Štandardný model časticovej fyziky.

„Zaujímalo by nás, prečo by skupina talentovaných a oddaných ľudí zasvätila svoje životy naháňaniu sa za takými drobnými predmetmi, že ich ani nemožno vidieť? V skutočnosti sa na hodinách časticovej fyziky prejavuje ľudská zvedavosť a túžba zistiť, ako funguje svet, v ktorom žijeme.” Sean Carroll

Ak sa ešte stále bojíte slovného spojenia kvantová mechanika a stále neviete, čo je štandardný model – vitajte v kat. Vo svojej publikácii sa pokúsim čo najjednoduchšie a najzrozumiteľnejšie vysvetliť základy kvantového sveta, ako aj fyziku elementárnych častíc. Pokúsime sa prísť na to, aké sú hlavné rozdiely medzi fermiónmi a bozónmi, prečo majú kvarky také zvláštne mená a nakoniec, prečo všetci tak túžili nájsť Higgsov bozón.

Z čoho sme?

Našu cestu do mikrokozmu začneme jednoduchou otázkou: z čoho pozostávajú predmety okolo nás? Náš svet, podobne ako dom, pozostáva z mnohých malých kociek, ktoré keď sa špeciálnym spôsobom spoja, vytvoria niečo nové, nielen v vzhľad, ale aj z hľadiska jeho vlastností. V skutočnosti, ak sa na ne pozriete pozorne, zistíte, že nie je toľko rôznych typov blokov, je to len o tom, že zakaždým sú navzájom spojené rôznymi spôsobmi a vytvárajú nové formy a javy. Každý blok je nedeliteľná elementárna častica, o ktorej bude reč v mojom príbehu.

Napríklad, zoberme si nejakú látku, nech je to druhý prvok periodický systém Mendelejev, inertný plyn, hélium. Rovnako ako iné látky vo vesmíre, aj hélium sa skladá z molekúl, ktoré sú zase tvorené väzbami medzi atómami. Ale v tomto prípade je pre nás hélium trochu špeciálne, pretože je to len jeden atóm.

Z čoho sa skladá atóm?

Atóm hélia sa zase skladá z dvoch neutrónov a dvoch protónov, ktoré tvoria jadro atómu, okolo ktorého krúžia dva elektróny. Najzaujímavejšie je, že jediný absolútne nedeliteľný je tu elektrón.

Zaujímavý moment kvantového sveta

Ako menej hmotnosť elementárnej častice, tzv viac zaberá miesto. Z tohto dôvodu elektróny, ktoré sú 2000-krát ľahšie ako protón, zaberajú veľa viac priestoru v porovnaní s jadrom atómu.

Neutróny a protóny patria do skupiny tzv hadróny(častice podliehajúce silnej interakcii), a aby som bol ešte presnejší, baryóny.

Hadróny možno rozdeliť do skupín

• Baryóny, ktoré sa skladajú z troch kvarkov
• Mezóny, ktoré pozostávajú z dvojice: častica-antičastica

Neutrón, ako už názov napovedá, je neutrálne nabitý a možno ho rozdeliť na dva down kvarky a jeden up kvark. Protón, kladne nabitá častica, sa delí na jeden down kvark a dva up kvarky.

Áno, áno, nerobím si srandu, naozaj sa im hovorí horné a spodné. Zdalo by sa, že ak by sme objavili top a spodný kvark a dokonca aj elektrón, dokázali by sme s ich pomocou opísať celý vesmír. Ale toto tvrdenie by bolo veľmi ďaleko od pravdy.

Hlavným problémom je, že častice musia spolu nejako interagovať. Ak by sa svet skladal len z tejto trojice (neutrón, protón a elektrón), potom by častice jednoducho preleteli cez obrovské rozlohy vesmíru a nikdy by sa nezhromaždili do väčších útvarov, ako sú hadróny.

Fermióny a bozóny

Už dávno vedci vynašli pohodlnú a stručnú formu znázornenia elementárnych častíc, nazývanú štandardný model. Ukazuje sa, že všetky elementárne častice sú rozdelené na fermióny, z ktorých sa skladá všetka hmota, a bozóny, ktoré nesú rôzne druhy interakcií medzi fermiónmi.

Rozdiel medzi týmito skupinami je veľmi jasný. Faktom je, že podľa zákonov kvantového sveta potrebujú fermióny na prežitie určitý priestor a pre bozóny nie je prítomnosť voľného priestoru takmer dôležitá.

Fermióny

Skupina fermiónov, ako už bolo spomenuté, vytvára okolo nás viditeľnú hmotu. Čokoľvek vidíme kdekoľvek, je vytvorené fermiónmi. Fermióny sa delia na kvarky, ktoré medzi sebou silne interagujú a sú zachytené vo vnútri zložitejších častíc, ako sú hadróny a leptóny, ktoré voľne existujú v priestore nezávisle od svojich náprotivkov.

Kvarky sa delia na dve skupiny.

• Top typ. Top kvarky s nábojom +2/3 zahŕňajú: up, charm a true kvarky
• Nižší typ. Kvarky typu down s nábojom -1\3 zahŕňajú: kvarky down, podivné a čarovné

Pravdivé a krásne sú najväčšie kvarky, zatiaľ čo hore a dole sú najmenšie. Prečo kvarky dostali také nezvyčajné názvy a správnejšie „príchute“, je medzi vedcami stále predmetom sporov.

Leptóny sa tiež delia na dve skupiny.

