Exempel på fysikaliska system representerade av partikelmodeller. Standardmodell för grundläggande interaktioner. Förslutningar och öppningar

En nyligen genomförd upptäckt av ett team av vetenskapsmän ledda av Joaquim Mathias har för första gången på allvar skakat grunden för modern partikelfysik, nämligen Standardmodellen. Forskarna lyckades förutsäga en icke-standardiserad variant av sönderfallet av en B-mesonpartikel, vilket denna modell inte tar hänsyn till. Dessutom bekräftades nästan omedelbart deras gissningar experimentellt.

Det bör noteras att fysiker som är involverade i studien av elementarpartiklar på senare år alltmer säger att denna disciplin redan har blivit för liten inom ramen för standardmodellen som är bekant för alla. Många fenomen har faktiskt redan registrerats, som är svåra att förklara inom dess ramar. Till exempel kan den här modellen inte förutsäga vilka partiklar som kan utgöra mörk materia, och svarar inte heller på frågan som plågat forskare under lång tid - varför det finns mer materia i vårt universum än antimateria (baryonasymmetri). Och den ersioniska tolkningen av processen för kall transmutation av kärnor, som vi skrev om för inte så länge sedan, går också utöver "handlingen" av samma standardmodell.

Ändå håller de flesta fysiker fortfarande fast vid detta speciella sätt att förklara elementarpartiklarnas mystiska liv. Dels på grund av att ingen hittills skapat något bättre, dels på att de flesta av standardmodellens förutsägelser fortfarande har experimentell bekräftelse (vilket inte kan sägas om alternativa hypoteser). Dessutom, tills nyligen, kunde inga allvarliga avvikelser från denna modell hittas i experiment. Det verkar dock inte som att det hände så länge sedan. Detta kan innebära födelsen av en helt ny teori om partikelfysik, där den nuvarande standardmodellen kommer att se ut som ett specialfall, precis som Newtons teori om universell gravitation ser ut som ett specialfall av gravitation inom ramen för den allmänna relativiteten.

Allt började med att en internationell grupp fysiker ledda av Joaquim Matias gjorde flera förutsägelser om exakt vilka avvikelser i sannolikheten för B-mesonens förfall som kunde avvika från Standardmodellen och indikera ny fysik. Låt mig påminna dig om att en B-meson är en partikel som består av en b-kvark och en d-antikvark. Enligt bestämmelserna i standardmodellen kan denna partikel sönderfalla till en myon (en negativt laddad partikel, i själva verket en mycket tung elektron) och en antimyon, även om sannolikheten för en sådan händelse inte är särskilt hög. Men förra året vid en konferens i Kyoto rapporterade fysiker som arbetade vid Large Hadron Collider att de kunde registrera spår av ett sådant förfall (och med den sannolikhet som teoretiskt förutspåddes).

Matthiasgruppen ansåg att denna meson borde sönderfalla något annorlunda - till ett par myoner och en hittills okänd partikel K *, som nästan omedelbart sönderfaller till en kaon och en pion (två lättare mesoner). Det är anmärkningsvärt att forskare rapporterade om resultaten av sin forskning den 19 juli vid ett möte i European Physical Society, och nästa talare från dem som talade vid detta evenemang (detta var fysikern Nicolas Serra från LHCb-samarbetet från Large Hadron Collider) rapporterade att hans grupp lyckades fixa spår av sådana haverier. Dessutom sammanföll Serra-gruppens experimentella resultat nästan helt med de avvikelser som förutspåddes i rapporten från Dr. Matthias och hans medförfattare!

Intressant nog utvärderar fysiker dessa resultat med en statistisk signifikans på 4,5σ, vilket betyder att tillförlitligheten för den beskrivna händelsen är mycket, mycket hög. Låt mig påminna dig om att experimentella bevis för tre σ anses vara resultat av betydande betydelse, och fem σ anses vara en väletablerad upptäckt - detta är signifikansvärdet som tilldelas resultaten av förra årets experiment, som till slut hittade spår om Higgs-bosonens existens.

Ändå anser doktor Matthias själv att man inte ska skynda sig att dra några slutsatser ännu. "För att bekräfta dessa resultat kommer ytterligare teoretiska studier att krävas, såväl som nya mätningar. Men om våra slutsatser verkligen är korrekta kommer vi att möta den första direkta bekräftelsen av existensen av en ny fysik - en teori som är mer allmän än den generella accepterad standardmodell. Om Higgs-bosonen äntligen tillät pussel av standardmodellen, kan dessa resultat vara den första biten i ett nytt pussel - mycket större, säger forskaren.

standardmodellär en modern teori om strukturen och växelverkan mellan elementarpartiklar, upprepade gånger verifierad experimentellt. Denna teori är baserad på ett mycket litet antal postulat och låter dig teoretiskt förutsäga egenskaperna hos tusentals olika processer i elementarpartiklarnas värld. I den överväldigande majoriteten av fallen bekräftas dessa förutsägelser genom experiment, ibland med exceptionellt hög noggrannhet, och de sällsynta fall då standardmodellens förutsägelser inte stämmer överens med erfarenheten blir föremål för het debatt.

Standardmodellen är gränsen som skiljer det tillförlitligt kända från det hypotetiska i elementarpartiklarnas värld. Trots sin imponerande framgång med att beskriva experiment kan standardmodellen inte anses vara den ultimata teorin om elementarpartiklar. Fysiker är säkra på det det måste vara en del av någon djupare teori om mikrovärldens struktur. Vilken typ av teori detta är är ännu inte känt med säkerhet. Teoretiker har utvecklat ett stort antal kandidater för en sådan teori, men endast ett experiment bör visa vilken av dem som motsvarar den verkliga situation som har utvecklats i vårt universum. Det är därför fysiker ständigt letar efter eventuella avvikelser från standardmodellen, eventuella partiklar, krafter eller effekter som inte förutsägs av standardmodellen. Forskare kallar tillsammans alla dessa fenomen "Ny fysik"; exakt Sök efter New Physics och är huvuduppgiften för Large Hadron Collider.

