Стандартная модель

Фермионы

Фермионы - это частицы, которые соединяются вместе и образуют всю видимую нами "материю". Примерами групп фермионов являются протон и нейтрон. Фермионы обладают такими свойствами, как заряд и масса, которые можно наблюдать в повседневной жизни. Они также обладают другими свойствами, такими как спин, слабый заряд, гиперзаряд и цветной заряд, эффекты которых обычно не проявляются в повседневной жизни. Этим свойствам присваиваются числа, называемые квантовыми числами.

Фермионы - это частицы, спиновое число которых равно нечетному положительному числу, умноженному на половину: 1/2, 3/2, 5/2 и т.д. Мы говорим, что фермионы имеют "половину целочисленного спина".

Важным фактом о фермионах является то, что они следуют правилу, называемому принципом исключения Паули. Это правило гласит, что никакие два фермиона не могут находиться в одном и том же "месте" в одно и то же время, потому что никакие два фермиона в атоме не могут иметь одинаковые квантовые числа в одно и то же время. Фермионы также подчиняются теории, называемой статистикой Ферми-Дирака. Слово "фермион" дано в честь физика Энрико Ферми.

Существует 12 различных типов фермионов. Каждый тип называется "ароматом". Их названия следующие:

• Кварки - восходящие, нисходящие, странные, очаровательные, верхние, нижние
• Лептоны - электрон, мюон, тау, электронное нейтрино, мюонное нейтрино, тау-нейтрино. Электрон - самый известный лептон.

Кварки сгруппированы в три пары. Каждая пара называется "поколением". Первый кварк в каждой паре имеет заряд 2/3, а второй кварк - заряд -1/3. Три вида нейтрино имеют заряд 0. Электрон, мюон и тау имеют заряд -1.

Материя состоит из атомов, а атомы состоят из электронов, протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны состоят из восходящих и нисходящих кварков. Вы можете найти один лептон сам по себе, но вы никогда не сможете найти кварки сами по себе. Это происходит потому, что кварки удерживаются вместе цветовой силой.

Изображение трех кварков в протоне

Бозоны

Бозоны - это второй тип элементарных частиц в стандартной модели. Все бозоны имеют целочисленный спин (1, 2, 3 и т.д.), поэтому многие из них могут находиться в одном и том же месте в одно и то же время. Существует два типа бозонов: калибровочные бозоны и бозон Хиггса. Гауссовы бозоны - это то, что делает возможными фундаментальные силы природы. (Мы пока не знаем, действует ли гравитация через бозон Хиггса). Любая сила, действующая на фермионы, возникает потому, что между фермионами движутся бозоны, переносящие силу. Бозоны следуют теории, называемой статистикой Бозе-Эйнштейна. Слово "бозон" дано в честь индийского физика Сатьендры Натха Бозе.

Стандартная модель утверждает, что они есть:

• 12 фермионов, каждый из которых имеет свою античастицу;
• 12 калибровочных бозонов: 8 видов глюонов, фотон, W⁺ , W^- и Z;

Все эти частицы были замечены либо в природе, либо в лаборатории. Модель также предсказывает существование бозона Хиггса. Модель утверждает, что фермионы имеют массу (они не просто чистая энергия), потому что бозоны Хиггса перемещаются туда и обратно между ними. Считается, что бозон Хиггса был открыт 4 июля 2012 года. Это частица, которая придает массу другим частицам.

Фундаментальные силы

Существуют четыре основные известные силы природы. Эти силы воздействуют на фермионы и переносятся бозонами, перемещающимися между этими фермионами. Стандартная модель объясняет три из этих четырех сил.

• Сильная сила: Эта сила удерживает кварки вместе, образуя адроны, такие как протоны и нейтроны. Сильная сила переносится глюонами. Теория кварков, сильных сил и глюонов называется квантовой хромодинамикой (КХД).
• Остаточная сильная сила удерживает протоны и нейтроны вместе, образуя ядро каждого атома. Эта сила переносится мезонами, которые состоят из двух кварков.
• Слабая сила: Эта сила может изменять вкус фермиона и вызывает бета-распад. Слабая сила переносится тремя калибровочными бозонами: W⁺ , W^- , и Z-бозон.
• Электромагнитная сила: Эта сила объясняет электричество, магнетизм и другие электромагнитные волны, включая свет. Эта сила переносится фотоном. Объединенная теория электрона, фотона и электромагнетизма называется квантовой электродинамикой.
• Гравитация: Это единственная фундаментальная сила, которая не объясняется СМ. Возможно, ее переносит частица, называемая гравитоном. Физики ищут гравитон, но пока не нашли его.

Сильные и слабые силы проявляются только внутри ядра атома. Они действуют только на очень маленьких расстояниях: на расстояниях, равных ширине протона. Электромагнитные силы и гравитация действуют на любом расстоянии, но сила этих сил уменьшается по мере удаления объектов воздействия друг от друга. Сила уменьшается с квадратом расстояния между объектами: например, если два объекта удалены друг от друга в два раза, сила притяжения между ними становится в четыре раза меньше (2² =4).

Ограничения

Стандартная модель не является теорией всего. Она не включает в себя полную теорию гравитации, описываемую общей теорией относительности, и не учитывает ускоряющееся расширение Вселенной (возможно, описываемое темной энергией). Модель не содержит ни одной частицы темной материи, которая обладала бы всеми свойствами, наблюдаемыми в наблюдательной космологии. Считается, что СМ теоретически самосогласованна. Она продемонстрировала огромные и постоянные успехи в экспериментальных предсказаниях, но некоторые вещи остаются необъясненными.