1611143575-f501d09a54839b58ba6706edb8cfab5f (825041), страница 38
Текст из файла (страница 38)
несколько тысяч частиц завстречу). В результате быстрого анализа нужно выделить события,представляющие интерес, и затем записать их в память для дальнейшего анализа. Не случайно именно в ЦЕРНе возникла идея WWW, а сейчас ЦЕРН продвигает проект GRID, который обеспечит передачу информации между ведущими центрами на уровне ГБ/с.Стандартная модельВ результате экспериментальных и теоретических исследований насегодняшний день сложилась довольно стройная картина, описывающая мир элементарных частиц, которую называют Стандартной моделью. Это заведомо временная схема, содержащая более двух десятков параметров (массы частиц и константы взаимодействия), которыенельзя пока выразить через какие-то более фундаментальные величины. Однако эта модель позволяет рассчитывать с высокой точностьютысячи всевозможных реакций.
Так или иначе, эта теория есть результат титанического труда тысяч ученых и является вершиной человеческих знаний о природе.Стандартная модель имеет дело с тремя классами фундаментальныхчастиц: кварками, лептонами и калибровочными бозонами, являющимися переносчиками взаимодействий. Они взаимодействуют посредствомдавно известных, но весьма загадочных четырех видов взаимодействий:сильного, слабого, электромагнитного и гравитационного и движутсясогласно законам квантовой механики и теории относительности.КваркиСуществует 6 типов кварков (табл. 5).
У каждого кварка есть антикварк с противоположным электрическим зарядом и другими зарядами.Кварки участвуют во всех видах взаимодействий. Спин кварка равен1/2 (фермион). Кроме электрического заряда, кварки обладают цветовым зарядом, всего есть 3 цвета. Цветовой заряд в сильном взаимодей260ствии является аналогом электрического заряда в электромагнитномвзаимодействии. Аромат кварка – это некое квантовое число, присущеекварку, сохраняющееся в сильных и электромагнитных взаимодействиях, но нарушающееся в слабых.
Сохранение аромата запрещает, например, распад s d + g . Кварки имеют также барионный заряд, сохраняющийся во всех взаимодействиях. Из кварков складываются барионы ( qiq jqk ) и мезоны ( qq ), они бесцветны (смесь трех цветов илицвета-антицвета). Например, протон – это uud . Взаимодействие междукварками осуществляется путем обмена глюонами, которые имеют 8цветов ( 3 ´ 3 - 1 (бесцветный) = 8).
Кварки и глюоны ведут себя какточечные частицы с размерами менее < 10-17 см.Таблица 5КваркиТипudsсbtМасса, МэВ2–34–61001 3004 200175 000Эл. заряд+2/3–1/3–1/3+2/3–1/3+2/3Бар. заряд1/31/31/31/31/31/3Аромат––strangecharmbeautytruthВ отличие от фотона глюоны имеют заряды (цвета) и поэтому взаимодействуют друг с другом. В результате сильное взаимодействие имеет почти кулоновский вид на достаточно малых расстояний, но прибольших расстояниях сила перестает падать из-за множественного рождения промежуточных глюонов, образующих своеобразные сети, поэтому в природе свободных цветных кварков с дробными зарядами нет.Если энергии достаточно, то кварк вырывает из вакуума дополнительные кварк-антикварковые пары, они слипаются в бесцветные адроны имезоны и в виде струй обычных бесцветных частиц вылетают из области рождения в направлении исходного кварка.
Все это наблюдается вэкспериментах и хорошо согласуется со Стандартной моделью.Возможно, есть 4- и даже 5-кварковые состояния, но их существование пока под вопросом. Почему у кварков такие массы, пока никтоне знает. И вообще, что лежит в основании Стандартной модели, неимеет объяснения (не сводится к более фундаментальным понятиям).261ЛептоныСуществует 6 типов лептонов (табл. 6).
У каждого лептона есть античастица с противоположными зарядами. Лептоны участвуют во всехвидах взаимодействий, кроме сильного. Спин лептонов равен 1/2(фермионы). Лептоны ведут себя как точечные частицы с размерамименее 10-17 см.Таблица 6ЛептоныТипМасса, МэВ0,51Эл. заряд1Лепт. числоLe = 1105,61Lm = 1t1 7771Lt = 1e 1060Le = 1< 0,190Lm = 1 180Lt = 1emЕсть три относительно тяжелых заряженных лептона и три оченьлегких нейтральных нейтрино. Хотя массы нейтрино еще напрямую неизмерены, однако из нейтринных осцилляций известно, что они отличны от нуля.
В реакциях с участием лептонов сохраняется лептонноечисло, но оно нарушается в нейтринных осцилляциях.Калибровочные бозоныКроме кварков и лептонов существуют частицы, которые осуществляют взаимодействие между фермионами (кварками и лептонами).Это частицы с целым спином – калибровочные бозоны (табл. 7).Таблица 7Калибровочные бозоны8 цв. глюонWZГравитонМасса, Эл. заряд000080 000±191 000000262Спин11112Перен.взаимод.эл-магнитноесильноеслабоеслабоегравитационноеВзаимодействия, хиггсовсий бозон, общие замечания по СМВ 1970–1980 гг. было установлено, что электромагнитное и слабоевзаимодействия являются одинаковыми по константе связи, разницатолько в том, что переносчики слабого взаимодействия W и Z бозоныимеют большую массу.
