Teorija standardnog modela fizike čestica

Kako naš svijet djeluje na subatomskoj razini? Slika putem Varsha Y S.

Autor Glenn Starkman, sveučilište Case Western Reserve

Standardni model. Kakav dosadan naziv za najtačniju znanstvenu teoriju poznatu ljudskim bićima.

Više od četvrtine Nobelovih nagrada za fiziku prošlog stoljeća direktni su ulazi u izravne rezultate ili standardni rezultati Standardnog modela. Ipak, samo ime govori o tome da ako si možete priuštiti nekoliko dodatnih dolara mjesečno, trebali biste kupiti nadogradnju. Kao teorijski fizičar, preferirao bih apsolutno zadivljujuću teoriju gotovo svega. To je zapravo standardni model.

Mnogi se sjećaju uzbuđenja među znanstvenicima i medijima zbog otkrića Higgsovog bozona 2012. godine. No, taj događaj koji se toliko zaokuplja nije ispao iz vedra neba - ograničio je pet desetljeća neporaženi niz za Standardni model. Svaka temeljna sila osim gravitacije je uključena u nju. Svaki pokušaj da ga se prevrne kako bi se pokazalo u laboratoriju da ga je potrebno značajno preraditi - a bilo ih je mnogo u posljednjih 50 godina - nije uspio.

Ukratko, Standardni model odgovara na ovo pitanje: Od čega se sastoji i kako se drži zajedno?

Najmanji građevni blokovi

Znate, naravno, da je svijet oko nas načinjen od molekula, a molekule su od atoma. Kemičar Dmitri Mendeleev je to shvatio 1860-ih i sve atome - odnosno elemente - organizirao u periodičnoj tablici koju ste vjerojatno studirali u srednjoj školi. Ali postoji 118 različitih kemijskih elemenata. Ima antimona, arsena, aluminija, selena i još 114.

Naša godišnja kampanja za financiranje mnoštva započela je. Molimo donirajte što možete kako biste pomogli EarthSkyu da nastavi dalje!

Ali ti se elementi mogu dalje raščlaniti. Slika preko Rubén Vere Koster.

Fizičari vole stvari jednostavne. Želimo sve spustiti do njihove suštine, nekoliko osnovnih građevnih blokova. Preko stotinu kemijskih elemenata nije jednostavno. Drevni su vjerovali da je sve sačinjeno od samo pet elemenata - zemlje, vode, vatre, zraka i etera. Pet je puno jednostavnije od 118. Također je pogrešno.

Do 1932. znanstvenici su znali da su svi ti atomi načinjeni od samo tri čestice - neutrona, protona i elektrona. Neutroni i protoni čvrsto se vežu u jezgru. Elektroni, tisuće puta lakši, vijugaju oko jezgre brzinom koja se približava svjetlosti. Fizičari Planck, Bohr, Schroedinger, Heisenberg i prijatelji izmislili su novu znanost - kvantnu mehaniku - da bi objasnili ovaj pokret.

To bi bilo zadovoljavajuće mjesto za zaustavljanje. Samo tri čestice. Tri su čak jednostavnija od pet. Ali kako se drži zajedno? Negativno nabijeni elektroni i pozitivno nabijeni protoni povezani su elektromagnetizmom. Ali protoni su svi zgrčeni u jezgri i njihovi pozitivni naboji trebali bi ih snažno gurati u stranu. Neutralni neutroni ne mogu pomoći.

Što sve povezuje ove protone i neutrone? Divine intervencije jedan čovjek na uglu ulice u Torontu rekao mi je; imao pamflet, mogao sam čitati sve o tome. Ali ovaj scenarij čini kao puno problema, čak i za božansko biće pratite svakog od svemira 10 80 protona i neutrona i njih savijanje svojoj volji.

Širenje zoološkog vrta čestica

U međuvremenu, priroda je okrutno odbila zadržati svoj zoološki vrt od čestica na samo tri. Doista četiri, jer trebamo izbrojiti foton, čestice svjetlosti koje je opisao Einstein. Četiri su narasla na pet kada je Anderson mjerio elektrone s pozitivnim nabojem positroni koji su udarali u Zemlju iz svemira. Bar je Dirac predvidio ove prve čestice protiv materije. Pet ih je postalo šest kad je pronađen pion, za koji je Yukawa predvidio da će jezgro držati zajedno.

Zatim je došao muon 200 puta teži od elektrona, ali inače blizanac. Tko je to naredio? II Rabi je zašutio. To rezimira. Broj sedam. Ne samo da nije jednostavno, suvišno.

Do 1960-ih postojalo je stotine temeljnih čestica. Umjesto dobro organizirane periodične tablice nalazili su se samo dugački popisi bariona (teške čestice poput protona i neutrona), mezona (poput Yukawa s piona) i leptona (svjetlosne čestice poput elektrona i neuhvatljivi neutrini) bez organizacije i bez vodilja.

