Стандартная модель - Standard Model

Эта статья о нематематическом общем обзоре Стандартной модели физики элементарных частиц. Для математического описания см. Математическая формулировка Стандартной модели. Для использования в других целях см. Стандартная модель (значения).

В Стандартная модель из физика элементарных частиц теория, описывающая три из четырех известных фундаментальные силы (в электромагнитный, слабый, и сильный взаимодействия, за исключением сила гравитации ) в вселенная, а также классифицируя все известные элементарные частицы. Он был разработан поэтапно на протяжении второй половины 20 века благодаря работе многих ученых со всего мира.^[1] нынешняя формулировка была окончательно доработана в середине 1970-х годов после экспериментальное подтверждение о существовании кварки. С тех пор подтверждение верхний кварк (1995), тау-нейтрино (2000), а бозон Хиггса (2012) добавили доверия к Стандартной модели. Кроме того, Стандартная модель предсказала различные свойства слабые нейтральные токи и W- и Z-бозоны с большой точностью.

Хотя Стандартная модель теоретически считается самосогласованной^[2] и продемонстрировал огромные успехи в предоставлении экспериментальные предсказания, это оставляет некоторые необъяснимые явления и не может быть полная теория фундаментальных взаимодействий. Это не полностью объясняет барионная асимметрия, включить полную теория гравитации^[3] как описано общая теория относительности, или учитывать ускоряющееся расширение Вселенной как возможно описано темная энергия. Модель не содержит жизнеспособных темная материя частица, обладающая всеми необходимыми свойствами, полученными в результате наблюдений. космология. Он также не включает осцилляции нейтрино и их ненулевые массы.

Разработка Стандартной модели была вызвана теоретический и экспериментальный и физики элементарных частиц. Для теоретиков Стандартная модель - это парадигма квантовая теория поля, который демонстрирует широкий спектр явлений, включая спонтанное нарушение симметрии, аномалии и непертурбативное поведение. Он используется как основа для создания более экзотических моделей, включающих гипотетические частицы, дополнительные размеры и сложные симметрии (например, суперсимметрия ) в попытке объяснить экспериментальные результаты, расходящиеся со Стандартной моделью, такие как существование темной материи и осцилляций нейтрино.

Историческое прошлое

Смотрите также: История квантовой теории поля и История субатомной физики

В 1954 г. Чен Нин Ян и Роберт Миллс расширил концепцию калибровочная теория за абелевы группы, например квантовая электродинамика, чтобы неабелевы группы чтобы дать объяснение сильные взаимодействия.^[4]В 1961 г. Шелдон Глэшоу объединил электромагнитный и слабые взаимодействия.^[5] В 1967 г. Стивен Вайнберг^[6] и Абдус Салам^[7] включены Механизм Хиггса^[8][9][10] в Глэшоу электрослабое взаимодействие, придав ему современный вид.

Считается, что механизм Хиггса вызывает массы из всех элементарные частицы в Стандартной модели. Это включает в себя массы W- и Z-бозоны, и массы фермионы, т.е. кварки и лептоны.

После нейтральные слабые токи вызванный Z-бозон обмен были обнаружены в ЦЕРН в 1973 г.,^{[11][12][13][14]} теория электрослабого взаимодействия получила широкое признание, и Глэшоу, Салам и Вайнберг разделили концепцию 1979 г. Нобелевская премия по физике для открытия. W^± и Z⁰ бозоны были обнаружены экспериментально в 1983 г .; и соотношение их масс оказалось таким, как предсказывала Стандартная модель.^[15]

Теория сильное взаимодействие (т.е. квантовая хромодинамика, QCD), в которую многие внесли свой вклад, приобрела свою современную форму в 1973–74 гг., Когда асимптотическая свобода было предложено^[16][17] (разработка, которая сделала КХД основным направлением теоретических исследований)^[18] и эксперименты подтвердили, что адроны состояли из дробно заряженных кварков.^[19][20]

Термин «Стандартная модель» впервые был введен Авраам Паис и Сэм Трейман в 1975 г.^[21] применительно к электрослабой теории с четырьмя кварками.^[22]

Обзор

В настоящий момент, иметь значение и энергия лучше всего понимаются с точки зрения кинематика и взаимодействия элементарных частиц. На сегодняшний день физика уменьшила законы управляет поведением и взаимодействием всех известных форм материи и энергии с помощью небольшого набора фундаментальных законов и теорий. Основная цель физики - найти «общую основу», которая объединила бы все эти теории в одну интегрированную теория всего, из которых все другие известные законы были бы частными случаями и из которых можно было бы вывести поведение всей материи и энергии (по крайней мере, в принципе).^[23]

Содержание частиц

Стандартная модель включает элементы нескольких классов элементарных частиц, которые, в свою очередь, могут отличаться другими характеристиками, такими как цветной заряд.