• Prvá skupina s nábojom "-1" zahŕňa: elektrón, mión (ťažšia častica) a častica tau (najhmotnejšia)
• Druhá skupina s neutrálnym nábojom obsahuje: elektrónové neutríno, miónové neutríno a tau neutríno

Neutríno je malá častica hmoty, ktorú je takmer nemožné odhaliť. Jeho náboj je vždy 0.

Vynára sa otázka, či fyzici nájdu ešte niekoľko generácií častíc, ktoré budú ešte hmotnejšie ako tie predchádzajúce. Je ťažké na to odpovedať, ale teoretici sa domnievajú, že generácie leptónov a kvarkov sú obmedzené na tri.

Nenašli ste žiadne podobnosti? Kvarky aj leptóny sú rozdelené do dvoch skupín, ktoré sa navzájom líšia nábojom na jednotku? Ale o tom neskôr...

bozóny

Bez nich by fermióny lietali okolo vesmíru v nepretržitom prúde. Ale výmenou bozónov si fermióny navzájom povedia nejaký druh interakcie. Samotné bozóny spolu prakticky neinteragujú.
V skutočnosti niektoré bozóny stále navzájom interagujú, ale o tom bude podrobnejšie popísané v nasledujúcich článkoch o problémoch mikrokozmu.

Interakcia prenášaná bozónmi je:

• elektromagnetické, častice - fotóny. Tieto bezhmotné častice prepúšťajú svetlo.
• silné jadrovéčastice sú gluóny. S ich pomocou sa kvarky z jadra atómu nerozpadajú na samostatné častice.
• Slabé jadrové, častice sú ±W a Z bozóny. S ich pomocou sa fermióny prenášajú hmotou, energiou a môžu sa navzájom premieňať.
• gravitačné , častice - gravitóny. Mimoriadne slabá sila na úrovni mikrokozmu. Stáva sa viditeľným iba na supermasívnych telesách.

Výhrada ku gravitačnej interakcii.
Existencia gravitónov zatiaľ nebola experimentálne potvrdená. Existujú len vo forme teoretickej verzie. V štandardnom modeli sa vo väčšine prípadov nezohľadňujú.

To je všetko, štandardný model je zostavený.

Problémy práve začali

Napriek veľmi krásnemu znázorneniu častíc v diagrame zostávajú dve otázky. Kde získavajú častice svoju hmotnosť a čo je Higgsov bozón, ktorý sa odlišuje od ostatných bozónov.

Aby sme pochopili myšlienku použitia Higgsovho bozónu, musíme sa odvolať kvantová teória poliach. rozprávanie jednoduchý jazyk, možno tvrdiť, že celý svet, celý Vesmír, sa neskladá z najmenších častíc, ale z mnohých rôznych polí: gluónové, kvarkové, elektronické, elektromagnetické atď. Vo všetkých týchto oblastiach neustále dochádza k miernym výkyvom. Ale najsilnejšie z nich vnímame ako elementárne častice. Áno, a táto téza je veľmi kontroverzná. Z pohľadu korpuskulárno-vlnového dualizmu sa ten istý objekt mikrokozmu v rôznych situáciách správa ako vlna, niekedy ako elementárna častica, záleží len na tom, ako je pre fyzika pozorujúceho proces vhodnejšie situáciu modelovať. .

Higgsovo pole

Ukazuje sa, že existuje takzvané Higgsovo pole, ktorého priemer nechce ísť na nulu. Výsledkom je, že toto pole sa snaží získať určitú konštantnú nenulovú hodnotu v celom vesmíre. Pole tvorí všadeprítomné a stále pozadie, v dôsledku čoho sa v dôsledku silných výkyvov objavuje Higgsov bozón.
A práve vďaka Higgsovmu poľu sú častice vybavené hmotou.
Hmotnosť elementárnej častice závisí od toho, ako silne interaguje s Higgsovým poľom neustále v ňom lietať.
A práve kvôli Higgsovmu bozónu a konkrétnejšie kvôli jeho poľu má štandardný model toľko podobných skupín častíc. Higgsovo pole si vynútilo vytvorenie mnohých ďalších častíc, ako sú neutrína.

Výsledky

To, čo mi bolo povedané, sú najpovrchnejšie pojmy o povahe štandardného modelu a o tom, prečo potrebujeme Higgsov bozón. Niektorí vedci stále v srdci dúfajú, že častica nájdená v roku 2012, ktorá vyzerá ako Higgsov bozón na LHC, bola len štatistická chyba. Koniec koncov, Higgsovo pole narúša mnohé krásne symetrie prírody, vďaka čomu sú výpočty fyzikov mätúce.
Niektorí dokonca veria, že štandardný model si žije svoj život. posledné roky kvôli svojej nedokonalosti. To však nebolo experimentálne dokázané a štandardný model elementárnych častíc zostáva platným príkladom geniality ľudského myslenia.

Štandardný model základných interakcií

vo fyzike elementárnych častíc.

Základné interakcie.

Podľa moderných koncepcií sú všetky v súčasnosti známe procesy redukované na 4 typy interakcií, ktoré sa nazývajú základné (tabuľka 1).

