Стандартна модель

400 років тому Галілей почав збирати основні принципи дійсності, яка нас оточує. Питання, на яке він шукав відповідь, старе, як людство. Які фундаментальні будівельні блоки Всесвіту? За століття, що пройшли з часів Галілея, тисячі теорій і експериментів вглядалися у всі менші і менші масштаби, прямуючи до єдиної картини структури матерії. Світ, який нас оточує, виявився багато в чому симетричний. Закони природи в основному мали ту або іншу симетрію. На основі законів симетрії була отримана Стандартна модель. 

Стандартна модель стверджує, що Всесвіт складається з 12 типів частинок матерії. Ці частинки взаємодіють між собою завдяки трьом силам, які зв’язані з полем Хіггса. 

Взагалі у Всесвіті діє чотири фундаментальні взаємодії – електрична, сильна ядерна, слабка ядерна й гравітаційна. Однак, гравітаційні сили не входять у Стандартну модель.

Гравітаційні сили - найменші в порівнянні з іншими фундаментальними силами. Про розуміння природи гравітаційної взаємодії відомо дуже мало. Є теорія гравітації в загальній теорії відносності, яка  представлена рівнянням Ейнштейна: 

Друга особливість полягає в тому, що стандартна модель побудована на квантовій теорії поля. Ця теорія Всесвіту описана в інших, незвичних, категоріях. Матерія на фундаментальному рівні, за квантовою теорією поля, складається не з частинок, а з полів. Поля – поточні об’єкти, які розповсюджені у всьому просторі. 

Ці поля складним чином взаємодіють один з одним. У результаті виникають обурення полів, які є частинками. Отже, взаємодія між полями створює фізичний світ у вигляді частинок. Наприклад, електрон – це обурення квантового поля електрона. 

Однак, щоб зрозуміти стандартну модель краще повернутися до звичних понять елементів матерії – частинок. У теоретичній фізиці використовується велика кількість різних елементарних частинок, які складаються з 12 основних. 

Будь-яка частинка може бути або ферміоном, тобто частинкою матерії, або бозоном – частинкою сили, переносником взаємодії (силовою частинкою). 

Різниця між бозонами і ферміонами полягає в можливому значенні спіну. Ферміони мають напівцілий спін і повинні підпорядковуватися принципу Паулі. Цей принцип доводить, що не може існувати в одному фазовому просторі ферміоні з однаковим набором квантових чисел. Грубо кажучи, це означає, що в просторі не можна поставити два ферміона один на одний. По суті, частинки – це будівельні блоки матерії. У бозонів такої заборони немає. Вони не обмежені принципом Паулі й можуть нашаровуватись один на одного. 

Усе, з чого складається світ, можна звести до трьох частинок матерії – електрона, нижнього й верхнього кварків. Протони й нейтрони мають у собі три кварка. У протона є два верхніх (u) і один нижній кварк (d), а у нейтрона – два нижніх і верхній кварк. Якщо з’єднати нейтрони й протони разом, отримаємо атомне ядро, яке має сумарний електричний заряд протонів. Притягнення до цієї суміші електронів, які мають протилежний електричний заряд протонів, утворює атом. 

З’єднанням атомів разом отримуються всі молекули і всі речовини. Отже, уся різноманітність світу, його краси і складності можна звести до сукупності трьох частинок, які знову і знову зустрічаються в різних комбінаціях. 

Четверта частинка – це нейтрино. Вона не схожа на інші. Надзвичайно легка і не має електричного заряду. Тому нейтрино практично не взаємодіють ні з чим. Їх дуже важко виявити. Рухаючись надзвичайно швидко, вони пролітають Земну кулю без зіткнень. Наприклад, поки ви прочитали попереднє речення, через ваше тіло пройшло біля 100 трильйонів нейтрино. Більшість із них прийшли з Сонця, а деякі неперервно рухалися по Всесвіту з перших митей після Великого вибуху. 

Отже, чотири частинки матерії. З трьох складається речовина і дуже своєрідний космічний привід. Однак, тут стає все дуже дивним.

По-перше, квантова теорія поля стверджує, точніше забороняє частинкам мати масу. А маса в цих частинок є. Якщо маса спокою частинок дорівнювала б нулю, то атомні ядра, атоми, молекули не змогли б виникнути. 

По-друге, природа на цьому не зупинилася. Поки ще з незрозумілих причин в колекції з чотирьох частинок природа зробила ще дві копії. У кожній частинці є по два дублери, які називаються поколіннями. Крім електрона, є мюон і тау. Вони дуже схожі на електрон, тільки мають значно більшу масу. Мюон приблизно в 200 разів важче електрона, а тау майже в три з половиною тисяч разів важче. Така ж картина з кварками і нейтрино. 

Дивно, але всі частинки задовольняють рівняння Дірака, яке було виведено для електрона, і одне із наслідків цього рівняння – існування античастинок.

Таким чином, речовина складається з трьох наборів чотирьох типів частинок. У стандартній моделі є математична вимога непротиріччя, яка визначає, що не може бути однієї частинки без трьох інших. Але не зрозуміло, чому існує три поколінь частинок?

Електрична взаємодія

Сили взаємодії – це той клей, який з’єднує описані частинки разом. Без сил взаємодій усі частинки були б рівномірно розмазані по Всесвіту. Кожна з цих взаємодій забезпечується своєю частинкою переносником. Отже, бозони – друга частина сімейства частинок Всесвіту.

Ферміони можна розглядати такими, що постійно обмінюються між собою бозонами. Цей обмін впливає на рух ферміонів і породжує те, що називають силою.

Електрична взаємодія забезпечується обміном фотонів.

