Rivojlanish usullari

Zarrachalar modellari bilan ifodalangan jismoniy tizimlarga misollar. Asosiy o'zaro ta'sirlarning standart modeli. Yopish va ochish

Xoakim Matias boshchiligidagi olimlar guruhi tomonidan yaqinda amalga oshirilgan kashfiyot birinchi marta zamonaviy zarralar fizikasi asosini, ya'ni Standart modelni jiddiy ravishda silkitdi. Tadqiqotchilar ushbu model hisobga olinmagan B-mezon zarrasi parchalanishining nostandart variantini bashorat qilishga muvaffaq bo'lishdi. Bundan tashqari, deyarli darhol ularning taxminlari eksperimental tarzda tasdiqlandi.

Shuni ta'kidlash kerakki, so'nggi yillarda elementar zarrachalarni o'rganish bilan shug'ullanadigan fiziklar bu fan allaqachon hamma uchun tanish bo'lgan Standart model doirasida juda kichik bo'lib qolganligini ko'proq aytishmoqda. Haqiqatan ham, uning doirasida tushuntirish qiyin bo'lgan ko'plab hodisalar allaqachon qayd etilgan. Misol uchun, ushbu model qaysi zarralar qorong'u materiyadan iborat bo'lishi mumkinligini oldindan aytib bera olmaydi, shuningdek, olimlarni uzoq vaqtdan beri qiynab kelayotgan savolga javob bermaydi - nega bizning Koinotimizda antimateriyadan (barion assimetriya) ko'proq materiya bor. Va biz yaqinda yozgan yadrolarning sovuq o'zgarishi jarayonining erzion talqini ham xuddi shu standart modelning "harakati" doirasidan tashqariga chiqadi.

Shunga qaramay, ko'pchilik fiziklar elementar zarrachalarning sirli hayotini tushuntirishning ushbu o'ziga xos usuliga amal qilishadi. Qisman, hozirgacha hech kim yaxshiroq narsani yaratmaganligi sababli, qisman Standart Modelning ko'pgina bashoratlari hali ham eksperimental tasdiqga ega (muqobil farazlar haqida aytish mumkin emas). Bundan tashqari, yaqin vaqtgacha tajribalarda ushbu modeldan jiddiy og'ishlar topilmadi. Biroq, bu uzoq vaqt oldin sodir bo'lmaganga o'xshaydi. Bu zarrachalar fizikasining mutlaqo yangi nazariyasi tug'ilishini anglatishi mumkin, bunda joriy Standart Model xuddi Nyutonning universal tortishish nazariyasi umumiy nisbiylik doirasidagi maxsus tortishish holatiga o'xshab ko'rinadigan maxsus holatga o'xshaydi.

Hammasi Xoakim Matias boshchiligidagi xalqaro fiziklar guruhi B-mezonining parchalanish ehtimolidagi qanday og'ishlar Standart Modeldan ajralib chiqishi va yangi fizikani ko'rsatishi haqida bir nechta bashorat qilishlari bilan boshlandi. Eslatib o‘taman, B-mezon b-kvark va d-antikvarkdan tashkil topgan zarrachadir. Standart Model qoidalariga ko'ra, bu zarracha myuon (manfiy zaryadlangan zarracha, aslida juda og'ir elektron) va antimyuonga aylanishi mumkin, garchi bunday hodisaning ehtimoli unchalik katta bo'lmasa. Biroq, o'tgan yili Kiotoda bo'lib o'tgan konferentsiyada Katta adron kollayderida ishlaydigan fiziklar bunday parchalanish izlarini (va nazariy jihatdan bashorat qilingan ehtimol bilan) qayd etishga muvaffaq bo'lishdi.

Mattias guruhi bu mezon biroz boshqacha parchalanishi kerak, deb hisobladi - bir juft muon va hozirgacha noma'lum K * zarracha, u deyarli darhol kaon va pionga (ikki engilroq mezon) ajraladi. Shunisi e'tiborga loyiqki, olimlar 19 iyul kuni Evropa fizika jamiyati yig'ilishida o'z tadqiqotlari natijalari to'g'risida hisobot berishdi va ushbu tadbirda so'zga chiqqanlardan keyingi ma'ruzachi (bu Katta Adronning LHCb hamkorligidan fizik Nikolas Serra edi. Collider) uning guruhi bunday buzilishlarning izlarini tuzatishga muvaffaq bo'lganligini xabar qildi. Bundan tashqari, Serra guruhining eksperimental natijalari deyarli doktor Mattias va uning hammualliflarining hisobotida bashorat qilingan og'ishlarga to'g'ri keldi!

Qizig'i shundaki, fiziklar bu natijalarni statistik ahamiyatga ega 4,5s bilan baholaydilar, ya'ni tasvirlangan hodisaning ishonchliligi juda va juda yuqori. Shuni eslatib o'tamanki, uchta s ning eksperimental dalillari muhim ahamiyatga ega bo'lgan natijalar, besh s esa yaxshi tasdiqlangan kashfiyot hisoblanadi - bu o'tgan yilgi tajribalar natijalariga berilgan ahamiyatlilik qiymati, nihoyat izlar topilgan. Xiggs bozonining mavjudligi.

Shunga qaramay, doktor Matiasning o'zi hali xulosaga shoshilmaslik kerak deb hisoblaydi. "Ushbu natijalarni tasdiqlash uchun qo'shimcha nazariy tadqiqotlar, shuningdek, yangi o'lchovlar talab qilinadi. Ammo, agar bizning xulosalarimiz haqiqatan ham to'g'ri bo'lsa, biz yangi fizikaning mavjudligini birinchi to'g'ridan-to'g'ri tasdiqlashga duch kelamiz - umumiy nazariyadan ko'ra umumiyroq nazariya. Agar Xiggs bozoni nihoyat standart modeldagi jumboqni yaratishga ruxsat bergan bo‘lsa, bu natijalar yangi jumboqning birinchi qismi bo‘lishi mumkin – ancha katta”, - deydi olim.

standart model elementar zarrachalar tuzilishi va oʻzaro taʼsirining zamonaviy nazariyasi boʻlib, tajribada qayta-qayta tasdiqlangan. Bu nazariya juda oz sonli postulatlarga asoslanadi va elementar zarralar dunyosidagi minglab turli jarayonlarning xossalarini nazariy jihatdan bashorat qilish imkonini beradi. Aksariyat hollarda bu bashoratlar tajriba bilan tasdiqlanadi, ba'zan juda yuqori aniqlik bilan va standart modelning bashoratlari tajribaga zid bo'lgan kamdan-kam holatlar qizg'in munozaralarga sabab bo'ladi.

Standart model - bu elementar zarralar dunyosida ishonchli ma'lum bo'lgan gipotetikni ajratib turadigan chegara. Tajribalarni tavsiflashdagi ajoyib muvaffaqiyatga qaramay, standart modelni elementar zarrachalarning yakuniy nazariyasi deb hisoblash mumkin emas. Fiziklar bunga aminlar u mikrodunyo tuzilishining chuqurroq nazariyasining bir qismi bo'lishi kerak. Bu qanday nazariya ekanligi hali aniq ma'lum emas. Nazariychilar bunday nazariya uchun juda ko'p nomzodlarni ishlab chiqdilar, ammo ularning qaysi biri bizning Koinotimizda paydo bo'lgan haqiqiy vaziyatga mos kelishini faqat tajriba ko'rsatishi kerak. Shuning uchun fiziklar standart modeldan har qanday og'ishlarni, standart model tomonidan bashorat qilinmagan har qanday zarralar, kuchlar yoki ta'sirlarni doimiy ravishda qidirmoqdalar. Olimlar bu hodisalarning barchasini birgalikda "Yangi fizika" deb atashadi; aynan Yangi fizikani izlash va Katta adron kollayderining asosiy vazifasidir.

