Новая карта всех элементарных частиц и сил. Стандартная Модель.

VicRus

Administrator

Новый Человек XXI века



Новая карта всех элементарных частиц и сил. Стандартная Модель​

1 сентября




Стандартная модель состоит из 17 элементарных частиц. Фундаментальные частицы - это либо строительные блоки материи, называемые фермионами, либо посредники взаимодействий, называемые бозонами. В Стандартной модели двенадцать именованных фермионов и пять именованных бозонов.


Стандартная модель состоит из 17 элементарных частиц. Фундаментальные частицы - это либо строительные блоки материи, называемые фермионами, либо посредники взаимодействий, называемые бозонами. В Стандартной модели двенадцать именованных фермионов и пять именованных бозонов.
Вся материя состоит из горстки компонентов - элементарных частиц, которые взаимодействуют друг с другом посредством трех фундаментальных сил. В 1970-х годах физики разработали систему уравнений, описывающих эти частицы и взаимодействия. Вместе эти уравнения сформировали лаконичную теорию, известную теперь как Стандартная модель физики элементарных частиц.
В Стандартной модели на сегодняшний день существуют пробелы: отсутствуют прогнозируемые частицы, составляющие темную материю, частицы, передающие силу гравитации - гравитоны, нет объяснения массы нейтрино, но она дает чрезвычайно точную картину почти всех событий в мире фундаментальных частиц.


Стандартная Модель


Стандартная Модель
Кварки
Вся материя состоит из двух разновидностей фундаментальных частиц: лептонов и кварков ( для каждого вида частиц материи в природе существует также частица антивещества, которая имеет ту же массу, но противоположна по заряду).
Начнем с кварков и, в частности, с двух типов кварков, из которых состоят протоны и нейтроны внутри атомных ядер. Это верхний кварк, который обладает 2/3 электрического заряда, и нижний кварк с электрическим зарядом -1/3.


Протон и Нейтрон, состоят из трех кварков разного типа:  верхнего (u) и нижнего (d)


Протон и Нейтрон, состоят из трех кварков разного типа: верхнего (u) и нижнего (d)
u-кварки и d- кварки могут быть «левыми» или «правыми», в зависимости от того, вращаются ли они по часовой стрелке или против часовой стрелки относительно направления своего движения.


scale_1200


Одна из трех фундаментальных сил природы - слабое взаимодействие
Левосторонние u-кварки и d- кварки могут превращаться друг в друга посредством слабого взаимодействия. Это происходит, когда кварки обмениваются частицей, называемой W-бозоном, - одним из носителей слабого взаимодействия с электрическим зарядом +1 или -1.


Взаимопревращения левосторонних u-кварка и d- кварка посредством фунадаментальной частицы W бозона, имеющей заряд +1 или - 1


Взаимопревращения левосторонних u-кварка и d- кварка посредством фунадаментальной частицы W бозона, имеющей заряд +1 или - 1
Как ни странно, в природе нет правых W-бозонов. Это означает, что правосторонние u-кварки и d- кварки не могут испускать или поглощать W-бозоны, поэтому они не превращаются друг в друга.
Кварки также обладают зарядом, называемым цветом. Кварк может иметь заряд красного, зеленого или синего цвета. Цвет кварка делает его чувствительным к сильному взаимодействию.


Кварки бывают одного из трех цветов: красного, зеленого и синего. Не позволяйте словам вводить вас в заблуждение. Кварки слишком малы, чтобы их можно было увидеть, и поэтому они никогда не могут иметь такое свойство восприятия, как цвет.


Кварки бывают одного из трех цветов: красного, зеленого и синего. Не позволяйте словам вводить вас в заблуждение. Кварки слишком малы, чтобы их можно было увидеть, и поэтому они никогда не могут иметь такое свойство восприятия, как цвет.
Сильное взаимодействие связывает кварки разных цветов вместе в составные частицы, такие как протоны и нейтроны, которые являются «бесцветными» и не имеют чистого цветового заряда.

...
 

VicRus

Administrator
...

