14 Вопрос Проблемы физики высоких энергий XXI века

10.1 Проблемы Стандартной Модели

2. Стандартная модель.

Стандартная модель – известные частицы и силы взаимодействия между ними.

Все вещества состоят из атомов. Атомы имеют ядра, состоящие из протонов и нейтронов, вокруг ядер по орбитам вращаются электроны. Протоны и нейтроны состоят из кварков.

Свойства элементарных частиц зависят от того, какой состав кварков в них. Например, протоны состоят из двух up кварков и одного down кварка, нейтроны – наоборот.

Кварки в свою очередь называются красными, зелеными и голубыми.

    Фундаментальная физическая теория, Стандартная Модель электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий элементарных частиц (кварков и лептонов) является общепризнанным достижением физики XX века. Она объясняет все известные экспериментальные факты в физике микромира. Однако существует целый ряд вопросов, на которые в Стандартной Модели нет ответа. Нерешенные задачи в физике элементарных частиц сводятся к следующим:

1. Поиск экзотических частиц, имеющих структуру, отличную от принятой в Стандартной Модели.

2. Поиск Хиггс-бозона.

3. Поиск суперсимметричных частиц.

4. Природа темной материи.

10.3. Особенность существования нашей Вселенной

    Вселенную можно представить как однородную расширяющуюся сферу, наполненную веществом и излучением. В настоящее время радиус этой сферы ≈ 10²⁸ см. Возникает вопрос: что находится за пределами сферы радиусом 10²⁸ см? Какие есть возможности существования других Вселенных?     3. Сохранение энергии и заряда.

В любой реакции конечная энергия эквивалентна начальной. Частица, обладающая массой, имеет энергию равную - уравнение Эйнштейна. В действительности, если частица может распадаться, то суммарная масса продуктов реакции будет меньше, чем масса начальной частицы. Частица с массой 100 МэВ не может распасться на две с общей массой превышающей 100 Мэв. Закон сохранения энергии это запрещает. Избыток энергии излучается в форме кинетической энергии продуктов реакции.

Нейтрон имеет массу 939.57Мэв.

Нейтрон протон+электро+антиэлектроннейтрино.

Протон имеет массу 938,27 МэВ, электрон 0.511 МэВ, антинейтрино почти ноль.

Закон сохранения заряда имеет свои особенности. Измерение заряда происходит и единицах заряда электрона –1. Только для кварков эта величина составляет .

Заряд существует как число и вычисление заряда различных конфигураций частиц получается сложением чисел заряда разных частиц. Заряд – это одно из квантовых чисел.

Закон сохранения заряда говорит о том, что суммарный заряд должен быть одинаков до и после реакции.

Квантовые числа

Квантовые числа — энергетические параметры, определяющие состояние электрона и тип атомной орбитали, на которой он находится.

1. Главное квaнтовое число n определяет общую энергию электрона и степень его удаления от ядра (номер энергетического уровня); оно принимает любые целочисленные значения, начиная с 1 (n = 1, 2, 3, . . .)

2. Орбитальное (побочное или азимутальное) квантовое число l определяет форму атомной орбитали. Оно может принимать целочисленные значения от 0 до n-1 (l = 0, 1, 2, 3,..., n-1). Каждому значению l соответствует орбиталь особой формы. Орбитали с l = 0 называются s-орбиталями, l = 1 – р-орбиталями (3 типа, отличающихся магнитным квантовым числом m), l = 2 – d-орбиталями (5 типов), l = 3 – f-орбиталями (7 типов).

3. Магнитное квантовое число m определяет ориентацию орбитали в пространстве относительно внешнего магнитного или электрического поля. Его значения изменяются от +l до -l, включая 0. Например, при l = 1 число m принимает 3 значения: +1, 0, -1, поэтому существуют 3 типа  р-АО:  р_x,  р_y,  р_z.

4. Спиновое квантовое число s может принимать лишь два возможных значения +1/2 и -1/2. Они соответствуют двум возможным и противоположным друг другу направлениям собственного магнитного момента электрона, называемого спином (от англ. веретено). Для обозначения электронов с различными спинами используются символы: и .

5. Кварки

Кварки это элементарные частицы, то есть частицы, которые не имеют своей внутренней структуры (по крайней мере так считается).

6. К настоящему времени было открыто 6 кварков и новых кварков не предвидится (почему -- это тема для другого вопроса).

7. Из кварков, в частности, состоят протоны (2u+d) и нейтроны (2d+u).

8. Каждый из шести кварков имеет свое собственное имя и за каждым из них стоит годы попыток его обнаружить - можно написать не один детективный роман на эту тему.

