Standart Model - Standard Model

Standart model arasında parçacık fiziği
Temel parçacıklar arasında Standart model
Arka plan Parçacık fiziği Standart Model Kuantum alan teorisi Gösterge teorisi Spontan simetri kırılması Higgs mekanizması
bileşenler Elektrozayıf etkileşim Kuantum renk dinamiği CKM matrisi Standart Model matematik
sınırlamalar Güçlü CP sorunu Hiyerarşi sorunu Nötrino salınımları Standart Modelin ötesinde fizik
Bilim insanları Rutherford  · Thomson  · Chadwick  · Bose  · Sudarshan  · Davis Jr.  · Anderson  · Fermi  · Dirac  · Feynman  · Rubbia  · Gell-Mann  · Kendall  · Taylor  · Friedman  · Powell  · PW Anderson  · Glashow  · Iliopoulos  · Maiani  · Meer  · Cowan  · Nambu  · Chamberlain  · Cabibbo  · Schwartz  · Perl  · Majorana  · Weinberg  · Lee  · Ward  · Salam  · Kobayashi  · Maskawa  · Yang  · Yukawa  · 't Hooft  · Veltman  · Gross  · Politzer  · Wilczek  · Cronin  · Fitch  · Vleck  · Higgs  · Englert  · Brout  · Hagen  · Guralnik  · Kibble  · Santiago Antúnez de Mayolo  · César Lattes
v T e

Standart model arasında parçacık fiziğinin dört bilinen üç tarif teori temel kuvvetlerin ( elektromanyetik , zayıf ve güçlü atlanması, etkileşimleri yerçekimi olarak) evrenin yanı sıra, bilinen tüm sınıflandırma temel parçacıklar . 20. yüzyılın ikinci yarısı boyunca, dünya çapında birçok bilim adamının çalışmasıyla aşamalar halinde geliştirildi ve mevcut formülasyon , kuarkların varlığının deneysel olarak doğrulanması üzerine 1970'lerin ortalarında sonuçlandırıldı . O zamandan beri, üst kuark (1995), tau nötrino (2000) ve Higgs bozonunun (2012) doğrulanması , Standart Modele daha fazla güven kattı. Ayrıca, Standart Model, zayıf nötr akımların ve W ve Z bozonlarının çeşitli özelliklerini büyük bir doğrulukla öngörmüştür .

Standart Modelin teorik olarak kendi içinde tutarlı olduğuna inanılmasına ve deneysel tahminler sağlamada büyük başarılar göstermiş olmasına rağmen, bazı fenomenleri açıklanmadan bırakır ve temel etkileşimlerin eksiksiz bir teorisi olmaktan uzaktır . Baryon asimetrisini tam olarak açıklamaz, genel görelilik tarafından tanımlanan tam yerçekimi teorisini içermez veya muhtemelen karanlık enerji tarafından tanımlandığı gibi Evrenin hızlanan genişlemesini açıklamaz . Model, gözlemsel kozmolojiden elde edilen gerekli özelliklerin tümüne sahip olan herhangi bir canlı karanlık madde parçacığı içermiyor . Ayrıca nötrino salınımlarını ve bunların sıfır olmayan kütlelerini içermez .

Standart Modelin gelişimi hem teorik hem de deneysel parçacık fizikçileri tarafından yönlendirildi. Teorisyenler için Standart Model, kendiliğinden simetri kırılması , anomaliler ve pertürbatif olmayan davranış dahil olmak üzere çok çeşitli fenomenler sergileyen bir kuantum alan teorisi paradigmasıdır . Karanlık madde ve nötrino varlığı gibi Standart Modelden farklı deneysel sonuçları açıklamak amacıyla varsayımsal parçacıkları , ekstra boyutları ve ayrıntılı simetrileri ( süpersimetri gibi ) birleştiren daha egzotik modeller oluşturmak için bir temel olarak kullanılır. salınımlar.

Tarihsel arka plan

1954 yılında Chen Ning Yang ve Robert Mills kavramını genişletilmiş ayar teorisi için değişmeli gruplar , örneğin kuantum elektrodinamik için, nonabelian gruplar için bir açıklama sağlamak için güçlü etkileşimler . 1957'de Chien-Shiung Wu , zayıf etkileşimde paritenin korunmadığını gösterdi . 1961'de Sheldon Glashow , elektromanyetik ve zayıf etkileşimleri birleştirdi . 1967'de Steven Weinberg ve Abdus Salam , Higgs mekanizmasını Glashow'un elektrozayıf etkileşimine dahil ederek ona modern biçimini verdi.

Higgs mekanizmasının Standart Modeldeki tüm temel parçacıkların kütlelerine yol açtığına inanılmaktadır . Bu, W ve Z bozonlarının kütlelerini ve fermiyonların , yani kuarkların ve leptonların kütlelerini içerir .