Кварки переходят из одного цвета в другой, поглощая или испуская частицы, называемые глюонами, носителями сильного взаимодействия. Эти взаимодействия образуют стороны треугольника. Поскольку глюоны сами обладают цветным зарядом, они постоянно взаимодействуют друг с другом, а также с кварками. Взаимодействия между глюонами заполняют треугольник.


scale_1200


Лептоны
Теперь обратимся к лептонам, другому типу частиц материи. Лептоны бывают двух типов: электроны с электрическим зарядом -1 и нейтрино электрически нейтральные.


Стандартные частицы - Лептоны


Стандартные частицы - Лептоны
Как и в случае левосторонних u-кварков и d-кварков, левосторонние электроны и нейтрино могут превращаться друг в друга посредством слабого взаимодействия. Правосторонние нейтрино в природе не наблюдаются.


Взаимопревращение электрона в нейтрино посредством слабого взаимодействия


Взаимопревращение электрона в нейтрино посредством слабого взаимодействия
Лептоны не обладают цветным зарядом и не взаимодействуют посредством сильного взаимодействия; это главная особенность, которая отличает их от кварков.
Три поколения кварков и лептонов
По неизвестным причинам существуютпо три поколения фундаментальных частиц - кварков и лептонов. Самые легкие и стабильные частицы составляют первое поколение, тогда как, более тяжелые и менее стабильные частицы принадлежат ко второму и третьему поколениям. Вся стабильная материя во Вселенной состоит из частиц, принадлежащих к первому поколению; любые более тяжелые частицы быстро распадаются на более стабильные.


Шесть кварков объединены в три поколения: «верхний кварк» и «нижний кварк» образуют первое поколение, за ним следуют «очарованный кварк» и «странный кварк», затем «истинный кварк» и «прелестный кварк». Шесть лептонов подобным образом организованы в три поколения - «электрон» и «электронное нейтрино», «мюон» и «мюонное нейтрино», а также «тау» и «тау-нейтрино».


Шесть кварков объединены в три поколения: «верхний кварк» и «нижний кварк» образуют первое поколение, за ним следуют «очарованный кварк» и «странный кварк», затем «истинный кварк» и «прелестный кварк». Шесть лептонов подобным образом организованы в три поколения - «электрон» и «электронное нейтрино», «мюон» и «мюонное нейтрино», а также «тау» и «тау-нейтрино».
Электромагнитное взаимодействие, фотон
Все элементарные частицы материи, кроме нейтрино, имеют электрический заряд. Наличие электрического заряда означает, что эти частицы чувствительны к электромагнитной силе. Они взаимодействуют друг с другом, обмениваясь фотонами, носителями электромагнитного взаимодействия. Ниже, в диаграмме, электромагнитные взаимодействия представлены волнистыми линиями. Электромагнитные взаимодействия не превращают частицы друг в друга; в этом случае частицы просто ощущают отталкивание или притяжение.


scale_1200


Слабое взаимодействие немного сложнее, чем предполагалось ранее. Помимо W + и W - бозонов - электрически заряженных носителей слабого взаимодействия - существует также нейтральный носитель слабого взаимодействия, называемый бозоном Z . Частицы могут поглощать или испускать Z бозоны без изменения идентичности. Как и в случае электромагнитных взаимодействий, эти «слабые нейтральные взаимодействия» просто вызывают потерю или усиление энергии и импульса. Слабые нейтральные взаимодействия представлены в диаграмме оранжевыми волнистыми линиями.


scale_1200


Неслучайно слабые нейтральные взаимодействия очень похожи на электромагнитные. И слабые, и электромагнитные силы происходят от единой силы, существовавшей в первые моменты существования Вселенной, называемой электрослабым взаимодействием.
Когда Вселенная остыла, произошло событие, известное как нарушение электрослабой симметрии, разделившее силы на две части. Это событие ознаменовалось внезапным появлением распространяющегося по всему пространству поля, известного как поле Хиггса, которое связано с частицей, называемой бозоном Хиггса.
Бозон Хиггса
Бозон Хиггса - это стержень Стандартной модели.
Когда поле Хиггса возникло в ранней Вселенной, оно соединило левосторонние и правосторонние частицы друг с другом, одновременно наделяя частицы массой. (нейтрино имеет массу, но ее происхождение остается загадкой).
Когда частица, такая как электрон, движется в пространстве, она постоянно взаимодействует с бозонами Хиггса - возбуждениями поля Хиггса. Когда левосторонний электрон сталкивается с бозоном Хиггса, электрон может рикошетить от него в новом направлении и он меняет спин, затем он сталкивается с другим бозоном Хиггса и снова становится левосторонним, т. е. опять меняет свой спин и так далее. Эти взаимодействия замедляют электрон, и это то, что наделяет его «массой».