Standart modelning asosiy komponentlari

Standart modelning ishchi vositasi kvant maydon nazariyasi - yorug'lik tezligiga yaqin tezlikda kvant mexanikasini almashtiradigan nazariyadir. Undagi asosiy ob'ektlar klassik mexanikadagi kabi zarralar emas, kvant mexanikasidagi kabi "zarracha-to'lqinlar" emas, balki kvant maydonlari: elektron, muon, elektromagnit, kvark va boshqalar - "mikrodunyo ob'ektlari" ning har bir navi uchun bittadan.

Vakuum ham, biz alohida zarralar sifatida qabul qiladigan narsalar ham, alohida zarrachalarga aylanib bo'lmaydigan murakkabroq shakllanishlar ham - bularning barchasi maydonlarning turli holatlari sifatida tasvirlangan. Fiziklar "zarracha" so'zini ishlatganda, ular alohida nuqta ob'ektlarini emas, balki maydonlarning ushbu holatlarini anglatadi.

Standart model quyidagi asosiy ingredientlarni o'z ichiga oladi:

Moddaning asosiy "g'ishtlari" to'plami - olti xil lepton va olti turdagi kvark. Bu zarralarning barchasi fermionlarning 1/2 qismini aylantiradi va tabiiy ravishda uch avlodga bo'linadi. Ko'p sonli adronlar - kuchli o'zaro ta'sirda ishtirok etadigan birikma zarralari - turli xil birikmalardagi kvarklardan iborat.
Uch turdagi kuchlar asosiy fermionlar o'rtasida harakat - elektromagnit, zaif va kuchli. Zaif va elektromagnit o'zaro ta'sirlar bir xil ikki tomondir elektr zaif o'zaro ta'sir. Kuchli kuch bir-biridan ajralib turadi va aynan shu kuch kvarklarni adronlarga bog'laydi.
Bu barcha kuchlar asosida tasvirlangan o'lchov printsipi- ular nazariyaga "majburiy" kiritilmagan, balki nazariyaning ma'lum o'zgarishlarga nisbatan simmetrik bo'lishi talabi natijasida o'z-o'zidan paydo bo'lganga o'xshaydi. Simmetriyaning alohida turlari kuchli va elektr zaif o'zaro ta'sirlarni keltirib chiqaradi.
Nazariyaning o'zida elektrozaif simmetriya mavjudligiga qaramay, bizning dunyomizda u o'z-o'zidan buziladi. Elektr zaif simmetriyaning o'z-o'zidan buzilishi- nazariyaning zarur elementi va Standart model doirasida buzilish Xiggs mexanizmi tufayli yuzaga keladi.
uchun raqamli qiymatlar taxminan yigirma konstanta: bular asosiy fermionlarning massalari, ularning kuchini tavsiflovchi o'zaro ta'sirlarning ulanish konstantalarining raqamli qiymatlari va boshqa miqdorlar. Ularning barchasi tajriba bilan taqqoslangan holda bir marta va umuman olinadi va endi keyingi hisob-kitoblarda tuzatilmaydi.

Bundan tashqari, standart model qayta normallashtiriladigan nazariyadir, ya'ni bu elementlarning barchasi unga shunday o'ziga xos tarzda kiritilganki, printsipial ravishda hisob-kitoblarni kerakli darajada aniqlik bilan amalga oshirishga imkon beradi. Biroq, ko'pincha kerakli darajadagi aniqlik bilan hisob-kitoblar chidab bo'lmas darajada murakkab bo'lib chiqadi, ammo bu nazariyaning o'zi emas, balki bizning hisoblash qobiliyatlarimiz muammosi.

Standart model nima qila oladi va nima qila olmaydi

Standart model ko'p jihatdan tavsiflovchi nazariyadir. U "nima uchun" bilan boshlanadigan ko'plab savollarga javob bermaydi: nima uchun zarralar juda ko'p va aynan shular? bu o'zaro ta'sirlar qayerdan kelib chiqqan va aynan shunday xususiyatlar bilan? Nima uchun tabiat fermionlarning uch avlodini yaratishi kerak edi? Nima uchun parametrlarning raqamli qiymatlari aynan bir xil? Bundan tashqari, standart model tabiatda kuzatilgan ba'zi hodisalarni tasvirlay olmaydi. Xususan, unda neytrino massalari va qorong'u materiya zarralari uchun joy yo'q. Standart model tortishish kuchini hisobga olmaydi va tortishish juda muhim bo'lganda, Plank energiya shkalasi bo'yicha bu nazariya bilan nima sodir bo'lishi noma'lum.

Agar standart model o'z maqsadiga muvofiq, elementar zarrachalarning to'qnashuvi natijalarini bashorat qilish uchun ishlatilsa, u muayyan jarayonga qarab, turli darajadagi aniqlik bilan hisob-kitoblarni amalga oshirishga imkon beradi.

Elektromagnit hodisalar (elektronlarning tarqalishi, energiya darajalari) uchun aniqlik millionga yoki undan ham yaxshiroq bo'lishi mumkin. Bu erda rekord elektronning milliarddan biridan yaxshiroq aniqlik bilan hisoblangan anomal magnit momentiga tegishli.
Elektr zaif o'zaro ta'sirlar tufayli davom etadigan ko'plab yuqori energiyali jarayonlar foizdan yaxshiroq aniqlik bilan hisoblanadi.
Eng yomoni, unchalik yuqori bo'lmagan energiyalarda kuchli o'zaro ta'sir. Bunday jarayonlarni hisoblashning aniqligi juda katta farq qiladi: ba'zi hollarda u foizga yetishi mumkin, boshqa hollarda turli nazariy yondashuvlar bir necha marta farq qiladigan javoblarni berishi mumkin.

Shuni ta'kidlash kerakki, ba'zi jarayonlarni kerakli aniqlik bilan hisoblash qiyinligi "nazariya yomon" degani emas. Bu juda murakkab va hozirgi matematik usullar uning barcha oqibatlarini kuzatish uchun hali yetarli emas. Xususan, mashhur matematik Mingyillik muammolaridan biri kvant nazariyasida Abel bo'lmagan o'lchovli o'zaro ta'sir bilan chegaralanish muammosiga tegishli.

Qo'shimcha adabiyotlar:

Xiggs mexanizmi haqidagi asosiy ma'lumotlarni L. B. Okunning "Elementar zarralar fizikasi" (so'zlar va rasmlar darajasida) va "Leptonlar va kvarklar" (jiddiy, ammo mavjud darajada) kitoblarida topish mumkin.

“Biz hayron qolamiz, nega bir guruh iste’dodli va fidoyi insonlar o‘z hayotlarini ko‘zga ko‘rinmaydigan darajada mayda narsalarni quvishga bag‘ishlaydilar? Darhaqiqat, zarrachalar fiziklari darslarida insonning qiziqishi va biz yashayotgan dunyo qanday ishlashini bilish istagi namoyon bo'ladi. ” Shon Kerroll

Agar siz hali ham kvant mexanikasi iborasidan qo'rqsangiz va hali ham standart model nima ekanligini bilmasangiz - mushukka xush kelibsiz. Nashrimda men kvant olamining asoslarini, shuningdek, elementar zarralar fizikasini iloji boricha sodda va aniq tushuntirishga harakat qilaman. Fermionlar va bozonlar o'rtasidagi asosiy farqlar nimada ekanligini, nima uchun kvarklarning bunday g'alati nomlari borligini va nihoyat, nima uchun hamma Xiggs bozonini topishga intilishlarini aniqlashga harakat qilamiz.

Biz nimadan yaratilganmiz?

Xo'sh, biz mikrokosmosga sayohatimizni oddiy savol bilan boshlaymiz: atrofimizdagi narsalar nimadan iborat? Bizning dunyomiz, xuddi uy kabi, ko'plab kichik g'ishtlardan iborat bo'lib, ular o'zgacha tarzda birlashtirilganda, nafaqat tashqi ko'rinishda, balki ularning xususiyatlarida ham yangi narsalarni yaratadi. Darhaqiqat, agar siz ularga diqqat bilan qarasangiz, har xil turdagi bloklar juda ko'p emasligini ko'rishingiz mumkin, shunchaki ular har safar bir-biriga turli yo'llar bilan bog'lanib, yangi shakl va hodisalarni hosil qiladi. Har bir blok bo'linmas elementar zarrachadir, bu mening hikoyamda muhokama qilinadi.

