Стандартна модель елементарних частинок для початківців

З чого ми складаємося?

Ну що ж, наша подорож в мікросвіт ми почнемо з простого питання: з чого складаються навколишні нас предмети? Наш світ, як будинок, складається з безлічі невеликих цеглинок, які особливим чином поєднуючись, створюють щось нове, не тільки за зовнішнім виглядом, але ще й за своїми властивостями. На ділі, якщо сильно до них придивитися, то можна виявити, що різних видів блоків не так вже й багато, просто кожен раз вони з'єднуються один з одним по-різному, утворюючи нові форми і явища. Кожен блок - це неподільна елементарна частинка, про яку і піде мова в моєму оповіданні.

Для прикладу, візьмемо будь-яке речовина, нехай у нас це буде другий елемент періодичної системи Менделєєва, інертний газ, гелій. Як і інші речовини у Всесвіті, гелій складається з молекул, які в свою чергу утворені зв'язками між атомами. Але в даному випадку, для нас, гелій трохи особливий, тому що він складається всього з одного атома.

З чого складається атом?

Атом гелію, в свою чергу, складається з двох нейтронів і двох протонів, складових атомне ядро, навколо якого обертаються два електрони. Найцікавіше, що абсолютно неподільним тут є лише електрон.

Цікавий момент квантового світу

Нейтрони і протони відносяться до групи так званих адронів (часток, що піддаються сильному взаємодії), а якщо бути ще точніше, баріонів.

Адрони можна розділити на групи

• Баріонів, які складаються з трьох кварків
• Мезонів, які складаються з пари: частка-античастинка

Нейтрон, як зрозуміло з його назви, є нейтрально зарядженим, і може бути поділений на два нижніх кварка і один верхній кварк. Протон, позитивно заряджена частинка, ділиться на один нижній кварк і два верхніх кварка.

Так, так, я не жартую, вони дійсно називаються верхній і нижній. Здавалося б, якщо ми відкрили верхній і нижній кварк, та ще електрон, то зможемо з їх допомогою описати весь Всесвіт. Але це твердження було б дуже далеко від істини.

Головна проблема - частинки повинні якось між собою взаємодіяти. Якби світ складався лише з цієї трійці (нейтрон, протон і електрон), то частинки б просто літали по безкрайніх просторах космосу і ніколи б не збиралися в більші утворення, начебто адронів.

Ферміони і Бозони

Досить давно вченими була придумана зручна і лаконічна форма подання елементарних частинок, названа стандартною моделлю. Виявляється, все елементарні частинки діляться на ферміони. з яких і складається вся матерія, і бозони. які переносять різні види взаємодій між фермионами.

Різниця між цими групами дуже наочна. Справа в тому, що ферміонами для виживання за законами квантового світу потрібен певний простір, в той час як їхні колеги - бозони можуть спокійно трильйонами жити прямо один на одному.

Група фермионов, як було вже сказано, створює видиму матерію навколо нас. Що б ми і де не побачили, створено фермионами. Ферміони діляться на кварки. сильно взаємодіючі між собою і замкнені всередині більш складних частинок на зразок адронів, і лептони. які вільно існують в просторі незалежно від своїх побратимів.

Кварки діляться на дві групи.

• Верхнього типу. До кваркам верхнього типу, з зарядом +23, відносять: верхній, зачарований і істинний кварки
• Нижнього типу. До кваркам нижнього типу, з зарядом -13, відносять: нижній, дивний і чарівний кварки

Істинний і чарівний є найбільшими кварками, а верхній і нижній - найменшими. Чому кваркам дали такі незвичайні назви, а кажучи більш правильно, «аромати», до сих пір для вчених предмет суперечок.

Лептони також діляться на дві групи.

• Перша група, з зарядом «-1», до неї відносять: електрон, мюон (важчу частку) і тау-частинку (наймасивнішу)
• Друга група, з нейтральним зарядом, містить: електронне нейтрино, мюонне нейтрино і тау-нейтрино

Нейтрино - є мала частка речовини, засікти яку практично неможливо. Її заряд завжди дорівнює 0.

Виникає питання, чи не знайдуть фізики ще кілька поколінь частинок, які будуть ще більш масивними, в порівнянні з попередніми. На нього відповісти важко, проте теоретики вважають, що покоління лептонів і кварків вичерпуються трьома.

Чи не вважаєте ніякої схожості? І кварки, і лептони діляться на дві групи, які відрізняються один від одного зарядом на одиницю? Але про це пізніше.

Без них би ферміони суцільним потоком літали по всесвіту. Але обмінюючись бозона, ферміони повідомляють один одному будь-якої вид взаємодії. Самі бозони ж один з одним не взаємодіють.

Взаємодія, що передається бозона, буває:

• Електромагнітним. частинки - фотони. За допомогою цих безмассових частинок передається світло.
• Сильним ядерним. частинки - глюони. З їх допомогою кварки з ядра атома не розпадаються на окремі частки.
• Слабким ядерним. частинки - W і Z бозони. З їх допомогою ферміони перекидаються масою, енергією, і можуть перетворюватися один в одного.
• Гравітаційним. частинки - Гравітон. Надзвичайно слабка в масштабах мікросвіту сила. Стає видимою тільки на надмасивних тілах.

Застереження про гравітаційній взаємодії.
Існування гравітонів експериментально ще не підтверджено. Вони існують лише у вигляді теоретичної версії. У стандартній моделі в більшості випадків їх не розглядають.

Ось і все, стандартна модель зібрана.

Проблеми тільки почалися

Незважаючи на дуже гарне уявлення частинок на схемі, залишилося два питання. Звідки частки беруть свою масу і що таке Бозон Хіггса. який виділяється з інших бозонів.

Для того, що б розуміти ідею застосування бозона Хіггса, нам необхідно звернутися до квантової теорії поля. Говорячи простою мовою, можна стверджувати, що весь світ, весь Всесвіт, складається не з найдрібніших частинок, а з безлічі різних полів: глюонного, кваркового, електронного, електромагнітного і.т.д. У всіх цих полях постійно виникають незначні коливання. Але найбільш сильні з них ми сприймаємо як елементарні частинки. Та й цю тезу досить спірне. З точки зору корпускулярно-хвильового дуалізму, один і той же об'єкт мікросвіту в різних ситуаціях поводиться то як хвиля, то як елементарна частинка, це залежить лише від того, як фізику, спостерігає за процесом, зручніше змоделювати ситуацію.

поле Хіггса

Виявляється, існує так зване поле Хіггса, середнє значення якого не хоче прагнути до нуля. В результаті чого, це поле намагається прийняти деяке постійне нульове значення у всьому Всесвіті. Поле складає всюдисущий і постійний фон, в результаті сильних коливань якого і з'являється Бозон Хіггса.
І саме завдяки полю Хіггса, частинки наділяються масою.
Маса елементарної частинки, залежить від того, наскільки сильно вона взаємодіє з полем Хіггса. постійно пролітаючи усередині нього.
І саме через бозона Хіггса, а точніше через його поля, стандартна модель має так багато схожих груп частинок. Поле Хіггса змусило зробити безліч додаткових частинок, таких, наприклад, як нейтрино.