيزيائيون ذلك ، بدأوا في بناء تعميمات فائقة التناظر للنسبية العامة ، والتي تسمى الجاذبية الفائقة. هذا المجال من الفيزياء النظرية يتطور بنشاط الآن.
في الوقت نفسه ، أصبح من الواضح أن نظريات التناظر الفائق تحتاج إلى أرقام غريبة ، اخترعها عالم الرياضيات الألماني هيرمان جونتر جراسمان في القرن التاسع عشر. يمكن إضافتها وطرحها كالمعتاد ، لكن حاصل ضرب هذه الأرقام يتغير عند إعادة ترتيب العوامل (وبالتالي ، فإن المربع ، وبشكل عام ، أي قوة صحيحة لرقم Grassmann تساوي صفرًا). بطبيعة الحال ، لا يمكن التمييز بين وظائف هذه الأرقام ودمجها وفقًا للقواعد القياسية للتحليل الرياضي ؛ هناك حاجة إلى طرق مختلفة تمامًا. ولحسن حظ نظريات التناظر الفائق ، فقد تم العثور عليها بالفعل. تم اختراعها في الستينيات من قبل عالم الرياضيات السوفيتي البارز من جامعة موسكو الحكومية فيليكس بيريزين ، الذي ابتكر اتجاهًا جديدًا - الرياضيات الفائقة.

ومع ذلك ، هناك استراتيجية أخرى لا تتعلق بالمصادم LHC. بينما كان مصادم الإلكترون والبوزيترون LEP يعمل في CERN ، كانوا يبحثون عن أخف الجسيمات الفائقة المشحونة ، والتي من المفترض أن يؤدي تحللها إلى ظهور أخف جزيئات فائقة. يسهل اكتشاف هذه الجسيمات السليفة لأنها مشحونة ويكون الشريك الفائق الأخف وزنا محايدًا. أظهرت التجارب في LEP أن كتلة هذه الجسيمات لا تتجاوز 104 جيجا إلكترون فولت. هذا ليس كثيرًا ، لكن يصعب اكتشافه في LHC بسبب الخلفية العالية. لذلك ، هناك الآن حركة لبناء مصادم إلكترون-بوزيترون فائق القوة من أجل بحثهم. لكن هذه سيارة باهظة الثمن ، وبالتأكيد لن يتم بناؤها في أي وقت قريب ".

عمليات الإغلاق والفتحات

ومع ذلك ، وفقًا لأستاذ الفيزياء النظرية في جامعة مينيسوتا ، ميخائيل شيفمان ، فإن الكتلة المقاسة لبوزون هيغز كبيرة جدًا بالنسبة إلى MSSM ، ومن المرجح أن يكون هذا النموذج مغلقًا بالفعل:

"صحيح ، إنهم يحاولون إنقاذها بمساعدة العديد من البنى الفوقية ، لكنهم يفتقرون إلى الأناقة لدرجة أن لديهم فرصة ضئيلة للنجاح. من الممكن أن تعمل الإضافات الأخرى ، لكن متى وكيف لا يزالان غير معروفين. لكن هذا السؤال يتجاوز العلم البحت. يعتمد التمويل الحالي لفيزياء الطاقة العالية على الأمل في اكتشاف شيء جديد حقًا في LHC. إذا لم يحدث هذا ، فسيتم قطع التمويل ، ولن يكون هناك ما يكفي من المال لبناء جيل جديد من مسرعات الجيل ، والتي بدونها لن يكون هذا العلم قادرًا على التطور حقًا ". لذا ، فإن نظريات التناظر الفائق لا تزال واعدة ، لكنها لا تنتظر حكم المجربين.