Huvudkomponenter i standardmodellen

Standardmodellens arbetsverktyg är kvantfältteori - en teori som ersätter kvantmekaniken vid hastigheter nära ljusets hastighet. Nyckelobjekten i den är inte partiklar, som i klassisk mekanik, och inte "partikelvågor", som i kvantmekanik, utan kvantfält: elektronisk, muon, elektromagnetisk, kvark, etc. - en för varje sort av "entiteter i mikrovärlden".

Både vakuum, och vad vi uppfattar som separata partiklar, och mer komplexa formationer som inte kan reduceras till separata partiklar - allt detta beskrivs som olika fälttillstånd. När fysiker använder ordet "partikel", menar de faktiskt dessa tillstånd i fälten, och inte enskilda punktobjekt.

Standardmodellen innehåller följande huvudingredienser:

• En uppsättning grundläggande "tegelstenar" av materia - sex sorters leptoner och sex sorters kvarkar. Alla dessa partiklar är spin 1/2 fermioner och organiserar sig mycket naturligt i tre generationer. Många hadroner - sammansatta partiklar involverade i den starka interaktionen - är sammansatta av kvarkar i olika kombinationer.
• Tre typer av krafter agerar mellan fundamentala fermioner - elektromagnetiska, svaga och starka. Svag och elektromagnetisk interaktion är två sidor av samma elektrosvag interaktion. Den starka kraften står isär, och det är denna kraft som binder kvarkar till hadroner.
• Alla dessa krafter beskrivs utifrån mätprincip- de introduceras inte "med tvång" i teorin utan verkar uppstå av sig själva som ett resultat av kravet på att teorin ska vara symmetrisk med avseende på vissa transformationer. Separata typer av symmetri ger upphov till starka och elektrosvaga interaktioner.
• Trots att det finns en elektrosvag symmetri i själva teorin, bryts den spontant i vår värld. Spontant brott av elektrosvag symmetri- en nödvändig del av teorin, och inom ramen för standardmodellen sker kränkningen på grund av Higgs-mekanismen.
• Numeriska värden för ungefär två dussin konstanter: dessa är massorna av fundamentala fermioner, de numeriska värdena för kopplingskonstanter för interaktioner som kännetecknar deras styrka och några andra kvantiteter. Alla utvinns en gång för alla från jämförelse med erfarenhet och justeras inte längre i ytterligare beräkningar.

Dessutom är standardmodellen en renormaliserbar teori, det vill säga att alla dessa element introduceras i den på ett så självständigt sätt att det i princip gör att beräkningar kan utföras med den grad av noggrannhet som krävs. Men ofta visar sig beräkningar med önskad grad av noggrannhet vara outhärdligt komplexa, men detta är inte ett problem för själva teorin, utan snarare av vår beräkningsförmåga.

Vad standardmodellen kan och inte kan göra

Standardmodellen är på många sätt en beskrivande teori. Den ger inte svar på många frågor som börjar med "varför": varför finns det så många partiklar och exakt dessa? var kom dessa interaktioner ifrån och exakt med sådana egenskaper? Varför behövde naturen skapa tre generationer fermioner? Varför är de numeriska värdena för parametrarna exakt desamma? Dessutom kan standardmodellen inte beskriva några av de fenomen som observeras i naturen. I synnerhet har den ingen plats för neutrinomassor och partiklar av mörk materia. Standardmodellen tar inte hänsyn till gravitationen, och det är inte känt vad som händer med denna teori på Planck-energiskalan, när gravitationen blir extremt viktig.

Om standardmodellen däremot används för sitt avsedda syfte, för att förutsäga resultaten av kollisioner av elementarpartiklar, tillåter den, beroende på den specifika processen, att utföra beräkningar med varierande noggrannhetsgrad.

• För elektromagnetiska fenomen (elektronspridning, energinivåer) kan noggrannheten nå delar per miljon eller ännu bättre. Rekordet här hålls av elektronens anomala magnetiska moment, som beräknas med en noggrannhet bättre än en miljarddel.
• Många högenergiprocesser som fortgår på grund av elektrosvaga interaktioner beräknas med en noggrannhet bättre än en procent.
• Värst av allt är den starka interaktionen vid inte för höga energier. Noggrannheten i att beräkna sådana processer varierar mycket: i vissa fall kan den nå procent, i andra fall kan olika teoretiska tillvägagångssätt ge svar som skiljer sig åt flera gånger.

Det är värt att betona att det faktum att vissa processer är svåra att beräkna med erforderlig noggrannhet inte betyder att "teorin är dålig". Det är bara det att det är väldigt komplicerat, och de nuvarande matematiska teknikerna är ännu inte tillräckliga för att spåra alla dess konsekvenser. I synnerhet gäller ett av de berömda matematiska millennieproblemen problemet med instängdhet i kvantteorin med icke-abelian gauge-interaktion.

Ytterligare litteratur:

• Grundläggande information om Higgs-mekanismen finns i boken av L. B. Okun "Physics of elementary particles" (på nivå med ord och bilder) och "Leptons and quarks" (på en seriös men tillgänglig nivå).

"Vi undrar varför en grupp begåvade och hängivna människor skulle ägna sina liv åt att jaga föremål som är så små att de inte ens kan ses? I själva verket, i klasserna av partikelfysiker, manifesteras mänsklig nyfikenhet och en önskan att ta reda på hur världen vi lever i fungerar.” Sean Carroll

Om du fortfarande är rädd för frasen kvantmekanik och fortfarande inte vet vad standardmodellen är - välkommen till katten. I min publikation ska jag försöka förklara grunderna i kvantvärlden, såväl som elementarpartikelfysik, så enkelt och tydligt som möjligt. Vi kommer att försöka ta reda på vad som är de viktigaste skillnaderna mellan fermioner och bosoner, varför kvarkar har så konstiga namn, och slutligen, varför alla var så ivriga att hitta Higgs-bosonen.

Vad är vi gjorda av?

Nåväl, vi börjar vår resa in i mikrokosmos med en enkel fråga: vad består föremålen omkring oss av? Vår värld, som ett hus, består av många små tegelstenar, som, när de kombineras på ett speciellt sätt, skapar något nytt, inte bara i utseende, utan också i sina egenskaper. Faktum är att om du tittar noga på dem kan du upptäcka att det inte finns så många olika typer av block, det är bara att varje gång de ansluter till varandra på olika sätt och bildar nya former och fenomen. Varje block är en odelbar elementarpartikel, som kommer att diskuteras i min berättelse.

