Морозов Александр Гавриилович (moralg) wrote,
Морозов Александр Гавриилович
moralg

Category:

Начала физики. 36. Стандартная модель и бозон Хиггса.

      Построенная в 20-х годах прошлого века квантовая механика - нерелятивистская теория. Прекрасно объяснившая принципы устройства атомов. Но не описывающая релятивистские эффекты и слабые и ядерные взаимодействия. В 1940-х была построена квантовая электродинамика - релятивистская квантовая теория электромагнитого взаимодействия.

      К концу 60-х прошлого века на ускорителях было изучено множество процессов и открыто много десятков частиц, претендующих на статус элементарных. Попытки разобраться в огромном количестве опытных фактов привели начиная с середины 60-х годов почти к одновременному созданию релятивистских теорий электрослабого и ядерного (сильного) взаимодействий. Вторую из которых называют квантовой хромодинамикой.

      По совокупности все эти теории привели к созданию  Стандартной модели, включающей в себя  таблицу фундаментальных частиц. При этом составляющие основную массу мира протоны и нейтроны оказались совсем не фундаментальными частицами.


      Перед вами таблица частиц, объявленных Стандартной моделью не элементарными, а фундаментальными. Как видите, известных нам протона и нейтрона в ней нет. Они оказались составными частицами. Что же эта таблица говорит нам об устройстве мира?


      В этой таблице четыре обозначенных разными цветами острова - кварки, лептоны, калибровочные бозоны и бозон Хиггса.

      1. Кварки. Их 6 видов ("ароматов"). Они разделены на три "поколения" (три столбца). Все они имеют отличную от нуля массу покоя, которая в таблице указана в энергетических единицах (эв - электронвольт). Все они имею электрический заряд, кратный трети заряда электрона (от тоже указан в таблице). И все они фермионы со спином 1/2. Все они в экспериментах поодиночке не наблюдаются, но наблюдаются в связанных состояниях с другими кварками. Пока обнаружены связанные состояния с числом кварков от 2 до 5. При экспериментальном прощупывании кварков в их связанных состояниях они кажутся точечными в том смысле, что их размеры по крайней мере на три порядка меньше размера протона.
      Кварки участвуют во всех типах взаимодействий - сильном, слабом, электромагнитном, гравитационном. Каждому кварку соответствует антикварк с аналогичными характеристиками. Простейшими составными 2х-кварковыми частицами являются мезоны, состоящие из комбинаций кварк-антикварк. Начиная с самых маломассивных π-мезонов. Уже в начале 21 века в экспериментах были обнаружены мезоноподобные частицы-тетракварки, состоящие из двух кварк-антикварковых пар.
      Хорошо известные нам и принадлежащие к классу адронов протоны и нейтроны состоят из трех кварков первого поколения. Протон = uud, нейтрон = udd. К числу адронов принадлежат и гипероны, в коих обязательно есть кварки не только первого поколения. В последние годы появились сообщения об открытии пентакварков, состоящих из четырех кварков и одного антикварка.

      2. Лептоны. Их тоже 6. Они тоже разделены на три поколения (столбца). Все они наблюдаются в экспериментах. Три из них имеют отличную от нуля массу покоя и электрический заряд как у электрона, а три (нейтрино) в теории не имеют ни электрического заряда, ни массы покоя (в таблице указаны экспериментальные ограничения на их массы сверху).
      Мюон и тау-лептон есть фактически тяжелая и сверхтяжелая реинкарнации электрона. Поставлено немало опытов с атомами, в которых место электрона замещает мюон.
      Загадочные нейтрино будут рассмотрены в следующем псто.
      P.S. Ленин оказался не прав, утверждая, что "Электрон так же неисчерпаем, как и атом, ...". Ему надо было бы заменить слово электрон на слово протон. Тогда его слова стали бы пророческими. А реально стали философским трепом.

      3. Калибровочные бозоны. Это - частицы-агенты взаимодействий. Их 4 типа. Глюон - агент сильного взаимодействия, фотон - электромагнитного, W и Z бозоны - слабого.