Tabuľka 1. Základné interakcie.

interakcie (pole)	Neustále interakcie	interakcie	charakteristika	Častice - nosiče (poľné kvantá)
				názov
gravitačné				Gravitón (?)
		10 -17 ... 10 -18 m		W + , W - - bozóny Z 0 - bozón
elektromagnetické
		10 -14 ... 10 -15 m

V kvantovej fyzike je každá elementárna častica kvantom nejakého poľa a naopak, každé pole má svoje vlastné kvantum častice. Energia a hybnosť každého poľa sú zložené z mnohých samostatných častí – kvánt. Najjednoduchším a najlepšie preštudovaným príkladom je elektromagnetické pole a jeho kvantum, fotón. Kvantá poľa silných interakcií sú gluóny. Kvanta poľa slabých interakcií - kalibračné bozóny W ± A Z 0 . Všetky tieto častice boli objavené experimentálne a ich vlastnosti boli dobre študované. Nositeľom gravitačnej interakcie je gravitón: hypotetická častica, ktorá ešte nebola experimentálne zistená. Kvantá nosičov poľa majú celočíselný spin, t.j. sú Bose častice (bozóny), čo sa odráža aj v názvoch niektorých z nich.

moderné urýchľovače. Všetky moderné urýchľovače sú zrážacie (to znamená, že používajú zrážkové lúče).

Tabuľka 2. Najväčšie urýchľovače.

Názov urýchľovača	zrýchlené častice	Maximálne energie	Počiatočný rok	Dĺžka urýchľovacej komory
	protón-antiprotón
(lineárne)	elektrón-pozitrón
	elektrón-pozitrón	100 + 100 GeV			Švajčiarsko
	elektrón-protón	30 GeV + 920 GeV			Nemecko
	elektrón-pozitrón
	protón - protón				Švajčiarsko
(lineárne)	elektrón-pozitrón	500 + 500 GeV	vo výstavbe		Nemecko
	protón - protón		vo výstavbe

Vzhľadom na to, že kvarky a gluóny medzi sebou interagujú silnejšie ako elektróny a pozitróny a tiež preto, že energie protón-protónových urýchľovačov sú väčšie, dochádza pri zrážkach protónov a protónov k oveľa viac dejom ako pri zrážkach elektrónov. To má svoje výhody a nevýhody; nevýhodou je, že je ťažšie izolovať požadované reakcie. Preto sa protón-protónové urýchľovače nazývajú objavovacie stroje a elektrón-pozitrónové urýchľovače sa nazývajú presné meracie stroje.

štandardný model.

K dnešnému dňu bol vyvinutý kvantový popis troch zo štyroch základných interakcií: silnej, elektromagnetickej a slabej a tiež sa ukázalo, že slabé a elektromagnetické interakcie majú v skutočnosti spoločný pôvod (elektroslabá interakcia). Koincidencia s experimentom je pozorovaná až do vzdialenosti 10 -18 m, čo je limit pre modernú experimentálnu techniku. Preto sa teória troch negravitačných interakcií vrátane 12 základných častíc, ktoré sa na nich podieľajú (tabuľka 2), nazýva tzv. štandardný model fyzika elementárnych častíc.

Tabuľka 3. Základné častice.

	omša, MeV		omša, MeV		omša, MeV
Electron
Elektronické neutríno		Miónové neutríno		Thaon neutríno

Symetria a invariantnosť.

V prípade, že sa stav systému nemení v dôsledku akejkoľvek transformácie, hovorí sa, že systém má symetriu vzhľadom na túto transformáciu. Pojem symetria je vo fyzike elementárnych častíc veľmi dôležitý, pretože každý typ symetrie má svoj vlastný zákon zachovania a naopak: každý zákon zachovania akejkoľvek fyzikálnej veličiny má svoju vlastnú symetriu. Známa je súvislosť medzi symetriou času a priestoru vzhľadom na posuny (homogenita) a rotácie (izotropia) so zákonmi zachovania energie, hybnosti a momentu hybnosti. Tieto zákony sú univerzálne, t.j. vykonávané vo všetkých typoch interakcií.

Okrem týchto dobre známych typov symetrií existujú takzvané „vnútorné symetrie“, ktoré sa vo fyzike elementárnych častíc nazývajú „meracie symetrie (alebo invariancie)“. V kvantovej fyzike existuje miera invariancie k zmene fázy vlnovej funkcie, pretože neexistuje spôsob, ako určiť absolútnu hodnotu fázy tejto funkcie. Inými slovami, kvantová mechanika je invariantná pri ľubovoľnej zmene fázy vlnovej funkcie o konštantnú hodnotu, t.j. substitúcie ψ na ψ· exp(i ) za podmienky  = konšt. Ide o takzvanú „globálnu meraciu symetriu“ týkajúcu sa zmeny fázy vlnovej funkcie o rovnakú hodnotu naraz v celom priestore a v každom čase. Táto invariantnosť je zrejmá, pretože faktor exp(i ), keď sa modifikovaná vlnová funkcia dosadí do Schrödingerovej rovnice

možno skrátiť.

Ak fáza  sa nerovná konštante, ale je ľubovoľnou funkciou súradníc a času, potom sa takáto transformácia nazýva lokálna. Pri výmene ψ na ψ· exp(i (r, t)) Schrödingerova rovnica sa samozrejme zmení, ale môže zostať nezmenená, ak sa do nej zavedie kompenzačné pole: štvorrozmerný vektor ( φ (r, t), A (r, t)), čo je kombinácia skalárneho a vektorového potenciálu elektromagnetického poľa, ktorého kvantá sú fotóny. Toto je hlavná myšlienka kvantového popisu elektromagnetickej interakcie (QED).

Higgsov bozón.