Låt oss till exempel ta något ämne, låt det vara det andra elementet i Mendeleevs periodiska system, en inert gas, helium. Liksom andra ämnen i universum består helium av molekyler, som i sin tur bildas av bindningar mellan atomer. Men i det här fallet, för oss, är helium lite speciellt eftersom det bara är en atom.

Vad är en atom gjord av?

Heliumatomen består i sin tur av två neutroner och två protoner, som utgör atomkärnan, runt vilken två elektroner kretsar. Det mest intressanta är att det enda absolut odelbara här är elektron.

Ett intressant ögonblick av kvantvärlden

Hur mindre massan av en elementarpartikel, den Mer hon tar plats. Det är av denna anledning som elektroner, som är 2000 gånger lättare än en proton, tar upp mycket mer plats än en atoms kärna.

Neutroner och protoner tillhör gruppen sk hadroner(partiklar utsatta för stark interaktion), och för att vara ännu mer exakt, baryoner.

Hadroner kan delas in i grupper

• Baryoner, som består av tre kvarkar
• Mesoner, som består av ett par: partikel-antipartikel

Neutronen är, som namnet antyder, neutralt laddad och kan delas in i två nedkvarkar och en uppkvarkar. Protonen, en positivt laddad partikel, är uppdelad i en nedkvark och två uppkvarkar.

Ja, ja, jag skojar inte, de heter verkligen övre och nedre. Det verkar som om vi upptäckte topp- och bottenkvarkarna, och till och med elektronen, skulle vi kunna beskriva hela universum med deras hjälp. Men detta uttalande skulle vara mycket långt ifrån sanningen.

Huvudproblemet är att partiklarna på något sätt måste interagera med varandra. Om världen bara bestod av denna treenighet (neutron, proton och elektron), så skulle partiklarna helt enkelt flyga genom rymdens stora vidder och aldrig samlas i större formationer, som hadroner.

Fermioner och bosoner

För ganska länge sedan uppfann forskare en bekväm och koncis form av representation av elementarpartiklar, kallad standardmodellen. Det visar sig att alla elementarpartiklar är indelade i fermioner, av vilken all materia är sammansatt, och bosoner, som bär olika typer av interaktioner mellan fermioner.

Skillnaden mellan dessa grupper är mycket tydlig. Faktum är att enligt kvantvärldens lagar behöver fermioner lite utrymme för att överleva, medan deras motsvarigheter, bosoner, lätt kan leva rakt ovanpå varandra i biljoner.

Fermioner

En grupp fermioner skapar, som redan nämnts, synlig materia omkring oss. Vad vi än ser, var som helst, skapas av fermioner. Fermioner delas in i kvarkar, som interagerar starkt med varandra och är fångade inuti mer komplexa partiklar som hadroner och leptoner, som fritt existerar i rymden oberoende av sina motsvarigheter.

Quarks delas in i två grupper.

• Topp typ. Upp-kvarkar, med en laddning på +23, inkluderar: upp, charm och sanna kvarkar
• Lägre typ. kvarkar av duntyp, med en laddning på -13, inkluderar: dun-, konstiga och charm-kvarkar

Sant och vackert är de största kvarkarna, medan upp och ner är de minsta. Varför kvarkar fick så ovanliga namn, och mer korrekt, "smaker", är fortfarande ett ämne för kontroverser för forskare.

leptonerär också indelade i två grupper.

• Den första gruppen, med en laddning på "-1", inkluderar: en elektron, en muon (tyngre partikel) och en tau-partikel (den mest massiva)
• Den andra gruppen, med en neutral laddning, innehåller: elektronneutrino, myonneutrino och tau-neutrino

Neutrino är en liten partikel av materia, som är nästan omöjlig att upptäcka. Dess laddning är alltid 0.

Frågan uppstår om fysiker kommer att hitta flera generationer av partiklar som kommer att vara ännu mer massiva än de tidigare. Det är svårt att svara på det, men teoretiker tror att generationerna av leptoner och kvarkar är begränsade till tre.

Hittar du inga likheter? Både kvarkar och leptoner är indelade i två grupper, som skiljer sig från varandra i laddning per enhet? Men mer om det senare...

Bosoner

Utan dem skulle fermioner flyga runt universum i en kontinuerlig ström. Men genom att byta bosoner berättar fermioner varandra om någon form av interaktion. Bosonerna själva interagerar inte med varandra.

Interaktionen som överförs av bosoner är:

• elektromagnetiska, partiklar - fotoner. Dessa masslösa partiklar sänder ljus.
• stark kärnkraft, partiklar är gluoner. Med deras hjälp sönderfaller inte kvarkar från en atoms kärna till separata partiklar.
• Svag kärnkraft, partiklar - W och Z bosoner. Med deras hjälp överförs fermioner av massa, energi och kan förvandlas till varandra.
• gravitationell , partiklar - gravitationer. En extremt svag kraft på mikrokosmos skala. Blir endast synlig på supermassiva kroppar.

En reservation om gravitationsinteraktion.
Förekomsten av gravitoner har ännu inte experimentellt bekräftats. De finns endast i form av en teoretisk version. I standardmodellen beaktas de i de flesta fall inte.

Det är det, standardmodellen är monterad.

Problemet har precis börjat

Trots den mycket vackra representationen av partiklarna i diagrammet återstår två frågor. Var får partiklar sin massa och vad är det Higgs boson, som sticker ut från resten av bosonerna.

För att förstå idén med att använda Higgs-bosonen måste vi vända oss till kvantfältteorin. Enkelt uttryckt kan man hävda att hela världen, hela universum, inte består av de minsta partiklarna, utan av många olika fält: gluon, kvark, elektronisk, elektromagnetisk osv. Inom alla dessa områden förekommer ständigt små fluktuationer. Men vi uppfattar den starkaste av dem som elementarpartiklar. Ja, och den här avhandlingen är mycket kontroversiell. Ur korpuskulär vågdualisms synvinkel, beter sig samma objekt i mikrokosmos i olika situationer som en våg, ibland som en elementarpartikel, det beror bara på hur det är bekvämare för en fysiker som observerar processen att modellera situationen .