Все частицы можно резюмировать следующим образом:

Элементарные частицы

Элементарные фермионыПолуцелое число вращениеПодчиняться Статистика Ферми – Дирака

Элементарные бозоныЦелое число вращениеПодчиняться Статистика Бозе – Эйнштейна

Кварки и антикваркиВращение = 1/2Иметь цветной зарядУчаствовать в сильные взаимодействия

Лептоны и антилептоныВращение = 1/2Нет заряда цветаЭлектрослабый взаимодействия

Калибровочные бозоныВращение = 1Носители силы

Скалярные бозоныВращение = 0

Три поколения Вверх (u),     Вниз (г) Очарование (с),     Странный (s) Вершина (т),     Нижний (б)

Три поколения Электрон ( е^− ), [†]     Электронное нейтрино ( ν е) Мюон ( μ^− ),     Мюонное нейтрино ( ν μ) Тау ( τ^− ),     Тау нейтрино ( ν τ)

Четыре вида (четыре основных взаимодействия) Фотон ( γ , электромагнитное взаимодействие ) W- и Z-бозоны ( W^+ , W^− , Z , слабое взаимодействие ) Восемь видов глюоны ( грамм , сильное взаимодействие )

Уникальный бозон Хиггса ( ЧАС^0 )

Примечания:
[†] Антиэлектронный (
е⁺
) условно называется «позитрон ”.

Фермионы

Сводка взаимодействий между частицами, описываемых Стандартной моделью

Стандартная модель включает 12 элементарные частицы из вращение ​¹⁄₂, известный как фермионы. Согласно спин-статистическая теорема, фермионы уважают Принцип исключения Паули. Каждому фермиону соответствует античастица.

Расширенная разбивка взаимодействий частиц в Стандартной модели, если гипотетическая гравитон должны были быть включены.

Фермионы классифицируются по тому, как они взаимодействуют (или, что эквивалентно, по тому, что обвинения они несут). Шесть кварки (вверх, вниз, очарование, странный, верх, Нижний ) и шесть лептоны (электрон, электронное нейтрино, мюон, мюонное нейтрино, тау, тау-нейтрино ). Каждый класс разделен на пары частиц, которые демонстрируют схожее физическое поведение, называемое поколение (см. таблицу).

Определяющим свойством кварков является то, что они несут цветной заряд, и, следовательно, взаимодействуют через сильное взаимодействие. Феномен ограничение цвета приводит к тому, что кварки очень сильно связаны друг с другом, образуя композитные частицы нейтрального цвета, называемые адроны содержащие либо кварк, либо антикварк (мезоны ) или трех кварков (барионы ). Самые легкие барионы - это протон и нейтрон. Кварки также несут электрический заряд и слабый изоспин. Следовательно, они взаимодействуют с другими фермионами через электромагнетизм и слабое взаимодействие. Остальные шесть фермионов не несут цветной заряд и называются лептонами. Три нейтрино также не несут электрический заряд, поэтому на их движение напрямую влияет только слабая ядерная сила, что, как известно, затрудняет их обнаружение. Напротив, благодаря переносу электрического заряда электрон, мюон и тау взаимодействуют электромагнитно.

Каждый член поколения имеет большую массу, чем соответствующие частицы более низких поколений. Заряженные частицы первого поколения не распадаются, поэтому все обычные (барионный ) материя состоит из таких частиц. В частности, все атомы состоят из электронов, вращающихся вокруг атомные ядра, в конечном итоге состоящий из верхних и нижних кварков. С другой стороны, заряженные частицы второго и третьего поколений распадаются с очень коротким периодом полураспада и наблюдаются только в средах с очень высокой энергией. Нейтрино всех поколений также не распадаются и не проникают во Вселенную, но редко взаимодействуют с барионной материей.

Калибровочные бозоны

Вышеупомянутые взаимодействия составляют основу стандартной модели. Диаграммы Фейнмана в стандартной модели строятся из этих вершин. Модификации, связанные с взаимодействием бозона Хиггса и осцилляциями нейтрино, опускаются. Заряд W-бозонов определяется фермионами, с которыми они взаимодействуют; сопряжение каждой из перечисленных вершин (т. е. изменение направления стрелок на противоположное) также разрешено.

В стандартной модели калибровочные бозоны определены как силовые носители которые передают сильные, слабые и электромагнитные фундаментальные взаимодействия.

Взаимодействия в физике - это способы, которыми частицы влияют на другие частицы. На макроскопический уровень, электромагнетизм позволяет частицам взаимодействовать друг с другом через электрический и магнитный поля, а гравитация позволяет частицам с массой притягиваться друг к другу в соответствии с теорией Эйнштейна. общая теория относительности. Стандартная модель объясняет такие силы как результат частиц материи. обмен другими частицами, обычно называемый частицы, передающие силу. Когда происходит обмен частицей, опосредующей силу, эффект на макроскопическом уровне эквивалентен силе, действующей на них обоих, и поэтому говорят, что частица имеет опосредованный (т.е.был агентом) этой силы. В Диаграмма Фейнмана расчеты, которые представляют собой графическое представление теория возмущений приближение, вызывают "частицы, опосредующие силы", и когда применяется для анализа эксперименты по рассеянию высоких энергий находятся в разумном согласии с данными. Однако теория возмущений (а вместе с ней и концепция «частицы-посредника») не работает в других ситуациях. К ним относятся низкоэнергетические квантовая хромодинамика, связанные состояния, и солитоны.

Все калибровочные бозоны Стандартной модели имеют вращение (как и частицы материи). Величина вращения равна 1, что делает их бозоны. В результате они не следуют Принцип исключения Паули это сдерживает фермионы: таким образом, бозоны (например, фотоны) не имеют теоретического ограничения на их пространственная плотность (количество в объеме). Типы калибровочных бозонов описаны ниже.