Обобщенная диаграмма Стандартной модели


Обобщенная диаграмма Стандартной модели
Спасибо за внимание!
 

VicRus

Administrator
Новый Человек XXI века
Квантовая теория поля: Стандартная модель
2 сентября


«Стандартная модель самая успешная научная теория всех времен» кембриджский физик Дэвид Тонг



Стандартная Модель. Стандартная модель состоит из 17 элементарных частиц. Фундаментальные частицы - это либо строительные блоки материи, называемые фермионами, либо посредники взаимодействий, называемые бозонами. В Стандартной модели двенадцать именованных фермионов и пять именованных бозонов.


Стандартная Модель. Стандартная модель состоит из 17 элементарных частиц. Фундаментальные частицы - это либо строительные блоки материи, называемые фермионами, либо посредники взаимодействий, называемые бозонами. В Стандартной модели двенадцать именованных фермионов и пять именованных бозонов.
Одна из самых важных идей в физике ХХI века - это квантовая теория поля (КТП). КТП - это математическая и концептуальная основа современной физики элементарных частиц. Основными объектами квантовой теории поля являются квантовые поля, которые распространяются по Вселенной и посредством своих флуктуаций порождают все фундаментальные явления в физическом мире.


Структура протона, смоделированная вместе с сопутствующими ему полями, показывает, как, несмотря на то, что она построена из трех кварков и глююонов она имеет конечный существенный размер, который возникает в ходе взаимодействия квантовых полей внутри протона.


Структура протона, смоделированная вместе с сопутствующими ему полями, показывает, как, несмотря на то, что она построена из трех кварков и глююонов она имеет конечный существенный размер, который возникает в ходе взаимодействия квантовых полей внутри протона.
Квантовые поля порождают фундаментальные частицы
  • Электромагнитное поле порождает фундаментальные частицы бозоны - фотоны.
  • Сильное ядерное поле, удерживающее вместе протоны и нейтроны порождает фундаметальные частицы-бозоны - глюоны.
  • Слабое ядерное поле, ответственное за радиоактивные распады порождает W- и Z-бозоны.
Сами квантовые поля кодируют всю информацию обо всем. Аннигилируют частица и античастица? Это описывается равным и противоположным возбуждениями квантового поля. Хотите описать спонтанное создание пар частиц частица-античастица? Это также связано с возбуждениями квантового поля.


Визуализация показывает, как пары частица / античастица рождаются из квантового вакуума в течение мгновения следуя Принципу неопределенности Гейзенберга



Визуализация показывает, как пары частица / античастица рождаются из квантового вакуума в течение мгновения следуя Принципу неопределенности Гейзенберга
Сами частицы, как и электроны, являются просто возбужденными состояниями квантового поля. Каждая частица во Вселенной, как мы ее понимаем, представляет собой рябь, или возбуждение квантового поля. Это верно для кварков, глюонов, бозона Хиггса и для всех других частиц Стандартной модели.
Сколько существует фундаментальных квантовых полей?
Стандартная модель признает существование двадцати четырех уникальных фундаментальных возможных состояний квантовых полей.