Вона діє на все, що має електричний заряд – електрони і кварки. Частинки, які мають однакові за знаком заряди, відштовхуються, а з протилежними притягуються. Тому електрон утримується біля ядра, який має протилежний заряд протона. Сила взаємодії при обміні фотонами може бути пояснена на основі закону збереження імпульсу. 

Сильна взаємодія

Взаємодія, яка утримує кварки в протоні й нейтроні разом, а самі нейтрони й протони в атомному ядрі – це сильна ядерна взаємодія. Енергія сильної взаємодії випромінюється при діленні ядер. Наприклад, при ядерному вибуху. Частинкою переносника сильної ядерної взаємодії є глюон. 

Аналогічно тому, що електрон утворює електричне поле, кварк у просторі утворює глюонне поле. Але це поле має не такі властивості, як електричне. Воно не розповсюджується радіально. Кварк утворює об’єкт, який можна уявити, як струна. Така струна завершується тільки тоді, коли знайде інший кварк. Отже, на відміну від електричного поля, сильна взаємодія не зменшується з відстанню, а зростає. Навіть приклавши дуже велику силу до протону, ви не зможете відірвати один з його кварків – принаймні, не зможете отримати одиничний кварк і частину протона з двох кварків. Справа в тому, що для відриву кварку від протона знадобиться надати протону величезну енергію, яка призведе до народження з вакууму пари кварк – антикварк. У результаті, навіть вирвавши кварк з протона, ви отримаєте частинку, знову-таки, що складається з трьох кварків. Така особливість кварків, що не дозволяють їм існувати по одному, називається конфайнментом. Тому вільні кварки не спостерігаються. Вони обов’язково зв’язані сильною взаємодією в більш купних частинках. Слід зауважити, що такий розгляд сильно спрощений. Якщо фотон не утворює інший фотон, то глюон утворює інші глюони. На відміну від фотонів, глюони несуть певний тип заряду (відомий як колір) і можуть взаємодіяти один з одним. У результаті в протоні, нейтроні й атомному ядрі утворюється кварк - глюонний конденсат, який складається з багатьох віртуальних кварків і глюонів. 

Слабка взаємодія

Слабка взаємодія, як і сильна, діє тільки на субатомних відстанях. Але замість того, щоб зв’язувати частинки разом, слабка взаємодія перебудовує субатомні частинки. Слабка взаємодія має дивну властивість перетворювати верхній кварк у нижній і навпаки.

Наприклад, нижній кварк перетворюється у верхній, вивільняючи електрон і нейтрино. Це означає, що нейтрон перетворюється в протон. Цей процес називається бета-розпадом. 

Розрізняють β+ -,β− -розпади і електронне захоплення.

Бета-розпад (β -розпад) – це перетворення протонів у нейтрони і навпаки в ядрі атомів, яке супроводжується випромінюванням електронів й антинейтрино (β− -розпад) або позитронів і нейтрино (β+ -розпад). При β− -розпаді один нейтрон у складі ядра перетворюється в протон. У результаті вивільняється електрон і електронне антинейтрино. При β+ -розпаді, навпаки, протон у складі ядра перетворюється в нейтрон, вивільняючи позитрон та електронне нейтрино.

При електронному захопленні протон у складі ядра перетворюється в нейтрон, але при цьому ядром поглинається електрон із однієї з внутрішніх електронних оболонок атома. 

Слабка взаємодія також відповідальна за те, що більш важкі частинки матерії, такі як мюон або дивний кварк, розпадаються на більш легкі й стабільні ферміони. Слабка взаємодія діє на всі частинки. Це єдина сила, яка діє на нейтрино. Слабка взаємодія єдина, яка є асиметрична. Вона порушує просторову симетрію парності, зарядову симетрію. 

Частинки-переносники слабкої взаємодії W⁺,W⁻,Z⁰ бозони. На відміну від фотонів і глюонів, ці бозони мають не нульову масу спокою. Їх маса і вони самі з’являються завдяки взаємодії з бозоном Хіггса, який є обуренням поля Хіггса.

У Всесвіті за невиявленими причинами була порушена симетрія і утворилося поле Хіггса таке, що його мінімальній енергії відповідає не нульовому значенню поля Хіггса.

Деякі частинки взаємодіють з ненульовим полем Хіггса, завдяки чому їх енергія взаємодії утворює їм масу спокою.

Механізм утворення маси у ферміонів і у W⁺,W⁻,Z⁰ бозонів має певні від’ємності, але їх маса пов’язана з полем Хіггса. 

Таким чином, Стандартна модель – це модель, яка описує 12 частинок речовини, які взаємодіють між собою завдяки 3 силам і окремого поля Хіггса. Стандартна модель перевірена багатьма експериментами.

Питання, на які немає відповіді, дають нам можливість удосконалити цю модель або утворити більш узагальнюючу. Одне із таких відкритих питань про єдину теорію поля. Чи дійсно три фундаментальні сили різні, або вони є проявом єдиної сили? Пошук єдиної теорії поля – актуальне відкрите питання. Таке об’єднання зроблено тільки для електричної і слабкої взаємодії.

У стандартну модель не входить гравітаційна взаємодія. У ній багато що не зрозуміло. В останні роки відкрито гравітаційні хвилі, які представляють собою пульсацію самого простору й часу. Передбачається, що переносником гравітаційної взаємодії може бути окрема частинка -  гравітон.

Стандартна модель не дає відповідь про існування і не враховує темну енергію і темну матерію, які разом складають 95 % енергії Всесвіту.

Стандартна модель описує механізм, але не дає відповіді на багато інших питань. Чому порушується симетрія Всесвіту в слабкій взаємодії? Чому з’являються різні покоління частинок, які сильно відрізняються масою? Чому при інфляції Всесвіту з’явилася баріонна асиметрія, коли частинок виявилося більше, ніж античастинок?