• Фотоны передают электромагнитную силу между электрически заряженными частицами. Фотон безмассовый и хорошо описывается теорией квантовая электродинамика.
• В
  W⁺
  ,
  W⁻
  , и
  Z
  калибровочные бозоны опосредуют слабые взаимодействия между частицами разных ароматы (все кварки и лептоны). Они массивные, с
  Z
  быть более массивным, чем
  W^±
  . Слабые взаимодействия с участием
  W^±
  действовать только на левша частицы и правша античастицы. В
  W^±
  несет электрический заряд +1 и -1 и связывается с электромагнитным взаимодействием. Электрически нейтральный
  Z
  бозон взаимодействует как с левыми частицами, так и с античастицами. Эти три калибровочных бозона вместе с фотонами сгруппированы вместе, поскольку вместе опосредуют электрослабый взаимодействие.
• Восемь глюоны посредничать сильные взаимодействия между цвет заряжен частицы (кварки). Глюоны безмассовые. Восьмикратная множественность глюонов обозначается комбинацией цвета и антицветного заряда (например, красный-антизеленый).^{[примечание 1]} Поскольку глюоны имеют эффективный цветной заряд, они также могут взаимодействовать между собой. Глюоны и их взаимодействия описываются теорией квантовая хромодинамика.

Взаимодействия между всеми частицами, описываемыми Стандартной моделью, суммированы на диаграммах справа в этом разделе.

бозон Хиггса

Основная статья: бозон Хиггса

Частица Хиггса - массивная скаляр элементарная частица, теоретизированная Питер Хиггс в 1964 году, когда он показал, что теорема Голдстоуна 1962 года (общая непрерывная симметрия, которая спонтанно нарушается) обеспечивает третью поляризацию массивного векторного поля. Следовательно, исходный скалярный дублет Голдстоуна, массивная частица с нулевым спином, был предложен как бозон Хиггса, и является ключевым строительным блоком Стандартной модели.^{[8][9][10][24]} Он не имеет внутреннего вращение, и по этой причине классифицируется как бозон (как калибровочные бозоны, у которых целое число вращение).

Бозон Хиггса играет уникальную роль в Стандартной модели, объясняя, почему другие элементарные частицы, кроме фотон и глюон, массивны. В частности, бозон Хиггса объясняет, почему фотон не имеет массы, а W- и Z-бозоны очень тяжелые. Массы элементарных частиц и различия между электромагнетизм (через фотон) и слабая сила (опосредованные W- и Z-бозонами), имеют решающее значение для многих аспектов структуры микроскопической (и, следовательно, макроскопической) материи. В электрослабая теория, бозон Хиггса порождает массы лептонов (электрона, мюона и тау) и кварков. Поскольку бозон Хиггса массивен, он должен взаимодействовать сам с собой.

Поскольку бозон Хиггса - очень массивная частица и также почти сразу же распадается при создании, только очень высокоэнергетическая ускоритель частиц можете наблюдать и записывать это. Эксперименты по подтверждению и определению природы бозона Хиггса с использованием Большой адронный коллайдер (LHC) на ЦЕРН начались в начале 2010 г. и исполнялись в Фермилаб с Теватрон до закрытия в конце 2011 года. Математическая согласованность Стандартной модели требует, чтобы любой механизм, способный генерировать массы элементарных частиц, стал видимым.^{[требуется разъяснение ]} при энергиях выше 1.4 ТэВ;^[25] следовательно, LHC (предназначенный для столкновения двух 7 ТэВ пучки протонов) был построен, чтобы ответить на вопрос, существует ли на самом деле бозон Хиггса.^[26]

4 июля 2012 г. два эксперимента на LHC (АТЛАС и CMS ) оба независимо друг от друга сообщили, что они обнаружили новую частицу с массой около 125 ГэВ /c² (около 133 масс протонов, порядка 10×10⁻²⁵ кг), что «согласуется с бозоном Хиггса».^{[27][28][29][30][31][32]}13 марта 2013 года было подтверждено, что это искомый бозон Хиггса.^[33][34]

Теоретические аспекты

Основная статья: Стандартная модель (математическая формулировка)

Построение лагранжиана стандартной модели.

Параметры стандартной модели
Символ	Описание	Перенормировка схема (точка)	Ценить
ме	Электронная масса		0,511 МэВ
мμ	Масса мюона		105,7 МэВ
мτ	Тау масса		1,78 ГэВ
мты	Масса кварка вверх	μРС = 2 ГэВ	1,9 МэВ
мd	Масса нижнего кварка	μРС = 2 ГэВ	4,4 МэВ
мs	Странная масса кварка	μРС = 2 ГэВ	87 МэВ
мc	Очаровательная масса кварка	μРС = мc	1,32 ГэВ
мб	Масса нижнего кварка	μРС = мб	4,24 ГэВ
мт	Масса верхнего кварка	На схеме оболочки	173,5 ГэВ
θ12	CKM 12-смешивающий угол		13.1°
θ23	CKM 23-угол смешивания		2.4°
θ13	CKM 13-угол смешивания		0.2°
δ	Фаза нарушения CKM CP		0.995
грамм1 или же грамм'	U (1) соединительная муфта	μРС = мZ	0.357
грамм2 или же грамм	Муфта датчика SU (2)	μРС = мZ	0.652
грамм3 или же граммs	Муфта датчика SU (3)	μРС = мZ	1.221
θQCD	Угол вакуума КХД		~0
v	Величина ожидания вакуума Хиггса		246 ГэВ
мЧАС	Масса Хиггса		125.09±0,24 ГэВ

Технически, квантовая теория поля обеспечивает математическую основу для Стандартной модели, в которой Лагранжиан управляет динамикой и кинематикой теории. Каждый вид частиц описывается в терминах динамического поле что пронизывает пространство-время. Построение Стандартной модели происходит в соответствии с современным методом построения большинства теорий поля: сначала постулируется набор симметрий системы, а затем записываются наиболее общие перенормируемый Лагранжиан по его частицевому (полевому) содержанию, соблюдающему эти симметрии.