Sonra nötr zayıf akımlar nedeniyle Z bozonu alışverişi keşfedildi en CERN'de 1973 yılında, electrozayıf teori yaygın olarak kabul oldu ve Glashow, Salam ve Weinberg 1979 paylaştı Nobel Fizik Ödülü bunu keşfetmek için. W ^± ve Z ⁰ bozonları 1983'te deneysel olarak keşfedildi; ve kütlelerinin oranı Standart Model'in öngördüğü gibi bulundu.

Pek çok kişinin katkıda bulunduğu güçlü etkileşim teorisi (yani kuantum renk dinamiği , QCD), modern biçimini 1973-74'te asimptotik özgürlüğün önerildiği (QCD'yi teorik araştırmanın ana odağı yapan bir gelişme) ve deneylerin doğruladığını doğruladı. hadronlar kesirli yüklü kuarklardan oluşuyordu.

"Standart Model" terimi ilk olarak 1975 yılında Abraham Pais ve Sam Treiman tarafından dört kuarklı elektrozayıf teoriye atıfta bulunularak ortaya atıldı .

parçacık içeriği

Standart Model, renk yükü gibi diğer özelliklerle ayırt edilebilen birkaç temel parçacık sınıfının üyelerini içerir .

Tüm parçacıklar aşağıdaki gibi özetlenebilir:

Notlar :
[†] Bir anti-elektron (
e⁺
) geleneksel olarak " pozitron " olarak adlandırılır .

fermiyonlar

Standart Model, fermiyonlar olarak bilinen 1 ⁄ 2 spinli 12 temel parçacık içerir . Göre Spin-istatistik teoremi , fermiyonlar saygı Pauli Dışlama prensibi . Her fermiyonun karşılık gelen bir karşıt parçacığı vardır .

Fermiyonlar, nasıl etkileşime girdiklerine göre (veya eşdeğer olarak, taşıdıkları yüklere göre) sınıflandırılır . Altı kuark ( yukarı , aşağı , tılsım , garip , üst , alt ) ve altı lepton ( elektron , elektron nötrino , müon , müon nötrino , tau , tau nötrino ) vardır. Her sınıf, nesil adı verilen benzer bir fiziksel davranış sergileyen parçacık çiftlerine bölünmüştür (tabloya bakın).

Kuarkların tanımlayıcı özelliği, renk yükü taşımaları ve dolayısıyla güçlü etkileşim yoluyla etkileşime girmeleridir . Renk hapsi fenomeni, kuarkların birbirine çok güçlü bir şekilde bağlanmasıyla sonuçlanır ve ya bir kuark ve bir antikuark ( mezonlar ) ya da üç kuark ( baryonlar ) içeren hadronlar adı verilen renk-nötr bileşik parçacıklar oluşturur . En hafif baryonlar proton ve nötrondur . Kuarklar ayrıca elektrik yükü ve zayıf izospin taşırlar . Dolayısıyla diğer fermiyonlarla elektromanyetizma ve zayıf etkileşim yoluyla etkileşirler . Kalan altı fermiyon renk yükü taşımaz ve lepton olarak adlandırılır. Üç nötrino da elektrik yükü taşımaz, bu nedenle hareketleri yalnızca zayıf nükleer kuvvet ve yerçekimi tarafından doğrudan etkilenir , bu da onları tespit etmeyi çok zorlaştırır. Buna karşılık, bir elektrik yükü taşıması nedeniyle elektron, müon ve tau'nun tümü elektromanyetik olarak etkileşime girer.

Bir neslin her üyesi, kendisinden önceki herhangi bir neslin karşılık gelen parçacığından daha büyük kütleye sahiptir. Birinci nesil yüklü parçacıklar bozunmaz, bu nedenle tüm sıradan ( baryonik ) maddeler bu tür parçacıklardan yapılır. Spesifik olarak, tüm atomlar , nihayetinde yukarı ve aşağı kuarklardan oluşan atom çekirdeği etrafında dönen elektronlardan oluşur . Öte yandan, ikinci ve üçüncü nesil yüklü parçacıklar çok kısa yarı ömürlerle bozunurlar ve sadece çok yüksek enerjili ortamlarda gözlenirler. Tüm nesillerin nötrinoları da bozulmazlar ve evreni kaplarlar, ancak nadiren baryonik madde ile etkileşime girerler.

bozonları ölçmek

Standart Modelde Etkileşimler. Modeldeki tüm Feynman diyagramları bu köşelerin kombinasyonlarından oluşturulmuştur. q herhangi bir kuarktır, g bir gluondur, X herhangi bir yüklü parçacıktır, γ bir fotondur, f herhangi bir fermiyondur, m kütleli herhangi bir parçacıktır (nötrinolar hariç olmak üzere), m _B kütleli herhangi bir bozondur. Birden fazla partikül etiketi olan diyagramlarda / bir partikül etiketi ile ayrılır. | ile ayrılmış parçacık etiketli diyagramlarda etiketler aynı sırada seçilmelidir. Örneğin, dört bozon elektrozayıf durumda geçerli diyagramlar WWWW, WWZZ, WWγγ, WWZγ'dir. Listelenen her tepe noktasının eşleniğine (okların yönünü tersine çevirerek) de izin verilir.