Higgs fält

Det visar sig att det finns ett så kallat Higgsfält, vars snitt inte vill gå till noll. Som ett resultat försöker detta fält ta ett konstant värde som inte är noll i hela universum. Fältet utgör den allestädes närvarande och konstanta bakgrunden, som ett resultat av vilket Higgs Boson visas som ett resultat av starka fluktuationer.
Och det är tack vare Higgsfältet som partiklarna förses med massa.
Massan av en elementarpartikel beror på hur starkt den interagerar med Higgsfältet ständigt flyger inuti den.
Och det är på grund av Higgs-bosonen, och mer specifikt på grund av dess område, som standardmodellen har så många liknande grupper av partiklar. Higgsfältet tvingade fram skapandet av många ytterligare partiklar, såsom neutriner.

Resultat

Vad jag har fått höra är den mest ytliga förståelsen av standardmodellens natur och varför vi behöver Higgs Boson. Vissa forskare hoppas fortfarande i sina hjärtan att en partikel som hittades 2012 och som ser ut som Higgs-bosonen vid LHC bara var ett statistiskt fel. Trots allt bryter Higgsfältet många av naturens vackra symmetrier, vilket gör fysikernas beräkningar mer förvirrande.
Vissa tror till och med att standardmodellen lever sina sista år på grund av dess ofullkomlighet. Men detta har inte bevisats experimentellt, och standardmodellen av elementarpartiklar är fortfarande ett giltigt exempel på det mänskliga tänkandets geni.

Den moderna förståelsen av partikelfysik finns i den sk standardmodell . Standardmodellen (SM) för partikelfysik är baserad på kvantelektrodynamik, kvantkromodynamik och kvark-parton-modellen.
Kvantelektrodynamik (QED) - en högprecisionsteori - beskriver de processer som sker under inverkan av elektromagnetiska krafter, som studeras med en hög grad av noggrannhet.
Quantum chromodynamik (QCD), som beskriver processerna av starka interaktioner, är konstruerad i analogi med QED, men är i större utsträckning en semi-empirisk modell.
Quark-parton-modellen kombinerar de teoretiska och experimentella resultaten av att studera egenskaperna hos partiklar och deras interaktioner.
Hittills har inga avvikelser från Standardmodellen hittats.
Huvudinnehållet i standardmodellen presenteras i tabellerna 1, 2, 3. Materiens beståndsdelar är tre generationer av fundamentala fermioner (I, II, III), vars egenskaper är listade i tabell. 1. Fundamentala bosoner - bärare av interaktioner (tabell 2), som kan representeras med hjälp av Feynman-diagrammet (fig. 1).

Tabell 1: Fermioner − (halvt heltals spinn i enheter av ћ) beståndsdelar av materia

	Leptoner, snurr = 1/2			Quarks, snurr = 1/2
	Arom	Vikt, GeV/s 2	Elektrisk avgift, e	Arom	Vikt, GeV/s 2	Elektrisk avgift, e
jag	v e	< 7·10 -9	0	u, upp	0.005	2/3
	e, elektron	0.000511	-1	d, ner	0.01	-1/3
II	ν μ	< 0.0003	0	c, charm	1.5	2/3
	μ, muon	0.106	-1	s, konstigt	0.2	-1/3
III	ν τ	< 0.03	0	t, topp	170	2/3
	τ, tau	1.7771	-1	b, botten	4.7	-1/3

Tabell 2: Bosoner - bärare av interaktioner (spin = 0, 1, 2 ... i enheter av ћ)

transportörer interaktioner	Vikt, GeV/s2	Elektrisk avgift, e
Elektrosvag interaktion
γ, foton, spin = 1	0	0
W - , snurr = 1	80.22	-1
W + , snurr = 1	80.22	+1
Z 0 , snurr = 1	91.187	0
Stark (färg) interaktion
5, gluoner, spin = 1	0	0
Oupptäckta bosoner
H 0 , Higgs, spin = 0	> 100	0
G, graviton, spin = 2	?	0

Tabell 3: Jämförande egenskaper hos grundläggande interaktioner

Styrkan i interaktionen anges i förhållande till den starka.

Ris. 1: Feynman-diagram: A + B = C + D, a är interaktionskonstanten, Q 2 = -t - 4-momentum som partikel A överför till partikel B som ett resultat av en av fyra typer av interaktioner.

1.1 Grunderna i standardmodellen

• Hadroner är uppbyggda av kvarkar och gluoner (partoner). Kvarkar är fermioner med spin 1/2 och massa m 0; gluoner är bosoner med spin 1 och massa m = 0.
• Kvarkar klassificeras på två sätt: smak och färg. Det finns 6 smaker av kvarkar och 3 färger för varje kvarg.
• Smak är en egenskap som bevaras i starka interaktioner.
• En gluon består av två färger - en färg och en antifärg, och alla andra kvanttal för den är lika med noll. När ett gluon emitteras ändrar en kvarg färg, men inte smak. Det finns 8 gluoner totalt.
• Elementära processer i QCD är konstruerade i analogi med QED: bremsstrahlung av en gluon med en kvark, produktion av kvark-antikvark-par av en gluon. Processen för gluonproduktion av en gluon har ingen analog i QED.
• Det statiska gluonfältet tenderar inte till noll i oändligheten, dvs. den totala energin för ett sådant fält är oändlig. Sålunda kan kvarkar inte flyga ut ur hadroner, inspärrning äger rum.
• Attraktionskrafter verkar mellan kvarkar, som har två ovanliga egenskaper: a) asymptotisk frihet på mycket små avstånd och b) infraröd fångst - inneslutning, på grund av att den potentiella energin för interaktion V(r) växer oändligt med ökande avstånd mellan kvarkar r , V(r) = -α s /r + ær, α s och æ är konstanter.
• Kvark-kvark-interaktion är inte additiv.
• Endast färgsingletter kan existera som fria partiklar:
  meson singlet, för vilken vågfunktionen ges av

och baryonsinglet med vågfunktion

där R är röd, B är blå, G är grön.

• Det finns nuvarande och ingående kvarkar, som har olika massor.
• Tvärsnitten av processen A + B = C + X med utbyte av en gluon mellan kvarkarna som utgör hadronerna skrivs som:

ŝ = x a x b s, = x a t/x c .