В Глобальный Симметрия Пуанкаре постулируется для всех релятивистских квантовых теорий поля. Он состоит из знакомых поступательная симметрия, вращательная симметрия и инерциальная система отсчета, центральная в теории специальная теория относительности. В местный СУ (3) × СУ (2) × U (1) калибровочная симметрия является внутренняя симметрия это по сути определяет Стандартную модель. Грубо говоря, три фактора калибровочной симметрии порождают три фундаментальных взаимодействия. Поля попадают в разные представления различных групп симметрии Стандартной модели (см. таблицу). Записав наиболее общий лагранжиан, можно обнаружить, что динамика зависит от 19 параметров, численные значения которых устанавливаются экспериментально. Параметры сведены в таблицу (становится видимой после нажатия кнопки «показать») выше (примечание: масса Хиггса равна 125 ГэВ, сила самосвязи Хиггса λ ~ ​¹⁄₈).

Сектор квантовой хромодинамики

Основная статья: Квантовая хромодинамика

Сектор квантовой хромодинамики (КХД) определяет взаимодействия между кварками и глюонами, что является Калибровочная теория Янга – Миллса с SU (3) -симметрией, порожденная Т^а. Поскольку лептоны не взаимодействуют с глюонами, на них этот сектор не влияет. Лагранжиан Дирака кварков, связанных с глюонными полями, имеет вид

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

куда

ψ
_я - спинор Дирака кваркового поля, где я = {r, g, b} представляет цвет,

γ^μ являются Матрицы Дирака,

грамм^а
_μ 8-компонентный (${\displaystyle a=1,2,\dots ,8}$) Калибровочное поле SU (3),

Т^а
_ij 3 × 3 Матрицы Гелл-Манна, генераторы группы цветов SU (3),

грамм^а
_μν представляет тензор напряженности глюонного поля,

грамм_s - константа сильной связи.

Электрослабый сектор

Основная статья: Электрослабое взаимодействие

Электрослабый сектор - это Калибровочная теория Янга – Миллса с группой симметрии U (1) × SU (2)_L,

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

куда

B_μ - калибровочное поле U (1),

Y_W это слабый гиперзаряд - генератор группы U (1),

W→_μ - 3-компонентное SU (2) калибровочное поле,

τ_L→ являются Матрицы Паули - бесконечно малые генераторы группы SU (2) - с индексом L, указывающим, что они действуют только на оставили-хиральные фермионы,

грамм' и грамм - константы связи U (1) и SU (2) соответственно,

${\displaystyle W^{a\mu \nu }}$ (${\displaystyle a=1,2,3}$) и ${\displaystyle B^{\mu \nu }}$ являются тензоры напряженности поля для слабого поля изоспина и слабого гиперзаряда.

Обратите внимание на то, что добавление массовых членов фермионов в электрослабый лагранжиан запрещено, так как члены вида ${\displaystyle m{\overline {\psi }}\psi }$ не соблюдают U (1) × SU (2)_L калибровочная инвариантность. Также невозможно добавить явные массовые члены для калибровочных полей U (1) и SU (2). Механизм Хиггса отвечает за генерацию масс калибровочных бозонов, а массы фермионов возникают в результате взаимодействия юкавского типа с полем Хиггса.

Сектор Хиггса

Основная статья: Механизм Хиггса

В Стандартной модели Поле Хиггса это сложный скаляр группы SU (2)_L:

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

где верхние индексы + и 0 указывают на электрический заряд (Q) компонентов. Слабый гиперзаряд (Y_W) обоих компонентов равно 1.

До нарушения симметрии лагранжиан Хиггса имеет вид

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

который с точностью до члена дивергенции (т.е. после частичного интегрирования) также может быть записан как

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

Сектор Юкава

В Юкава взаимодействие условия

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

куда грамм_{u, d} находятся 3 × 3 матрицы связей Юкавы, с ij термин, дающий сцепление поколений я и j.

Фундаментальные взаимодействия

Основная статья: Фундаментальное взаимодействие

Стандартная модель описывает три из четырех фундаментальных взаимодействий в природе; остается необъяснимой только гравитация. В Стандартной модели такое взаимодействие описывается как обмен бозоны между затронутыми объектами, такими как фотон для электромагнитной силы и глюон для сильного взаимодействия. Эти частицы называются силовые носители или посыльный частицы.^[35]

Четыре фундаментальных взаимодействия природы^[36]

Свойство / Взаимодействие	Гравитация	Электрослабый		Сильный
		Слабый	Электромагнитный	Фундаментальный	Остаточный
Частицы-посредники	Еще не наблюдалось (Гравитон предположено)	W^+, Вт^− и Z^0	γ (фотон)	Глюоны	π, ρ и ω мезоны
Затронутые частицы	Все частицы	Левша фермионы	Электрически заряженный	Кварки, глюоны	Адроны
Действует на	Масса, энергия	Вкус	Электрический заряд	Цвет заряда
Связанные состояния сформированы	Планеты, звезды, галактики, группы галактик	н / д	Атомы, молекулы	Адроны	Атомные ядра
Сила в масштабе кварков (относительно электромагнетизма)	10^−41 (предсказано)	10^−4	1	60	Непригодный кваркам
Сила в масштабе протоны / нейтроны (относительно электромагнетизма)	10^−36 (предсказано)	10^−7	1	Непригодный адронам	20

