За пределами Стандартной модели: чего мы не знаем о Вселенной. За пределами Стандартной модели: чего мы не знаем о Вселенной Что такое спин
Положения
Стандартная модель состоит из следующих положений:
- Всё вещество состоит из 24 фундаментальных квантовых полей спина ½, квантами которых являются фундаментальные частицы -фермионы , которые можно объединить в три поколения фермионов: 6 лептонов (электрон , мюон , тау-лептон , электронное нейтрино , мюонное нейтрино и тау-нейтрино), 6 кварков (u, d, s, c, b, t) и 12 соответствующих им античастиц.
- Кварки участвуют в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях; заряжённые лептоны (электрон, мюон, тау-лептон) - в слабых и электромагнитных; нейтрино - только в слабых взаимодействиях.
- Все три типа взаимодействий возникают как следствие постулата, что наш мир симметричен относительно трёх типов калибровочных преобразований. Частицами-переносчиками взаимодействий являются бозоны :
- В отличие от электромагнитного и сильного, слабое взаимодействие может смешивать фермионы из разных поколений, что приводит к нестабильности всех частиц, за исключением легчайших, и к таким эффектам, как нарушение CP-инвариантности и нейтринные осцилляции .
- Внешними параметрами стандартной модели являются:
- массы лептонов (3 параметра, нейтрино принимаются безмассовыми) и кварков (6 параметров), интерпретируемые как константы взаимодействия их полей с полем бозона Хиггса ,
- параметры CKM-матрицы смешивания кварков - три угла смешивания и одна комплексная фаза, нарушающая CP-симметрию - константы взаимодействия кварков с электрослабым полем,
- два параметра поля Хиггса , которые связаны однозначно с его вакуумным средним и массой бозона Хиггса ,
- три константы взаимодействия, связанные соответственно с калибровочными группами U(1), SU(2) и SU(3), и характеризующие относительные интенсивности электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий.
В связи с тем, что обнаружены нейтринные осцилляции , стандартная модель нуждается в расширении, которое вводит дополнительно 3 массы нейтрино и как минимум 4 параметра PMNS-матрицы смешивания нейтрино , аналогичные CKM-матрице смешивания кварков, и, возможно, ещё 2 параметра смешивания, если нейтрино являются майорановскими частицами . Также в число параметров стандартной модели иногда вводят вакуумный угол квантовой хромодинамики. Примечательно, что математическая модель с набором из 20 с небольшим чисел способна описать результаты миллионов проведённых к настоящему времени в физике экспериментов.
За пределами Стандартной модели
См. также
Примечания
Литература
- Емельянов В. М. Стандартная модель и ее расширения. - М .: Физматлит, 2007. - 584 с. - (Фундаментальная и прикладная физика). - ISBN 978-5-922108-30-0
Ссылки
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Стандартная модель" в других словарях:
СТАНДАРТНАЯ МОДЕЛЬ, модель ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ и их взаимодействий, представляющая собой наиболее полное описание физических явлений, связанных с электричеством. Частицы делятся на АДРОНЫ (под воздействием ЯДЕРНЫХ СИЛ превращающиеся в КВАРКИ),… … Научно-технический энциклопедический словарь
В физике элементарных частиц, теория, согласно к рой осн. (фундамент.) элементарными частицами являются кварки и лептоны. Сильное взаимодействие, посредством к рого кварки связываются в адроны, осуществляется путём обмена глюонами. Электрослабое… … Естествознание. Энциклопедический словарь
- … Википедия
Стандартная модель международной торговли - наиболее широко используемая в настоящее время модель международной торговли, раскрывающая воздействие внешней торговли на основные макроэкономические показатели торгующей страны: производство, потребление, общественное благосостояние … Экономика: глоссарий
- (Heckscher Ohlin model) Стандартная модель внешней торговли между странами (intra industry trade) с разной отраслевой структурой, названная по фамилиям ее шведских создателей. Согласно этой модели, страны имеют одни и те же производственные… … Экономический словарь
Научная картина мира (НКМ) (одно из основополагающих понятий в естествознании) особая форма систематизации знаний, качественное обобщение и мировоззренческий синтез различных научных теорий. Будучи целостной системой представлений об общих… … Википедия
Стандартная библиотека языка программирования С assert.h complex.h ctype.h errno.h fenv.h float.h inttypes.h iso646.h limits.h locale.h math.h setjmp.h signal.h stdarg.h stdbool.h stddef.h … Википедия
СТАНДАРТНАЯ КОНЦЕПЦИЯ НАУКИ форма логико методологического анализа естественнонаучных теорий, разработанная под значительным влиянием неопозитивистской философии науки. В рамках стандартной концепции науки свойства теории (трактуемой как… … Философская энциклопедия
Форма логико методологического анализа естественнонаучных теорий, разработанная под значительным влиянием неопозитивистской философии науки. В рамках стандартной концепции науки свойства теории (трактуемой как множество научно осмысленных… … Философская энциклопедия
Книги
- Физика частиц - 2013. Квантовая электродинамика и Стандартная модель , О. М. Бояркин, Г. Г. Бояркина. Во втором томе двухтомника, содержащего современный курс физики элементарных частиц, в качестве первого примера теории реальных взаимодействий рассматривается квантовая электродинамика.…
Сегодня Стандартная модель является одной из важнейших теоретических конструкций в физике элементарных частиц, описывающих электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Главные положения и составные части этой теории описывает физик, член-корреспондент РАН Михаил Данилов
1
Сейчас на основе экспериментальных данных создана очень совершенная теория, которая описывает практически все явления, которые мы наблюдаем. Эта теория скромно называется «Стандартная модель элементарных частиц». В ней имеется три поколения фермионов: кварков, лептонов. Это, так сказать, строительный материал. Из первого поколения построено все, что мы видим вокруг нас. В него входят u- и d-кварки, электрон и электронное нейтрино. Протоны и нейтроны состоят из трех кварков: uud и udd, соответственно. Но есть еще два поколения кварков и лептонов, которые в какой-то степени повторяют первое, но тяжелее и в конце концов распадаются на частицы первого поколения. У всех частиц имеются античастицы, обладающие противоположными зарядами.
