Modelul standard al fizicii particulelor este o teorie care privește electromagnetismul , interacțiunile nucleare slabe și puternice și clasificarea tuturor particulelor subatomice cunoscute. Acesta a fost dezvoltat în a doua jumătate a XX - lea secol , într - o inițiativă de colaborare la nivel mondial pe bazele mecanicii cuantice . Formularea actuală a fost finalizată la mijlocul anilor 1970, în urma confirmării experimentale a quark-urilor . De atunci, descoperirile quarkului de vârf (1995), neutrino tau (2000) și bosonul Higgs (2012) au conferit Modelului Standard o credibilitate și mai mare. Toate particulele modelului standard au fost acum observate experimental. Prin succesul său în explicarea unei largi varietăți de rezultate experimentale, modelul standard este uneori văzut ca o „teorie a aproape totul”.
Este o reprezentare care se aplică obiectelor cuantice și încearcă să explice interacțiunile lor. Este construit pe particula triptic , forță , mediator , adică distinge familiile de particule prin forțele la care sunt sensibile, fiecare forță fiind exercitată prin intermediul unor mediatori schimbați de particulele care sunt supuse. Acești mediatori sunt cunoscuți sub numele de bosoni , în timp ce particulele care alcătuiesc materia se numesc fermioni (quark și leptoni).
Modelul standard are, în 2016, nouăsprezece parametri liberi pentru a descrie masele celor trei leptoni , cei șase quarcuri, bosonul Higgs și opt constante pentru a descrie diferitele cuplaje dintre particule. Valoarea fiecăruia dintre acești parametri nu este fixată de primele principii , ci trebuie determinată experimental.
Pentru teoreticieni, modelul standard este o paradigmă a teoriei câmpului cuantic , care implementează un spectru larg de fenomene fizice. Este folosit pentru a construi noi modele care includ particule ipotetice , dimensiuni suplimentare sau supersimetrii .
Ideea că toată materia este compusă din particule elementare datează cel puțin din secolul al VI- lea î.Hr. AD . În XIX - lea lea, John Dalton , prin munca sa pe stoichiometrie , a concluzionat că fiecare element al naturii a fost compus dintr - un singur tip de particule. Cuvântul atom , după cuvântul grecesc ἄτομος , atomos („indivizibil”), s-a referit de atunci la cea mai mică particulă a unui element chimic , dar fizicienii au descoperit curând că atomii nu sunt, de fapt, particule. Fundamentale ale naturii, ci un conglomerat de particule mai mici, cum ar fi electroni , în jurul nucleului său, care sunt ele însele alcătuite din protoni și neutroni . Explorările la începutul XX - lea secol fizicii nucleare și fizicii cuantice a culminat în descoperirea fisiunii nucleare în 1939 de către Lise Meitner (pe baza experiențelor de Otto Hahn ) și fuziunea nucleară în 1932 de către Mark Oliphant ; cele două descoperiri au dus și la dezvoltarea armelor nucleare . Dezvoltarea acceleratorilor de particule după cel de-al doilea război mondial a făcut posibilă, pe parcursul anilor 1950 și 1960, descoperirea unei largi varietăți de particule în timpul experimentelor de împrăștiere profund inelastice . Atunci era vorba de o „grădină zoologică cu particule”. Acest termen a căzut în desuetudine după formularea modelului standard în anii 1970, în care numărul mare de particule a fost explicat ca combinații ale unui număr relativ mic de alte particule chiar mai elementare.
Descoperirea bosonului Higgs a permis consensul și actualizarea în 2014 a tabelului componentelor materiei care fusese stabilită în 2005 cu ocazia anului mondial al fizicii.
Până în prezent, materia și energia sunt mai bine înțelese în ceea ce privește cinematica și interacțiunea particulelor elementare. Până în prezent, fizica a redus legile care guvernează comportamentul și interacțiunea tuturor formelor cunoscute de materie și energie la un număr mic de legi și teorii fundamentale. Unul dintre obiectivele principale ale fizicii este de a găsi o bază comună care să unifice toate teoriile sale într-o teorie a totul , în care toate celelalte legi cunoscute ar fi cazuri speciale.