Podobná myšlienka sa používa na zostavenie teórie všetkých interakcií a zodpovedajúci druh symetrie sa nazýva „invariantnosť lokálneho meradla“. To však vyvoláva problém. Povinnou požiadavkou na rovnice pre akékoľvek fyzikálne pole je invariantnosť vzhľadom na Lorentzove transformácie. A to platí len vtedy, ak je hmotnosť poľného kvanta nulová. Tabuľka 1 ukazuje, že kvantá elektromagnetického, silného a gravitačného poľa sú bez hmotnosti (t. j. majú nulovú pokojovú hmotnosť), ale kvantové nosiče slabých interakcií majú pomerne veľké hmotnosti. Rovnaký problém vzniká pri vysvetľovaní hmotnostných hodnôt iných elementárnych častíc. Môžeme povedať, že vnútorné symetrie zakazujú, aby elementárne častice mali nenulové pokojové hmotnosti, čo je, samozrejme, v rozpore s experimentálnymi údajmi. Táto otázka - o vysvetlení rôznych hodnôt hmotností elementárnych častíc - zostala až donedávna v štandardnom modeli nevyriešená.

Na vysvetlenie tohto rozporu v roku 1964 F. Englert a R. Brout a nezávisle od nich P. Higgs takmer súčasne navrhli, že existuje ďalšie pole, s ktorým interakcia dáva hmotnosť častíc. P. Higgs navyše v tomto poli predpovedal existenciu kvanta – bozónu so spinom rovným nule, preto sa hypotetické kvantum tohto poľa nazývalo „Higgsov bozón“. Hmotnosť tejto častice by podľa vtedajších odhadov mala byť v rozmedzí od 60 do 1000 GeV. Urýchľovače, ktoré by dokázali detekovať časticu s takouto hmotnosťou, donedávna neexistovali, takže Higgsov bozón zostal jedinou štandardnou modelovou časticou, ktorá ešte nebola experimentálne objavená.

Na seminári v CERN-e 4. júla 2012 bol ohlásený objav novej častice, ktorej vlastnosti, ako autori objavu opatrne deklarujú, zodpovedajú očakávaným vlastnostiam teoreticky predpovedaného Higgsovho bozónu - elementárneho bozónu tzv. štandardný model časticovej fyziky. Táto nová častica (prevzalo sa pre ňu označenie H) nemá elektrický náboj. Hmotnosť bozónu podľa údajov jednej skupiny experimentov je (125,3 ± 0,9) GeV, podľa údajov inej skupiny (126,0 ± 0,8) GeV. Bozón H je nestabilný, jeho životnosť je asi 10 -24 s a môže sa rozkladať rôznymi spôsobmi. Na LHC boli pozorované rozpady na dva fotóny a dva páry: elektrón-pozitrón a (alebo) mión-antimión:

H→γ+γ,

H→e - + e + + e - + e + ,

H→ e - + e + + μ - + μ + ,

H → μ - + μ + + μ - + μ + .

Posledné tri rozpady možno stručne zapísať ako

H→ 4l,

kde l- jeden z leptónov (elektrón, pozitrón, mión). Všetky tieto rozpady sú v súlade s predpokladanými vlastnosťami Higgsovho bozónu.

To všetko nám umožňuje s vysokou pravdepodobnosťou konštatovať, že Higgsov bozón bol objavený, a štandardný model získali zásadne dôležité experimentálne potvrdenie.

Literatúra.

Fyzická encyklopédia, v.5 / Ch. vyd. A.M. Prochorov. - M.: Veľká ruská encyklopédia, 1998. - s. 596-608.

Kapitonov I.M. Úvod do jadrovej a časticovej fyziky. - M.: URSS, 2002.

Rubakov V.A. K objavu novej častice s vlastnosťami Higgsovho bozónu vo Veľkom hadrónovom urýchľovači. - UFN, 2012, roč. 182, č. 10. - str. 1017-1025.

Rubakov V.A. Dlho očakávaný objav Higgsovho bozónu. - Veda a život, 2012, č.10. - str.2-17.

Fyzická encyklopédia, v.4 / Ch. vyd. A.M. Prochorov. - M.: Veľká ruská encyklopédia, 1994. - s. 505-520.

Fyzika mikrosveta: Malá encyklopédia / Ch. vyd. D.V.Shirkov. - M.: "Sovietska encyklopédia", 1980.

Zelená B. Elegantný vesmír. / Za. z angličtiny. vyd. V.O. Malyshenko. - Ed. 2. - M.: Úvodník URSS, 2005. - 288 s.

Arinstein E.A. Základy teoretickej fyziky: Učebnica. - Tyumen, Vydavateľstvo Štátnej univerzity Tyumen, 2011. - s.103-105.

Štandardný model časticovej fyziky alebo jednoducho Štandardný model je teoretický rámec vo fyzike, ktorý najpresnejšie a najúspešnejšie popisuje aktuálnu polohu elementárnych častíc, ich hodnoty a správanie. Štandardný model nie je a netvrdí, že je „teóriou všetkého“, pretože nevysvetľuje temnú hmotu, temnú energiu a nezahŕňa gravitáciu. Neustále potvrdzovanie Štandardného modelu pre zlo alternatívny model na Veľkom hadrónovom urýchľovači sa objavujú supersymetrie. Nie všetci fyzici však milujú štandardný model a prajú mu rýchlu smrť, pretože by to mohlo potenciálne viesť k vývoju ďalších všeobecná teória všetkého, vysvetľuje čierne diery a temnú hmotu, zjednocuje gravitáciu, kvantovú mechaniku a všeobecnú teóriu relativity.