Standart Modelde ayar bozonları , güçlü, zayıf ve elektromanyetik temel etkileşimlere aracılık eden kuvvet taşıyıcıları olarak tanımlanır .

Fizikteki etkileşimler, parçacıkların diğer parçacıkları etkileme biçimleridir. Bir anda makroskopik seviyede , elektromanyetizma parçacıkları vasıtasıyla birbirleriyle etkileşim sağlayan elektrik ve manyetik alanlar ve çekim Einstein'ın teorisine göre birbirlerine çekmek için kütle ile tanır genel görelilik . Standart Model, bu tür kuvvetleri , genellikle kuvvet aracılı parçacıklar olarak adlandırılan, diğer parçacıkları değiş tokuş eden madde parçacıklarından kaynaklananlar olarak açıklar . Kuvvet aracılık eden bir parçacık değiş tokuş edildiğinde, makroskopik düzeydeki etki, her ikisini de etkileyen bir kuvvete eşdeğerdir ve dolayısıyla parçacığın bu kuvvete aracılık ettiği (yani ajanı olduğu) söylenir . Feynmann diyagramı bir grafik temsilidir hesaplamalar, pertürbasyon teorisi "kuvvet aracılık partiküller", ve analiz etmek için uygulandığında çağırmak yaklaşım, yüksek enerji saçılma deneyleri verileri ile makul uyum içindedir. Bununla birlikte, pertürbasyon teorisi (ve onunla birlikte "kuvvet aracılı parçacık" kavramı) diğer durumlarda başarısız olur. Bunlar, düşük enerjili kuantum kromodinamiği , bağlı durumlar ve solitonları içerir .

Standart Modelin ayar bozonlarının hepsinin dönüşü vardır (madde parçacıkları gibi). Dönüşün değeri 1'dir ve onları bozon yapar . Sonuç olarak, fermiyonları sınırlayan Pauli dışlama ilkesini takip etmezler : bu nedenle bozonların (örneğin fotonların) uzaysal yoğunlukları (hacim başına sayı) üzerinde teorik bir sınırı yoktur . Ayar bozonlarının türleri aşağıda açıklanmıştır.

• Fotonlar , elektrik yüklü parçacıklar arasındaki elektromanyetik kuvvete aracılık eder. Foton kütlesizdir ve kuantum elektrodinamiği teorisi tarafından iyi tanımlanmıştır .
• NS
  W⁺
  ,
  W^-
  , ve
  Z
  ayar bozonları , farklı tatlara sahip parçacıklar (tüm kuarklar ve leptonlar) arasındaki zayıf etkileşimlere aracılık eder . Onlar masif,
  Z
  olduğundan daha büyük olması
  W^±
  . içeren zayıf etkileşimler
  W^±
  sadece sol-elli parçacıklar ve sağ-elli anti - parçacıklar üzerinde etki eder . NS
  W^±
  +1 ve -1 elektrik yükü taşır ve elektromanyetik etkileşime bağlanır. elektriksel olarak nötr
  Z
  bozon hem solak parçacıklarla hem de sağ elini kullanan karşı parçacıklarla etkileşime girer. Fotonlarla birlikte bu üç ayar bozonu, toplu olarak elektrozayıf etkileşime aracılık edecek şekilde birlikte gruplandırılmıştır .
• Sekiz gluon , renk yüklü parçacıklar (kuarklar) arasındaki güçlü etkileşimlere aracılık eder . Gluonlar kütlesizdir. Gluonların sekiz katlı çokluğu, renk ve karşıt renk yükünün (örneğin kırmızı-antiyeşil) bir kombinasyonu ile etiketlenir. Gluonlar etkili bir renk yüküne sahip oldukları için kendi aralarında da etkileşime girebilirler. Gluonlar ve etkileşimleri, kuantum renk dinamiği teorisi ile tanımlanır .

Standart Model tarafından tanımlanan tüm parçacıklar arasındaki etkileşimler, bu bölümün sağındaki diyagramlarda özetlenmiştir.

Higgs bozonu

Higgs parçacığı, 1964'te Peter Higgs tarafından Goldstone'un 1962 teoreminin (kendiliğinden kırılan jenerik sürekli simetri) masif bir vektör alanının üçüncü bir polarizasyonunu sağladığını gösterdiğinde teorize edilen masif bir skaler temel parçacıktır . Bu nedenle, Goldstone'un orijinal skaler ikilisi, masif spin-sıfır parçacığı, Higgs bozonu olarak önerildi ve Standart Modelde önemli bir yapı taşıdır. İçsel dönüşü yoktur ve bu nedenle bir bozon olarak sınıflandırılır ( tamsayı dönüşü olan ayar bozonları gibi ).