Masalan, qandaydir moddani olaylik, u Mendeleyev davriy tizimining ikkinchi elementi, inert gaz, geliy. Olamdagi boshqa moddalar singari geliy ham molekulalardan iborat bo‘lib, ular o‘z navbatida atomlar orasidagi bog‘lanish natijasida hosil bo‘ladi. Ammo bu holda, biz uchun geliy biroz o'ziga xosdir, chunki u faqat bitta atomdir.

Atom nimadan iborat?

Geliy atomi, o'z navbatida, atom yadrosini tashkil etuvchi ikkita neytron va ikkita protondan iborat bo'lib, uning atrofida ikkita elektron aylanadi. Eng qizig'i shundaki, bu erda mutlaqo bo'linmaydigan yagona narsa elektron.

Kvant dunyosining qiziqarli lahzasi

Qanday Kamroq elementar zarrachaning massasi, Ko'proq u joy egallaydi. Aynan shuning uchun ham protondan 2000 marta engil bo'lgan elektronlar atom yadrosidan ancha ko'p joy egallaydi.

Neytronlar va protonlar deb ataladigan guruhga kiradi hadronlar(kuchli o'zaro ta'sirga uchragan zarralar) va aniqrog'i, barionlar.

Adronlarni guruhlarga bo'lish mumkin
Uch kvarkdan tashkil topgan barionlar

Juftlikdan tashkil topgan mezonlar: zarracha-antizarracha

Neytron, uning nomidan ko'rinib turibdiki, neytral zaryadlangan bo'lib, uni ikkita pastga va bitta yuqori kvarkka bo'lish mumkin. Proton, musbat zaryadlangan zarracha, bitta pastga va ikkita yuqoriga kvarkga bo'linadi.

Ha, ha, men hazillashmayman, ular haqiqatan ham yuqori va pastki deb ataladi. Agar biz yuqori va pastki kvarklarni, hatto elektronni ham kashf qilsak, ularning yordami bilan butun olamni tasvirlab bera oladigan bo'lardik. Ammo bu bayonot haqiqatdan juda uzoq bo'lar edi.

Asosiy muammo shundaki, zarralar qandaydir tarzda bir-biri bilan o'zaro ta'sir qilishi kerak. Agar dunyo faqat shu uchlikdan (neytron, proton va elektron) iborat bo'lsa, unda zarralar fazoning ulkan kengliklarida shunchaki uchib o'tadi va hech qachon adronlar kabi kattaroq shakllanishlarga to'planmas edi.

Fermionlar va bozonlar

Ancha vaqt oldin olimlar standart model deb ataladigan elementar zarrachalarni tasvirlashning qulay va ixcham shaklini ixtiro qildilar. Ma'lum bo'lishicha, barcha elementar zarralar bo'linadi fermionlar, undan barcha materiya tashkil topgan va bozonlar fermionlar o'rtasida har xil turdagi o'zaro ta'sirlarni amalga oshiradi.

Bu guruhlar orasidagi farq juda aniq. Gap shundaki, kvant olami qonunlariga ko'ra, fermionlarga yashash uchun ma'lum bo'sh joy kerak bo'ladi, ularning hamkasblari bozonlar esa trillionlab bir-birining ustiga osongina yashashi mumkin.

Fermionlar

Fermionlar guruhi, yuqorida aytib o'tilganidek, atrofimizdagi ko'rinadigan materiyani yaratadi. Biz ko'rgan narsamiz, qayerda bo'lmasin, fermionlar tomonidan yaratilgan. Fermionlar ga bo'linadi kvarklar, ular bir-biri bilan kuchli o'zaro ta'sir qiladi va hadronlar kabi murakkabroq zarralar ichida ushlanib qoladi va leptonlar, ular hamkasblaridan mustaqil ravishda kosmosda erkin mavjud.

Kvarklar ikki guruhga bo‘linadi.

Yuqori tur. +23 zaryadli yuqori kvarklarga quyidagilar kiradi: yuqori, jozibali va haqiqiy kvarklar
Pastki tur. Zaryadlari -13 bo'lgan past tipli kvarklarga quyidagilar kiradi: past, g'alati va jozibali kvarklar

Haqiqiy va yoqimli kvarklar eng katta, yuqoriga va pastga esa eng kichikdir. Nega kvarklarga bunday noodatiy nomlar, to‘g‘rirog‘i, “lazzatlar” berilgani hali ham olimlarning bahs mavzusi bo‘lib qolmoqda.

Leptonlar ham ikki guruhga bo‘linadi.

"-1" zaryadli birinchi guruhga quyidagilar kiradi: elektron, muon (og'irroq zarracha) va tau zarrasi (eng massiv).
Neytral zaryadli ikkinchi guruhga quyidagilar kiradi: elektron neytrino, muon neytrino va tau neytrino

Neytrino materiyaning kichik zarrasi bo'lib, uni aniqlash deyarli mumkin emas. Uning zaryadi har doim 0 ga teng.

Fiziklar avvalgilaridan ham massivroq bo'lgan yana bir necha avlod zarrachalarini topadilarmi, degan savol tug'iladi. Bunga javob berish qiyin, ammo nazariyotchilar leptonlar va kvarklarning avlodlari uchta bilan cheklangan deb hisoblashadi.

Hech qanday o'xshashlik topmayapsizmi? Kvarklar ham, leptonlar ham ikkita guruhga bo'linadi, ular birlik uchun zaryad bo'yicha bir-biridan farq qiladi? Ammo bu haqda keyinroq ...

Bozonlar

Ularsiz fermionlar koinot atrofida uzluksiz oqimda uchib yurishardi. Ammo bozonlarni almashish, fermionlar bir-biriga qandaydir o'zaro ta'sirni bildiradi. Bozonlarning o'zlari bir-biri bilan o'zaro ta'sir qilmaydi.

Bozonlarning o'zaro ta'siri:

elektromagnit, zarralar - fotonlar. Bu massasiz zarralar yorug'likni o'tkazadi.
kuchli yadro, zarralar glyuonlardir. Ularning yordami bilan atom yadrosidagi kvarklar alohida zarrachalarga parchalanmaydi.
Zaif yadro, zarralar - W va Z bozonlari. Ularning yordami bilan fermionlar massa, energiya bilan uzatiladi va bir-biriga aylanishi mumkin.
gravitatsion , zarralar - gravitonlar. Mikrokosmos miqyosida juda zaif kuch. Faqat supermassiv jismlarda ko'rinadigan bo'ladi.

Gravitatsion o'zaro ta'sir haqida rezervatsiya.
Gravitonlar mavjudligi hali eksperimental ravishda tasdiqlanmagan. Ular faqat nazariy versiya shaklida mavjud. Standart modelda ko'p hollarda ular hisobga olinmaydi.

Hammasi shunday, standart model yig'ilgan.

Muammo endigina boshlandi

Diagrammadagi zarrachalarning juda chiroyli ko'rinishiga qaramay, ikkita savol qolmoqda. Zarrachalar massasini qayerdan oladi va nima Xiggs bozoni, bu boshqa bozonlardan ajralib turadi.

Xiggs bozonidan foydalanish g'oyasini tushunish uchun biz kvant maydon nazariyasiga murojaat qilishimiz kerak. Oddiy so'zlar bilan aytganda, butun dunyo, butun olam eng kichik zarralardan emas, balki juda ko'p turli xil maydonlardan iborat: glyuon, kvark, elektron, elektromagnit va boshqalar. Bu sohalarning barchasida doimo engil tebranishlar sodir bo'ladi. Ammo biz ularning eng kuchlisini elementar zarralar sifatida qabul qilamiz. Ha, va bu tezis juda ziddiyatli. Korpuskulyar-to'lqinli dualizm nuqtai nazaridan, mikrokosmosning bir xil ob'ekti turli vaziyatlarda o'zini to'lqin kabi, ba'zan esa elementar zarracha kabi tutadi, bu faqat jarayonni kuzatuvchi fizik uchun vaziyatni modellashtirish qanchalik qulayroq ekanligiga bog'liq. .