2
Стандартная модель включает три взаимодействия. Электромагнитное взаимодействие удерживает электроны внутри атома и атомы внутри молекул. Переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон. Сильное взаимодействие удерживает протоны и нейтроны внутри атомного ядра, а кварки внутри протонов, нейтронов и других адронов (так Л. Б. Окунь предложил называть частицы, участвующие в сильном взаимодействии). В сильном взаимодействии принимают участие кварки и построенные из них адроны, а также и переносчики самого взаимодействия - глюоны (от английского glue - клей). Адроны состоят либо из трех кварков, как протон и нейтрон, либо из кварка и антикварка, как, скажем, π±мезон, состоящий из u- и анти-d- кварков. Слабое взаимодействие приводит к редким распадам, таким как распад нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино. Переносчиками слабого взаимодействия являются W- и Z-бозоны. В слабом взаимодействии принимают участие и кварки, и лептоны, но оно при наших энергиях весьма мало. Это однако объясняется просто большой массой W- и Z-бозонов, которые на два порядка тяжелее протонов. При энергиях больше массы W- и Z-бозонов силы электромагнитного и слабого взаимодействия становятся сравнимыми, и они объединяются в единое электрослабое взаимодействие. Предполагается, что при намного бо льших энергиях и сильное взаимодействие объединится с остальными. Кроме электрослабого и сильного взаимодействий имеется еще гравитационное взаимодействие, которое не входит в Стандартную модель.
W, Z-бозоны
g - глюоны
H0 - бозон Хиггса.
3
Стандартная модель может быть сформулирована только для безмассовых фундаментальных частиц, т. е. кварков, лептонов, W- и Z-бозонов. Для того, чтобы они приобрели массу, обычно вводится поле Хиггса, названное по имени одного из ученых, предложивших этот механизм. В этом случае в Стандартной модели должна быть еще одна фундаментальная частица - бозон Хиггса. Поиски этого последнего кирпичика в стройном здании Стандарной модели активно ведутся на самом крупном коллайдере в мире - Большом адроном коллайдере (БАК). Уже получены указания на существование бозона Хиггса с массой около 133 масс протона. Однако статистическая надежность этих указаний еще недостаточна. Ожидается, что до конца 2012 г. ситуация прояснится.
4
Стандартная модель прекрасно описывает практически все эксперименты по физике элементарных частиц, хотя поиски явлений, выходящих за рамки СМ, настойчиво ведутся. Последним намеком на физику за рамками СМ явилось обнаружение в 2011 г. в эксперименте LHCb на БАК неожиданно большого различия в свойствах так называемых очарованных мезонов и их античастиц. Однако, по-видимому, даже такое большое различие может быть объяснено в рамках СМ. С другой стороны, в 2011 г. было получено еще одно, искавшееся несколько десятилетий, подтверждение СМ, предсказывающей существование экзотических адронов. Физики из Института теоретической и экспериментальной физики (Москва) и Института ядерной физики (Новосибирск) в рамках международного эксперимента BELLE обнаружили адроны, состоящие из двух кварков и двух антикварков. Скорее всего, это молекулы из мезонов, предсказанные теоретиками ИТЭФ М. Б. Волошиным и Л. Б. Окунем.
5
Несмотря на все успехи Стандартной модели, у нее имеется много недостатков. Количество свободных параметров теории превышает 20, и совершенно неясно, откуда возникает их иерархия. Почему масса t-кварка в 100 тысяч раз больше массы u-кварка? Почему константа связи t- и d-кварков, впервые измеренная в международном эксперименте ARGUS при активном участии физиков ИТЭФ, в 40 раз меньше константы связи с- и d-кварков? На эти вопросы СМ не дает ответа. Наконец, зачем нужны 3 поколения кварков и лептонов? Японские теоретики М. Кобаяши и Т. Маскава в 1973 г. показали, что существование 3-х поколений кварков позволяет объяснить различие свойств материи и антиматерии. Гипотеза М.Кобаяши и Т. Маскавы была подверждена в экспериментах BELLE и BaBar при активном участии физиков из ИЯФ и ИТЭФ. В 2008 г. М. Кобаяши и Т. Маскава были удостоены за свою теорию Нобелевской премии
6
В Стандартной модели имеются и более фундаментальные проблемы. Мы уже сейчас знаем, что СМ не является полной. Из астрофизических исследований известно, что существует материя, которой нет в СМ. Это так называемая темная материя. Ее примерно в 5 раз больше, чем обычной материи, из которой мы состоим. Пожалуй, основным недостатком Стандартной Модели является отсутствие в ней внутренней самосогласованности. Так, например, естественная масса бозона Хиггса, возникающая в СМ из-за обмена виртуальными частицами, на много порядков превышает массу, необходимую для объяснения наблюдаемых явлений. Одним из выходов, самым популярным в настоящий момент, является гипотеза о суперсимметрии - предположение о том, что имеется симметрия между фермионами и бозонами. Впервые эту идею высказали в 1971 г. Ю. А. Гольфанд и Е. П. Лихтман в ФИАНе, и теперь она пользуется громадной популярностью.
7
Существование суперсимметричных частиц не только позволяет стабилизировать поведение СМ, но и дает очень естественного кандидата на роль темной материи - самую легкую суперсимметричную частицу. Хотя в настоящий момент нет никаких надежных экспериментальных подтверждений этой теории, она настолько красива и так элегантно позволяет решить проблемы Стандартной модели, что очень многие в нее верят. На БАК активно ведутся поиски суперсимметричных частиц и других альтернатив СМ. Например, ищут дополнительные измерения пространства. Если они существуют, то многие проблемы могут быть решены. Возможно, гравитация становится сильной на относительно больших расстояниях, что тоже будет большим сюрпризом. Возможны другие, альтернативные модели Хиггса, механизмы возникновения массы у фундаментальных частиц. Поиск эффектов за рамками Стандартной модели ведется очень активно, но пока безуспешно. Очень многое должно проясниться в ближайшие годы.
Что за дурацкое название для самой точной научной теории из всех известных человечеству. Более четверти нобелевских премий по физике прошлого века были присуждены работам, которые либо прямо, либо косвенно были связаны со Стандартной моделью. Название у нее, конечно, такое, будто за пару сотен рублей можно купить улучшение. Любой физик-теоретик предпочел бы «удивительную теорию почти всего», каковой она, собственно, и является.