Ak si časticoví fyzici prídu na svoje, nové urýchľovače by jedného dňa mohli preskúmať najkurióznejšiu subatomárnu časticu vo fyzike, Higgsov bozón. Šesť rokov po objavení tejto častice na Veľkom hadrónovom urýchľovači fyzici plánujú obrovské nové stroje, ktoré sa roztiahnu desiatky kilometrov v Európe, Japonsku či Číne.

Nie je to tak dávno, čo vedci začali hovoriť o novom kozmologickom modeli známom ako „Higgsogenéza“ (Higgsogenéza). Článok popisujúci nový model bol publikovaný v časopise Physical Review Lettres. Pojem "higgsogenéza" sa týka prvého objavenia sa Higgsových častíc v ranom vesmíre, rovnako ako baryogenéza označuje objavenie sa baryónov (protónov a neutrónov) v prvých okamihoch po Veľkom tresku. A hoci je baryogenéza pomerne dobre preštudovaný proces, hyggsogenéza zostáva čisto hypotetická.

Diracova rovnica pre elektrón bola pre fyziku v mnohých ohľadoch zlomovým bodom. V roku 1928, keď Dirac navrhol svoju rovnicu, zo všetkých elementárnych častíc boli vedeniu známe iba elektróny, protóny a fotóny. Maxwellove voľné rovnice opisujú fotóny, ktoré predpovedal Einstein v roku 1905. Toto skorá práca postupne vyvinuli Einstein, Bose a ďalší a v roku 1927 Jordan a Pauli vytvorili kompletnú matematickú schému na popis voľných fotónov zavedením kvantizácie do Maxwellovej teórie voľného poľa. Tiež sa zdalo, že protón, podobne ako elektrón, je celkom dobre opísaný Diracovou rovnicou. Diracova teória dokonale zapadá do elektromagnetickej interakcie, ktorá opisuje, ako fotóny pôsobia na elektróny a protóny, vďaka myšlienke meradla (zavedenej Weylom v roku 1918). Formuláciu úplnej teórie elektrónov (alebo protónov) interagujúcich s fotónmi (t. j. kvantová elektrodynamika) začal sám Dirac v roku 1927. Zdalo sa teda, že sú po ruke všetky viac-menej základné prostriedky na opísanie všetkých častíc, ktoré existujú v prírode, ako aj najzrejmejších interakcií medzi nimi.

Počiatky modernej časticovej fyziky

A predsa, fyzici tej doby z väčšej časti neboli takí hlúpi, aby sa domnievali, že toto všetko ich privedie k „teórii všetkého“. Uvedomili si, že ani sily, ktoré bránia rozpadu jadra (teraz nazývané silná sila), ani mechanizmus zodpovedný za rádioaktívny rozpad (teraz nazývaný slabá sila), nemožno vysvetliť bez toho, aby sa posunuli vpred. Kiežby základné časti atómy, vrátane atómových jadier, boli Diracovými protónmi a elektrónmi, ktoré interagovali iba prostredníctvom elektromagnetického poľa, potom by sa všetky bežné jadrá (s výnimkou jedného protónu tvoriaceho jadro atómu vodíka) mali okamžite rozpadnúť v dôsledku elektrostatického odpudzovania v dôsledku prevahy kladných nábojov. Muselo tam byť niečo doteraz nepoznané, čo vytváralo silná príťažlivosť medzi časticami vo vnútri jadra!

V roku 1932 Chadwick objavil neutrón a to nakoniec viedlo k nahradeniu predtým populárneho protónovo-elektrónového modelu jadra. nový model, podľa ktorého jadro obsahuje protóny a neutróny, medzi ktorými silná interakcia bráni rozpadu jadra. Ale ani táto silná interakcia nebola všetko, čo v tom čase unikalo porozumeniu. Rádioaktivita uránu, známa už od pozorovania Henriho Becquerela v roku 1896, sa ukázala ako výsledok inej – slabej – interakcie, ktorá sa líšila od silnej aj elektromagnetickej interakcie. Dokonca aj samotný neutrón, ponechaný sám na seba, sa rozpadne asi za 15 minút.

Jedným zo záhadných produktov rádioaktívneho rozpadu bolo nepolapiteľné neutríno, predbežnú hypotézu o existencii ktorého predložil Pauli v roku 1929, ale ktorá bola priamo objavená až v roku 1956. Práve štúdium rádioaktivity v konečnom dôsledku prinieslo fyzikom nečakanú popularitu a vplyv ku koncu druhej svetovej vojny a po nej...

Od prvotného prieniku do fyziky elementárnych častíc v prvej tretine 20. storočia sa veľa zmenilo. Teraz, na začiatku 21. storočia, máme oveľa úplnejší obraz, známy ako štandardný model časticovej fyziky. Tento model popisuje takmer celé pozorované správanie širokej triedy v súčasnosti známych elementárnych častíc. K fotónu, elektrónu, protónu, pozitrónu, neutrónu a neutrínu sa neskôr pridali rôzne iné druhy neutrín, mión, pióny (okázalo predpovedané Yukawom v roku 1934), kaóny, častice lambda a sigma a častice omega mínus, tzv. slávna vďaka histórii jej predpovede. V roku 1955 bol experimentálne objavený antiprotón a v roku 1956 antineutrón. Existujú objekty nového typu - kvarky, gluóny a W- a Z-bozóny, ako aj celý rad častíc, ktorých existencia je taká prchavá, že neboli nikdy priamo pozorované, označujú sa ako "rezonancie". formalizmus moderná teória vyžaduje aj existenciu nestacionárnych objektov nazývaných „virtuálne častice“, ako aj veličín nazývaných „duchovia“, vzhľadom na ktoré je vylúčená možnosť priameho pozorovania.