Xiggs maydoni

Ma'lum bo'lishicha, Xiggs maydoni deb ataladigan maydon mavjud bo'lib, uning o'rtacha ko'rsatkichi nolga borishni xohlamaydi. Natijada, bu maydon butun Koinotda nolga teng bo'lmagan doimiy qiymatni olishga harakat qiladi. Maydon hamma joyda va doimiy fonni tashkil qiladi, buning natijasida kuchli tebranishlar natijasida Xiggs bozoni paydo bo'ladi.
Va aynan Xiggs maydoni tufayli zarralar massaga ega bo'ladi.
Elementar zarrachaning massasi uning Xiggs maydoni bilan qanchalik kuchli ta'sir qilishiga bog'liq uning ichida doimo uchib yuradi.
Va aynan Xiggs bozoni tufayli, aniqrog'i, uning maydoni tufayli, standart model juda ko'p o'xshash zarrachalar guruhlariga ega. Xiggs maydoni ko'plab qo'shimcha zarralarni, masalan, neytrinolarni yaratishga majbur qildi.

Natijalar

Menga aytilgan narsa standart modelning tabiati va nima uchun bizga Xiggs Bozoni kerakligini eng yuzaki tushunishdir. Ba'zi olimlar hali ham 2012 yilda LHCda Xiggs bozoniga o'xshab ko'rinadigan zarracha shunchaki statistik xato bo'lganiga chuqur umid qilishmoqda. Axir, Xiggs maydoni tabiatning ko'plab go'zal simmetriyalarini buzadi, bu fiziklarning hisob-kitoblarini yanada chalkashtirib yuboradi.
Ba'zilar hatto standart model nomukammalligi tufayli o'zining so'nggi yillarini yashayotganiga ishonishadi. Ammo bu tajribada isbotlanmagan va elementar zarralarning standart modeli inson tafakkuri dahosining haqiqiy namunasi bo'lib qolmoqda.

Zarrachalar fizikasining zamonaviy tushunchasi deb ataladigan narsada mavjud standart model . Zarrachalar fizikasining standart modeli (SM) kvant elektrodinamika, kvant xromodinamikasi va kvark-parton modeliga asoslanadi.
Kvant elektrodinamika (QED) - yuqori aniqlik nazariyasi - elektromagnit kuchlar ta'sirida sodir bo'ladigan jarayonlarni tavsiflaydi, ular yuqori aniqlik bilan o'rganiladi.
Kuchli o'zaro ta'sir jarayonlarini tavsiflovchi kvant xromodinamikasi (QCD) QED bilan o'xshashlik bilan qurilgan, lekin ko'proq darajada yarim empirik modeldir.
Kvark-parton modeli zarrachalarning xossalari va ularning oʻzaro taʼsirini oʻrganishning nazariy va eksperimental natijalarini birlashtiradi.
Hozircha standart modeldan chetga chiqishlar aniqlanmagan.
Standart modelning asosiy mazmuni 1, 2, 3-jadvallarda keltirilgan. Moddaning tarkibiy qismlari asosiy fermionlarning uch avlodi (I, II, III) bo'lib, ularning xususiyatlari jadvalda keltirilgan. 1. Fundamental bozonlar - o'zaro ta'sir tashuvchilar (2-jadval), Feynman diagrammasi yordamida tasvirlanishi mumkin (1-rasm).

1-jadval: Fermionlar - (ћ birliklarida yarim butun spin) moddaning tarkibiy qismlari

	Leptonlar, spin = 1/2			Kvarklar, spin = 1/2
	Xushbo'y hid	Og'irligi, GeV/s 2	Elektr zaryad, e	Xushbo'y hid	Og'irligi, GeV/s 2	Elektr zaryad, e
I	v e	< 7·10 -9	0	u, yuqoriga	0.005	2/3
I	e, elektron	0.000511	-1	d, pastga	0.01	-1/3
II	ν μ	< 0.0003	0	c, joziba	1.5	2/3
II	m, muon	0.106	-1	s, g'alati	0.2	-1/3
III	ν τ	< 0.03	0	t, tepada	170	2/3
III	t, tau	1.7771	-1	b, pastki	4.7	-1/3

2-jadval: Bozonlar - o'zaro ta'sir tashuvchilar (spin = 0, 1, 2 ... ћ birliklarida)

tashuvchilar o'zaro ta'sirlar	Og'irligi, GeV/s2	Elektr zaryad, e
Electrowweak o'zaro ta'siri
g, foton, spin = 1	0	0
W - , spin = 1	80.22	-1
W + , spin = 1	80.22	+1
Z 0, spin = 1	91.187	0
Kuchli (rangli) o'zaro ta'sir
5, glyuonlar, spin = 1	0	0
Ochilmagan bozonlar
H 0, Xiggs, spin = 0	> 100	0
G, graviton, spin = 2	?	0

3-jadval: Asosiy o'zaro ta'sirlarning qiyosiy tavsiflari

O'zaro ta'sirning kuchi kuchliga nisbatan ko'rsatiladi.

Guruch. 1: Feynman diagrammasi: A + B = C + D, a o'zaro ta'sir konstantasi, Q 2 = -t - 4-momentum A zarraning to'rt turdagi o'zaro ta'sirlardan biri natijasida B zarrachaga o'tishi.

1.1 Standart model asoslari

Adronlar kvark va glyuonlardan (partonlar) tashkil topgan. Kvarklar spini 1/2 va massasi m 0 bo'lgan fermionlardir; glyuonlar - spini 1 va massasi m = 0 bo'lgan bozonlar.
Kvarklar ikki turga bo'linadi: lazzat va rang. Kvarklarning 6 ta ta'mi va har bir kvark uchun 3 ta rang mavjud.
Lazzat kuchli o'zaro ta'sirlarda saqlanib qolgan xususiyatdir.
Glyuon ikki rangdan iborat - rang va antikolor va uning uchun boshqa barcha kvant raqamlari nolga teng. Glyuon chiqarilganda, kvark rangini o'zgartiradi, ammo ta'mi emas. Hammasi bo'lib 8 ta glyuon mavjud.
QCD dagi elementar jarayonlar QEDga o'xshashlik bo'yicha tuzilgan: kvark tomonidan glyuonning bremsstrahlunglanishi, glyuon tomonidan kvark-antikvark juftlarini ishlab chiqarish. Glyuon tomonidan glyuon ishlab chiqarish jarayoni QEDda o'xshashi yo'q.
Statik gluon maydoni cheksizlikda nolga moyil emas, ya'ni. bunday maydonning umumiy energiyasi cheksizdir. Shunday qilib, kvarklar adronlardan uchib chiqa olmaydi, qamoqqa olish sodir bo'ladi.
Ikki noodatiy xususiyatga ega bo'lgan kvarklar o'rtasida jozibador kuchlar ta'sir qiladi: a) juda kichik masofalarda asimptotik erkinlik va b) infraqizil tutqich - chegaralanish, chunki o'zaro ta'sirning potentsial energiyasi V(r) kvarklar orasidagi masofa ortishi bilan cheksiz o'sib boradi. , V(r ) = -a s /r + ær, a s va æ doimiydir.
Kvark-kvark o'zaro ta'siri qo'shimcha emas.
Faqat rangli singllar erkin zarralar sifatida mavjud bo'lishi mumkin:
mezon singleti, buning uchun to'lqin funksiyasi bilan berilgan

va to‘lqin funksiyali baryon singl

bu erda R - qizil, B - ko'k, G - yashil.

Har xil massaga ega bo'lgan oqim va tarkibiy kvarklar mavjud.
Adronlarni tashkil etuvchi kvarklar o'rtasida bitta glyuon almashinuvi bilan A + B = C + X jarayonining kesmalari quyidagicha yoziladi:

ŝ = x a x b s, = x a t/x c.

a, b, c, d belgilari kvarklarni va ular bilan bog'liq o'zgaruvchilarni, A, V, S belgilari adronlarni, ŝ, , , kvarklarga bog'liq miqdorlarni bildiradi, a kvarklarning adronda (yoki mos ravishda) taqsimlanish funktsiyasini bildiradi. - adron Bdagi kvarklar b), kvark c ning C adronlarga bo'linish funksiyasi, d/dt - o'zaro ta'sirning elementar kesma qq.