Многие помнят волнение среди ученых и в СМИ, вызванное открытием бозона Хиггса в 2012 году. Но его открытие не стало сюрпризом и не возникло из ниоткуда - оно ознаменовало собой пятидесятилетие череды побед Стандартной модели. Она включает каждую фундаментальную силу, кроме гравитации. Любая попытка опровергнуть ее и продемонстрировать в лаборатории, что ее нужно полностью переработать, - а таких было много - терпела неудачу.
Короче говоря, Стандартная модель отвечает на этот вопрос: из чего все сделано и как все держится вместе?
Мельчайшие строительные блоки
Физики любят простые вещи. Они хотят раздробить все до самой сути, найти самые базовые строительные блоки. Проделать это при наличии сотни химических элементов не так-то просто. Наши предки считали, что все состоит из пяти элементов - земли, воды, огня, воздуха и эфира. Пять намного проще ста восемнадцати. И также неверно. Вы, безусловно, знаете, что мир вокруг нас состоит из молекул, а молекулы состоят из атомов. Химик Дмитрий Менделеев выяснил это в 1860-х годах и представил атомы в таблице элементов, которую сегодня изучают в школе. Но этих химических элементов 118. Сурьма, мышьяк, алюминий, селен… и еще 114.
В 1932 году ученые знали, что все эти атомы состоит из всего трех частиц - нейтронов, протонов и электронов. Нейтроны и протоны тесно связаны друг с другом в ядре. Электроны, в тысячи раз легче их, кружат вокруг ядра на скорости, близкой к световой. Физики Планк, Бор, Шредингер, Гейзенберг и другие представили новую науку - квантовую механику - для объяснения этого движения.
На этом было бы прекрасно остановиться. Всего три частицы. Это даже проще, чем пять. Но как они держатся вместе? Отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные протоны скрепляются вместе силами электромагнетизма. Но протоны сбиваются в ядре и их положительные заряды должны расталкивать их прочь. Не помогут даже нейтральные нейтроны.
Что связывает эти протоны и нейтроны вместе? «Божественное вмешательство»? Но даже божественному существу доставило бы проблем следить за каждым из 10 80 протонов и нейтронов во Вселенной, удерживая их силой воли.
Расширяя зоопарк частиц
Между тем природа отчаянно отказывается хранить в своем зоопарке всего три частицы. Даже четыре, потому что нам нужно учесть фотон, частицу света, описанную Эйнштейном. Четыре превратились в пять, когда Андерсон измерил электроны с положительным зарядом - позитроны - которые бьют по Земле из внешнего космоса. Пять стали шестью, когда был обнаружен пион, удерживающий ядро в целом и предсказанный Юкавой.
Затем появился мюон - в 200 раз тяжелее электрона, но в остальном его близнец. Это уже семь. Не так уж и просто.
К 1960-м годам были сотни «фундаментальных» частиц. Вместо хорошо организованной периодической таблицы были только длинные списки барионов (тяжелых частиц вроде протонов и нейтронов), мезонов (вроде пионов Юкавы) и лептонов (легких частиц, таких как электрон и неуловимые нейтрино), без какой-либо организации и принципов устройства.
И в этой пучине родилась Стандартная модель. Не было никакого озарения. Архимед не выпрыгнул из ванной с криком «Эврика!». Нет, вместо этого в середине 1960-х несколько умных людей выдвинули важные предположения, которые превратили эту трясину сперва в простую теорию, а затем в пятьдесят лет экспериментальной проверки и теоретической разработки.
Кварки. Они получили шесть вариантов, которые мы называем ароматами. Как у цветов, только не так вкусно пахнущие. Вместо роз, лилий и лаванды мы получили верхний и нижний, странный и очарованный, прелестный и истинный кварки. В 1964 году Гелл-Манн и Цвейг научили нас смешивать три кварка, чтобы получать барион. Протон – это два верхних и один нижний кварк; нейтрон – два нижних и один верхний. Возьмите один кварк и один антикварк – получите мезон. Пион – это верхний или нижний кварк, связанный с верхним или нижним антикварком. Все вещество, с которым мы имеем дело, состоит из верхних и нижних кварков, антикварков и электронов.
Простота. Хоть и не совсем простота, потому что удерживать кварки связанными нелегко. Они соединяются между собой так плотно, что вы никогда не найдете кварка или антикварка, блуждающего самого по себе. Теория этой связи и частицы, которые принимают в ней участие, а именно глюоны, называется квантовой хромодинамикой. Это важная часть Стандартной модели, математически сложная, а местами даже нерешаемая для базовой математики. Физики делают все возможное, чтобы производить вычисления, но иногда математический аппарат оказывается недостаточно разработан.
Еще один аспект Стандартной модели – «модель лептонов». Это название важнейшей статьи 1967 года, написанной Стивеном Вайнбергом, которая объединила квантовую механику с важнейшими знаниями о том, как взаимодействуют частицы, и организовала их в единую теорию. Он включил электромагнетизм, связал его со «слабой силой», которая приводит к определенным радиоактивным распадам, и объяснил, что это разные проявления одной и той же силы. В эту модель был включен механизм Хиггса, дающий массу фундаментальным частицам.
С тех пор Стандартная модель предсказывала результаты экспериментов за результатами, включая открытие нескольких разновидностей кварков и W- и Z-бозонов – тяжелых частиц, которые в слабых взаимодействиях выполняют ту же роль, что фотон в электромагнетизме. Вероятность того, что нейтрино обладают массой, упустили в 1960-х годах, но подтвердили Стандартной моделью в 1990-х годах, через несколько десятилетий.
Обнаружение бозона Хиггса в 2012 году, давно предсказанного Стандартной моделью и долгожданного, не стало, тем не менее, неожиданностью. Зато стало еще одной важной победой Стандартной модели над темными силами, которые физики частиц регулярно ждут на горизонте. Физикам не нравится, что Стандартная модель не соответствует их представлениям о простой, они обеспокоены ее математической непоследовательностью, а также ищут возможность включить гравитацию в уравнение. Очевидно, это выливается в разные теории физики, которая может быть после Стандартной модели. Так появились теории великого объединения, суперсимметрии, техноколор и теория струн.