Тесты и прогнозы

Стандартная модель (SM) предсказывала существование W- и Z-бозоны, глюон, а верх и очаровательные кварки и предсказал многие из их свойств до того, как эти частицы были обнаружены. Предсказания были подтверждены экспериментально с хорошей точностью.^[37]

SM также предсказал существование бозон Хиггса, найден в 2012 г. на Большой адронный коллайдер, как последняя частица СМ.^[38]

Вызовы

Смотрите также: Физика за пределами стандартной модели

Нерешенная проблема в физике: Что дает начало Стандартной модели физики элементарных частиц? Почему массы частиц и константы связи есть ценности, которые мы измеряем? Почему три поколения частиц? Почему больше материи, чем антивещество во вселенной? Где же Темная материя вписываются в модель? Состоит ли он вообще из одной или нескольких новых частиц? (больше нерешенных задач по физике)

Самосогласованность Стандартной модели (в настоящее время сформулированной как несогласованность)абелевский калибровочная теория, квантованная через интегралы по путям) математически не доказана. Хотя регуляризованные версии полезны для приближенных вычислений (например, решеточная калибровочная теория ) существуют, неизвестно, сходятся ли они (в смысле элементов S-матрицы) в пределе удаления регулятора. Ключевой вопрос, связанный с согласованностью, - это Существование Янга – Миллса и разрыв масс проблема.

Эксперименты показывают, что нейтрино имеют масса, чего не позволяла классическая Стандартная модель.^[39] Чтобы учесть это открытие, классическая Стандартная модель может быть изменена, чтобы включить массу нейтрино.

Если кто-то настаивает на использовании только частиц Стандартной модели, это может быть достигнуто путем добавления неперенормируемого взаимодействия лептонов с бозоном Хиггса.^[40] На фундаментальном уровне такое взаимодействие возникает в механизм качелей где к теории добавляются тяжелые правые нейтрино. Это естественно в лево-правый симметричный расширение Стандартной модели^[41][42] и в некоторых теории великого объединения.^[43] Пока новая физика появляется ниже или около 10¹⁴ ГэВ, массы нейтрино могут быть правильного порядка.

Теоретические и экспериментальные исследования пытались расширить Стандартную модель до Единая теория поля или Теория всего, полная теория, объясняющая все физические явления, включая константы. Недостатки Стандартной модели, которые мотивируют такие исследования, включают:

• Модель не объясняет гравитация, хотя физическое подтверждение теоретической частицы, известной как гравитон в какой-то степени объяснит это. Хотя в Стандартной модели рассматриваются сильные и электрослабые взаимодействия, она не дает последовательного объяснения канонической теории гравитации. общая теория относительности, с точки зрения квантовая теория поля. Причина этого, помимо прочего, в том, что квантово-полевые теории гравитации обычно терпят неудачу, прежде чем достигают Планковский масштаб. Как следствие, у нас нет надежной теории для очень ранней Вселенной.
• Некоторые физики считают, что это для этого случая и неэлегантно, требуя 19 числовых констант, значения которых не связаны и произвольны.^[44] Хотя Стандартная модель в ее нынешнем виде может объяснить, почему нейтрино имеют массу, особенности массы нейтрино все еще неясны. Считается, что для объяснения массы нейтрино потребуются дополнительные 7 или 8 констант, которые также являются произвольными параметрами.^[45]
• Механизм Хиггса порождает проблема иерархии если какая-то новая физика (связанная с Хиггсом) присутствует в масштабах высоких энергий. В этих случаях, чтобы слабый масштаб был намного меньше, чем Планковский масштаб требуется серьезная тонкая настройка параметров; Однако есть и другие сценарии, которые включают квантовая гравитация в котором такой тонкой настройки можно избежать.^[46] Есть также вопросы квантовая тривиальность, что предполагает невозможность создания последовательной квантовой теории поля с участием элементарных скалярных частиц.^[47]
• Модель несовместима с возникающими Лямбда-CDM модель космологии. В число разногласий входит отсутствие объяснения в Стандартной модели физики элементарных частиц для наблюдаемого количества холодная темная материя (CDM) и его вклад в темная энергия, которые на много порядков больше. Также трудно учесть наблюдаемое преобладание вещества над антивеществом (иметь значение /антивещество асимметрия ). В изотропия и однородность видимой Вселенной на больших расстояниях, кажется, требуется такой механизм, как космический инфляция, который также будет являться расширением Стандартной модели.

В настоящее время не предлагается Теория всего получил широкое признание или проверку.

Смотрите также

• Теория Янга – Миллса
• Фундаментальное взаимодействие:
  • Квантовая электродинамика
  • Сильное взаимодействие: Цвет заряда, Квантовая хромодинамика, Кварковая модель
  • Слабое взаимодействие: Электрослабое взаимодействие, Взаимодействие Ферми, Слабый гиперзаряд, Слабый изоспин
• Калибровочная теория: Введение в калибровочную теорию
• Поколение
• Механизм Хиггса: бозон Хиггса, Альтернативы стандартной модели Хиггса
• Лагранжиан
• Открытые вопросы: Нарушение CP, Массы нейтрино, Вопрос КХД, Квантовая тривиальность
• Квантовая теория поля
• Стандартная модель: Математическая формулировка, Физика за пределами стандартной модели
• Электрический дипольный момент электрона

Примечания

1. Технически таких цветно-антицветных сочетаний девять. Однако одна из них представляет собой цветосимметричную комбинацию, которая может быть построена из линейной суперпозиции, уменьшая количество до восьми.