      4. Бозон Хиггса. Специфическая частица, связанная с нарушением некоторых симметрий в микромире и, тем самым, влияющая на появление у них ненулевых масс покоя. Описание весьма сложного механизма такого его влияния выходит за рамки этого поста. Замечу лишь, что в одной из посвященных этому бозону зарубежных работ была написана отличная шутка: "Бозон Хиггса подобен коммунистической партии - он контролирует массы."

      5. Физические и астрофизические следствия Стандартной модели.
      а) Протон и нейтрон являются связанными состояниями 3-х кварков. Протон - uud, нейтрон - udd. Если мы просуммируем массы кварков в этих двух комбинациях, то увидим, что масса протона должна быть ~ 9,4 Мэв, а масса нейтрона ~ 11,9 Мэв. На самом деле масса протона ~ 938,3 Мэв, а масса нейтрона ~ 939,6 Мэв. Реальные массы основных частиц окружающего нас мира на два порядка больше суммы масс составляющих их кварков! Следовательно, основная масса Вселенной сидит в энергии поля сильного взаимодействия, склеивающего безмассовыми глюонами маломассивные кварки.

      б) Все кварки и лептоны в Стандартной модели, а также протоны и нейтроны являются фермионами, имеющими спин = 1/2. Таким частицам принцип Паули запрещает садиться на один и тот же энергетический уровень более чем по двое (с противоположно направленными спинами). Из этого запрета следует, что сжатие любого коллектива фермионов до плотностей выше некоторых предельных принципиально невозможно. А отсюда следует, что никаких сингулярносте в реальной Вселенной не существовало и не будет существовать никогда.

      6. Вопросы к Всевышнему.
      Любая теория тем менее правдива, чем больше в ней свободных параметров. Свободных в том смысле, что они берутся из эксперимента (в лучшем случае) или "с потолка" (в худшем случае). В Стандартной модели все свободные параметры берутся из эксперимента (в том числе - массы частиц) и этих свободных параметров многовато. Поэтому возникают вопросы...
      1. Зачем Всевышний придумал три поколения кварков и три поколения лептонов? Неужели не мог обойтись только одним поколением, вполне достаточным для создания всех фермионов, реально наблюдаемых во Вселенной - протона, нейтрона, электрона и электронного нейтрино?
      2. Зачем Всевышний создал u и d кварки, а не напрямую протон и нейтрон? Пусть и взаимодействующие с помощью того же глюона.

      P.S. Не исключаю, что нынешняя Стандартная модель - не последняя. В следующей может оказаться, что второе и третье поколения кварков и лептонов окажутся некоторым образом возбужденными состояниями частиц первого поколения. Когда это произойдет и произойдет ли, не знаю. Да и загадки нейтрино будут подталкивать Стандартную модель к эволюции.
      P.P.S. Предыдущие стандартные модели:




Tags: Начала физики
Subscribe

Recent Posts from This Journal

  • В этот день 11 лет назад

    Этот пост был опубликован 11 лет назад!

  • Две мышки...

    Две мышки танцуют, хвостиками машут. Но мы видим лишь мгновенный снимок одного их па. Сколько же па еще будет и чем их танец закончится? На…

  • Зоология космических телескопов.

    "Кормовая база" земных телескопов довольно узка - они могут видеть объекты в оптической части спектра электромагнитных волн, близких к…

promo moralg march 5, 2018 03:01 46
Buy for 30 tokens
Многие из нас вздрагивают, когда дорогу нам перебегает черная кошка. Но неприятных последствий обычно не возникает и мы быстро забываем о ней. Но два дня назад на северо-восток США обрушилась очередная буря и совершила совсем не очередное действо - сломала дерево, которое 227 лет назад посадил…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 28 comments

Recent Posts from This Journal

  • В этот день 11 лет назад

    Этот пост был опубликован 11 лет назад!

  • Две мышки...

    Две мышки танцуют, хвостиками машут. Но мы видим лишь мгновенный снимок одного их па. Сколько же па еще будет и чем их танец закончится? На…

  • Зоология космических телескопов.

    "Кормовая база" земных телескопов довольно узка - они могут видеть объекты в оптической части спектра электромагнитных волн, близких к…