К сожалению, теории за пределами Стандартной модели не нашли успешных экспериментальных подтверждений и серьезных брешей в Стандартной модели. Спустя пятьдесят лет именно Стандартная модель ближе всех к статусу теории всего. Удивительная теория почти всего.
Что представляет собой структура Стандартной модели? Какими свойствами обладают частицы, входящие в Стандартную модель? Возможно ли существование четвертого поколения элементарных частиц? На эти и другие вопросы отвечает доктор физико-математических наук Дмитрий Казаков.
Последняя треть XX века ознаменовалась тем, что была создана, подтверждена экспериментально, принята и увенчана Нобелевской премией Стандартная модель фундаментальных взаимодействий. Что это такое?
Прежде всего, это модель, которая описывает фундаментальные частицы материи и все их взаимодействия. Модель эта является моделью квантовой теории поля и формулируется как лагранжева квантовая теория поля. Это теория, которая описывается как квантовая механика полей, квантами которых являются элементарные частицы, и включает в себя все фундаментальные частицы материи. Таких частиц не так уж много - это шесть кварков и шесть лептонов. Они участвуют в трех видах : сильном, слабом и электромагнитном. Гравитационное взаимодействие в данном случае мы игнорируем в силу его малости, и оно не входит в Стандартную модель. Итак, три вида взаимодействий и шесть типов частиц.
У Стандартной модели есть структура, эта структура обычно связывается с группами симметрии. Три вида взаимодействий - три группы симметрии. Все эти группы относятся к одному и тому же классу - это так называемые унитарные группы. Электромагнитные взаимодействия описываются группой симметрии SU (1), унитарные группы с одним параметром, и, соответственно, одна частица-переносчик электромагнитных взаимодействий - это фотон. У слабых взаимодействий группа симметрии SU (2), здесь уже есть три параметра, и, соответственно, есть три частицы-переносчика слабых взаимодействий - это W- и Z-бозоны. Сильные взаимодействия описываются группой SU (3), здесь уже восемь параметров и, соответственно, восемь полей-переносчиков взаимодействий - их называют глюонами. Это что касается переносчиков взаимодействий.
Сами частицы материи тоже относятся к представлениям групп симметрии. С точки зрения группы сильных взаимодействий - а в них участвуют только кварки - кварки выступают в Стандартной модели в виде триплетов, то есть они имеют квантовые числа, приобретающие три значения, часто это называют словом «цвет»: синий, красный, зеленый. В слабых взаимодействиях все частицы выступают в виде дублетов - это низшее представление группы симметрии слабых взаимодействий. У нас существуют верхние и нижние кварки, электрон и нейтрино - вот примеры двух дублетов.
Интересно, что кварки и лептоны повторяют друг друга, это называется поколениями. Есть первое поколение, второе поколение и третье поколение Стандартной модели. Вообще говоря, не очень понятно, почему природа выбрала три поколения. Есть первое поколение частиц, из которых состоит весь наблюдаемый мир, есть копия - второе поколение, и есть третья копия - это третье поколение. В Стандартную модель входят . Эти частицы являются фундаментальными в том смысле, что мы не видим никакой структуры в этих частицах.
Вообще-то говоря, абсолютного утверждения сделать нельзя, поскольку раньше протон тоже казался частицей без структуры, а потом эта структура была обнаружена. Поэтому нельзя сказать, что те частицы, которые мы сейчас считаем бесструктурными, являются такими всегда.
Возможно, в будущем что-то нам приоткроется, что сейчас не известно. Но на сегодняшний день те частицы, которые составляют Стандартную модель, являются бесструктурными точечными частицами - это кварки и лептоны, они представляются как точечные частицы Стандартной модели. Если мы хотим описать какой-то процесс, происходящий в природе, - как правило, в нем участвуют не сами кварки, а частицы, составленные из кварков, то есть адроны. Лептоны же - электрон, мюон, таон - по-прежнему наблюдаются в виде свободных или взаимодействующих частиц в природе. Поэтому процессы, которые описываются с лептонами, непосредственно описываются Стандартной моделью, с адронами - опосредованно.
Так или иначе, любые взаимодействия и любые превращения, которые мы наблюдаем в природе как на малых, так и на больших расстояниях, описываются Стандартной моделью.
В этом смысле Стандартная модель венчает собой все здание физики элементарных частиц и в некоем смысле все здание фундаментальной физики, поскольку описывает самые фундаментальные законы природы, которые известны на сегодняшний день.
Какими же свойствами обладают частицы, входящие в Стандартную модель? Прежде всего, мы привыкли описывать квантовый мир с помощью так называемых квантовых чисел. Примером квантового числа является электрический заряд. Электрический заряд - это характеристика частицы, которая нам понятна. Частицы бывают положительно заряженные, отрицательно заряженные, вовсе не заряженные, и электрический заряд - это на самом деле квантовое число, которое сохраняется в природе. Сохранение электрического заряда в Стандартной модели описывается соответствующей группой симметрии, из теории симметрии следует сохранение электрического заряда.
Но это не единственная характеристика частиц, поскольку, как известно, в Стандартной модели есть три группы симметрии. Сильные взаимодействия описывают цветные объекты. Цвет, конечно, понятие условное, просто квантовое число, которое приобретает три значения, удобно обозначать для наглядности цветом. Так вот, цветной заряд тоже обладает группой симметрии и тоже сохраняющаяся величина, цветной заряд кварков сохраняется. В слабых взаимодействиях есть свой заряд, его называют левым из-за спина - немножко сложное название, имеющее историческую причину, но это тоже характеристика слабых взаимодействий, это тоже заряд, который сохраняется. Таким образом, все частицы имеют квантовые числа, квантовые заряды, которые сохраняются, как следует из симметрии Стандартной модели.