Deși Modelul Standard este considerat a fi o teorie autonomă și coerentă, și a fost foarte mare succes în furnizarea de predicții experimentale ( simetrie CP sau problema ierarhie ), lasă mai multe fenomene inexplicabile și nu poate fi pretins a fi una. Teorie , la toate . Astfel, nu oferă o justificare teoretică pentru gravitație , așa cum este descris în relativitatea generală , și nici nu explică accelerarea expansiunii Universului (care ar putea fi explicată prin energia întunecată ). De asemenea, acest model nu conține particule care să formeze materia întunecată , posedând toate proprietățile cerute de observațiile cosmologice . De asemenea, nu descrie corect oscilația neutrinilor și masa acestora.
Modelul standard include membri ai mai multor clase de particule elementare ( leptoni , quarks , bosoni gauge și bosonul Higgs ), care la rândul lor pot fi diferențiați prin alte caracteristici, cum ar fi încărcarea lor de culoare .
Modelul standard include douăsprezece particule elementare de spin ½ (jumătate de spin întreg), care sunt deci fermioni . Conform teoremei spin-statistice , fermionii respectă principiul excluderii Pauli . Fiecare fermion corespunde unei antiparticule .
Fermionii se supun statisticii Fermi-Dirac și nu pot coexista între ei în aceeași stare cuantică (pe același orbital atomic, de exemplu).
Fermionii elementari sunt împărțiți în leptoni și quarks , urmând trei generații care diferă între ele numai prin masă, care este mai mare cu fiecare generație. Numai particulele din prima generație formează materia obișnuită. Acest lucru se datorează faptului că particulele din a doua și a treia generație sunt instabile și se dezintegrează rapid în particule mai ușoare din prima generație.
Deși elementare, quarcii nu pot exista izolat. Acestea sunt grupate împreună în hadroni care se prezintă sub formă de perechi quark-antiquark ( mezoni ) sau triuri de quark ( barioni ). De exemplu, protonii sunt compuși din doi quark în sus și un quark în jos , în timp ce neutronii sunt compuși dintr-un quark în sus și doi quark în jos .
Tabelele de mai jos grupează diferiții fermioni în funcție de generație. Pentru a nu supraîncărca acest tabel, antiparticulele nu sunt reprezentate acolo. Încărcarea electrică este indicată acolo în sarcinile elementare .
Prima generatieParticulă | Evaluare | Sarcină electrică | Încărcare puternică (încărcare color) | Masa | A învârti |
---|---|---|---|---|---|
Electron | e | -1 | 511 keV / c 2 | 1/2 | |
Neutrino electronic | ν e | 0 | <225 eV / c 2 | 1/2 | |
Quark Up | tu | 2/3 | roșu, verde, albastru | ~ 3 MeV / c 2 | 1/2 |
Quark jos | d | -1/3 | roșu, verde, albastru | ~ 6 MeV / c 2 | 1/2 |
Particulă | Evaluare | Sarcină electrică | Incarcatura grea | Masa | A învârti |
---|---|---|---|---|---|
Muon | μ | -1 | 106 MeV / c 2 | 1/2 | |
Neutrin muonic | ν μ | 0 | <190 keV / c 2 | 1/2 | |
Charm Quark | vs. | 2/3 | roșu, verde, albastru | ~ 1,3 GeV / c 2 | 1/2 |
Quark Strange | s | -1/3 | roșu, verde, albastru | ~ 100 MeV / c 2 | 1/2 |
Particulă | Evaluare | Sarcină electrică | Incarcatura grea | Masa | A învârti |
---|---|---|---|---|---|
Tau sau Tauon | τ | -1 | 1,78 GeV / c 2 | 1/2 | |
Tauic Neutrino | ν τ | 0 | <18,2 MeV / c 2 | 1/2 | |
Quark Top | t | 2/3 | roșu, verde, albastru | 171 GeV / c 2 | 1/2 |
Quark Bottom | b | -1/3 | roșu, verde, albastru | ~ 4,2 GeV / c 2 | 1/2 |
În modelul standard, bosonii ecartamentului sunt vectori sau suporturi de forță și joacă un rol de mediator între forțele fundamentale : slabe, puternice și electromagnetice.
Bosonii de ecartament respectă statistica Bose-Einstein ; au rotire completă și pot coexista unul cu celălalt în aceeași stare cuantică (miliarde de fotoni identici care conviețuiesc într-un fascicul laser).
Bosonul Higgs nu este un mediator forță, și , prin urmare , nu aparține clasei de bosoni gauge.
Aceste particule de câmp pot fi reale sau virtuale . În acest din urmă caz, au o durată de existență extrem de scurtă și sunt observați indirect prin acțiunea lor, care constă în esență în transmiterea forțelor fundamentale. Acesta este și motivul pentru care aceste particule virtuale sunt numite și „particule mesager” sau „mediatori”.