Existuje tiež ohromujúce množstvo hypotetických (a zatiaľ neobjavených) častíc predpovedaných niektorými teoretickými modelmi, ktoré však ešte nezapadajú do všeobecne akceptovanej schémy elementárnych častíc - "X-bozóny", "axióny", "fotino", "squarky" , "gluino ", "magnetické monopóly", "dilatóny" atď. Existuje aj strašidelná Higgsova častica, neobjavená v čase písania tohto článku, ktorej existencia v tej či onej forme (možno nie ako jedna častica) je nevyhnutný pre dnešné častice elementárnej fyziky, v ktorých Higgsovo pole spojené s touto časticou určuje hmotnosť každej elementárnej častice.

Diracova rovnica

$$\left(i\hbar c \, \gamma^\mu \, \partial_\mu - mc^2 \right) \psi = 0$$ Z Diracovej rovnice vyplýva, že elektrón má svoj vlastný mechanický moment hybnosti - spin rovnajúci sa ħ/2, ako aj vlastný magnetický moment rovný Bohrovmu magnetónu $e\hbar/2Mc$, ktoré boli predtým experimentálne objavené (1925) (e a m sú náboj a hmotnosť elektrónu, c je rýchlosť svetla, $\hbar$ - Diracova konštanta (redukovaná Planckova konštanta)). Pomocou Diracovej rovnice sa získal presnejší vzorec pre energetické hladiny atómu vodíka (a vodíku podobných atómov) vrátane jemnej štruktúry hladín a vysvetlil sa aj Zeemanov efekt. Na základe Diracovej rovnice boli nájdené vzorce pre pravdepodobnosti rozptylu fotónov voľnými elektrónmi (Comptonov jav) a elektrónovým žiarením pri jeho spomalení (bremsstrahlung), ktoré dostali experimentálne potvrdenie. Dôsledný relativistický popis pohybu elektrónu však dáva kvantová elektrodynamika.

Funkcia Diracova rovnica - prítomnosť medzi jej riešeniami tých, ktoré zodpovedajú stavom so zápornými energetickými hodnotami pre voľný pohyb častice (čo zodpovedá zápornej hmotnosti častice). To predstavovalo pre teóriu problém, pretože všetky mechanické zákony pre časticu v takýchto stavoch by boli nesprávne, zatiaľ čo prechody do týchto stavov sú možné v kvantovej teórii. Skutočný fyzikálny význam prechodov do hladín s negatívnou energiou sa ukázal neskôr, keď sa dokázala možnosť vzájomnej premeny častíc. Z Diracovej rovnice vyplynulo, že by mala existovať nová častica (antičastica vzhľadom na elektrón) s hmotnosťou elektrónu a nabíjačka opačné znamenie; takúto časticu skutočne objavil v roku 1932 K. Anderson a pomenoval ju pozitrón. To bol obrovský úspech pre Diracovu teóriu elektrónu. Prechod elektrónu zo stavu s negatívnou energiou do stavu s pozitívnou energiou a spätný prechod sa interpretujú ako proces tvorby elektrón-pozitrónového páru a anihilácia takéhoto páru.

Diracova rovnica platí aj pre iné častice so spinom 1/2 (v jednotkách $\hbar$) - fermióny, napríklad mióny, neutrína, pričom dobrá zhoda so skúsenosťami sa získa priamou aplikáciou Diracovej rovnice na jednoduché (skôr než kompozitné) častice, ako sú práve uvedené. Pre protón a neutrón (zložené častice pozostávajúce z kvarkov viazaných gluónovým poľom, ale tiež so spinom 1/2) to pri priamej aplikácii (ako na jednoduché častice) vedie k nesprávnym hodnotám magnetických momentov: magnetický moment protónu "Dirac" "by mal byť » rovný jadrovému magnetónu $e\hbar/2Mc$ (M je hmotnosť protónu) a neutrón (keďže nie je nabitý) je rovný nule. Skúsenosti ukazujú, že magnetický moment protónu je približne 2,8-krát väčší ako jadrový magnetón a magnetický moment neutrónu je záporný av absolútnej hodnote je asi 2/3 magnetického momentu protónu. Anomálne magnetické momenty týchto častíc sú spôsobené ich zloženou povahou a silnými interakciami.

V skutočnosti je táto rovnica použiteľná pre kvarky, ktoré sú tiež elementárnymi časticami so spinom 1/2. Upravenú Diracovu rovnicu možno použiť na opis protónov a neutrónov, ktoré nie sú elementárnymi časticami (sú tvorené kvarkami). Ďalšia modifikácia Diracovej rovnice, Majoranova rovnica, sa používa v niektorých rozšíreniach štandardného modelu na opis neutrín.