Рекомендации

1. Р. Ортер (2006). Теория почти всего: стандартная модель, невоспетый триумф современной физики (Разжечь ред.). Группа пингвинов. п.2. ISBN  978-0-13-236678-6.
2. Фактически, есть математические вопросы, касающиеся квантовых теорий поля, все еще обсуждаемые (см., Например, Полюс Ландау ), но прогнозы, извлеченные из Стандартной модели с помощью текущих методов, применимых к текущим экспериментам, самосогласованы. Для дальнейшего обсуждения см., Например, Глава 25 Р. Манн (2010). Введение в физику элементарных частиц и стандартную модель. CRC Press. ISBN  978-1-4200-8298-2.
3. Шон Кэрролл, доктор философии, Калифорнийский технологический институт, 2007 г., Учебная компания, Темная материя, темная энергия: темная сторона Вселенной, Справочное руководство, часть 2, стр. 59, по состоянию на 7 октября 2013 г., «... Стандартная модель физики элементарных частиц: современная теория элементарных частиц и их взаимодействий ... Строго говоря, она не включает гравитацию, хотя часто ее удобно включить гравитоны в число известных частиц природы ... "
4. Ян, К.; Миллс, Р. (1954). «Сохранение изотопической спиновой и изотопической калибровочной инвариантности». Физический обзор. 96 (1): 191–195. Bibcode:1954ПхРв ... 96..191л. Дои:10.1103 / PhysRev.96.191.
5. S.L. Глэшоу (1961). «Частичные симметрии слабых взаимодействий». Ядерная физика. 22 (4): 579–588. Bibcode:1961NucPh..22..579G. Дои:10.1016/0029-5582(61)90469-2.
6. С. Вайнберг (1967). «Модель лептонов». Письма с физическими проверками. 19 (21): 1264–1266. Bibcode:1967PhRvL..19.1264W. Дои:10.1103 / PhysRevLett.19.1264.
7. А. Салам (1968). Н. Свартхольм (ред.). Физика элементарных частиц: релятивистские группы и аналитичность. Восьмой Нобелевский симпозиум. Стокгольм: Альмквист и Викселл. п. 367.
8. Ф. Энглерт; Р. Браут (1964). «Нарушенная симметрия и масса калибровочных векторных мезонов». Письма с физическими проверками. 13 (9): 321–323. Bibcode:1964ПхРвЛ..13..321Э. Дои:10.1103 / PhysRevLett.13.321.
9. П.В. Хиггс (1964). «Нарушенные симметрии и массы калибровочных бозонов». Письма с физическими проверками. 13 (16): 508–509. Bibcode:1964ПхРвЛ..13..508Х. Дои:10.1103 / PhysRevLett.13.508.
10. Гуральник Г.С. C.R. Hagen; T.W.B. Киббл (1964). «Глобальные законы сохранения и безмассовые частицы». Письма с физическими проверками. 13 (20): 585–587. Bibcode:1964ПхРвЛ..13..585Г. Дои:10.1103 / PhysRevLett.13.585.
11. Ф.Дж. Хазерт; и другие. (1973). «Поиски упругого рассеяния электронов мюон-нейтрино». Письма по физике B. 46 (1): 121. Bibcode:1973ФЛБ ... 46..121Н. Дои:10.1016/0370-2693(73)90494-2.
12. Ф.Дж. Хазерт; и другие. (1973). «Наблюдение нейтриноподобных взаимодействий без мюона или электрона в нейтринном эксперименте Гаргамеля». Письма по физике B. 46 (1): 138. Bibcode:1973ФЛБ ... 46..138Н. Дои:10.1016/0370-2693(73)90499-1.
13. Ф.Дж. Хазерт; и другие. (1974). «Наблюдение нейтриноподобных взаимодействий без мюона или электрона в нейтринном эксперименте Гаргамеля». Ядерная физика B. 73 (1): 1. Bibcode:1974НуФБ..73 .... 1Ч. Дои:10.1016/0550-3213(74)90038-8.
14. Д. Хайдт (4 октября 2004 г.). «Открытие слабых нейтральных токов». ЦЕРН Курьер. Получено 8 мая 2008.
15. Гайяр, Мэри К.; Grannis, Paul D .; Скиулли, Фрэнк Дж. (Январь 1999 г.). «Стандартная модель физики элементарных частиц». Обзоры современной физики. 71 (2): S96 – S111. arXiv:hep-ph / 9812285. Bibcode:1999RvMPS..71 ... 96 г. Дои:10.1103 / RevModPhys.71.S96. S2CID  119012610.
16. Д.Дж. Валовой; Ф. Вильчек (1973). «Ультрафиолетовое поведение неабелевых калибровочных теорий». Письма с физическими проверками. 30 (26): 1343–1346. Bibcode:1973ПхРвЛ..30.1343Г. Дои:10.1103 / PhysRevLett.30.1343.
17. H.D. Политцера (1973). «Надежные пертурбативные результаты для сильных взаимодействий» (PDF). Письма с физическими проверками. 30 (26): 1346–1349. Bibcode:1973ПхРвЛ..30.1346П. Дои:10.1103 / PhysRevLett.30.1346.
18. Дин Риклз (2014). Краткая история теории струн: от дуальных моделей к M-теории. Спрингер, стр. 11 п. 22.
19. Обер, Дж .; и другие. (1974). «Экспериментальное наблюдение тяжелой частицы J». Письма с физическими проверками. 33 (23): 1404–1406. Bibcode:1974ПхРвЛ..33.1404А. Дои:10.1103 / PhysRevLett.33.1404.
20. Augustin, J .; и другие. (1974). «Открытие узкого резонанса в электронной⁺е⁻ Аннигиляция ". Письма с физическими проверками. 33 (23): 1406–1408. Bibcode:1974ПхРвЛ..33.1406А. Дои:10.1103 / PhysRevLett.33.1406.