FotonCei y fotoni (spin 1 și de la zero în masă și sarcină) sunt mediatorii forța electromagnetică între particulele încărcate electric.
Bosoni slabiBosonii W + , W - și Z 0 (spin 1 și masă mare) mediază interacțiunea slabă dintre particulele de diferite arome (quark și leptoni).
GluoniCei opt gluoni (de spin 1 și masă zero) sunt mediatorii interacțiunii puternice dintre particule cu o încărcare de culoare (quarks).
Bosonul Higgs (spin 0, care este un câmp scalar ), ar trebui să confere acestora în masă pe celelalte particule printr - o spontană simetrie de rupere mecanism numit în acest context, mecanismul Higgs . CERN a anunțat4 iulie 2012cu o încredere de 5 sigma (99,99997%) să fi descoperit datorită LHC o particulă cu o masă de 125,3 GeV⋅c −2 ± 0,6. Această particulă ar putea fi bosonul Higgs, dar sunt necesare studii suplimentare pentru a putea spune cu certitudine.
Tipuri | Generații | Antiparticulă | Culori | Total | |
---|---|---|---|---|---|
Quarks | 2 | 3 | Pereche | 3 | 36 |
Leptoni | Pereche | Orice | 12 | ||
Gluoni | 1 | 1 | Se | 8 | 8 |
Foton | Se | Orice | 1 | ||
Boson Z | Se | 1 | |||
Boson W | Pereche | 2 | |||
Bosonul Higgs | Se | 1 | |||
Total particule elementare (cunoscute): | 61 |
Dacă numărăm particulele distingând diferitele lor culori și antiparticulele lor, numărăm în toate cele 61 de particule elementare.
Din punct de vedere matematic, teoriile câmpului cuantic au fost formalizate în cadrul teoriilor ecartamentului utilizând grupuri de simetrie locală sub forma grupurilor Lie complexe care stau la baza fiecăreia dintre simetriile ecartamentului modelate. Asa de :
Cei nouăsprezece parametri liberi ai modelului standard sunt masele celor nouă fermioni, patru parametri ai matricei CKM, constantele de cuplare pentru cele trei forțe, unghiul teta al cromodinamicii cuantice și doi parametri Higgs.
Parametrii modelului standard de fizică a particulelor | ||
---|---|---|
Simbol | Descriere | Valoare |
m e | Masa electronilor | 511 keV |
m μ | Masa Muon | 105,7 MeV |
m τ | Masa tau | 1,78 GeV |
m u | Masa quarkului | 1,9 MeV |
m d | Masă de quark în jos | 4,4 MeV |
m s | Masa ciudatului quark | 87 MeV |
m c | Masa de quark farmec | 1,32 GeV |
m b | Masa de quark de fund | 4,24 GeV |
m t | Masa de quark de sus | 172,7 GeV |
θ 12 | Unghiul de amestecare θ 12 al matricei CKM | 13,1 ° |
θ 23 | Unghiul de amestecare θ 23 al matricei CKM | 2,4 ° |
θ 13 | Unghiul de amestecare θ 13 al matricei CKM | 0,2 ° |
δ | Parametrul încălcării simetriei CP în matricea CKM | 0,995 |
g 1 sau g ' | Constanta de cuplare pentru grupul de ecartament U (1) (electromagnetism) | 0,357 |
g 2 sau g | Constanta de cuplare pentru grupul de gabarit SU (2) ( interacțiune slabă ) | 0,652 |
g 3 sau g s | Constanta de cuplare pentru grupul de gabarit SU (3) ( interactiune puternica ) | 1.221 |
θ QCD | Unghiul theta al cromodinamicii cuantice | ~ 0 |
v | „Valoarea așteptată în vid” a câmpului Higgs | 246 GeV |
m H | Masa bosonului Higgs | ~ 125 GeV |
Modelul standard nu este o teorie completă a interacțiunilor fundamentale și mai multe dintre caracteristicile sale sugerează că trebuie să existe o „fizică dincolo de modelul standard”. Cu toate acestea, cel puțin pânăMartie 2021, nici o măsură sau experiență nu și-a învins previziunile.
Modelul standard nu include gravitația . Printre numeroasele teorii care încearcă să unifice mecanica cuantică și teoria relativității , mai mulți consideră existența gravitonului , un boson ipotetic.
