©hoo$e ЛÄнgიAge©///₾ÄngიAge® Ekohomei©Å TÅLKiNg ი.ბ.м.ლ.

geo.rf.gd

   

1 Стандартная Модель физики частиц

    Современное представление о физике частиц содержится в так называемой Стандартной Модели. Стандартная Модель (СМ) физики частиц базируется на квантовой электродинамике, квантовой хромодинамике и кварк-партонной модели.
    Квантовая электродинамика (КЭД) − высокоточная теория − описывает процессы, происходящие под действием электромагнитных сил, которые изучены с высокой степенью точности.
    Квантовая хромодинамика (КХД), описывающая процессы сильных взаимодействий, строится по аналогии с КЭД, но в большей степени является полуэмпирической моделью.
    Кварк-партонная модель объединяет теоретические и экспериментальные результаты исследований свойств частиц и их взаимодействий.
    До сего времени не обнаружено отклонений от Стандартной Модели.
    Основное содержание Стандартной Модели представлено в таблицах 1, 2, 3. Конституентами материи являются три поколения фундаментальных фермионов (I, II, III), свойства которых перечислены в табл. 1. Фундаментальные бозоны - переносчики взаимодействий (табл. 2), которые можно представить с помощью диаграммы Фейнмана (рис. 1).

Таблица 1: Фермионы − (спин полуцелый в единицах ћ) конституенты материи

  Лептоны, спин = 1/2 Кварки, спин = 1/2
  Аромат Масса,
ГэВ/с2		 Электрический
заряд, е		 Аромат Масса,
ГэВ/с2		 Электрический
 заряд, е
I νe < 7·10-9 0 u, up 0.005 2/3
е, электрон 0.000511 -1 d, down 0.01 -1/3
II νμ < 0.0003 0 с, charm 1.5 2/3
μ, мюон 0.106 -1 s, strange 0.2 -1/3
 III ντ < 0.03 0 t, top 170 2/3
τ, тау 1.7771 -1 b, bottom 4.7 -1/3

Таблица 2: Бозоны — переносчики взаимодействий (спин = 0, 1, 2 ... в единицах ћ)

Переносчики
взаимодействия		 Масса,
ГэВ/с2		 Электрический
 заряд, е
Электрослабое взаимодействие
γ, фотон, спин = 1 0 0
W-, спин = 1 80.22 -1
W+, спин = 1 80.22 +1
Z0, спин = 1 91.187 0
Сильное (цветовое) взаимодействие
5, глюоны, спин = 1 0 0
Неоткрытые бозоны
H0, Хиггс, спин = 0 > 100 0
G, гравитон, спин = 2 ? 0

Таблица 3: Сравнительные характеристики фундаментальных взаимодействий

Взаимодействие Переносчик взаимодействия Сила взаимодействия
Сильное Глюон 1
Электромагнитное Фотон 10-2
Слабое Калибровочные бозоны 10-5
Гравитационное Гравитон 10-38

Сила взаимодействия указана относительно сильного.

Рис. 1: Диаграмма Фейнмана: А + В = С + D, а − константа взаимодействия, Q2 = -t − 4-импульс, который частица А передает частице В в результате одного из четырех типов взаимодействий.

1.1 Основные положения Стандартной Модели

  • Адроны состоят из кварков и глюонов (партонов). Кварки − фермионы со спином 1/2 и массой m 0; глюоны - бозоны со спином 1 и массой m = 0.
  • Кварки классифицируются по двум признакам: аромат и цвет. Известно 6 ароматов кварков и 3 цвета для каждого кварка.
  • Аромат - характеристика, сохраняющаяся в сильных взаимодействиях.
  • Глюон составлен из двух цветов − цвета и антицвета, а все остальные квантовые числа у него равны нулю. При испускании глюона кварк меняет цвет, но не аромат. Всего работает 8 глюонов.
  • Элементарные процессы в КХД строятся по аналогии с КЭД: тормозное испускание глюона кварком, рождение кварк-антикварковых пар глюоном. Процесс рождения глюонов глюоном не имеет аналога в КЭД.
  • Статическое глюонное поле не стремится к нулю на бесконечности, т.е. полная энергия такого поля бесконечна. Таким образом, кварки не могут вылетать из адронов, имеет место конфайнмент.
  • Между кварками действуют силы притяжения, имеющие два необычных свойства: а) асимптотическую свободу на очень малых расстояниях и б) инфракрасное пленение - конфайнмент, благодаря тому, что потенциальная энергия взаимодействия V(r) неограниченно растет с увеличением расстояния между кварками r, V(r) = -αs/r + ær, αs и æ − константы.
  • Кварк-кварковое взаимодействие не аддитивно.
  • В виде свободных частиц могут существовать только цветовые синглеты:
    мезонный синглет, для которого волновая функция определяется соотношением