Symbolerna a, b, c, d betecknar kvarkar och variabler relaterade till dem, symbolerna А, В, С betecknar hadroner, ŝ, , , kvantiteter relaterade till kvarkar, anger fördelningsfunktionen för kvarkar a i en hadron A (eller, resp. - kvarkar b i hadron B), är fragmenteringsfunktionen av kvark c till hadroner C, d/dt är det elementära tvärsnittet qq av interaktionen.

1.2 Sök efter avvikelser från standardmodellen

Vid existerande energier av accelererade partiklar håller alla bestämmelser i QCD, och ännu mer av QED, bra. I de planerade experimenten med högre partikelenergier är en av huvuduppgifterna att hitta avvikelser från Standardmodellen.
Ytterligare utveckling av högenergifysik är förknippad med lösningen av följande problem:

1. Sök efter exotiska partiklar med en annan struktur än den som accepteras i standardmodellen.
2. Sök efter neutrinoscillationer ν μ ↔ ν τ och det relaterade problemet med neutrinomassan (ν m ≠ 0).
3. Sök efter sönderfallet av en proton vars livslängd uppskattas till τ exp > 10 33 år.
4. Sök efter strukturen hos fundamentala partiklar (strängar, preoner på avstånd d< 10 -16 см).
5. Detektion av avgränsat hadroniskt material (kvark-gluonplasma).
6. Studie av CP-kränkning vid sönderfallet av neutrala K-mesoner, D-mesoner och B-partiklar.
7. Studie av mörk materias natur.
8. Studiet av vakuumets sammansättning.
9. Sök efter Higgs boson.
10. Sök efter supersymmetriska partiklar.

1.3 Olösta frågor om standardmodellen

Den grundläggande fysikaliska teorin, standardmodellen för elektromagnetiska, svaga och starka interaktioner mellan elementarpartiklar (kvarkar och leptoner) är en allmänt erkänd prestation av fysiken under XX-talet. Den förklarar alla kända experimentella fakta i mikrovärldens fysik. Det finns dock ett antal frågor som Standardmodellen inte svarar på.

1. Arten av mekanismen för spontant brott mot invariansen för elektrosvag mätare är okänd.

• Förklaring av förekomsten av massor för W ± - och Z 0 -bosoner kräver introduktion i teorin om skalära fält med ett grundtillstånd som är icke-invariant med avseende på mättransformationer - vakuum.
• Konsekvensen av detta är uppkomsten av en ny skalär partikel - Higgs-bosonen.

1. SM förklarar inte karaktären av kvanttal.

• Vad är laddningar (elektriska; baryon; lepton: Le, L μ , L τ : färg: blå, röd, grön) och varför kvantiseras de?
• Varför finns det 3 generationer av fundamentala fermioner (I, II, III)?

1. SM inkluderar inte gravitation, därför är sättet att inkludera gravitation i SM en ny hypotes om förekomsten av ytterligare dimensioner i mikrovärldens rymd.
2. Det finns ingen förklaring till varför den fundamentala Planck-skalan (M ~ 10 19 GeV) är så långt från den fundamentala skalan för elektrosvaga interaktioner (M ~ 10 2 GeV).

För närvarande finns det ett sätt att lösa dessa problem. Det består i utvecklingen av en ny idé om strukturen hos grundläggande partiklar. Det antas att de fundamentala partiklarna är föremål som vanligtvis kallas "strängar". Strängarnas egenskaper beaktas i den snabbt utvecklande Superstring Model, som gör anspråk på att etablera ett samband mellan fenomen som förekommer inom partikelfysik och inom astrofysik. Denna koppling ledde till utformningen av en ny disciplin - elementarpartiklarnas kosmologi.

Standardmodellen för elementarpartiklar anses vara fysikens största prestation under andra hälften av 1900-talet. Men vad ligger bortom det?

Standardmodellen (SM) av elementarpartiklar, baserad på mätsymmetri, är en magnifik skapelse av Murray Gell-Mann, Sheldon Glashow, Steven Weinberg, Abdus Salam och en hel galax av briljanta vetenskapsmän. SM beskriver perfekt interaktionerna mellan kvarkar och leptoner på avstånd i storleksordningen 10−17 m (1% av protondiametern), vilket kan studeras med moderna acceleratorer. Den börjar dock halka redan på avstånd på 10-18 m, och ännu mer ger den inte avancemang till den eftertraktade Planck-skalan på 10-35 m.

Man tror att det är där som alla grundläggande interaktioner smälter samman i kvantenhet. SM kommer någon gång att ersättas av en mer komplett teori, som med största sannolikhet inte heller blir den sista och sista. Forskare försöker hitta en ersättare för standardmodellen. Många tror att en ny teori kommer att byggas genom att utöka listan över symmetrier som ligger till grund för SM. Ett av de mest lovande tillvägagångssätten för att lösa detta problem lades inte bara i samband med SM:s problem, utan även innan det skapades.

Partiklar som lyder Fermi-Dirac-statistik (fermioner med halvt heltalsspinn) och Bose-Einstein (bosoner med heltalsspinn). I energikällan kan alla bosoner uppta samma lägre energinivå och bilda ett Bose-Einstein-kondensat. Fermioner, å andra sidan, lyder Pauli-uteslutningsprincipen, och därför kan två partiklar med samma kvantantal (särskilt enkelriktade spinn) inte uppta samma energinivå.

Blandning av motsatser

I slutet av 1960-talet föreslog Yury Golfand, seniorforskare vid FIAN:s teoretiska avdelning, för sin doktorand Evgeny Likhtman att han skulle generalisera den matematiska apparatur som används för att beskriva symmetrierna i den speciella relativitetens fyrdimensionella rum-tid (Minkowski-rymden).

Lichtman fann att dessa symmetrier kunde kombineras med de inneboende symmetrierna hos kvantfält med spinn som inte är noll. I det här fallet bildas familjer (multipletter) som förenar partiklar med samma massa, med heltals- och halvheltalsspinn (med andra ord bosoner och fermioner). Detta var både nytt och obegripligt, eftersom båda är föremål för olika typer av kvantstatistik. Bosoner kan ackumuleras i samma tillstånd, och fermioner följer Pauli-principen, som strängt förbjuder även parföreningar av detta slag. Därför såg uppkomsten av bosonisk-fermion-multipletter ut som en matematisk exotism som inte hade något att göra med verklig fysik. Så här uppfattades det i FIAN. Senare, i sina memoarer, kallade Andrei Sacharov föreningen av bosoner och fermioner för en bra idé, men vid den tiden verkade det inte intressant för honom.