Kľukatá reprezentácia elektrónu

Tento a niekoľko nasledujúcich článkov ponúka stručný návod na štandardný model modernej časticovej fyziky.
Začnime trochu neštandardným spôsobom preformulovaním Diracovej rovnice v „2-spinorovom zobrazení. Pauliho spinor, ktorý popisuje časticu so spinom -, je dvojzložková veličina $\psi_a$- (Zložky sú $\psi_0$- a $\psi_1$.) Berúc do úvahy požiadavky teórie relativity, potrebujeme aj množstvá s primárnymi indexmi $A", B ", C'$,..., ktoré sa objavujú v komplexnej konjugácii aplikovanej na indexy bez primárnej bázy. Ukazuje sa, že vyššie opísaný Diracov spinor $\psi$ so svojimi štyrmi komplexnými komponentmi môže byť reprezentovaný ako pár 2 spinorov, $\alpha_a$ a $\beta_(a')$, z ktorých jeden má neprimovaný index. a druhý má primárny index:
$$\psi=(\alpha_a,\beta_(a')) $$

Potom možno Diracovu rovnicu napísať ako rovnicu vzťahujúcu sa na tieto dva 2-spinory, pričom každý z nich hrá úlohu „zdroja“ vo vzťahu k druhému s „väzbovou konštantou“ $2^(-1/2)M$ čo určuje „sila interakcie“ medzi nimi:
$$\nabla^(A)_(B' )\alpha_a =2^(-1/2)M\beta_(B'), ~~\nabla ^(B')_(A)\beta_(B' ) = 2^(-1/2)M,\alfa _(A'), $$

Operátory $\nabla^(A)_(B’ )$ a $\nabla^(B)_(A’)$ sú 2-otočné preklady obvyklého gradientového operátora $\nabla$ . Nemalo by sa podávať veľký význam všetky tieto indexy, faktory $2^(-1/2)$ a presnú formu týchto rovníc – uvádzam ich tu len preto, aby som ukázal, ako možno Diracovu rovnicu zaviesť do všeobecného rámca 2-spinorovej analýzy a ako to možno pomôžte, keď sa to stane, získať nový pohľad na povahu Diracovej rovnice.

Tvar týchto rovníc ukazuje, že Diracov elektrón možno považovať za pozostávajúci z dvoch zložiek - $\alpha_A$ a $\beta_(A')$. Môžu mať nejaký fyzický význam.

Možno si predstaviť obrázok, na ktorom sú dve "častice", z ktorých jedna je opísaná množstvom a $\alpha_A$ a druhá $\beta_(A')$, pričom obe nemajú hmotnosť a každá z nich sa neustále premieňa na iné. Pomenujme tieto častice "cik" a "zag", takže $\alpha_A$ bude popisovať "cik" časticu a $\beta_(A')$ - časticu "zag". Keďže sú nehmotné, mali by sa pohybovať rýchlosťou svetla, ale namiesto toho ich možno považovať za „hojdajúce sa“ tam a späť, pričom pohyb „cik“ častice sa neustále mení na spätný pohyb častice „zag“ a zverák. naopak. V skutočnosti ide o realizáciu javu nazývaného „zitterbewegung“ („chvenie“) a spočíva v tom, že okamžitý pohyb elektrónu v dôsledku účasti na takýchto osciláciách vždy nastáva rýchlosťou svetla, hoci celkový priemerný pohyb elektrónu sa vyznačuje rýchlosťou menšou ako rýchlosť svetla. Každá z týchto zložiek má rotáciu $\frac(1)(2)\hbar$ v smere pohybu, čo zodpovedá rotácii doľava v prípade častice „cik“ a rotácii doprava v prípade „zag“ častica. (Je to spôsobené skutočnosťou, že „cik“ častica $\alpha_A$ má neprimovaný index zodpovedajúci zápornej helicite a častica „zar“ $\beta_(A')$ má primovaný index zodpovedajúci kladnej helicite.

Všimnite si, že aj keď sa rýchlosť neustále mení, smer rotácie v pokojovom rámci elektrónu zostáva konštantný (obr. 1). Pri tejto interpretácii častica "cik" pôsobí ako zdroj pre časticu "zag" a častica "zag" pôsobí ako zdroj pre časticu "zig", pričom sila spojenia medzi nimi je určená hodnotou $ M $.

Ryža. 1. Kľukaté zobrazenie elektrónu, a) Elektrón (alebo inú masívnu časticu so spinom $\frac(1)(2)\hbar$) možno považovať za oscilujúci v časopriestore medzi bezhmotnou "cik" časticou s ľavým helicita (helicity $ -\frac(1)(2)$ je opísaná neprimovaným 2-spinorom $\alpha_A$ alebo, v notácii známej fyzikom, časťou premietnutou operátorom -$\frac(1) (2)(1-\gamma_5)$ )) a nehmotná častica „zar“ so správnou helicitou (helicita $+\frac(1)(2)$ je opísaná primárnym 2-spinorom $\beta_(A) ")$ alebo časť premietnutá operátorom $\frac(1)(2 )(1+\gamma_5)$ Každá z častíc slúži ako zdroj pre druhú s pokojovou hmotnosťou ako väzbová konštanta, b) Z z hľadiska 3-priestoru dochádza v kľudovom rámci elektrónu k plynulej zmene rýchlosti (veľkosti vždy rovnajúcej sa rýchlosti svetla), smer spinu však zostáva konštantný.(Pre prehľadnosť obr. je zobrazený nie celkom v pokojovom rámci elektrónu - namiesto toho elektrón pomaly posunie sa doprava.)

Na obr. 2 je schematické znázornenie príspevku tohto procesu ku kompletnému Feynmanovmu propagátoru. Každý jednotlivý cikcakový proces má konečnú dĺžku, ale celý ich súbor, vrátane cikcakov stále sa zväčšujúcej dĺžky, prispieva k kompletný procesšírenie elektrónov v súlade s maticou $2\times2$ znázornenou na obr. 2. V tomto prípade sa častica „zig“ zmení na časticu „zag“, potom sa „zag“ zmení na „zig“, potom opäť na „zag“ a tak ďalej v nejakom konečnom segmente.