В Стандартной модели есть свойства, которые на первый взгляд не очень понятны. Например, когда мы говорим о кварках, мы говорим, что кварки нельзя наблюдать в свободном состоянии. То есть мы настолько уверены, что кварки существуют внутри адронов, что тот факт, что мы их не можем напрямую наблюдать, нам не кажется уже странным. Но свойства, которыми обладают эти частицы, очень хорошо проявляются на эксперименте, и поэтому на эксперименте мы подтверждаем все свойства Стандартной модели.
Есть характеристики, которые неочевидны. Например, Стандартная модель описывает массы частиц и переходы одного сорта частиц в другие, при этом сохраняя нужные симметрии. Интересный пример слабого взаимодействия, в котором происходит нарушение ряда симметрий, в частности нарушение пространственной четности или нарушение зарядового сопряжения, когда частицы заменяются на античастицы.
Что еще входит в Стандартную модель? Помимо кварков и лептонов в Стандартную модель входит хиггсовский бозон. возник в теории по той причине, что понадобилось найти механизм, который дал бы массу всем частицам Стандартной модели. Это было достигнуто путем спонтанного обнаружения симметрии, путем введения в теорию дополнительного скалярного поля, то есть обладающего спином ноль, который получил название хиггсовский бозон.
Тем самым полный состав полей Стандартной модели состоит из шести кварков, шести лептонов, одного хиггсовского бозона и переносчиков всех трех видов взаимодействий. Все эти частицы экспериментально открыты. Последней открытой частицей был хиггсовский бозон - он был открыт в 2012 году. Все остальные были открыты еще в XX веке, последним было открыто нейтрино, которое называется таонное нейтрино, третье нейтрино, и оно было открыто в 2000 году. Тем самым XX век завершил Стандартную модель за исключением хиггсовского бозона, и все частицы экспериментально подтверждены.
Возникает вопрос: заканчивается ли на этом история или, может быть, есть еще какие-то частицы, которые не вошли пока в Стандартную модель, но должны будут туда войти? Или, может быть, существует что-то совсем другое, что не описывается Стандартной моделью? На все эти вопросы есть различные ответы, истину мы пока не знаем.
Прежде всего, если говорить о новых частицах типа новых кварков и новых лептонов, которые еще не открыты, как я уже сказал, в Стандартной модели есть три поколения этих частиц. Спрашивается: есть ли четвертое поколение? Экспериментально четвертого поколения не видно. Более того, есть косвенные данные, связанные как с экспериментами физики частиц, так и в космологии, что, возможно, четвертого поколения и нет. Дело в том, что в Стандартной модели есть так называемая : сколько кварков, столько и лептонов. А вот на лептоны (точнее говоря, на нейтрино) , что количество независимых полей нейтрино равно трем. Там есть небольшая лазейка для четвертого, но, по всей вероятности, она тоже скоро будет закрыта.
Если число нейтрино равно трем и есть кварк-лептонная симметрия, то и число поколений всех остальных частиц равно трем, и тем самым мы завершаем Стандартную модель.
Хиггсовский бозон только один. Может ли их быть два, или четыре, или больше? Ответ такой же: возможно. Возможно, существуют другие хиггсовские бозоны, возможно, мы открыли пока только один. Но теория разрешает присутствие большого количества хиггсовских бозонов. Есть ли они или нет - это вопрос к эксперименту. В этом смысле может так оказаться, что Стандартная модель еще не завершена, еще будут открыты новые частицы. Но, может быть, и нет - одного бозона достаточно, чтобы дать массу всем частицам.
Новые взаимодействия - мы говорили о трех видах взаимодействий, которые входят в Стандартную модель, все они реализуются как обмен переносчиками, калибровочными полями со спином единица. В некотором смысле и хиггсовский бозон может рассматриваться как переносчик четвертого взаимодействия, когда он выступает как переносчик взаимодействия со спином ноль. Но есть ли еще? Нет ли каких-то новых взаимодействий или каких-то новых групп симметрии, более широких, чем Стандартная модель? Не входит ли Стандартная модель как составная часть в какую-то более общую теорию? Этот вопрос тоже открыт. Не исключено, что это так, не исключено, что она входит в более общую теорию, но этого пока не видно.
Надо сказать, что, когда мы говорим о том, что Стандартная модель триумфально завершилась, мы говорим о том, что все без исключения эксперименты, которые ставятся на ускорителях, в подземной физике, в космосе, - все они блестяще, совершенно с завидной точностью, с точностью иногда до десяти десятитысячных знаков, описываются Стандартной моделью. В этом смысле это совершенно уникальная модель, которая позволяет описать огромную часть неживой природы с помощью очень простых универсальных математических формул.
Стандартная модель элементарных частиц считается крупнейшим достижением физики второй половины XX века. Но что лежит за ее пределами?
Стандартная модель (СМ) элементарных частиц, базирующаяся на калибровочной симметрии , — великолепное творение Мюррея Гелл-Манна, Шелдона Глэшоу, Стивена Вайнберга, Абдуса Салама и целой плеяды блестящих ученых. СМ прекрасно описывает взаимодействия между кварками и лептонами на дистанциях порядка 10−17 м (1% диаметра протона), которые можно изучать на современных ускорителях. Однако она начинает буксовать уже на расстояниях в 10−18 м и тем более не обеспечивает продвижения к заветному планковскому масштабу в 10−35 м.
Считается, что именно там все фундаментальные взаимодействия сливаются в квантовом единстве. На смену СМ когда-нибудь придет более полная теория, которая, скорее всего, тоже не станет последней и окончательной. Ученые пытаются найти замену Стандартной модели. Многие считают, что новая теория будет построена путем расширения списка симметрий, образующих фундамент СМ. Один из наиболее перспективных подходов к решению этой задачи был заложен не только вне связи с проблемами СМ, но даже до ее создания.
Частицы, подчиняющиеся статистике Ферми-Дирака (фермионы с полуцелым спином) и Бозе-Эйнштейна (бозоны с целым спином). В энергетическом колодце все бозоны могут занимать один и тот же нижний энергетический уровень, образуя конденсат Бозе-Эйнштейна. Фермионы же подчиняются принципу запрета Паули, и поэтому две частицы с одинаковыми квантовыми числами (в частности, однонаправленными спинами) не могут занимать один и тот же энергетический уровень.