Так возникла теория электрослабого взаимодействия. В основе лежит идея локальной (или калибровочной) симметрии. Требование такой симметрии приводит к появлению четырехбезмассовых калибровочных бозонов. Их можно было бы ассоциировать с g, W , Z , однако три последних – массивные. Для выхода изположения английский физик Хиггс (и еще несколько физиков-теоретиков) предложили механизм спонтанного нарушения симметрии. Для этого пришлось ввести некое скалярное поле, заполняющее все пространство.
Массы калибровочных бозонов и всех фермионов возникают за счет взаимодействия с этим полем, масса частицыпропорциональна ее константе взаимодействия с хиггсовским полем.Аналогичный подход был использован для построения теории сильныхвзаимодействий, которая носит название квантовой хромодинамики(от греч. chroma – цвет).Несмотря на некоторую искусственность построения Стандартнаямодель, основанная на идее калибровочных полей и включающая электрослабую теорию и хромодинамику, замечательно выполняется напрактике.
Для ее проверки необходимо было зарегистрировать хиггсовский бозон ( H ), являющийся возбужденным состоянием хиггсовского поля. Его масса не предсказывалась явно, однако из теоретических соображения (нестабильность вакуума, сильное самовзаимодействие Хиггсовских бозонов) следовало, что M H должна быть в районе120–200 ГэВ.
Из прецизионных экспериментов на LEP (поправки засчет виртуальных Хиггсов к другим процессам) и данных с Tevatronбыли указания, что масса Хиггсовского бозона лежит в области 115–160 ГэВ. Наконец, в июле 2012 г. два эксперимента на коллайдереLHC, ATLAS и CMS объявили одновременно об обнаружении хиггсовскго бозона с массой около 125 ГэВ. Для проверки того, что найденнаячастица действительно является хиггсовским бозоном, отвечающим завозникновение масс частиц, необходимо было убедиться, что вероятности распада H на пару частиц пропорциональны квадрату их масс.Так оно и оказалось. Фантастическое предсказание и открытие! Найденмеханизм происхождения масс элементарных частиц. Несомненно, этоогромный шаг вперед, однако вопросов не убавилось.263Сколько же констант в Стандартной модели? Задача науки – найтиобщие закономерности и описать все явления природы минимальнымколичеством законов, т. е. аксиом.
Хорошо было бы все выразить черезконстанты , c, G . Они задают масштабыдлины l p = (G / c 3 )1/2 = 1, 6 ´ 10-33 см,времени t p = (G / c 5 )1/2 = 5, 4 ´ 10-44 си массы m p = (c / G )1/2 = 2,18 ´ 10-5 г ~ 1019 ГэВ/с 2 ,которые называют планковскими длиной, временем и массой соответственно.Массы реальных элементарных частиц намного меньше планковской, поэтому возникает вопрос, можно ли будет когда-нибудь выразить их массы через планковскую массу. Есть удивительный факт, который говорит, что такое возможно.
Три вида взаимодействия, о которых мы говорили: сильное, электромагнитное и слабое, имеют константы взаимодействия, которые зависят от расстояния за счет виртуальных заряженных частиц (электрон-позитронные, кварковые пары идр.), рождающихся из вакуума, или иначе – поляризации вакуума. Расстояния часто выражают в энергетических величинах в соответствии ссоотношением неопределенности Гейзенберга (Q c/r ) .
При этомоказывается, что при Q 1016 ГэВ все константы сравниваются. Этоможет свидетельствовать о возможном объединении этих взаимодействий в некое единое взаимодействие. Эту теорию (гипотезу) называютВеликим объединением. Одним из предсказаний этой теории являетсянестабильность протона (с нарушением барионного числа). Распадпротона много лет пытаются обнаружить, просматривая фотоумножителями большие баки с водой (до 50 000 т, Super-Kamiokande).
Установлен предел на время жизни p 1034 лет. Эксперименты будут продолжены с большим объемом воды (на порядок).Однако вернемся к вопросу о количесиве фундаментальных констант в физике. Много, даже сосчитать не просто.Начнем с масс фундаментальных частиц: 6 кварков, 6 лептонов,2 массивных калибровочных бозона, хиггсовский бозон – всего 15.Добавим константы сильного и электромагнитного взаимодействия(константа слабого взаимодействия выражается через заряд электронаи массы калибровочных бозонов) – всего 2.264Превращение кварков из одного в другой при взаимодействии сW - бозоном описывается матрицей (3 x 3) Кабибо – Кабаяши – Маскава, в которой 4 независимых параметра: три угла смешивания и фаза,связанная с нарушением СР-симетрии. Для лептонов (включая массивные нейтрино) есть аналогичная матрица Маки – Накагава – Саката(3 x 3) с 4 независимыми параметрами.
Всего 8.Итак, кроме трех констант , c, G задающих размерности длины,времени и массы, мы насчитали еще 25 констант! И это еще без космологии, где тоже есть космологическая константа и неведомая темная материя. Явный «перебор», но это то, что сейчас имеется. Однако сведениебесконечного количества явлений природы к такому небольшому количеству констант (законов природы) – это тоже большое достижение.Нерешенные проблемы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