Образное представление - квантовые поля


Образное представление - квантовые поля
В простейшей КТП, описывающей нашу реальность, квантовой электродинамике (КЭД) созданной в 1960-е Джулианом Швингером, Шиничиро Томонагой и Ричардом Фейнманом, существует только два квантовых поля: электромагнитное и электронное поля. Окружающее электрон электромагнитное поле рассматривается как облако виртуальных фотонов, которое неотступно следует за электроном, окружая его квантами энергии. Фотоны возникают и исчезают очень быстро, а электроны движутся в пространстве по неопределенным траекториям. В центре КЭД - анализ актов испускания или поглощения одного фотона заряженной частицей электроном, а также аннигиляции электрон-позитронной пары в фотон или порождение фотонами такой пары. В итоге, КЭД послужила моделью и шаблоном для всех последующих квантовых теорий поля.
В настоящее время, Стандартная модель предполагает существование двенадцати фермионных (кварки и лептоны) полей и двенадцати бозонных полей.
Фермионы - это строительные блоки материи. Всего существует 12 фермионов, разделенных на шесть кварков и шесть лептонов. Все более крупные частицы и вся материя состоят только из кварков и лептонов.


12 фермионов - 6 кварков (верхний, нижний, странный, очаровательный, нижний, верхний) кварков и их антикварковые аналоги,и 6 лептонов (три заряженных (электрон, мюон, тау) и три нейтральных (электронное нейтрино, мюонное нейтрино, тау-нейтрино) лептона и их аналоги из антивещества)


...
 

VicRus

Administrator
...

12 фермионов - 6 кварков (верхний, нижний, странный, очаровательный, нижний, верхний) кварков и их антикварковые аналоги,и 6 лептонов (три заряженных (электрон, мюон, тау) и три нейтральных (электронное нейтрино, мюонное нейтрино, тау-нейтрино) лептона и их аналоги из антивещества)
12 бозонов (8 глюонов - восемь возможных цветовых комбинаций) сильное взаимодействие, два (W-и-Z) бозона (слабое взаимодействие),один электромагнитный (фотонный) бозон, и бозон Хиггса) ответственны за все взаимодействия между частицами. Они определяют три из четырех фундаментальных сил в природе: сильное взаимодействие, слабое взаимодействие (радиоактивный распад) и электромагнетизм.



Пять бозонов (глюоны, фотоны и W, Z и загадочный бозон Хиггс)


Пять бозонов (глюоны, фотоны и W, Z и загадочный бозон Хиггс)


scale_1200




Бозон Хиггса. Бозон Хиггса отличается от других бозонов (глюонов, фотонов, W- и Z-бозонов) тем, что механизм Хиггса не приводит к чему-либо, напоминающему силу (например, сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия). Поле Хиггса - это скалярное поле, а бозон Хиггса - частица с нулевым спином.


Бозон Хиггса. Бозон Хиггса отличается от других бозонов (глюонов, фотонов, W- и Z-бозонов) тем, что механизм Хиггса не приводит к чему-либо, напоминающему силу (например, сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия). Поле Хиггса - это скалярное поле, а бозон Хиггса - частица с нулевым спином.
Вселенную на фундаментальном уровне можно рассматривать как сложную динамичную структуру квантовых полей


scale_600



В отличие от многих других физических теорий, на данном этапе нет канонического определения того, что такое КТП. Вместо этого формулируется ряд различных представлений, каждое из которых имеет свои достоинства и ограничения.
Если рассматривать квантовую механику (КМ) как современную теорию одной частицы (или, возможно, очень небольшого числа частиц), то можно представлять КТП как расширение КМ для анализа систем со многими частицами - и, следовательно, с большим числом степеней свободы. Переход от КМ к КТП позволяет рассматривать как частицы, так и поля в рамках единой теоретической основы.
Уравнения Клейна-Гордона и Дирака в КМ не способны описывать системы с переменным числом частиц. Однако очевидно, что для КТП существенно описание процессов трансформации частиц, когда частицы одного вида разрушаются, а другие создаются. Математикам придется по-новому взглянуть на квантовую теорию поля, если они хотят понять ее непротиворечивым и строгим образом. Есть основания надеяться, что решение этой проблемы закроет многие из самых серьезных вопросов физики.


Уравнение Дирака — квантовое уравнение движения электрона, удовлетворяющее требованиям теории относительности, применимое также для описание других точечных фермионов со спином 1/2; установлено П. Дираком в 1928.


Уравнение Дирака — квантовое уравнение движения электрона, удовлетворяющее требованиям теории относительности, применимое также для описание других точечных фермионов со спином 1/2; установлено П. Дираком в 1928.
Спасибо за внимание!
 

Сверху