Utöver standarden

Var går gränsen för SM? "Standardmodellen överensstämmer med nästan all data som erhålls vid högenergiacceleratorer. - förklarar den ledande forskaren vid Institutet för kärnkraftsforskning vid den ryska vetenskapsakademin Sergey Troitsky. "Men resultaten av experiment som vittnar om förekomsten av massa i två typer av neutrinos, och möjligen i alla tre, passar inte riktigt in i dess ramar. Detta faktum gör att SM behöver utökas, och i vilken vet ingen riktigt. Astrofysiska data pekar också på ofullständigheten i SM. Mörk materia, som står för mer än en femtedel av universums massa, består av tunga partiklar som inte passar in i SM. Förresten skulle det vara mer korrekt att kalla denna fråga inte mörk, utan genomskinlig, eftersom den inte bara inte avger ljus utan också absorberar det. Dessutom förklarar SM inte den nästan fullständiga frånvaron av antimateria i det observerbara universum."
Det finns också estetiska invändningar. Som Sergei Troitsky noterar är SM väldigt fult. Den innehåller 19 numeriska parametrar som bestäms genom experiment och ur sunt förnufts synvinkel antar mycket exotiska värden. Till exempel är vakuummedelvärdet för Higgsfältet, som är ansvarigt för massorna av elementarpartiklar, 240 GeV. Det är inte klart varför denna parameter är 1017 gånger mindre än parametern som bestämmer gravitationsinteraktionen. Jag skulle vilja ha en mer komplett teori, som gör det möjligt att bestämma detta förhållande utifrån några allmänna principer.
SM förklarar inte heller den enorma skillnaden mellan massorna av de lättaste kvarkarna, som utgör protoner och neutroner, och massan av toppkvarken, som överstiger 170 GeV (i alla andra avseenden skiljer den sig inte från u-kvarken , vilket är nästan 10 000 gånger lättare). Varifrån till synes identiska partiklar med så olika massor kommer är fortfarande oklart.

Lichtman disputerade 1971 och gick sedan till VINITI och nästan övergav teoretisk fysik. Golfand fick sparken från FIAN på grund av uppsägning och under lång tid kunde han inte hitta något jobb. Men anställda vid det ukrainska institutet för fysik och teknik, Dmitrij Volkov och Vladimir Akulov, upptäckte också symmetrin mellan bosoner och fermioner och använde den till och med för att beskriva neutriner. Det är sant att varken muskoviter eller kharkoviter fick några lagrar vid den tiden. Först 1989 fick Golfand och Lihtman I.E. Tamm. 2009 tilldelades Volodymyr Akulov (nu undervisar i fysik vid Technical College of City University of New York) och Dmitry Volkov (postumt) Ukrainas nationella pris för vetenskaplig forskning.

Standardmodellens elementarpartiklar är indelade i bosoner och fermioner enligt typ av statistik. Sammansatta partiklar - hadroner - kan lyda antingen Bose-Einstein-statistik (som inkluderar mesoner - kaoner, pioner) eller Fermi-Dirac-statistik (baryoner - protoner, neutroner).

Supersymmetrins födelse

I väst uppträdde blandningar av bosoniska och fermioniska tillstånd först i en begynnande teori som representerade elementarpartiklar inte som punktobjekt, utan som vibrationer av endimensionella kvantsträngar.

1971 konstruerades en modell där varje vibration av bosonisk typ kombinerades med sin parade fermionvibration. Det är sant att denna modell inte fungerade i Minkowskis fyrdimensionella rymd, utan i strängteoriernas tvådimensionella rum-tid. Men redan 1973 rapporterade österrikaren Julius Wess och italienaren Bruno Zumino till CERN (och publicerade en artikel ett år senare) om en fyrdimensionell supersymmetrisk modell med en boson och en fermion. Hon gjorde inte anspråk på att beskriva elementarpartiklar, men demonstrerade supersymmetrins möjligheter i ett tydligt och extremt fysiskt exempel. Snart visade samma forskare att symmetrin de upptäckte var en utökad version av symmetrin hos Golfand och Lichtman. Så det visade sig att inom tre år upptäcktes supersymmetri i Minkowski-rymden oberoende av tre par fysiker.

Resultaten av Wess och Zumino föranledde utvecklingen av teorier med boson-fermionblandningar. Eftersom dessa teorier relaterar gauge-symmetrier till rum-tidssymmetrier, kallades de supergauge och sedan supersymmetriska. De förutspår förekomsten av många partiklar, av vilka ingen ännu har upptäckts. Så supersymmetrin i den verkliga världen är fortfarande hypotetisk. Men även om det existerar kan det inte vara strikt, annars skulle elektronerna ha laddat bosoniska kusiner med exakt samma massa, vilket lätt kunde upptäckas. Det återstår att anta att de supersymmetriska partnerna för kända partiklar är extremt massiva, och detta är endast möjligt om supersymmetri bryts.

Den supersymmetriska ideologin trädde i kraft i mitten av 1970-talet, när Standardmodellen redan fanns. Naturligtvis började fysiker bygga dess supersymmetriska förlängningar, med andra ord för att introducera symmetrier mellan bosoner och fermioner i den. Den första realistiska versionen av Supersymmetric Standard Model, kallad Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM), föreslogs av Howard Georgi och Savas Dimopoulos 1981. I själva verket är detta samma standardmodell med alla dess symmetrier, men varje partikel har en partner tillsatt vars spin skiljer sig från dess spin med ½, en boson till en fermion och en fermion till en boson.

Därför förblir alla SM-interaktioner på plats, men berikas av växelverkan mellan nya partiklar med gamla och med varandra. Mer komplexa supersymmetriska versioner av SM uppstod också senare. Alla jämför de redan kända partiklarna med samma partner, men de förklarar kränkningarna av supersymmetri på olika sätt.