Higgs bozonu, foton ve gluon dışındaki diğer temel parçacıkların neden kütleli olduğunu açıklayarak Standart Modelde benzersiz bir rol oynar . Özellikle Higgs bozonu, fotonun neden kütlesi olmadığını açıklarken, W ve Z bozonları çok ağırdır. Temel parçacık kütleleri ve elektromanyetizma (foton tarafından aracılık edilen) ile zayıf kuvvet (W ve Z bozonlarının aracılık ettiği ) arasındaki farklar , mikroskobik (ve dolayısıyla makroskopik) maddenin yapısının birçok yönü için kritik öneme sahiptir. Gelen Elektrozayıf teori , Higgs bozonu Leptonlardan (elektron, muon ve tau) ve kuark kitleleri oluşturur. Higgs bozonu devasa olduğu için kendisiyle etkileşime girmesi gerekir.

Higgs bozonu çok büyük bir parçacık olduğundan ve yaratıldığı anda hemen bozunduğundan, yalnızca çok yüksek enerjili bir parçacık hızlandırıcı onu gözlemleyebilir ve kaydedebilir. Onaylayın ve kullanma Higgs bozonu doğasını belirlemek Deneyler Büyük Hadron Çarpıştırıcısı de (LHC) CERN'de 2010 başlarında başlayan ve en gerçekleştirildi Fermilab'ın 'ın Tevetron Standart Model'in geç 2011. Matematiksel tutarlılık onun kapanmasına kadar gerektiren herhangi bir mekanizma olduğunu temel parçacıkların kütlelerini oluşturabilen yukarıdaki enerjilerde görünür hale gelmelidir.1.4  TeV ; bu nedenle, LHC (iki7 TeV proton ışınları) Higgs bozonunun gerçekten var olup olmadığı sorusunu yanıtlamak için inşa edildi.

4 Temmuz 2012'de, LHC'deki deneylerden ikisi ( ATLAS ve CMS ) bağımsız olarak, yaklaşık olarak kütlesi olan yeni bir parçacık bulduklarını bildirdi.125  GeV/ c ² (yaklaşık 133 proton kütlesi,10 × 10 ⁻²⁵  kg ), bu da "Higgs bozonu ile tutarlıdır". 13 Mart 2013'te, aranan Higgs bozonu olduğu doğrulandı.

teorik yönler

Standart Model Lagrange'ın İnşası

Teknik olarak, kuantum alan teorisi , bir Lagrange'ın teorinin dinamiklerini ve kinematiğini kontrol ettiği Standart Model için matematiksel çerçeve sağlar . Parçacığın her tür bir dinamik cinsinden anlatılan alanda istila bu uzay-zaman . Standart Modelin inşası, çoğu alan teorisini inşa etmenin modern yöntemini takip ederek ilerler: önce sistemin bir dizi simetrisini varsayarak ve sonra bu simetrileri gözlemleyen parçacık (alan) içeriğinden en genel yeniden normalleştirilebilir Lagrange'ı yazarak .

Küresel Poincare simetri tüm göreli kuantum alan teorileri kabul edilmektedir. Bilinen öteleme simetrisi , dönme simetrisi ve özel görelilik teorisinin merkezinde yer alan eylemsizlik referans çerçevesi değişmezliğinden oluşur . Yerel SU (3) x SU (2) x u (1) ayar simetrisi bir bir iç simetri esas Standart Model tanımlar. Kabaca, ayar simetrisinin üç faktörü, üç temel etkileşime yol açar. Alanlar , Standart Modelin çeşitli simetri gruplarının farklı temsillerine ayrılır (tabloya bakın). En genel Lagrange yazıldığında, dinamiklerin sayısal değerleri deneyle belirlenen 19 parametreye bağlı olduğu görülür. Parametreler yukarıdaki tabloda özetlenmiştir ("göster" düğmesine tıklanarak görünür hale getirilmiştir).

Kuantum renk dinamiği sektörü

Kuantum renk (QCD) sektörü olan kuark ve gluonların arasındaki etkileşimleri tanımlar Yang Mills ayar teorisi tarafından üretilen SU (3) simetri ile T ^bir . Leptonlar gluonlarla etkileşime girmediği için bu sektörden etkilenmezler. Gluon alanlarına bağlı kuarkların Dirac Lagrange'ı şu şekilde verilir:

${\displaystyle {\mathcal {L}}_{\text{QCD}}=\sum _{\psi }{\overline {\psi }}_{i}\left(i\gamma ^{\mu }( \partial _{\mu }\delta _{ij}-ig_{s}G_{\mu }^{a}T_{ij}^{a})\sağ)\psi _{j}-{\frac { 1}{4}}G_{\mu \nu }^{a}G_{a}^{\mu \nu },}$

nerede

ψ
_benkuark alanının Dirac spinorudur, burada i = {r, g, b} rengi temsil eder,

, y ^u olan Dirac matrisleri ,

G^bir
_μ8 bileşenli ( ) SU(3) ölçü alanıdır,${\görüntüleme stili a=1,2,\noktalar ,8}$

T^bir
_ij3 × 3 Gell-Mann matrisleri , SU(3) renk grubunun üreteçleridir,

G^bir
_μνgluon alan gücü tensörünü temsil eder ,

g _s , güçlü bağlantı sabitidir.