Смесь противоположностей
В конце 1960-х старший научный сотрудник теоротдела ФИАН Юрий Гольфанд предложил своему аспиранту Евгению Лихтману обобщить математический аппарат, применяемый для описания симметрий четырехмерного пространства-времени специальной теории относительности (пространства Минковского).
Лихтман обнаружил, что эти симметрии можно объединить с внутренними симметриями квантовых полей с ненулевыми спинами. При этом образуются семейства (мультиплеты), объединяющие частицы с одинаковой массой, обладающие целым и полуцелым спином (иначе говоря, бозоны и фермионы). Это было и новым, и непонятным, поскольку те и другие подчиняются разным типам квантовой статистики. Бозоны могут накапливаться в одном и том же состоянии, а фермионы следуют принципу Паули, строго запрещающему даже парные союзы этого рода. Поэтому возникновение бозонно-фермионных мультиплетов выглядело математической экзотикой, не имеющей отношения к реальной физике. Так это и было воспринято в ФИАН. Позже в своих «Воспоминаниях» Андрей Сахаров назвал объединение бозонов и фермионов великой идеей, однако в то время она не показалась ему интересной.
За пределами стандарта
Где же пролегают границы СМ? «Стандартная модель согласуется почти со всеми данными, полученными на ускорителях высоких энергий. — объясняет ведущий научный сотрудник Института ядерных исследований РАН Сергей Троицкий. — Однако в ее рамки не вполне укладываются результаты экспериментов, свидетельствующие о наличии массы у двух типов нейтрино, а возможно, что и у всех трех. Этот факт означает, что СМ нуждается в расширении, а в каком именно, никто толком не знает. На неполноту СМ указывают и астрофизические данные. Темная материя, а на нее приходится более пятой части массы Вселенной, состоит из тяжелых частиц, которые никак не вписываются в СМ. Кстати, эту материю точнее было бы называть не темной, а прозрачной, поскольку она не только не излучает света, но и не поглощает его. Кроме того, СМ не объясняет почти полного отсутствия антивещества в наблюдаемой Вселенной».
Есть также возражения эстетического порядка. Как отмечает Сергей Троицкий, СМ устроена весьма некрасиво. Она содержит 19 численных параметров, которые определяются экспериментом и, с точки зрения здравого смысла, принимают весьма экзотические значения. Например, вакуумное среднее поля Хиггса, несущее ответственность за массы элементарных частиц, равно 240 ГэВ. Непонятно, почему этот параметр в 1017 раз меньше параметра, определяющего гравитационное взаимодействие. Хотелось бы иметь более полную теорию, которая даст возможность определить это отношение из каких-то общих принципов.
СМ не объясняет и огромной разницы между массами самых легких кварков, из которых сложены протоны и нейтроны, и массой top-кварка, превышающей 170 ГэВ (во всем остальном он ничем не отличается от u-кварка, который почти в 10 тысяч раз легче). Откуда берутся вроде бы одинаковые частицы со столь различными массами, пока непонятно.
Лихтман в 1971 году защитил диссертацию, а потом ушел в ВИНИТИ и почти забросил теорфизику. Гольфанда уволили из ФИАН по сокращению штатов, и он долго не мог найти работы. Однако сотрудники Украинского физико-технического института Дмитрий Волков и Владимир Акулов тоже открыли симметрию между бозонами и фермионами и даже воспользовались ею для описания нейтрино. Правда, никаких лавров ни москвичи, ни харьковчане тогда не обрели. Лишь в 1989 году Гольфанд и Лихтман получили премию АН СССР по теоретической физике имени И.Е. Тамма. В 2009 году Владимир Акулов (сейчас он преподает физику в Техническом колледже Городского университета Нью-Йорка) и Дмитрий Волков (посмертно) удостоились Национальной премии Украины за научные исследования.
Элементарные частицы Стандартной модели делятся на бозоны и фермионы по типу статистики. Составные частицы — адроны — могут подчиняться либо статистике Бозе-Эйнштейна (к таким относятся мезоны — каоны, пионы), либо статистике Ферми-Дирака (барионы — протоны, нейтроны).
Рождение суперсимметрии
На Западе смеси бозонных и фермионных состояний впервые появились в зарождающейся теории, представляющей элементарные частицы не точечными объектами, а вибрациями одномерных квантовых струн.
В 1971 году была построена модель, в которой с каждой вибрацией бозонного типа сочеталась парная ей фермионная вибрация. Правда, эта модель работала не в четырехмерном пространстве Минковского, а в двумерном пространстве-времени струнных теорий. Однако уже в 1973 году австриец Юлиус Весс и итальянец Бруно Зумино доложили в ЦЕРН (а годом позже опубликовали статью) о четырехмерной суперсимметричной модели с одним бозоном и одним фермионом. Она не претендовала на описание элементарных частиц, но демонстрировала возможности суперсимметрии на наглядном и чрезвычайно физичном примере. Вскоре эти же ученые доказали, что обнаруженная ими симметрия является расширенной версией симметрии Гольфанда и Лихтмана. Вот и получилось, что в течение трех лет суперсимметрию в пространстве Минковского независимо друг от друга открыли три пары физиков.
Результаты Весса и Зумино подтолкнули разработку теорий с бозонно-фермионными смесями. Поскольку эти теории связывают калибровочные симметрии с симметриями пространства-времени, их назвали суперкалибровочными, а потом суперсимметричными. Они предсказывают существование множества частиц, ни одна из которых еще не открыта. Так что суперсимметричность реального мира все еще остается гипотетической. Но даже если она и существует, то не может быть строгой, иначе электроны обладали бы заряженными бозонными родичами с точно такой же массой, которых легко можно было бы обнаружить. Остается предположить, что суперсимметричные партнеры известных частиц чрезвычайно массивны, а это возможно лишь при нарушении суперсимметрии.
Суперсимметричная идеология вошла в силу в середине 1970-х годов, когда уже существовала Стандартная модель. Естественно, что физики принялись строить ее суперсимметричные расширения, иными словами, вводить в нее симметрии между бозонами и фермионами. Первая реалистичная версия суперсимметричной СМ, получившая название минимальной (Minimal Supersymmetric Standard Model, MSSM), была предложена Говардом Джорджи и Савасом Димопулосом в 1981 году. Фактически это та же Стандартная модель со всеми ее симметриями, но к каждой частице добавлен партнер, чей спин отличается от ее спина на ½, — бозон к фермиону и фермион к бозону.