   Кварк	Название	Масса	Заряд
   u	up	от 1.5 до 5 МэВ	2/3
   d	down	от 3 до 9 МэВ	-1/3
   s	strange	от 60 до 170 МэВ	-1/3
   c	charm	от 1.1 до 1.4 ГэВ	2/3
   b	bottom	от 4.1 до 4.4 ГэВ	-1/3
   t	top	от 168 до 178 ГэВ	2/3

9. Кроме кварков существуют и другие элементарные частицы: лептоны (электрон, мюон и t-лептон) и нейтрино (электронное, мюонное и тау-лептонное, соответственно) В первой половине и в середине 20-го века всем казалось, что существует три типа элементарных частиц -- электрон, нейтрино (электронное нейтрино -- существование доказано из b распада) и все остальные -- адроны (сейчас ясно, что адроны не являются элементарными, а состоят из кварков).

Ква́рк — фундаментальная частица в Стандартной модели, обладающая электрическим зарядом, кратным e/3, и не наблюдающаяся в свободном состоянии. Кварки являются точечными частицами вплоть до масштаба примерно 0,5·10^–19 м, что примерно в 20 тысяч раз меньше размера протона. Из кварков состоят адроны, в частности, протон и нейтрон. В настоящее время известно 6 разных «сортов» (чаще говорят — «ароматов») кварков, свойства которых даны в таблице. Кроме того, для калибровочного описания сильного взаимодействия постулируется, что кварки обладают и дополнительной внутренней характеристикой, называемой «цвет». Каждому кварку соответствует антикварк с противоположными квантовыми числами.

Глюоны – частицы с нулевой массой, которые взаимодействуют с кварками. Они для кварков тоже самое, что фотоны для электронов. Глюоны ответственны за взаимодействия между кварками. Глюоны сохраняют цветовой заряд. В сущности они несут один цвет и один анти-цвет одновременно. Например существует «красный анти-голубой глюон». Глюоны соединяются только чтобы окрасить частицы.

Разница между зарядом и цветом. Цвет подвержен сохранению, как электрический заряд. Но если в реакции присутствует несколько цветов это не всегда так. Например три цвета могут соединиться и образовывать нейтральный цвет.

Если существует связное состояние нескольких кварков, тогда ваимодействие глюонов в таком связном состоянии есть комбинация этих глюонов с их индивидуальными кварками. То есть возможна конфигурация связного состояния кварков разных цветов, таким образом, глюоны не составляют связной комбинации.

Грубо говоря, красный голубой и зеленый могут соединяться во что-то, что мы называем белый, но это значит, что не глюоны вызвали это. Это значит что в протоне или нейтроне один кварк красный, другой синий, третий зеленый. Невозможно сказать какой из них какой, они меняются цветами все время. Это цветовое изменение продиктовано обменом глюонами между кварками. Чтобы комбинация этих трех кварков была нейтральной, они должны соединяться специфическим путем с привлечением спина кварка, ориентируемого внутри протона или нейтрона.

Итак. Барионое число протона 1. Таким образом кварки должны иметь барионое число 1/3. Кварки имеют цвет и барионое число. В дополнение они имеют электрический заряд. Кварки +2/3 или –1/3, антикварки - 2/3 и +1/3. Протон состоит из двух кварков +2/3 и одного –1/3.

Доказано, что нейтральные по цвету комбинации кварков не имеют составного электрического заряда.

Вывод: если существует нейтральное по цвету связное состояние нескольких кварков, один выделен быть не может.

Фотон имеет массу и заряд равные нулю. Он взаимодействует с любыми частицами, несущими заряд, с силами, увеличивающимися с величиной заряда. Фотон создает пары с ап-кваркаим более сильные чем с даун кварками и не взаимодействует с другими нейтринами или фотонами. Все заряженные частицы могут испускать или поглощать фотоны, но они остаются теми же самыми частицами. Опять же фотоны могут испускаться и поглощаться всеми античастицами, исключая нейтральную антинейтрину.

Спин

Элементарные частицы группируются по их важнейшему признаку – спину. Спин – это внутреннее вращение, как вращение теннисного мяча. Спин кратен ½, включая ноль.

Частицы, которые мы связываем с материей, имею спин ½. Электрон, как и кварки, имеет спин = ½.

Частицы. Которые участвуют во взаимодействиях, имеют спин = 1, исключая гравитон, который участвует в гравитационных взаимодействиях. Он имеет спин=2.

Гипотетическая частица, Хигговский базон имеет спин = 0.