1.2 Standart modeldan chetlanishlarni izlash

Tezlashtirilgan zarrachalarning mavjud energiyalarida QCD ning barcha qoidalari va undan ham ko'proq QED yaxshi saqlanadi. Yuqori zarrachalar energiyalari bilan rejalashtirilgan tajribalarda standart modeldan chetlanishlarni topish asosiy vazifalardan biridir.
Yuqori energiya fizikasining keyingi rivojlanishi quyidagi muammolarni hal qilish bilan bog'liq:

Standart modelda qabul qilinganidan farqli tuzilishga ega ekzotik zarralarni qidiring.
Neytrino tebranishlari n m ↔ n t va neytrino massasining tegishli masalasini (n m ≠ 0) qidiring.
Hayoti t exp > 10 33 yil deb hisoblangan protonning parchalanishini qidiring.
Asosiy zarrachalarning tuzilishini qidirish (masofalarda iplar, preonlar d< 10 -16 см).
Dekonfinatsiyalangan adronik moddalarni aniqlash (kvark-glyuon plazmasi).
Neytral K-mezonlar, D-mezonlar va B-zarrachalarning parchalanishida CP buzilishini o'rganish.
Qorong'u materiyaning tabiatini o'rganish.
Vakuum tarkibini o'rganish.
Xiggs bozonini qidiring.
Supersimmetrik zarralarni qidirish.

1.3 Standart modelning hal qilinmagan savollari

Asosiy fizik nazariya, elementar zarralarning (kvarklar va leptonlar) elektromagnit, kuchsiz va kuchli o'zaro ta'sirining standart modeli XX asr fizikasining umume'tirof etilgan yutug'idir. U mikrodunyo fizikasida ma'lum bo'lgan barcha eksperimental faktlarni tushuntiradi. Biroq, standart model javob bermaydigan bir qator savollar mavjud.

Elektr zaif o'lchagichning o'zgarmasligini o'z-o'zidan buzish mexanizmining tabiati noma'lum.

W ± - va Z 0 -bozonlar uchun massalar mavjudligini tushuntirish asosiy holatga ega bo'lgan vakuumli, ya'ni o'lchov o'zgarishlariga nisbatan o'zgarmas bo'lgan skalyar maydonlar nazariyasiga kiritishni talab qiladi.
Buning oqibati yangi skalyar zarracha - Xiggs bozonining paydo bo'lishidir.

SM kvant sonlarining tabiatini tushuntirmaydi.

Zaryadlar (elektr; barion; lepton: Le, L m , L t : rangi: ko‘k, qizil, yashil) nima va ular nima uchun kvantlangan?
Nima uchun asosiy fermionlarning 3 avlodi (I, II, III) mavjud?

SM gravitatsiyani o'z ichiga olmaydi, shuning uchun tortishish kuchini SMga kiritish usuli mikrodunyo fazosida qo'shimcha o'lchamlarning mavjudligi haqidagi yangi gipotezadir.
Nima uchun asosiy Plank shkalasi (M ~ 10 19 GeV) elektrozaif o'zaro ta'sirlarning asosiy shkalasidan (M ~ 10 2 GeV) juda uzoqda ekanligi haqida hech qanday izoh yo'q.

Hozirgi vaqtda ushbu muammolarni hal qilishning bir yo'li mavjud. Bu asosiy zarrachalar tuzilishining yangi g'oyasini ishlab chiqishdan iborat. Asosiy zarralar odatda "torlar" deb ataladigan ob'ektlar deb taxmin qilinadi. Satrlarning xususiyatlari zarrachalar fizikasi va astrofizikada sodir bo'ladigan hodisalar o'rtasida bog'liqlikni o'rnatishga da'vo qiladigan tez rivojlanayotgan Superstring modelida ko'rib chiqiladi. Bu bog'liqlik yangi fanning - elementar zarralar kosmologiyasining shakllanishiga olib keldi.

Elementar zarrachalarning standart modeli 20-asrning ikkinchi yarmida fizikaning eng katta yutug'i hisoblanadi. Ammo undan keyin nima bor?

Oʻlchov simmetriyasiga asoslangan elementar zarrachalarning standart modeli (SM) Myurrey Gell-Mann, Sheldon Glashov, Stiven Vaynberg, Abdus Salam va ajoyib olimlarning butun galaktikasining ajoyib ijodidir. SM zamonaviy tezlatgichlarda o'rganilishi mumkin bo'lgan 10−17 m (proton diametrining 1%) masofadagi kvarklar va leptonlar o'rtasidagi o'zaro ta'sirni mukammal tasvirlaydi. Biroq, u 10-18 m masofada allaqachon sirpanishni boshlaydi va bundan ham ko'proq 10-35 m gacha bo'lgan Plank shkalasiga ko'tarilishni ta'minlamaydi.

Aynan shu erda barcha asosiy o'zaro ta'sirlar kvant birligida birlashadi, deb ishoniladi. SM qachonlardir to'liqroq nazariya bilan almashtiriladi, bu, ehtimol, oxirgi va yakuniy bo'lmaydi. Olimlar standart modelning o‘rnini bosuvchi vositani topishga harakat qilishmoqda. Ko'pchilik, SM asosini tashkil etuvchi simmetriyalar ro'yxatini kengaytirish orqali yangi nazariya yaratilishiga ishonishadi. Ushbu muammoni hal qilishning eng istiqbolli yondashuvlaridan biri nafaqat SM muammolari bilan bog'liq, balki uni yaratishdan oldin ham qo'yilgan.

Fermi-Dirak statistikasiga bo'ysunuvchi zarralar (yarim butun spinli fermionlar) va Bose-Eynshteyn (butun spinli bozonlar). Energiya qudug'ida barcha bozonlar bir xil quyi energiya darajasini egallab, Bose-Eynshteyn kondensatini hosil qilishi mumkin. Fermionlar esa Pauli istisno printsipiga bo'ysunadilar va shuning uchun kvant sonlari bir xil bo'lgan ikkita zarracha (xususan, bir yo'nalishli spinlar) bir xil energiya darajasini egallay olmaydi.

Qarama-qarshiliklar aralashmasi

1960-yillarning oxirida FIAN nazariy bo'limining katta ilmiy xodimi Yuriy Golfand o'zining aspiranti Evgeniy Lixtmanga maxsus nisbiylik nazariyasining to'rt o'lchovli fazo-vaqt simmetriyalarini (Minkovskiy fazosi) tasvirlash uchun ishlatiladigan matematik apparatni umumlashtirishni taklif qildi.

Lixtman bu simmetriyalarni nolga teng bo'lmagan spinli kvant maydonlarining ichki simmetriyalari bilan birlashtirish mumkinligini aniqladi. Bunday holda, butun va yarim butun spinga ega (boshqacha aytganda, bozonlar va fermionlar) bir xil massaga ega zarralarni birlashtiruvchi oilalar (ko'plik) hosil bo'ladi. Bu ham yangi, ham tushunarsiz edi, chunki ikkalasi ham kvant statistikasining har xil turlariga bo'ysunadi. Bozonlar bir xil holatda to'planishi mumkin va fermionlar Pauli printsipiga amal qiladilar, bu hatto bunday turdagi juftliklarni ham qat'iy taqiqlaydi. Shu sababli, bozonik-fermion multipletlarining paydo bo'lishi haqiqiy fizikaga hech qanday aloqasi bo'lmagan matematik ekzotizmga o'xshardi. Bu FIANda shunday qabul qilindi. Keyinchalik Andrey Saxarov o'zining "Xotiralarida" bozon va fermionlarning birlashishini ajoyib g'oya deb atagan, ammo o'sha paytda bu unga qiziq tuyulmagan.