Elektrozayıf sektör

Elektrozayıf sektör, U(1) × SU(2) _L simetri grubuna sahip bir Yang-Mills ayar teorisidir ,

${\displaystyle {\mathcal {L}}_{\text{EW}}=\sum _{\psi }{\bar {\psi }}\gamma ^{\mu }\left(i\partial _{\ mu }-g'{\tfrac {1}{2}}Y_{\text{W}}B_{\mu }-g{\tfrac {1}{2}}{\vec {\tau }}_{ \text{L}}{\vec {W}}_{\mu }\sağ)\psi -{\tfrac {1}{4}}W_{a}^{\mu \nu }W_{\mu \ nu }^{a}-{\tfrac {1}{4}}B^{\mu \nu }B_{\mu \nu },}$

nerede

B _μ U(1) ayar alanıdır,

Y, _W, bir zayıf hypercharge U (1) grubunun jeneratör -

W → _μ , 3 bileşenli SU(2) ölçü alanıdır,

τ _L → olan Pauli matrisler - SU sonsuz jeneratörleri (2) grup - sadece hareket belirtmek için simge L , sol -kiral fermiyonlar,

g' ve g sırasıyla U(1) ve SU(2) birleştirme sabitleridir,

${\displaystyle W^{a\mu \nu }}$( ) Ve olan alan şiddeti tansörleri zayıf izospin ve zayıf hypercharge alanları için.${\görüntüleme stili a=1,2,3}$${\ Displaystyle B^{\mu \nu }}$

Formun terimleri U(1) × SU(2) _L ayar değişmezliğine uymadığından, elektrozayıf lagrangiyene fermiyon kütle terimlerinin eklenmesinin yasak olduğuna dikkat edin . U(1) ve SU(2) ayar alanları için açık kütle terimleri eklemek de mümkün değildir. Higgs mekanizması, ayar bozon kütlelerinin üretilmesinden sorumludur ve fermiyon kütleleri, Higgs alanı ile Yukawa tipi etkileşimlerden kaynaklanır. ${\displaystyle m{\overline {\psi }}\psi }$

Higgs sektörü

Standart Modelde, Higgs alanı SU(2) _L grubunun karmaşık bir skaleridir :

${\displaystyle \varphi ={\frac {1}{\sqrt {2}}}\left({\begin{array}{c}\varphi ^{+}\\\varphi ^{0}\end{dizi }}\sağ),}$

burada + ve 0 üst simgeleri bileşenlerin elektrik yükünü ( Q ) gösterir. Zayıf hypercharge ( Y _B , her iki bileşenin) 1'dir.

Simetri kırılmadan önce Higgs Lagrange,

${\displaystyle {\mathcal {L}}_{\text{H}}=\varphi ^{\hançer }\left(\partial ^{\mu }-{\frac {i}{2}}\left( g'Y_{\text{W}}B^{\mu }+g{\vec {\tau }}{\vec {W}}^{\mu }\sağ)\sağ)\sol(\partial _ {\mu }+{\frac {i}{2}}\left(g'Y_{\text{W}}B_{\mu }+g{\vec {\tau }}{\vec {W}} _{\mu }\sağ)\sağ)\varphi -{\frac {\lambda ^{2}}{4}}\left(\varphi ^{\hançer }\varphi -v^{2}\sağ) ^{2},}$

bir diverjans terimine kadar (yani kısmi entegrasyondan sonra) şu şekilde de yazılabilir:

${\displaystyle {\mathcal {L}}_{\text{H}}=\left|\left(\partial _{\mu }+{\frac {i}{2}}\left(g'Y_{ \text{W}}B_{\mu }+g{\vec {\tau }}{\vec {W}}_{\mu }\sağ)\varphi \sağ|^{2}-{ \frac {\lambda ^{2}}{4}}\left(\varphi ^{\hançer }\varphi -v^{2}\sağ)^{2}.}$

Higgs kendini birleştirme gücü λ yaklaşık olarak 1 ⁄ 8'dir . Bu, kütle (simetri kırılmasından sonra) ve vakum beklenti değerinden türetilebileceği için yukarıdaki tabloya dahil edilmemiştir.

Yukawa sektörü

Yukawa etkileşim terimlerdir

${\displaystyle {\mathcal {L}}_{\text{Yukawa}}={\overline {U}}_{\rm {L}}G_{\rm {u}}U_{\rm {R}} \varphi ^{0}-{\overline {D}}_{\rm {L}}G_{\rm {u}}U_{\rm {R}}\varphi ^{-}+{\overline {U }}_{\rm {L}}G_{\rm {d}}D_{\rm {R}}\varphi ^{+}+{\overline {D}}_{\rm {L}}G_{ \rm {d}}D_{\rm {R}}\varphi ^{0}+\mathrm {hc} ,}$

burada G, _{u, d} olan 3 x 3 ile Yukawa kaplinler matrisleri, ij terimi nesillerin bir bağlantı sağlayacak i ve j terimleri de tarif edilen ve hc aracı Hermitik eşleniği.