21. Пайс, А., и С. Б. Трейман, (1975). «Сколько существует квантовых чисел очарования?». Письма с физическими проверками 35, нет. 23, стр. 1556.
22. Цао, Тянь Ю. Концептуальные разработки теорий поля ХХ века. Cambridge University Press, 1998, стр. 320.
23. «Детали могут быть проработаны, если ситуация достаточно проста для нас, чтобы сделать приблизительное значение, чего почти никогда не бывает, но часто мы можем более или менее понять, что происходит». из Лекции Фейнмана по физике, Том 1. С. 2–7.
24. Гуральник (2009). "История развития теории спонтанного нарушения симметрии и калибровочных частиц Гуральником, Хагеном и Кибблом". Международный журнал современной физики A. 24 (14): 2601–2627. arXiv:0907.3466. Bibcode:2009IJMPA..24.2601G. Дои:10.1142 / S0217751X09045431. S2CID  16298371.
25. B.W. Ли; К. Куигг; H.B. Такер (1977). «Слабые взаимодействия при очень высоких энергиях: роль массы бозона Хиггса». Физический обзор D. 16 (5): 1519–1531. Bibcode:1977ПхРвД..16.1519Л. Дои:10.1103 / PhysRevD.16.1519.
26. "Огромный коллайдер стоимостью 10 миллиардов долларов возобновляет охоту за" частицей Бога "'". CNN. 11 ноября 2009 г.. Получено 4 мая 2010.
27. М. Страсслер (10 июля 2012 г.). "Открытие Хиггса: это Хиггс?". Получено 6 августа 2013.
28. «Эксперименты в ЦЕРНе наблюдают частицу, соответствующую долгожданному бозону Хиггса». ЦЕРН. 4 июля 2012 г.. Получено 12 ноября 2016.
29. «Наблюдение новой частицы с массой 125 ГэВ». ЦЕРН. 4 июля 2012 г.. Получено 5 июля 2012.
30. «Эксперимент АТЛАС». АТЛАС. 4 июля 2012 г.. Получено 13 июн 2017.
31. «Подтверждено: ЦЕРН обнаружил новую частицу, которая может быть бозоном Хиггса». YouTube. Россия сегодня. 4 июля 2012 г.. Получено 6 августа 2013.
32. Д. Овербай (4 июля 2012 г.). «Новая частица может стать Святым Граалем физики». Нью-Йорк Таймс. Получено 4 июля 2012.
33. «Новые результаты показывают, что частица, обнаруженная в ЦЕРНе, является бозоном Хиггса». ЦЕРН. 14 марта 2013 г.. Получено 14 июн 2020.
34. «Эксперименты на LHC позволяют глубже понять точность». ЦЕРН. 11 июля 2017 г.. Получено 23 июля 2017.
35. http://home.web.cern.ch/about/physics/standard-model Официальный сайт CERN
36. «Стандартная модель частиц и взаимодействий». jhu.edu. Университет Джона Хопкинса. Архивировано из оригинал 4 марта 2016 г.. Получено 18 августа 2016. .gif
37. Woithe, Джулия; Винер, Герфрид; Ван дер Векен, Фредерик (2017). «Давайте выпьем кофе со Стандартной моделью физики элементарных частиц!». Phys. Образовательный. 52 (3): 034001. Bibcode:2017PhyEd..52c4001W. Дои:10.1088 / 1361-6552 / aa5b25.
38. Альтарелли, Гвидо (2014). «Хиггс и чрезмерный успех стандартной модели». arXiv:1407.2122 [геп-ph ].
39. "Хамелеон из частиц застрял в процессе изменения". ЦЕРН. 31 мая 2010 г.. Получено 12 ноября 2016.
40. С. Вайнберг (1979). «Барионные и лептонные несохраняющие процессы». Письма с физическими проверками. 43 (21): 1566–1570. Bibcode:1979ПхРвЛ..43.1566Вт. Дои:10.1103 / PhysRevLett.43.1566.
41. П. Минковский (1977). «μ → e γ со скоростью один из 10⁹ Распад мюона? ». Письма по физике B. 67 (4): 421–428. Bibcode:1977ФЛБ ... 67..421М. Дои:10.1016 / 0370-2693 (77) 90435-Х.
42. R.N. Мохапатра; Г. Сеньянович (1980). «Масса нейтрино и спонтанное несохранение четности». Письма с физическими проверками. 44 (14): 912–915. Bibcode:1980ПхРвЛ..44..912М. Дои:10.1103 / PhysRevLett.44.912.
43. М. Гелл-Манн, П. Рамонд и Р. Слански (1979). F. van Nieuwenhuizen & D.Z. Вольноотпущенник (ред.). Супергравитация. Северная Голландия. С. 315–321. ISBN  978-0-444-85438-4.
44. А. Блюмхофер; М. Хаттер (1997). «Семейная структура из периодических решений улучшенного уравнения разрыва». Ядерная физика. B484 (1): 80–96. arXiv:hep-ph / 9605393. Bibcode:1997НуФБ.484 ... 80Б. Дои:10.1016 / S0550-3213 (96) 00644-X.
45. Струмия, Алессандро (2006). «Нейтринные массы и смеси и ...». arXiv:hep-ph / 0606054.
46. Сальвио, Альберто; Струмия, Алессандро (2018). "Агравитация". Журнал физики высоких энергий. 2014 (6): 080. arXiv:1403.4226. Bibcode:2014JHEP ... 06..080С. Дои:10.1007 / JHEP06 (2014) 080. ЧВК  6560704. PMID  31258400.
47. D.J.E. Отозвать (1988). «Погоня за мелочами: могут ли существовать элементарные скалярные частицы?». Отчеты по физике. 167 (5): 241–320. Bibcode:1988ФР ... 167..241С. Дои:10.1016/0370-1573(88)90008-7.