        и барионный синглет с волновой функцией

        где R - красный, В - синий, G - зеленый.

  • Различают токовые и составляющие кварки, которые имеют разные массы.
  • Сечения процесса А + В = С + Х с обменом одним глюоном между кварками, входящими в состав адронов, записываются в виде:


ŝ = xaxbs,   = xat/xc.

Символами a, b, c, d обозначены кварки и относящиеся к ним переменные, символами А, В, С − адроны, ŝ, , , − величины, относящиеся к кваркам, − функция распределения кварков а в адроне А (или, соответственно, - кварков b в адроне В), − функция фрагментации кварка с в адроны С, d/dt − элементарное сечение qq взаимодействия.

1.2 Поиск отклонений от Стандартной Модели

    При существующих энергиях ускоренных частиц хорошо выполняются все положения КХД и тем более КЭД. В планирующихся экспериментах с более высокими энергиями частиц одной из главных задач считается поиск отклонений от Стандартной Модели.
    Дальнейшее развитие физики высоких энергий связано с решением следующих задач:

  1. Поиск экзотических частиц, имеющих структуру, отличную от принятой в Стандартной Модели.
  2. Поиск нейтринных осцилляции νμ ↔ ντ и связанная с этим проблема массы нейтрино (νm ≠ 0).
  3. Поиск распада протона, время жизни которого оценивается величиной τэксп > 1033 лет.
  4. Поиск структуры фундаментальных частиц (струны, преоны при расстояниях d < 10-16 см).
  5. Обнаружение деконфайнмированной адронной материи (кварк-глюонной плазмы).
  6. Изучение нарушения СР-инвариантности при распаде нейтральных K-мезонов, D-мезонов и B-частиц.
  7. Изучение природы тёмной материи.
  8. Изучение состава вакуума.
  9. Поиск Хиггс-бозона.
  10. Поиск суперсимметричных частиц.

1.3 Нерешенные вопросы Стандартной Модели

    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.

  1. Неизвестна природа механизма спонтанного нарушения электрослабой калибровочной инвариантности.
  • Объяснение существования масс у W±- и Z0-бозонов требует введения в теорию скалярных полей с неинвариантным относительно калибровочных преобразований основным состоянием -вакуумом.
  • Следствием этого является возникновение новой скалярной частицы - бозона Хиггса.
  1. СМ не объясняет природу квантовых чисел.
  • Что такое заряды (электрические; барионные; лептонные: Le, Lμ, Lτ: цветовые: синий, красный, зеленый) и почему они квантуются?
  • Почему существует 3 поколения фундаментальных фермионов (I, II, III)?
  1. СМ не включает гравитацию, отсюда путь включения гравитации в СМ - Новая гипотеза о существовании дополнительных измерений в пространстве микромира.
  2. Нет объяснения, почему фундаментальный масштаб Планка (М ~ 1019 ГэВ) так далек от фундаментального масштаба электрослабых взаимодействий (М ~ 102 ГэВ).

    В настоящее время наметился путь решения этих проблем. Он состоит в развитии нового представления о структуре фундаментальных частиц. Предполагается, что фундаментальные частицы представляют собой объекты, которые принято называть "струнами". Свойства струн рассматриваются в быстро развивающейся Модели Суперструн, которая претендует на установление связи между явлениями, происходящими в физике элементарных частиц и в астрофизике. Такая связь привела к формулировке новой дисциплины - космологии элементарных частиц.

homenext

На головную страницу
Top.Mail.Ru