Temel etkileşimler

Standart Model, doğadaki dört temel etkileşimden üçünü tanımlar; sadece yerçekimi açıklanamayan kalır. Standart Modelde, böyle bir etkileşim, elektromanyetik kuvvet için bir foton ve güçlü etkileşim için bir gluon gibi, etkilenen nesneler arasında bir bozon değişimi olarak tanımlanır . Bu parçacıklara kuvvet taşıyıcıları veya haberci parçacıklar denir .

Standart Model Kuvvetleri

Yerçekimi

Belki de en tanıdık temel etkileşim olmasına rağmen, yerçekimi, genel görelilik, modern yerçekimi teorisi ve kuantum mekaniği birleştirildiğinde ortaya çıkan çelişkiler nedeniyle Standart Model tarafından tanımlanmaz. Bununla birlikte, yerçekimi mikroskobik ölçeklerde o kadar zayıftır ki, esasen ölçülemez. Graviton aracı parçacık olarak kabul edilir.

elektromanyetizma

Elektromanyetizma, Standart Modeldeki tek uzun menzilli kuvvettir. Fotonlar ve çiftler tarafından elektrik yüküne aracılık eder. Elektromanyetizma, atomik elektron kabuğu yapısı , kimyasal bağlar , elektrik devreleri ve elektronik dahil olmak üzere çok çeşitli olaylardan sorumludur . Standart Modeldeki elektromanyetik etkileşimler, kuantum elektrodinamiği ile tanımlanır.

Zayıf nükleer kuvvet

Zayıf etkileşim, beta bozunması gibi çeşitli parçacık bozunma biçimlerinden sorumludur . Zayıf aracı parçacıkların, W ve Z bozonlarının kütleye sahip olması nedeniyle zayıf ve kısa menzillidir. W bozonlarının elektrik yükü vardır ve parçacık tipini (tat olarak adlandırılır) ve yükü değiştiren etkileşimlere aracılık eder. W bozonlarının aracılık ettiği etkileşimler , yüklü akım etkileşimleridir . Z bozonları nötrdür ve parçacık lezzetini değiştirmeyen nötr akım etkileşimlerine aracılık eder. Böylece Z bozonları, kütleli olmaları ve nötrino ile etkileşmeleri dışında fotona benzerler. Zayıf etkileşim aynı zamanda parite ve CP'yi ihlal eden tek etkileşimdir . W bozonu yalnızca sol-elli fermiyonlar ve sağ-elli antifermiyonlar ile etkileştiğinden, parite ihlali, yüklü akım etkileşimleri için maksimumdur.

Standart Modelde, zayıf kuvvet, zayıf ve elektromanyetik etkileşimlerin yüksek enerjilerde tek bir elektrozayıf etkileşimde birleştiğini belirten elektrozayıf teorisi açısından anlaşılır .

Güçlü nükleer kuvvet

Güçlü nükleer kuvvet, hadronik ve nükleer bağlanmadan sorumludur . Renk yüküne bağlanan gluonlar aracılık eder. Gluonların kendileri renk yüküne sahip olduklarından, güçlü kuvvet hapsetme ve asimptotik özgürlük sergiler . Kapatma, izolasyonda yalnızca renk-nötr parçacıkların var olabileceği anlamına gelir, bu nedenle kuarklar yalnızca hadronlarda var olabilir ve düşük enerjilerde asla izolasyonda olamaz. Asimptotik özgürlük, enerji ölçeği arttıkça güçlü kuvvetin zayıflaması anlamına gelir. Güçlü kuvvet , sırasıyla çekirdek ve hadronlardaki protonların ve kuarkların kendi ölçeklerinde elektrostatik itme kuvvetine üstün gelir .

Kuarklar hadronlarda gluonların aracılık ettiği temel güçlü etkileşim ile bağlanırken, nükleonlar artık güçlü kuvvet veya nükleer kuvvet olarak adlandırılan ortaya çıkan bir fenomen tarafından bağlanır . Bu etkileşime pion gibi mezonlar aracılık eder . Nükleonun içindeki renk yükleri birbirini götürür, yani gluon ve kuark alanlarının çoğu nükleonun dışında birbirini götürür. Bununla birlikte, sanal mezonların değişimi olarak görünen ve nükleonlar arasındaki çekici kuvvete neden olan bazı kalıntılar "sızdırılır". (Temel) güçlü etkileşim, Standart Modelin bir bileşeni olan kuantum renk dinamiği ile tanımlanır.