Standartdan tashqari

SM chegaralari qayerda? "Standart model yuqori energiyali tezlatgichlarda olingan deyarli barcha ma'lumotlarga mos keladi. - deya tushuntiradi Rossiya Fanlar akademiyasi Yadro tadqiqotlari instituti yetakchi ilmiy xodimi Sergey Troitskiy. "Biroq, ikkita turdagi neytrinolarda va, ehtimol, uchtasida ham massa mavjudligidan dalolat beruvchi tajribalar natijalari uning doirasiga to'liq mos kelmaydi. Bu haqiqat SM kengaytirilishi kerakligini anglatadi va qaysi biri, albatta, hech kim bilmaydi. Astrofizik ma'lumotlar ham SM ning to'liq emasligini ko'rsatadi. Koinot massasining beshdan biridan ko'prog'ini tashkil etuvchi qorong'u materiya SM ga to'g'ri kelmaydigan og'ir zarralardan iborat. Aytgancha, bu materiyani qorong'i emas, balki shaffof deb atash to'g'riroq bo'ladi, chunki u nafaqat yorug'lik chiqarmaydi, balki uni o'ziga singdirmaydi. Bundan tashqari, SM kuzatilishi mumkin bo'lgan koinotda antimateriyaning deyarli yo'qligini tushuntirmaydi.
Bundan tashqari, estetik e'tirozlar mavjud. Sergey Troitskiy ta'kidlaganidek, SM juda xunuk. U eksperiment orqali aniqlanadigan va sog'lom fikr nuqtai nazaridan juda ekzotik qiymatlarni qabul qiladigan 19 ta raqamli parametrlarni o'z ichiga oladi. Masalan, elementar zarrachalarning massalari uchun mas'ul bo'lgan Xiggs maydonining o'rtacha vakuumi 240 GeV ni tashkil qiladi. Nima uchun bu parametr gravitatsiyaviy o'zaro ta'sirni aniqlaydigan parametrdan 1017 marta kamroq ekanligi aniq emas. Men bu munosabatlarni ba'zi umumiy tamoyillardan aniqlashga imkon beradigan to'liqroq nazariyaga ega bo'lishni xohlayman.
Shuningdek, SM proton va neytronlarni tashkil etuvchi eng engil kvarklarning massalari bilan 170 GeV dan oshadigan yuqori kvarkning massasi o'rtasidagi ulkan farqni tushuntirmaydi (boshqa barcha jihatlarda u u-kvarkdan farq qilmaydi). , bu deyarli 10 000 marta engilroq). Bunday har xil massaga ega bo'lgan bir xil ko'rinadigan zarralar qayerdan kelgani hali ham noma'lum.

Lixtman 1971 yilda nomzodlik dissertatsiyasini himoya qildi, keyin VINITIga o'tdi va nazariy fizikadan deyarli voz kechdi. Golfand FIAN dan ishdan bo'shatilganligi sababli ishdan bo'shatildi va uzoq vaqt davomida ish topa olmadi. Biroq, Ukraina fizika-texnika instituti xodimlari Dmitriy Volkov va Vladimir Akulov ham bozonlar va fermionlar o'rtasidagi simmetriyani aniqladilar va hatto undan neytrinolarni tasvirlashda ham foydalanishdi. To'g'ri, o'sha paytda na moskvaliklar, na xarkovliklar hech qanday muvaffaqiyatga erisha olishmadi. Faqat 1989 yilda Golfand va Lixtman I.E. Tamm. 2009 yilda Vladimir Akulov (hozirda Nyu-York shahar universiteti texnik kollejida fizika fanidan o'qituvchi) va Dmitriy Volkov (vafotidan keyin) ilmiy tadqiqotlar uchun Ukraina Milliy mukofotiga sazovor bo'lishdi.

Standart modelning elementar zarralari statistik ma'lumotlar turiga ko'ra bozon va fermionlarga bo'linadi. Kompozit zarrachalar - adronlar Bose-Eynshteyn statistikasiga (mezonlar - kaonlar, pionlar kiradi) yoki Fermi-Dirak statistikasiga (barionlar - protonlar, neytronlar) bo'ysunishi mumkin.

Supersimmetriyaning tug'ilishi

G'arbda bosonik va fermionik holatlarning aralashmalari dastlab yangi paydo bo'lgan nazariyada paydo bo'ldi, ular elementar zarralarni nuqta ob'ektlari sifatida emas, balki bir o'lchovli kvant satrlarining tebranishlari sifatida ifodalaydi.

1971 yilda har bir bozonik tipdagi tebranish uning juftlashgan fermion tebranishi bilan birlashtirilgan model qurilgan. To'g'ri, bu model Minkovskiyning to'rt o'lchovli fazosida emas, balki simlar nazariyalarining ikki o'lchovli fazo-vaqtida ishlagan. Biroq, 1973 yilda avstriyalik Yuliy Vess va italiyalik Bruno Zumino CERN ga bitta bozon va bitta fermionli to'rt o'lchovli supersimmetrik model haqida xabar berishdi (va bir yildan keyin maqola chop etishdi). U elementar zarralarni tasvirlashni da'vo qilmadi, lekin supersimmetriya imkoniyatlarini aniq va nihoyatda jismoniy misolda ko'rsatdi. Ko'p o'tmay, xuddi shu olimlar o'zlari kashf etgan simmetriya Golfand va Lixtman simmetriyasining kengaytirilgan versiyasi ekanligini isbotladilar. Shunday qilib, uch yil ichida Minkovskiy fazosidagi supersimmetriya uch juft fizik tomonidan mustaqil ravishda kashf etilgani ma'lum bo'ldi.

Uess va Zuminoning natijalari bozon-fermion aralashmalari bilan nazariyalarni ishlab chiqishga turtki bo'ldi. Ushbu nazariyalar o'lchov simmetriyalarini fazo-vaqt simmetriyalari bilan bog'laganligi sababli, ular supergauge, keyin esa supersimmetrik deb atalgan. Ular ko'plab zarralar mavjudligini bashorat qilishadi, ularning hech biri hali kashf etilmagan. Shunday qilib, haqiqiy dunyoning supersimmetriyasi hali ham farazdir. Ammo u mavjud bo'lsa ham, u qat'iy bo'lishi mumkin emas, aks holda elektronlar bosonik qarindoshlarni osongina aniqlash mumkin bo'lgan bir xil massa bilan zaryad qilgan bo'lar edi. Ma'lum bo'lgan zarralarning supersimmetrik sheriklari nihoyatda massiv ekanligini taxmin qilish kerak va bu faqat supersimmetriya buzilgan taqdirdagina mumkin.

Supersimmetrik mafkura 1970-yillarning o'rtalarida, Standart Model allaqachon mavjud bo'lgan paytda kuchga kirdi. Tabiiyki, fiziklar uning supersimmetrik kengaytmalarini qurishni, boshqacha aytganda, unga bozonlar va fermionlar orasidagi simmetriyalarni kiritishni boshladilar. Minimal supersimmetrik standart model (MSSM) deb nomlangan supersimmetrik standart modelning birinchi real versiyasi 1981 yilda Govard Georgi va Savas Dimopulos tomonidan taklif qilingan. Aslida, bu barcha simmetriyalari bilan bir xil standart model, lekin har bir zarrachaga qo'shilgan sherik bor, uning spini spinidan ½ ga, bozondan fermiyondan va fermiondan bozondan farq qiladi.

Shu sababli, barcha SM o'zaro ta'sirlari o'z joyida qoladi, lekin yangi zarrachalarning eski va bir-biri bilan o'zaro ta'siri bilan boyitiladi. SM ning yanada murakkab supersimmetrik versiyalari ham keyinroq paydo bo'ldi. Ularning barchasi allaqachon ma'lum bo'lgan zarralarni bir xil sheriklar bilan taqqoslaydi, lekin ular supersimmetriyaning buzilishini turli yo'llar bilan tushuntiradilar.

Zarrachalar va super zarralar

Fermion superpartnerlarining nomlari "s" prefiksi - elektron, smuon, squark yordamida tuzilgan. Bozonlarning superpartnyorlari “ino” oxirini oladilar: foton – fotino, glyuon – gluino, Z-bozon – zino, W-bozon – vino, Higgs bozoni – higgsino.