Поэтому все взаимодействия СМ остаются на месте, но обогащаются взаимодействиями новых частиц со старыми и друг с другом. Позднее возникли и более сложные суперсимметричные версии СМ. Все они сопоставляют уже известным частицам тех же партнеров, но различным образом объясняют нарушения суперсимметрии.
Частицы и суперчастицы
Названия суперпартнеров фермионов строятся с помощью приставки «с» — сэлектрон, смюон, скварк. Суперпартнеры бозонов обзаводятся окончанием «ино»: фотон — фотино, глюон — глюино, Z-бозон — зино, W-бозон — вино, бозон Хиггса — хиггсино.
Спин суперпартнера любой частицы (за исключением бозона Хиггса) всегда на ½ меньше ее собственного спина. Следовательно, партнеры электрона, кварков и прочих фермионов (а также, естественно, и их античастиц) имеют нулевой спин, а партнеры фотона и векторных бозонов с единичным спином — половинный. Это связано с тем, что количество состояний частицы тем больше, чем больше ее спин. Поэтому замена вычитания на сложение привела бы к появлению избыточных суперпартнеров.
Слева — Стандартная модель (СМ) элементарных частиц: фермионы (кварки, лептоны) и бозоны (переносчики взаимодействий). Справа — их суперпартнеры в Минимальной суперсимметричной стандартной модели, MSSM: бозоны (скварки, слептоны) и фермионы (суперпартнеры переносчиков взаимодействий). Пять бозонов Хиггса (на схеме обозначены одним синим символом) также имеют своих суперпартнеров — пятерку хиггсино.
Возьмем для примера электрон. Он может находиться в двух состояниях — в одном его спин направлен параллельно импульсу, в другом — антипараллельно. С точки зрения СМ это разные частицы, поскольку они не вполне одинаково участвуют в слабых взаимодействиях. Частица с единичным спином и ненулевой массой может пребывать в трех различных состояниях (как говорят физики, имеет три степени свободы) и потому не годится в партнеры электрону. Единственным выходом будет приписать каждому из состояний электрона по одному суперпартнеру с нулевым спином и считать эти сэлектроны различными частицами.
Суперпартнеры бозонов Стандартной модели возникают несколько хитрее. Поскольку масса фотона равна нулю, то и при единичном спине он имеет не три, а две степени свободы. Поэтому ему без проблем сопоставляется фотино, суперпартнер с половинным спином, который, как и электрон, обладает двумя степенями свободы. По этой же схеме возникают глюино. С хиггсами ситуация посложнее. В MSSM есть два дублета хиггсовских бозонов, которым соответствует четверка суперпартнеров — два нейтральных и два разноименно заряженных хиггсино. Нейтралы смешиваются разными способами с фотино и зино и образуют четверку физически наблюдаемых частиц с общим именем нейтралино. Подобные же смеси со странным для русского уха названием чарджино (по-английски — chargino) образуют суперпартнеры положительного и отрицательного W-бозонов и пары заряженных хиггсов.
Своей спецификой обладает и ситуация с суперпартнерами нейтрино. Если бы эта частица не имела массы, ее спин всегда был бы направлен противоположно импульсу. Поэтому у безмассового нейтрино можно было бы ожидать наличие единственного скалярного партнера. Однако реальные нейтрино все же не безмассовы. Не исключено, что существуют также нейтрино с параллельными импульсами и спинами, но они очень тяжелы и еще не обнаружены. Если это действительно так, то каждой разновидности нейтрино соответствует свой суперпартнер.
Как говорит профессор физики Мичиганского университета Гордон Кейн, самый универсальный механизм нарушения суперсимметрии связан с тяготением.
Однако величина его вклада в массы суперчастиц еще не выяснена, а оценки теоретиков противоречивы. Кроме того, он вряд ли является единственным. Так, Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model, NMSSM, вводит еще два хиггсовских бозона, вносящих свои добавки в массу суперчастиц (а также увеличивает число нейтралино с четырех до пяти). Такая ситуация, отмечает Кейн, резко умножает число параметров, заложенных в суперсимметричные теории.
Даже минимальное расширение Стандартной модели требует около сотни дополнительных параметров. Этому не стоит удивляться, поскольку все эти теории вводят множество новых частиц. По мере появления более полных и согласованных моделей число параметров должно уменьшиться. Как только детекторы Большого адронного коллайдера отловят суперчастицы, новые модели не заставят себя ждать.
Иерархия частиц
Суперсимметричные теории позволяют устранить ряд слабых мест Стандартной модели. Профессор Кейн на первое место ставит загадку, связанную с бозоном Хиггса, которую называют проблемой иерархии .
Эта частица приобретает массу в ходе взаимодействия с лептонами и кварками (подобно тому, как они сами обретают массы при взаимодействии с хиггсовским полем). В СМ вклады от этих частиц представлены расходящимися рядами с бесконечными суммами. Правда, вклады бозонов и фермионов имеют разные знаки и в принципе могут почти полностью погасить друг друга. Однако такое погашение должно быть практически идеальным, поскольку масса хиггса, как теперь известно, равна лишь 125 ГэВ. Это не невозможно, но крайне маловероятно.
Для суперсимметричных теорий в этом нет ничего страшного. При точной суперсимметрии вклады обычных частиц и их суперпартнеров должны полностью компенсировать друг друга. Поскольку суперсимметрия нарушена, компенсация оказывается неполной, и бозон Хиггса обретает конечную и, главное, вычисляемую массу. Если массы суперпартнеров не слишком велики, она должна измеряться одной-двумя сотнями ГэВ, что и соответствует действительности. Как подчеркивает Кейн, физики стали серьезно относиться к суперсимметрии именно тогда, когда было показано, что она решает проблему иерархии.