Ak vezmeme do úvahy proces ako celok, zistíme, že priemerná frekvencia, s ktorou sa to deje, nepriamo súvisí s parametrom väzby - hmotnosťou M; v skutočnosti ide o "de Broglieho frekvenciu" elektrónu.
Je však potrebné poznamenať, ako by sa mali interpretovať Feynmanove diagramy. Znázornený proces môže byť zákonné dôvody považovaný za časopriestorový popis toho, čo sa deje, pri uvažovaní na kvantovej úrovni však treba mať na pamäti, že aj v prípade jedinej častice súčasne prebieha veľa takýchto procesov. Každý z nich by sa mal považovať za jeden z príspevkov k nejakej kvantovej superpozícii obrovské číslo rôzne procesy. Skutočný kvantový stav je určený celou superpozíciou ako celkom. Každý jednotlivý Feynmanov diagram je len jednou z jeho zložiek.

Je však potrebné poznamenať, ako by sa mali interpretovať Feynmanove diagramy. Zobrazený proces možno legitímne považovať za časopriestorový popis toho, čo sa deje, no pri uvažovaní na kvantovej úrovni treba mať na pamäti, že aj v prípade jednej častice prebieha veľa takýchto procesov súčasne. Každý z nich by sa mal považovať za jeden z príspevkov k nejakej kvantovej superpozícii obrovského množstva rôznych procesov. Skutočný kvantový stav je určený celou superpozíciou ako celkom. Každý jednotlivý Feynmanov diagram je len jednou z jeho zložiek.

V rovnakom duchu treba chápať aj vyššie uvedený popis pohybu elektrónu ako kolísanie tam a späť, pri ktorom sa „cik“ plynule mení na „zag“ a naopak. Reálny pohyb je zložený z veľkého (v skutočnosti nekonečne veľkého) množstva takýchto samostatných procesov, takže pozorovaný pohyb elektrónu možno považovať za výsledok nejakého ich „spriemerovania“ (hoci, striktne povedané, kvantová superpozícia prebieha tu). To je prípad iba voľného elektrónu. V skutočnosti elektrón nepretržite interaguje s inými časticami (napríklad s fotónmi - kvantami elektromagnetického poľa). Všetky takéto interakčné procesy musia byť zahrnuté aj do celkovej superpozície.

S ohľadom na toto všetko si položme otázku: nakoľko „skutočné“ sú častice „cik“ a „zag“? Alebo sú to len artefakty nejakého matematického formalizmu, ktorý som tu použil pri opise Diracovej rovnice pre elektrón? Viac sa vynára otázka všeobecný: nakoľko je z fyzikálneho hľadiska opodstatnené nechať sa viesť úvahami o elegancii nejakého matematického opisu a potom sa to snažiť vydávať za opis „reality“? V tomto prípade by sa malo začať položením otázky dôležitosti (a tiež elegancie) samotného 2-spinorového formalizmu ako matematickej metódy. Musím čitateľa upozorniť, že tento formalizmus vo veľkej miere nepoužívajú fyzici, ktorí sa zaoberajú Diracovou rovnicou a jej aplikáciami, najmä kvantovou elektrodynamikou (QED), najúspešnejším odvetvím kvantovej teórie poľa.

Obr.2. Každý cik-cak proces jednotlivo prispieva, ako súčasť nekonečnej kvantovej superpozície, ku kompletnému „propagátoru“, akým sú Feynmanove diagramy. Štandardný Feynmanov lineárny propagátor zobrazený vľavo predstavuje celú maticu nekonečných súčtov konečných kľukatých čiar zobrazených vpravo.

Čitateľ, ktorý je už trochu oboznámený s Feynmanovými diagramami, môže byť zmätený tu použitým vertikálnym časovým usporiadaním. V kvantovej teórii poľa sa zvyčajne kreslia diagramy, v ktorých sa časová premenná zvyšuje zľava doprava. Tento výber, v ktorom čas plynie zdola nahor, je v súlade s výberom akceptovaným v teórii relativity, pretože tento smer času je zvolený pre väčšinu časopriestorových diagramov.

Väčšina fyzikov používa formalizmus „Dirac spinors“ (alebo 4-spinor), v ktorom sú spinorové indexy vyradené. Namiesto 2-spinorového $\alpha_A$ používajú 4-spinorový $(1-\gamma_5)\psi$ (nazývajú ho „ľavostranná časť Diracovho elektrónu“, resp.
niečo také namiesto mojej "cig" častice) LINK8. Množstvo $\gamma_5$ je produkt
$$\gamma_5=-i\gamma_0\gamma_1\gamma_2\gamma_3$$
a má vlastnosť antikomutácie s každým z prvkov Cliffordovej algebry, pričom $\gamma_5^2=1$ Podobne sa namiesto $ používa $(1+\gamma_5)\psi$ (pravostranná špirálová časť). \beta_(A')$.

Niekto by si mohol všimnúť, že je to len vec zápisu a skutočne sa dá prejsť od 2-spinorového formalizmu k 4-spinorovému formalizmu a späť. Kľukatá reprezentácia je určite použiteľná (aj keď nie vždy) pre akýkoľvek formalizmus, ale má bližšie k 2-spinorovému formalizmu ako k 4-spinorovému formalizmu. Sú teda častice cik a cak skutočné? Môžeme povedať, že sú skutočné v rovnakej miere ako samotný „Diracov elektrón“ – ako veľmi užitočný idealizovaný matematický popis jedného z najzákladnejších prvkov vesmíru. Je to však skutočná „realita“?