Har qanday zarrachaning super sherigining spini (Xiggs bozonidan tashqari) har doim o'z spinidan ½ kam. Binobarin, elektron, kvark va boshqa fermionlarning sheriklari (shuningdek, albatta, ularning antizarralari) spini nolga teng, foton va vektor bozonlarining birlik spinli sheriklari esa yarmiga ega. Buning sababi shundaki, zarrachaning holatlar soni qancha ko'p bo'lsa, uning spini shunchalik katta bo'ladi. Shuning uchun ayirishni qo'shish bilan almashtirish ortiqcha superpartnerlarning paydo bo'lishiga olib keladi.

Chap tomonda elementar zarrachalarning standart modeli (SM) joylashgan: fermionlar (kvarklar, leptonlar) va bozonlar (o'zaro ta'sir tashuvchilar). O'ng tomonda ularning Minimal Supersimmetrik standart modelidagi super hamkorlari, MSSM: bozonlar (skvarklar, uyqular) va fermionlar (kuch tashuvchilarning super hamkorlari). Beshta Xiggs bozonlari (diagrammada bitta ko'k belgi bilan belgilangan) ham o'zlarining super hamkorlari, Xiggsino beshligi bor.

Misol tariqasida elektronni olaylik. U ikkita holatda bo'lishi mumkin - birida uning spini impulsga parallel ravishda yo'naltiriladi, ikkinchisida u antiparalleldir. SM nuqtai nazaridan, bu turli xil zarralardir, chunki ular zaif o'zaro ta'sirlarda teng darajada qatnashmaydi. Spin birligi va massasi nolga teng bo'lmagan zarracha uch xil holatda bo'lishi mumkin (fiziklar aytganidek, u uch erkinlik darajasiga ega) va shuning uchun elektronga ega bo'lgan sheriklar uchun mos emas. Yagona yo'l - elektronning har bir holatiga bitta spin-nol superpartnerni belgilash va bu elektronlarni turli zarralar deb hisoblash.

Standart modeldagi bozonlarning super hamkorlari biroz hiyla-nayrang. Fotonning massasi nolga teng bo'lganligi sababli, birlik spin bilan ham u uch emas, balki ikki erkinlik darajasiga ega. Shuning uchun, elektronga o'xshab, ikki erkinlik darajasiga ega bo'lgan yarim spinli super sherik bo'lgan photino, unga osongina tayinlanishi mumkin. Xuddi shu sxema bo'yicha glyuinolar paydo bo'ladi. Xiggs bilan vaziyat yanada murakkab. MSSM ikkita dubletli Xiggs bozoniga ega, ular to'rtta super hamkorga mos keladi - ikkita neytral va ikkita qarama-qarshi zaryadlangan Higgsinos. Neytrallar turli yo'llar bilan fotino va zino bilan aralashadi va umumiy nomi neytralino bo'lgan jismoniy kuzatilishi mumkin bo'lgan to'rtta zarrachani hosil qiladi. Rus qulog'i uchun g'alati bo'lgan chargino nomi bilan o'xshash aralashmalar (ingliz tilida - chargino) musbat va salbiy W-bozonlari va zaryadlangan Higgs juftlarining super hamkorlarini hosil qiladi.

Neytrino supersheriklari bilan bog'liq vaziyat ham o'ziga xos xususiyatlarga ega. Agar bu zarraning massasi bo'lmasa, uning spini doimo impulsning teskari yo'nalishida bo'lar edi. Shunday qilib, massasiz neytrinoning bitta skalar sherigi bo'ladi. Biroq, haqiqiy neytrinolar hali ham massasiz emas. Parallel moment va spinli neytrinolar ham bo'lishi mumkin, ammo ular juda og'ir va hali kashf etilmagan. Agar bu to'g'ri bo'lsa, demak, neytrinoning har bir turi o'z super sherigiga ega.

Michigan universiteti fizikasi professori Gordon Keynning so'zlariga ko'ra, supersimmetriyani buzishning eng universal mexanizmi tortishish bilan bog'liq.

Biroq, uning super zarralar massasiga qo'shgan hissasi hali aniqlanmagan va nazariyotchilarning taxminlari bir-biriga ziddir. Bundan tashqari, u deyarli yagona emas. Shunday qilib, NMSSM keyingi minimal supersimmetrik standart modeli superzarralar massasiga hissa qo'shadigan yana ikkita Higgs bozonini taqdim etadi (shuningdek, neytralinlar sonini to'rtdan beshgacha oshiradi). Keynning qayd etishicha, bunday holat supersimmetrik nazariyalarga kiritilgan parametrlar sonini keskin oshiradi.

Hatto standart modelning minimal kengayishi ham yuzga yaqin qo'shimcha parametrlarni talab qiladi. Buning ajablanarli joyi yo'q, chunki bu nazariyalarning barchasi ko'plab yangi zarralarni taqdim etadi. To'liqroq va izchil modellar paydo bo'lganda, parametrlar soni kamayishi kerak. Katta adron kollayderining detektorlari superzarrachalarni ushlashi bilanoq, yangi modellar sizni kutishingizga to'g'ri kelmaydi.

Zarrachalar ierarxiyasi

Supersimmetrik nazariyalar standart modeldagi bir qator zaif tomonlarni bartaraf etish imkonini beradi. Professor Keyn ierarxiya muammosi deb ataladigan Xiggs bozoniga oid topishmoqni oldinga olib chiqadi..

Bu zarracha leptonlar va kvarklar bilan o'zaro ta'sir qilish jarayonida massa oladi (xuddi ular Xiggs maydoni bilan o'zaro ta'sirlashganda massa oladilar). SMda bu zarrachalarning hissalari cheksiz summali divergent qatorlar bilan ifodalanadi. To'g'ri, bozonlar va fermionlarning hissasi turli xil belgilarga ega va printsipial jihatdan bir-birini deyarli butunlay yo'q qilishi mumkin. Biroq, bunday yo'q bo'lib ketish deyarli ideal bo'lishi kerak, chunki Xiggs massasi hozirda atigi 125 GeV ekanligi ma'lum. Bu imkonsiz emas, lekin juda kam ehtimol.

Supersimmetrik nazariyalar uchun tashvishlanadigan hech narsa yo'q. Aniq supersimmetriya bilan oddiy zarralar va ularning super sheriklarining hissalari bir-birini to'liq qoplashi kerak. Supersimmetriya buzilganligi sababli, kompensatsiya to'liqsiz bo'lib chiqadi va Xiggs bozoni cheklangan va eng muhimi, hisoblab chiqiladigan massaga ega bo'ladi. Superpartnerlarning massalari juda katta bo'lmasa, uni bir dan ikki yuz GeV oralig'ida o'lchash kerak, bu to'g'ri. Keyn ta'kidlaganidek, fiziklar supersimmetriya ierarxiya muammosini hal qilish uchun ko'rsatilganidan keyin jiddiy qabul qila boshladilar.

Supersimmetriya imkoniyatlari shu bilan tugamaydi. SM dan kelib chiqadiki, juda yuqori energiyalar hududida kuchli, kuchsiz va elektromagnit o'zaro ta'sirlar, garchi ular taxminan bir xil kuchga ega bo'lsalar ham, hech qachon birlashmaydilar. Va 1016 GeV tartibidagi energiyadagi supersimmetrik modellarda bunday birlashma sodir bo'ladi va u ancha tabiiy ko'rinadi. Ushbu modellar qorong'u materiya muammosiga ham yechim taklif qiladi. Yemirilish paytidagi super zarralar ham super zarralarni, ham oddiy zarralarni hosil qiladi - albatta, kichikroq massaga ega. Biroq, supersimmetriya, SM dan farqli o'laroq, protonning tez parchalanishiga imkon beradi, bu bizning baxtimizga, aslida sodir bo'lmaydi.