Partiklar och superpartiklar

Namnen på fermionsuperpartners är konstruerade med prefixet "s" - elektron, smuon, squark. Bosonernas superpartners får ändelsen "ino": foton - photino, gluon - gluino, Z-boson - zino, W-boson - vin, Higgs boson - higgsino.

Spinn för superpartnern för någon partikel (med undantag för Higgs-bosonen) är alltid ½ mindre än dess eget spinn. Följaktligen har partnerna till en elektron, kvarkar och andra fermioner (liksom, naturligtvis, deras antipartiklar) noll spin, medan partnerna till en foton och vektorbosoner med enhetsspinn har hälften. Detta beror på det faktum att antalet tillstånd för en partikel är större, ju större dess spin. Att ersätta subtraktion med addition skulle därför leda till uppkomsten av överflödiga superpartners.

Till vänster finns standardmodellen (SM) av elementarpartiklar: fermioner (kvarkar, leptoner) och bosoner (interaktionsbärare). Till höger finns deras superpartners i den minimala supersymmetriska standardmodellen, MSSM: bosoner (squarks, sleepons) och fermioner (superpartners av kraftbärare). De fem Higgs-bosonerna (markerade med en enda blå symbol i diagrammet) har också sina superpartners, Higgsino-kvintupeln.

Låt oss ta en elektron som exempel. Det kan vara i två tillstånd - i det ena är dess spinn riktad parallellt med momentet, i det andra är det antiparallellt. Ur SM-synpunkt är det olika partiklar, eftersom de inte deltar helt lika i svaga interaktioner. En partikel med enhetsspinn och massa som inte är noll kan existera i tre olika tillstånd (som fysiker säger, den har tre frihetsgrader) och är därför inte lämplig för partner med en elektron. Den enda utvägen är att tilldela en spin-noll superpartner till var och en av elektronens tillstånd och betrakta dessa elektroner som olika partiklar.

Superpartners till bosoner i standardmodellen är något knepigare. Eftersom massan av en foton är lika med noll, har den inte tre, utan två frihetsgrader, även med ett enhetsspin. Därför kan photino, en halvsnurr-superpartner, som precis som en elektron har två frihetsgrader, enkelt tilldelas den. Gluinos visas enligt samma schema. Med Higgs är situationen mer komplicerad. MSSM har två dubbletter av Higgs-bosoner, som motsvarar fyra superpartners - två neutrala och två motsatt laddade Higgsinos. Neutraler blandas på olika sätt med photino och zino och bildar en fyra av fysiskt observerbara partiklar med det vanliga namnet neutralino. Liknande blandningar med ett konstigt namn för det ryska örat chargino (på engelska - chargino) bildar superpartners av positiva och negativa W-bosoner och par av laddade Higgs.

Situationen med neutrinosuperpartners har också sina egna detaljer. Om denna partikel inte hade någon massa, skulle dess spin alltid vara i motsatt riktning av momentum. Därför skulle en masslös neutrino ha en enda skalär partner. Men riktiga neutriner är fortfarande inte masslösa. Det är möjligt att det också finns neutriner med parallella momenta och snurr, men de är väldigt tunga och har ännu inte upptäckts. Om detta är sant, så har varje typ av neutrino sin egen superpartner.

Enligt University of Michigan fysikprofessor Gordon Kane har den mest universella mekanismen för att bryta supersymmetri med gravitation att göra.

Men storleken på dess bidrag till massorna av superpartiklar har ännu inte klarlagts, och teoretikers uppskattningar är motsägelsefulla. Dessutom är han knappast den enda. Således introducerar Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model, NMSSM, ytterligare två Higgs-bosoner som bidrar till massan av superpartiklar (och ökar också antalet neutralinos från fyra till fem). En sådan situation, konstaterar Kane, multiplicerar dramatiskt antalet parametrar som ingår i supersymmetriska teorier.

Även en minimal utbyggnad av standardmodellen kräver ett hundratal ytterligare parametrar. Detta borde inte vara förvånande eftersom alla dessa teorier introducerar många nya partiklar. När mer kompletta och konsekventa modeller dyker upp bör antalet parametrar minska. Så snart detektorerna från Large Hadron Collider fångar superpartiklar, kommer nya modeller inte att låta dig vänta.

Partikelhierarki

Supersymmetriska teorier gör det möjligt att eliminera ett antal svagheter i standardmodellen. Professor Kane lyfter fram gåtan om Higgs-bosonen, som kallas hierarkiproblemet..

Denna partikel får massa under växelverkan med leptoner och kvarkar (precis som de själva får massa när de interagerar med Higgsfältet). I SM representeras bidragen från dessa partiklar av divergerande serier med oändliga summor. Det är sant att bidragen från bosoner och fermioner har olika tecken och kan i princip ta bort varandra nästan helt. En sådan utrotning borde dock vara nästan idealisk, eftersom Higgs-massan nu är känd för att bara vara 125 GeV. Det är inte omöjligt, men högst osannolikt.

För supersymmetriska teorier finns det inget att oroa sig för. Med exakt supersymmetri måste bidragen från vanliga partiklar och deras superpartners fullständigt kompensera varandra. Eftersom supersymmetri är bruten, visar sig kompensationen vara ofullständig, och Higgs-bosonen får en ändlig och, viktigast av allt, beräkningsbar massa. Om massorna av superpartnerna inte är för stora bör det mätas i intervallet ett till tvåhundra GeV, vilket är sant. Som Kane betonar började fysiker ta supersymmetri på allvar när det visade sig lösa hierarkiproblemet.

Möjligheterna med supersymmetri slutar inte där. Det följer av SM att i området med mycket höga energier kombineras de starka, svaga och elektromagnetiska interaktionerna aldrig, även om de har ungefär samma styrka. Och i supersymmetriska modeller vid energier i storleksordningen 1016 GeV sker en sådan förening, och den ser mycket mer naturlig ut. Dessa modeller erbjuder också en lösning på problemet med mörk materia. Superpartiklar under sönderfall ger upphov till både superpartiklar och vanliga partiklar - naturligtvis av mindre massa. Men supersymmetri, i motsats till SM, tillåter det snabba sönderfallet av protonen, vilket, lyckligtvis för oss, faktiskt inte inträffar.