Testler ve tahminler

Standart Model, W ve Z bozonları , gluon ve top ve tılsım kuarklarının varlığını öngördü ve bu parçacıklar gözlemlenmeden önce bunların birçok özelliğini tahmin etti. Tahminler deneysel olarak iyi bir hassasiyetle doğrulandı.

Standart Model ayrıca 2012 yılında Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda bulunan Higgs bozonunun son parçacığı olarak varlığını öngördü .

Zorluklar

Standart Modelin (şu anda yol integralleri aracılığıyla nicelenmiş değişmeyen olmayan bir ayar teorisi olarak formüle edilmiştir) kendi kendine tutarlılığı matematiksel olarak kanıtlanmamıştır. Yaklaşık hesaplamalar için yararlı olan düzenlileştirilmiş versiyonlar (örneğin kafes ayar teorisi ) mevcut olsa da, regülatörün kaldırıldığı limitte (S-matris elemanları anlamında) yakınsayıp yakınsadıkları bilinmemektedir. Tutarlılıkla ilgili önemli bir soru, Yang-Mills varlığı ve kütle boşluğu problemidir.

Deneyler, nötrinoların kütleye sahip olduğunu gösteriyor ve klasik Standart Model buna izin vermiyordu. Bu bulguya uyum sağlamak için klasik Standart Model, nötrino kütlesini içerecek şekilde değiştirilebilir.

Yalnızca Standart Model parçacıkları kullanmakta ısrar edilirse, bu, leptonların Higgs bozonu ile yeniden normalleştirilemeyen etkileşimi eklenerek başarılabilir. Temel düzeyde, böyle bir etkileşim , teoriye ağır sağ-elli nötrinoların eklendiği tahterevalli mekanizmasında ortaya çıkar . Bu, Standart Modelin sol-sağ simetrik uzantısında ve bazı büyük birleşik teorilerde doğaldır . Yeni fizik 10 ¹⁴ GeV'nin altında veya civarında ortaya çıktığı sürece, nötrino kütleleri doğru büyüklükte olabilir.

Teorik ve deneysel araştırma, Standart Modeli birleşik bir alan teorisine veya her şeyin teorisine, sabitler dahil tüm fiziksel fenomenleri açıklayan eksiksiz bir teoriye genişletmeye çalıştı . Bu tür araştırmaları motive eden Standart Modelin yetersizlikleri şunları içerir:

• Model, yerçekimini açıklamaz , ancak graviton olarak bilinen teorik bir parçacığın fiziksel doğrulaması bunu bir dereceye kadar açıklayabilir. Güçlü ve elektrozayıf etkileşimleri ele almasına rağmen, Standart Model kanonik yerçekimi teorisini, genel göreliliği kuantum alan teorisi açısından tutarlı bir şekilde açıklamaz . Bunun nedeni, diğer şeylerin yanı sıra, kuantum alan kütleçekim teorilerinin genellikle Planck ölçeğine ulaşmadan önce çökmesidir . Sonuç olarak, çok erken evren için güvenilir bir teorimiz yok.
• Bazı fizikçiler , değerleri alakasız ve keyfi olan 19 sayısal sabit gerektiren, geçici ve yetersiz olduğunu düşünüyorlar . Standart Model, şu anda olduğu gibi, nötrinoların neden kütleleri olduğunu açıklayabilse de, nötrino kütlesinin özellikleri hala belirsizdir. Nötrino kütlesini açıklamanın, yine keyfi parametreler olan ek 7 veya 8 sabiti gerektireceğine inanılmaktadır.
• Higgs mekanizması , yüksek enerji ölçeklerinde bazı yeni fizik (Higgs'e bağlı) mevcutsa , hiyerarşi sorununa yol açar . Bu durumlarda, zayıf ölçeğin Planck ölçeğinden çok daha küçük olması için parametrelerde ciddi ince ayar yapılması gerekir; bununla birlikte, bu tür ince ayarlardan kaçınılabilecek kuantum yerçekimini içeren başka senaryolar da vardır . Ayrıca, temel skaler parçacıkları içeren tutarlı bir kuantum alan teorisi oluşturmanın mümkün olmayabileceğini öne süren kuantum önemsizliği sorunları da vardır .
• Model, ortaya çıkan Lambda-CDM kozmoloji modeliyle tutarsız . Tartışmalar, parçacık fiziğinin Standart Modelinde gözlemlenen soğuk karanlık madde (CDM) miktarı ve bunun çok büyük büyüklük dereceleri olan karanlık enerjiye katkıları için bir açıklamanın olmamasını içerir . Maddenin antimadde üzerinde gözlemlenen baskınlığını ( madde / antimadde asimetrisi ) yerleştirmek de zordur . İzotropi ve homojenlik uzun mesafeler boyunca görünür evrenin kozmik gibi bir mekanizmaya ihtiyaç görünmektedir enflasyonu da standart model bir uzantısı oluşturacak.

Şu anda, önerilen her şeyin teorisi yaygın olarak kabul edilmedi veya doğrulanmadı.