Superzarralar ishtirokidagi jarayonlarda oddiy zarralar uchun bittaga, superpartnerlar uchun esa minus birga teng bo'lgan R-paritet kvant soni saqlanib qoladi, deb faraz qilgan holda protonni va u bilan birga butun dunyoni saqlab qolish mumkin. Bunday holda, eng engil super zarra butunlay barqaror (va elektr neytral) bo'lishi kerak. Ta'rifga ko'ra, u superzarrachalarga parchalana olmaydi va R-paritetning saqlanishi uning zarrachalarga aylanishini taqiqlaydi. Qorong'u materiya aynan shunday zarralardan iborat bo'lishi mumkin, ular Katta portlashdan keyin darhol paydo bo'lgan va o'zaro yo'q bo'lib ketishdan qochadi.

Tajribalarni kutish

“M-nazariyasi (torlar nazariyasining eng ilg'or versiyasi) asosidagi Xiggs bozonining kashf etilishidan sal avval uning massasi atigi ikki foiz xatolik bilan bashorat qilingan edi! - deydi professor Keyn. - Shuningdek, biz zamonaviy tezlatgichlar uchun juda katta bo'lgan elektronlar, smuonlar va squarklarning massalarini hisoblab chiqdik - bir necha o'nlab TeV tartibida. Foton, glyuon va boshqa o'lchovli bozonlarning super hamkorlari ancha engilroq va shuning uchun LHCda aniqlanish imkoniyati mavjud.

Albatta, bu hisob-kitoblarning to'g'riligiga hech narsa kafolat bermaydi: M-nazariyasi nozik masala. Va shunga qaramay, tezlatgichlarda super zarrachalar izlarini aniqlash mumkinmi? “Massiv superzarralar tug'ilgandan keyin darhol parchalanishi kerak. Bu yemirilishlar oddiy zarrachalarning parchalanishi fonida sodir bo‘ladi va ularni bir ma’noda ajratib ko‘rsatish juda qiyin”, deb tushuntiradi Dubnadagi JINR nazariy fizika laboratoriyasining bosh ilmiy xodimi Dmitriy Kazakov. "Agar super zarralar o'zlarini boshqa hech narsa bilan aralashtirib bo'lmaydigan noyob tarzda namoyon qilsa, ideal bo'lar edi, ammo nazariya buni bashorat qilmaydi.

Ko'p turli jarayonlarni tahlil qilish va ular orasida standart model tomonidan to'liq tushuntirilmaganlarini izlash kerak. Ushbu qidiruvlar hozirgacha muvaffaqiyatsiz bo'ldi, ammo bizda allaqachon super hamkorlar soni bo'yicha cheklovlar mavjud. Ulardan kuchli o'zaro ta'sirlarda ishtirok etadiganlar kamida 1 TeV tortishlari kerak, boshqa superzarralarning massalari esa o'nlab va yuzlab GeV orasida o'zgarishi mumkin.

2012-yil noyabr oyida Kiotoda boʻlib oʻtgan simpoziumda LHCda oʻtkazilgan tajribalar natijalari haqida xabar berilgan edi, bunda birinchi marta Bs mezonining juda kam uchraydigan yemirilishini muon va antimyuonga ishonchli tarzda qayd etish mumkin boʻldi. Uning ehtimoli taxminan uch milliarddan bir qismini tashkil etadi, bu SM prognozlariga yaxshi mos keladi. MSSM dan hisoblangan bu yemirilishning kutilgan ehtimoli bir necha baravar katta bo'lishi mumkinligi sababli, ba'zilar supersimmetriya tugagan deb qaror qilishdi.

Biroq, bu ehtimollik bir nechta noma'lum parametrlarga bog'liq bo'lib, ular yakuniy natijaga katta va kichik hissa qo'shishi mumkin, bu erda hali ham juda ko'p noaniqlik mavjud. Shuning uchun hech qanday dahshatli narsa yuz bermadi va MSSMning o'limi haqidagi mish-mishlar juda bo'rttirilgan. Lekin bu uning yengilmas ekanligini anglatmaydi. LHC hali to'liq quvvat bilan ishlamayapti, u faqat ikki yil ichida, proton energiyasi 14 TeV ga yetkazilganda erishadi. Va agar superzarrachalarning ko'rinishi bo'lmasa, MSSM tabiiy o'lim bilan o'ladi va yangi supersimmetrik modellar uchun vaqt keladi.

Grassman raqamlari va o'ta tortishish kuchi

MSSM yaratilishidan oldin ham supersimmetriya tortishish kuchi bilan birlashtirilgan. Bozonlar va fermionlarni birlashtiruvchi transformatsiyalarning takroriy qo'llanilishi zarrachani fazo-vaqtda harakatga keltiradi. Bu umumiy nisbiylik nazariyasiga ko'ra, tortishishning sababi bo'lgan fazo-vaqt metrikasining supersimmetriyalari va deformatsiyalarini bog'lash imkonini beradi. Fiziklar buni anglab etgach, ular o'ta tortishish deb ataladigan umumiy nisbiylikning supersimmetrik umumlashmalarini qurishni boshladilar. Nazariy fizikaning ushbu sohasi hozirda faol rivojlanmoqda.
Shu bilan birga, supersimmetrik nazariyalar 19-asrda nemis matematigi Hermann Gyunter Grassman tomonidan ixtiro qilingan ekzotik raqamlarga muhtojligi aniq bo'ldi. Ular odatdagidek qo'shilishi va ayirilishi mumkin, ammo bunday raqamlarning ko'paytmasi omillarni qayta joylashtirganda ishorani o'zgartiradi (shuning uchun Grassman sonining kvadrati va umuman, har qanday butun soni nolga teng). Tabiiyki, bunday raqamlarning funktsiyalarini matematik tahlilning standart qoidalariga muvofiq farqlash va integrallash mumkin emas, mutlaqo boshqa usullar kerak. Yaxshiyamki, supersimmetrik nazariyalar uchun ular allaqachon topilgan. Ular 1960-yillarda Moskva davlat universitetining taniqli sovet matematigi Feliks Berezin tomonidan ixtiro qilingan bo'lib, u yangi yo'nalish - supermatematikani yaratdi.

Biroq, LHC bilan bog'liq bo'lmagan yana bir strategiya mavjud. LEP elektron-pozitron kollayderi CERNda ishlayotganda, ular eng yengil zaryadlangan super zarralarni izlashdi, ularning parchalanishi natijasida eng engil superpartnerlar paydo bo'lishi kerak edi. Ushbu prekursor zarrachalarni aniqlash osonroq, chunki ular zaryadlangan va eng engil superpartner neytraldir. LEPdagi tajribalar shuni ko'rsatdiki, bunday zarrachalarning massasi 104 GeV dan oshmaydi. Bu juda ko'p emas, lekin yuqori fon tufayli ularni LHCda aniqlash qiyin. Shu sababli, hozirda ularni qidirish uchun juda kuchli elektron-pozitron kollayderini qurish harakati mavjud. Lekin bu juda qimmat mashina va u albatta yaqin orada ishlab chiqarilmaydi”.

Yopish va ochish

Biroq, Minnesota universitetining nazariy fizika professori Mixail Shifmanning so'zlariga ko'ra, Xiggs bozonining o'lchangan massasi MSSM uchun juda katta va bu model allaqachon yopilgan:

"To'g'ri, ular uni turli xil ustki tuzilmalar yordamida qutqarishga harakat qilmoqdalar, ammo ular shunchalik beg'uborki, muvaffaqiyatga erishish imkoniyati kam. Boshqa kengaytmalar ishlashi mumkin, ammo qachon va qanday qilib hali noma'lum. Ammo bu savol sof fandan tashqariga chiqadi. Yuqori energiya fizikasi uchun joriy mablag'lar LHCda haqiqatan ham yangi narsalarni kashf qilish umidiga tayanadi. Agar bu amalga oshmasa, moliyalashtirish qisqartiriladi va yangi avlod akseleratorlarini qurish uchun mablag‘ yetishmaydi, ularsiz bu fan haqiqatdan ham rivojlana olmaydi”. Shunday qilib, supersimmetrik nazariyalar hali ham va'da bermoqda, ammo ular eksperimentchilarning hukmini kutishmaydi.