дальнейшее чтение

• Р. Ортер (2006). Теория почти всего: стандартная модель, невоспетый триумф современной физики. Плюм.
• Б.А. Шумм (2004). Вещи в глубине души: захватывающая красота физики элементарных частиц. Издательство Университета Джона Хопкинса. ISBN  978-0-8018-7971-5.
• "Стандартная модель интерактивной графики по физике элементарных частиц".

Вводные учебники

• И. Эйтчисон; А. Эй (2003). Калибровочные теории в физике элементарных частиц: практическое введение. Институт физики. ISBN  978-0-585-44550-2.
• В. Грейнер; Б. Мюллер (2000). Калибровочная теория слабых взаимодействий. Springer. ISBN  978-3-540-67672-0.
• Г.Д. Кофлан; Дж. Э. Додд; Б.М. Грипайос (2006). Идеи физики элементарных частиц: введение для ученых. Издательство Кембриджского университета.
• Д.Дж. Гриффитс (1987). Введение в элементарные частицы. Джон Вили и сыновья. ISBN  978-0-471-60386-3.
• Г.Л. Кейн (1987). Современная физика элементарных частиц. Книги Персея. ISBN  978-0-201-11749-3.

Продвинутые учебники

• T.P. Ченг; Л.Ф. Ли (2006). Калибровочная теория физики элементарных частиц. Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-0-19-851961-4. Подчеркивает калибровочная теория аспекты Стандартной модели.
• Дж. Ф. Донохью; Э. Голович; Б.Р. Гольштейн (1994). Динамика стандартной модели. Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-47652-2. Выделяет динамичный и феноменологический аспекты Стандартной модели.
• Л. О'Рейфартей (1988). Групповая структура калибровочных теорий. Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-34785-3.
• Нагасима, Йорикиё (2013). Физика элементарных частиц: основы стандартной модели, том 2. Вайли. ISBN  978-3-527-64890-0. 920 страниц.
• Шварц, Мэтью Д. (2014). Квантовая теория поля и стандартная модель. Кембриджский университет. ISBN  978-1-107-03473-0. 952 страницы.
• Лангакер, Пол (2009). Стандартная модель и не только. CRC Press. ISBN  978-1-4200-7907-4. 670 страниц. Особенности теоретико-групповой аспекты Стандартной модели.

журнальные статьи

• E.S. Аберс; B.W. Ли (1973). «Калибровочные теории». Отчеты по физике. 9 (1): 1–141. Bibcode:1973ФР ..... 9 .... 1А. Дои:10.1016/0370-1573(73)90027-6.
• М. Баак; и другие. (2012). "Электрослабое соответствие стандартной модели после открытия нового бозона на LHC". Европейский физический журнал C. 72 (11): 2205. arXiv:1209.2716. Bibcode:2012EPJC ... 72.2205B. Дои:10.1140 / epjc / s10052-012-2205-9. S2CID  15052448.
• Ю. Хаято; и другие. (1999). "Искать распад протона через п → νK⁺ в большом водяном черенковском детекторе ». Письма с физическими проверками. 83 (8): 1529–1533. arXiv:hep-ex / 9904020. Bibcode:1999ПхРвЛ..83.1529Х. Дои:10.1103 / PhysRevLett.83.1529. S2CID  118326409.
• С.Ф. Новаэс (2000). «Стандартная модель: введение». arXiv:hep-ph / 0001283.
• Д.П. Рой (1999). «Основные составляющие материи и их взаимодействия - отчет о ходе работы». arXiv:hep-ph / 9912523.
• Ф. Вильчек (2004). «Вселенная - странное место». Nuclear Physics B: Proceedings Supplements. 134: 3. arXiv:astro-ph / 0401347. Bibcode:2004НуФС.134 .... 3Вт. Дои:10.1016 / j.nuclphysbps.2004.08.001. S2CID  28234516.

внешняя ссылка

• "Стандартная модель подробно объяснена Джоном Эллисом из CERN "Омега тау подкаст.
• "Стандартная модель "на веб-сайте ЦЕРН объясняет, как взаимодействуют основные строительные блоки материи, управляемые четырьмя фундаментальными силами.
• Физика элементарных частиц: стандартная модель, Леонард Сасскинд лекции (2010).
• «Стандартная модель» на YouTube