U ovo kršenje zaobišao je Standardni model. Nije to bio noćni bljesak sjaja. Niti jedan Arhimed nije iskočio iz kade vičući eureka. Umjesto toga, došlo je do nekoliko presudnih uvida nekoliko ključnih pojedinaca sredinom 1960-ih koji su ovu tremu pretvorili u jednostavnu teoriju, a zatim pet desetljeća eksperimentalnog provjera i teorijska razrada.

Kvarkovi. Dolaze u šest sorti koje nazivamo okusima. Poput sladoleda, osim što nije tako ukusan. Umjesto vanilije, čokolade i tako dalje, imamo gore, dolje, čudno, šarm, odozdo i odozgo. 1964. Gell-Mann i Zweig su nas naučili receptima: Pomiješajte i uskladite bilo koja tri kvarka da dobijemo barion. Protoni su dva uspona i silazni kvark povezani zajedno; neutroni su dva padova i jedan uzlazni. Odaberite jedan kvark i jedan antikvar da biste dobili meson. Pion je kvar do gore ili dolje vezan za anti-up ili anti-down. Sav materijal našeg svakodnevnog života sastoji se od samo kvarkova i antikvarkova i elektrona.

Standardni model elementarnih čestica nudi popis sastojaka za sve oko nas. Slika putem Fermi nacionalnog akceleracijskog laboratorija.

Jednostavan. Pa, jednostavno-ish, jer držanje tih kvarkova je podvig. Vezani su jedan za drugoga tako čvrsto da nikad ne možete pronaći kvark ili antikvarke. Teorija o tom vezanju i čestice koje su odgovorne gluonima (chuckle) nazivamo kvantnom kromodinamikom. To je vitalni dio Standardnog modela, ali matematički težak, čak predstavlja neriješen problem osnovne matematike. Mi fizičari dajemo sve za svoje proračune, ali još uvijek učimo kako.

Drugi je aspekt Standardnog modela „Model Leptonovih“. To je naziv značajnog rada Stevena Weinberga iz 1967. godine koji je objedinio kvantnu mehaniku s vitalnim spoznajama o tome kako čestice međusobno djeluju i organizirao njih u jednu teoriju. Uključio je poznati elektromagnetizam, pridružio se onome što su fizičari nazvali „slabom silom“ koja uzrokuje određena radioaktivna raspada i objasnio da su različiti aspekti iste sile. Ugradio je Higgsov mehanizam za davanje mase temeljnim česticama.

Od tada je standardni model predvidio rezultate pokusa nakon eksperimenta, uključujući otkriće nekoliko sorti kvarkova i W i Z bozona - teških čestica koje su za slabe interakcije ono što je foton za elektromagnetizam. Mogućnost da neutrini nisu masovni previđena je šezdesetih godina prošlog vijeka, ali je lako ušla u Standardni model 1990-ih, nekoliko desetljeća kasno na zabavu.

3D prikaz događaja zabilježenog na CERN-ovom akceleratoru čestica koji pokazuje karakteristike očekivane od propadanja SM Higgsovog bozona na par fotona (isprekidane žute linije i zeleni tornjevi). Slika putem McCauleyja, Thomas; Taylor, Lucas; za CMS suradnju CERN-a.

Otkrivanje Higgsova bozona u 2012. godini, koje je Standard model predviđao i dugo traženo, bilo je uzbuđenje, ali ne iznenađenje. To je bila još jedna presudna pobjeda Standardnog modela nad tamnim silama na koje su fizičari čestica više puta upozoravali da su se nadronirale nad horizontom. Zabrinuti da Standardni model nije na odgovarajući način utjelovio njihova očekivanja jednostavnosti, zabrinut zbog svoje matematičke samo-dosljednosti ili gledajući naprijed u eventualnu potrebu da se snaga gravitacije uvuče u pregib, fizičari su dali brojne prijedloge za teorije izvan Standarda Model. Oni nose uzbudljiva imena poput Grand Unified teorije, super-simetrije, Technicolor-a i teorije struna.

Na žalost, barem za njihove zagovornike, teorije izvan standardnog modela još uvijek nisu uspješno predvidjele bilo koji novi eksperimentalni fenomen ili bilo kakvo eksperimentalno odstupanje od standardnog modela.

Nakon pet desetljeća, daleko od zahtjeva za nadogradnjom, Standardni model dostojan je slave kao Apsolutno nevjerojatna teorija gotovo svega.

Glenn Starkman, ugledni sveučilišni profesor fizike, Sveučilište Case Western Reserve

Ovaj je članak prvotno objavljen u časopisu The Conversation. Pročitajte izvorni članak.

Dno crta: Što je Standardna teorija fizike čestica?

Pomozite EarthSkyu da nastavi! Donirajte što možete našoj godišnjoj kampanji za financiranje mnoštva.