Potrivit lui Alain Connes , „nimeni nu crede că modelul standard este sfârșitul poveștii, mai ales din cauza numărului foarte mare de parametri liberi pe care îi conține. " .
Modelul standard nu prezice de ce există trei generații de fermioni care poartă aceleași sarcini, dar în intervale de masă foarte diferite. Masa quarkului u este de ordinul MeV.c −2 în timp ce cea a t este de ordinul lui 170 GeV .c −2 . Pe de altă parte, nimic nu spune că nu există alte familii. Începând cu 2008, nicio teorie dincolo de modelul standard nu explică exact existența acestor trei familii. Unitaritatea a matricei CKM este un test sensibil pentru existența unei alte generații de fermioni.
Lagrangianului de ecartament model standard are trei simetrii interne din particule , și . În același mod ca și pentru familiile fermionilor, nimic nu împiedică existența subgrupurilor de simetrii. Acesta este, de asemenea, un subiect drag teoriilor marii unificări , care, în principiu, permit explicarea acestor simetrii prin includerea lor ca subgrupuri ale unui grup mai mare decât primele trei. Grupul matematic ar fi putut fi potrivit și pe baza acestora s-a bazat teoria Marii Uniri ( GUT ). Dar această simetrie a gabaritului a complicat modelul standard forțând să postuleze 24 de bosoni și, mai presus de toate, a prezis decăderea protonilor, care nu a fost niciodată observată experimental.
Modelul standard încorporează faptul că fiecare particulă corespunde unei antiparticule. Caracteristicile lor fizice sunt aproape identice. O particulă și antiparticulele sale au aceeași masă, dar sarcini opuse (barion și lepton).
Modelul nu descrie materia întunecată care ar constitui o mare parte din univers.
Cea mai ușoară dintre ipoteticele particule supersimetrice ar fi unul dintre candidații pentru materia întunecată.
Rămâne să se formuleze o teorie complementară modelului standard care ar explica de ce niciuna dintre aceste particule nu a fost detectată până acum (de LHC sau de un alt detector).
Experimentele privind volumul încărcării electrice a protonului dau două cifre diferite, iar oamenii de știință nu pot determina dacă eroarea se află în condițiile experimentului sau dacă teoria însăși este incompletă.
Modelul standard presupune că interacțiunile leptonilor încărcați, adică electronii, muonii și tauonii, variază numai din cauza diferențelor lor de masă. Experimentele cu electroni și muoni au confirmat această ipoteză, dar studii recente asupra degradării mezonului B care implică tapton leptonul în energii mari arată abateri de la teorie. Dacă aceste rezultate sunt confirmate, ar putea deschide calea pentru noi interacțiuni între particule.
Modelul standard prezice pentru muon un moment magnetic al cărui factor Landé g este aproape de 2, dar puțin mai mare, datorită creării și anihilării perechilor de particule virtuale în vecinătatea sa, iar caracteristicile particulelor cunoscute fac posibilă calcularea diferența g −2 („ momentul anormal ”). În 2001, măsurarea g la laboratorul național din Brookhaven ( statul New York , Statele Unite ) a dat un rezultat puțin mai mare decât valoarea calculată, dar cu o marjă de eroare insuficient de mică pentru a garanta contradicția. În aprilie 2021, după doi ani de achiziție de date cu echipamente diferite, Fermilab din Batavia (Illinois) a anunțat un rezultat foarte similar. Combinația celor două măsurători oferă o diferență între valoarea măsurată și valoarea teoretică de 4,2 ori mai mare decât deviația standard și, prin urmare, semnificativ diferită de zero. O posibilă explicație este existența particulelor care nu au fost prezise de modelul standard și, prin urmare, de noi particule virtuale.
Un mezon "frumos" (cuprinzând un quark b ) este transformat într-un mezon "ciudat" (cuprinzând un quark s ) cu emisia fie a unui electron și a unui pozitron , fie a unui muon și a unui antimuon . Modelul standard prezice că diferiții leptoni încărcați, electronul, muonul și tau , exercită și simt aceleași forțe de interacțiune electrolabă . ÎnMartie 2021, Ciocnirile proton-proton analizate de detectorul LHCb Large Hadron Collider al CERN prezintă o asimetrie între electroni și muonilor, acesta din urmă fiind emise mai puține (diferența este 3,1 deviații standard ). Dacă aceste rezultate sunt confirmate, ar fi o altă respingere a modelului standard și, eventual, o indicație a unei noi interacțiuni fundamentale între quark și leptoni.