Ayrıca bakınız

Notlar

Referanslar

daha fazla okuma

• R. Oerter (2006). Neredeyse Her Şeyin Teorisi: Standart Model, Modern Fiziğin Görünmeyen Zaferi . Duman bulutu.
• BA Schumm (2004). Derin Şeyler: Parçacık Fiziğinin Nefes Kesen Güzelliği . Johns Hopkins Üniversitesi Yayınları. ISBN'si 978-0-8018-7971-5.
• "Parçacık Fiziği Etkileşimli Grafiğin Standart Modeli" .

giriş ders kitapları

• I. Aitchison; A. Hey (2003). Parçacık Fiziğinde Gösterge Teorileri: Pratik Bir Giriş . Fizik Enstitüsü. ISBN'si 978-0-585-44550-2.
• W. Greiner; B. Müller (2000). Zayıf Etkileşimlerin Gösterge Teorisi . Springer. ISBN'si 978-3-540-67672-0.
• GD Coughlan; JE Dodd; BM Gripaios (2006). Parçacık Fiziğinin Fikirleri: Bilim Adamlarına Giriş . Cambridge Üniversitesi Yayınları.
• DJ Griffiths (1987). Temel Parçacıklara Giriş . John Wiley ve Oğulları. ISBN'si 978-0-471-60386-3.
• GL Kane (1987). Modern Temel Parçacık Fiziği . Perseus Kitapları. ISBN'si 978-0-201-11749-3.

Gelişmiş ders kitapları

• TP Cheng; LF Li (2006). Temel parçacık fiziğinin ölçer teorisi . Oxford Üniversitesi Yayınları. ISBN'si 978-0-19-851961-4.Standart Modelin gösterge teorisi yönlerini vurgular .
• JF Donoghue; E. Golowich; BR Holstein (1994). Standart Modelin Dinamiği . Cambridge Üniversitesi Yayınları. ISBN'si 978-0-521-47652-2.Standart Modelin dinamik ve fenomenolojik yönlerini vurgular .
• L. O'Raifeartaigh (1988). Ayar teorilerinin grup yapısı . Cambridge Üniversitesi Yayınları. ISBN'si 978-0-521-34785-3.
• Nagashima, Yorikiyo (2013). Temel Parçacık Fiziği: Standart Modelin Temelleri, Cilt 2 . Wiley. ISBN'si 978-3-527-64890-0. 920 sayfa.
• Schwartz, Matthew D. (2014). Kuantum Alan Teorisi ve Standart Model . Cambridge Üniversitesi. ISBN'si 978-1-107-03473-0. 952 sayfa.
• Langacker, Paul (2009). Standart Model ve Ötesi . CRC Basın. ISBN'si 978-1-4200-7907-4. 670 sayfa. Standart Modelin grup teorik yönlerini vurgular .

dergi makaleleri

• ES Abers; BW Lee (1973). "Ölçer teorileri". Fizik Raporları . 9 (1): 1–141. Bibcode : 1973PhR.....9....1A . doi : 10.1016/0370-1573(73)90027-6 .
• M. Baak; et al. (2012). "LHC'de Yeni Bir Bozonun Keşfedilmesinden Sonra Standart Modelin Elektrozayıf Uyum". Avrupa Fiziksel Dergisi C . 72 (11) : 2205. arXiv : 1209.2716 . Bibcode : 2012EPJC...72.205B . doi : 10.1140/epjc/s10052-012-2205-9 . S2CID  15052448 .
• Y. Hayato; et al. (1999). " Büyük Su Cherenkov Dedektöründe p → νK ⁺ ile Proton Bozunumu Ara ". Fiziksel İnceleme Mektupları . 83 (8): 1529–1533. arXiv : hep-ex/9904020 . Bibcode : 1999PhRvL..83.1529H . doi : 10.1103/PhysRevLett.83.1529 . S2CID  118326409 .
• SF Novaes (2000). "Standart Model: Bir Giriş". arXiv : hep-ph/0001283 .
• DP Roy (1999). "Maddenin Temel Bileşenleri ve Etkileşimleri - Bir İlerleme Raporu". arXiv : hep-ph/9912523 .
• F. Wilczek (2004). "Evren Garip Bir Yer mi". Nükleer Fizik B: Bildiri Ekleri . 134 : 3. arXiv : astro-ph/0401347 . Bibcode : 2004NuPhS.134....3W . doi : 10.1016/j.nuclphysbps.2004.08.001 . S2CID  28234516 .

Dış bağlantılar

• " Standart Model, CERN'den John Ellis tarafından Ayrıntılı Olarak Açıklandı " omega tau podcast'i.
• CERN web sitesindeki Standart Model , maddenin temel yapı taşlarının dört temel kuvvet tarafından yönetilen nasıl etkileşime girdiğini açıklar.
• Parçacık Fiziği: Standart Model , Leonard Susskind dersleri (2010).