На этом возможности суперсимметрии не заканчиваются. Из СМ вытекает, что в области очень высоких энергий сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия хотя и обладают примерно одинаковой силой, но никогда не объединяются. А в суперсимметричных моделях при энергиях порядка 1016 ГэВ такое объединение имеет место, и это выглядит намного естественней. Эти модели предлагают также и решение проблемы темной материи. Суперчастицы при распадах порождают как суперчастицы, так и обычные частицы — естественно, меньшей массы. Однако суперсимметрия, в отличие от СМ, допускает быстрый распад протона, которого, на наше счастье, реально не происходит.
Протон, а вместе с ним и весь окружающий мир можно спасти, предположив, что в процессах с участием суперчастиц сохраняется квантовое число R-четности, которое для обычных частиц равно единице, а для суперпартнеров — минус единице. В таком случае самая легкая суперчастица должна быть полностью стабильной (и электрически нейтральной). Распасться на суперчастицы она не может по определению, а сохранение R-четности запрещает ей распадаться на частицы. Темная материи может состоять именно из таких частиц, возникших сразу вслед за Большим взрывом и избежавших взаимной аннигиляции.
В ожидании экспериментов
«Незадолго до открытия бозона Хиггса на основе М-теории (наиболее продвинутой версии теории струн) его массу предсказали с ошибкой всего в два процента! — говорит профессор Кейн. — Были также вычислены массы сэлектронов, смюонов и скварков, которые оказались слишком велики для современных ускорителей — порядка нескольких десятков ТэВ. Суперпартнеры фотона, глюона и прочих калибровочных бозонов намного легче, и поэтому есть шансы их обнаружить на БАК».
Конечно, правильность этих вычислений ничем не гарантирована: М-теория — дело тонкое. И все же, можно ли обнаружить на ускорителях следы суперчастиц? «Массивные суперчастицы должны распадаться сразу после рождения. Эти распады происходят на фоне распадов обычных частиц, и однозначно выделить их очень непросто, — объясняет главный научный сотрудник Лаборатории теоретической физики ОИЯИ в Дубне Дмитрий Казаков. — Было бы идеально, если бы суперчастицы проявляли себя уникальным образом, который невозможно спутать ни с чем другим, но теория этого не предсказывает.
Приходится анализировать множество различных процессов и искать среди них те, которые не вполне объясняются Стандартной моделью. Эти поиски пока не увенчались успехом, но у нас уже есть ограничения на массы суперпартнеров. Те из них, которые участвуют в сильных взаимодействиях, должны тянуть как минимум на 1 ТэВ, в то время как массы прочих суперчастиц могут варьировать между десятками и сотнями ГэВ.
В ноябре 2012 года на симпозиуме в Киото были доложены результаты экспериментов на БАК, в ходе которых впервые удалось надежно зарегистрировать очень редкий распад Bs-мезона на мюон и антимюон. Его вероятность составляет приблизительно три миллиардных, что хорошо соответствует предсказаниям СМ. Поскольку ожидаемая вероятность этого распада, вычисленная на основе MSSM, может оказаться в несколько раз большей, кое-кто решил, что с суперсимметрией покончено.
Однако эта вероятность зависит от нескольких неизвестных параметров, которые могут давать как большой, так и малый вклад в конечный результат, здесь еще много неясного. Поэтому ничего страшного не произошло, и слухи о кончине MSSM сильно преувеличены. Но из этого вовсе не следует, что она неуязвима. БАК пока не работает на полную мощность, он выйдет на нее лишь через два года, когда энергию протонов доведут до 14 ТэВ. И вот если тогда не найдется никаких проявлений суперчастиц, то MSSM, скорее всего, умрет естественной смертью и настанет время новых суперсимметричных моделей.
Числа Грассмана и супергравитация
Еще до создания MSSM суперсимметрию объединили с гравитацией. Неоднократное применение преобразований, связывающих бозоны и фермионы, перемещает частицу в пространстве-времени. Это позволяет связать суперсимметрии и деформации пространственно-временной метрики, которые, согласно общей теории относительности, и есть причина тяготения. Когда физики это поняли, они начали строить суперсимметричные обобщения ОТО, которые называются супергравитацией. Эта область теоретической физики активно развивается и сейчас.
Тогда же выяснилось, что суперсимметричным теориям необходимы экзотические числа, придуманные в XIX столетии немецким математиком Германом Гюнтером Грассманом. Их можно складывать и вычитать как обычные, но произведение таких чисел изменяет знак при перестановке сомножителей (поэтому квадрат и вообще любая целая степень грассманова числа равна нулю). Естественно, что функции от таких чисел нельзя дифференцировать и интегрировать по стандартным правилам математического анализа, нужны совершенно другие приемы. И они, к счастью для суперсимметричных теорий, уже были найдены. Их придумал в 1960-е годы выдающийся советский математик из МГУ Феликс Березин, который создал новое направление — суперматематику.
Однако есть и другая стратегия, не связанная с БАК. Пока в ЦЕРН работал электронно-позитронный коллайдер LEP, на нем искали наиболее легкие из заряженных суперчастиц, чьи распады должны порождать наилегчайших суперпартнеров. Эти частицы-предшественники легче зарегистрировать, поскольку они заряжены, а легчайший суперпартнер нейтрален. Эксперименты на LEP показали, что масса таких частиц не превышает 104 ГэВ. Это не так уж много, но их трудно обнаружить на БАК из-за высокого фона. Поэтому сейчас началось движение за постройку для их поиска сверхмощного электрон-позитронного коллайдера. Но это очень дорогая машина, в скором времени ее уж точно не построят».
Закрытия и открытия
Однако, как считает профессор теоретической физики Университета Миннесоты Михаил Шифман, измеренная масса бозона Хиггса слишком велика для MSSM, и эта модель, скорее всего, уже закрыта:
«Правда, ее пытаются спасти с помощью различных надстроек, но они столь неизящны, что имеют малые шансы на успех. Возможно, что другие расширения сработают, но когда и как, пока неизвестно. Но этот вопрос выходит за рамки чистой науки. Нынешнее финансирование физики высоких энергий держится на надежде обнаружить на БАК что-то действительно новое. Если этого не произойдет, финансирование урежут, и денег не хватит для строительства ускорителей нового поколения, без которых эта наука не сможет реально развиваться». Так что суперсимметричные теории по‑прежнему подают надежды, но ждут не дождутся вердикта экспериментаторов.