Protonen, och med den hela omvärlden, kan räddas genom att anta att i processer som involverar superpartiklar bevaras R-paritetskvantumtalet, vilket är lika med ett för vanliga partiklar och minus ett för superpartners. I ett sådant fall måste den lättaste superpartikeln vara helt stabil (och elektriskt neutral). Per definition kan det inte sönderfalla till superpartiklar, och bevarandet av R-paritet förbjuder det från att sönderfalla till partiklar. Mörk materia kan bestå av just sådana partiklar som uppstod direkt efter Big Bang och undvek ömsesidig förintelse.

Väntar på experiment

"Strax innan upptäckten av Higgs-bosonen, baserad på M-teorin (den mest avancerade versionen av strängteorin), förutspåddes dess massa med ett fel på bara två procent! säger professor Kane. — Vi beräknade också massorna av elektroner, smuoner och squarks, som visade sig vara för stora för moderna acceleratorer — i storleksordningen flera tiotals TeV. Superpartnerna till fotonen, gluonen och andra gauge bosoner är mycket lättare och har därför en chans att upptäckas vid LHC."

Naturligtvis garanteras inte riktigheten av dessa beräkningar av någonting: M-teori är en delikat sak. Och ändå, är det möjligt att upptäcka spår av superpartiklar på acceleratorer? "Massiva superpartiklar bör sönderfalla direkt efter födseln. Dessa sönderfall sker mot bakgrund av sönderfall av vanliga partiklar, och det är mycket svårt att peka ut dem entydigt”, förklarar Dmitry Kazakov, chefsforskare vid Laboratory of Theoretical Physics vid JINR i Dubna. "Det skulle vara idealiskt om superpartiklar manifesterar sig på ett unikt sätt som inte kan förväxlas med något annat, men teorin förutsäger inte detta.

Man måste analysera många olika processer och leta bland dem efter de som inte helt förklaras av Standardmodellen. Dessa sökningar har hittills misslyckats, men vi har redan gränser för massorna av superpartners. De som deltar i starka interaktioner måste dra minst 1 TeV, medan massorna av andra superpartiklar kan variera mellan tiotals och hundratals GeV.

I november 2012, vid ett symposium i Kyoto, rapporterades resultaten av experiment vid LHC, under vilka det för första gången var möjligt att tillförlitligt registrera ett mycket sällsynt sönderfall av Bs-mesonen till en myon och en antimuon. Dess sannolikhet är cirka tre miljarddelar, vilket stämmer väl överens med SM:s förutsägelser. Eftersom den förväntade sannolikheten för detta sönderfall, beräknat från MSSM, kan vara flera gånger större, har vissa bestämt att supersymmetri är över.

Denna sannolikhet beror dock på flera okända parametrar, som kan ge både ett stort och litet bidrag till det slutliga resultatet, här finns fortfarande en hel del osäkerhet. Därför hände inget hemskt, och ryktena om MSSM:s död är kraftigt överdrivna. Men det betyder inte att hon är oövervinnerlig. LHC:n fungerar ännu inte med full kapacitet, den kommer att nå den först om två år, när protonenergin kommer att höjas till 14 TeV. Och om det då inte finns några manifestationer av superpartiklar, så kommer MSSM med största sannolikhet att dö en naturlig död och tiden kommer för nya supersymmetriska modeller.

Grassmann-tal och supergravitation

Redan före skapandet av MSSM kombinerades supersymmetri med gravitation. Upprepad tillämpning av transformationer som förbinder bosoner och fermioner flyttar partikeln i rum-tid. Detta gör det möjligt att koppla ihop supersymmetrier och deformationer av rum-tidsmetriken, som enligt den allmänna relativitetsteorin är orsaken till gravitationen. När fysiker insåg detta började de bygga supersymmetriska generaliseringar av allmän relativitet, som kallas supergravitation. Detta område av teoretisk fysik utvecklas aktivt nu.
Samtidigt blev det tydligt att supersymmetriska teorier behövde exotiska tal, uppfunna på 1800-talet av den tyske matematikern Hermann Günter Grassmann. De kan adderas och subtraheras som vanligt, men produkten av sådana siffror ändrar tecken när faktorerna arrangeras om (därför är kvadraten och, i allmänhet, eventuell heltalspotens för Grassmann-talet lika med noll). Naturligtvis kan funktioner av sådana tal inte differentieras och integreras enligt standardreglerna för matematisk analys, helt andra metoder behövs. Och lyckligtvis för supersymmetriska teorier har de redan hittats. De uppfanns på 1960-talet av den enastående sovjetiske matematikern från Moscow State University Felix Berezin, som skapade en ny riktning - supermatematik.

Det finns dock en annan strategi som inte är relaterad till LHC. Medan LEP-elektron-positronkollideren verkade vid CERN, letade de efter den lättaste av laddade superpartiklar, vars sönderfall borde ge upphov till de lättaste superpartnerna. Dessa prekursorpartiklar är lättare att upptäcka eftersom de är laddade och den lättaste superpartnern är neutral. Experiment vid LEP har visat att massan av sådana partiklar inte överstiger 104 GeV. Detta är inte mycket, men de är svåra att upptäcka vid LHC på grund av den höga bakgrunden. Därför finns det nu en rörelse för att bygga en superkraftig elektron-positron-kolliderare för deras sökning. Men det här är en väldigt dyr bil, och den kommer definitivt inte att byggas inom kort."

Förslutningar och öppningar

Men enligt professor i teoretisk fysik vid University of Minnesota, Mikhail Shifman, är den uppmätta massan av Higgs-bosonen för stor för MSSM, och denna modell är troligen redan stängd:

"Det är sant att de försöker rädda henne med hjälp av olika överbyggnader, men de är så oeleganta att de har små chanser att lyckas. Det är möjligt att andra tillägg kommer att fungera, men när och hur är fortfarande okänt. Men denna fråga går utöver ren vetenskap. Den nuvarande finansieringen för högenergifysik vilar på hoppet om att upptäcka något riktigt nytt vid LHC. Om detta inte händer kommer finansieringen att skäras ner och det kommer inte att finnas tillräckligt med pengar för att bygga en ny generation acceleratorer, utan vilka denna vetenskap inte kommer att kunna utvecklas på riktigt." Så supersymmetriska teorier visar fortfarande löfte, men de väntar på försöksledarnas dom.