Новости STEM: мюоны и стандартная модель физики элементарных частиц
Стандартная модель
Стандартная модель физики элементарных частиц - это теория, построенная как модель для основных строительных блоков или элементарных частиц всей материи. Эти фундаментальные частицы управляются четырьмя фундаментальными силами. Стандартная модель использует 3 из 4 фундаментальных сил и элементарные частицы для предсказания событий и объяснения почти всех экспериментальных результатов.
Фундаментальные частицы
Фундаментальные частицы являются строительными блоками всей материи и классифицируются как кварки или лептоны. Обе группы состоят из 6 связанных пар частиц, называемых поколениями. Первое поколение состоит из самых легких и стабильных частиц. Каждое поколение тяжелее и менее стабильно, чем предыдущее. Со временем менее стабильные частицы распадаются и становятся более стабильными, и вся стабильная материя состоит из частиц первого поколения.
Кварки
Шесть кварков спарены с «верхним кварком» (u) и «нижним кварком» (d) в первом поколении, «очарованным кварком» (c) и «странным кварком» (s) во втором поколении, и «Верхний кварк» (t) и «нижний кварк» (b) в третьем поколении. Кварки также имеют 3 разных «цвета», которые смешиваются и нейтрализуются, образуя бесцветные объекты.
Лептоны
6 лептонов спарены аналогичным образом. В первом поколении это «электрон» (e) и «электронное нейтрино» (𝜈e), во втором поколении - «мюонное» (𝜇) и «мюонное нейтрино» (), а в третьем поколении - « тау »(𝜏) и« тау нейтрино »(𝜈𝜏). Электрон, мюон и тау имеют электрические заряды и значительную массу, в то время как их пары, нейтрино, имеют небольшую массу и электрически нейтральны.
Основные силы
Вселенная контролируется 4 фундаментальными силами. Сильная сила, слабая сила, электромагнитная сила и гравитационная сила. У каждой из этих сил разная сила и диапазон влияния. Гравитация - самая слабая сила, и ее диапазон бесконечен. Электромагнитная сила (включает электрические и магнитные поля) также имеет бесконечный диапазон, однако она намного сильнее силы тяжести. И сильное взаимодействие (связывает атомные ядра), и слабое взаимодействие (вызывает ядерные реакции) имеют короткий радиус действия, и хотя сильное взаимодействие является самым сильным из всех фундаментальных сил, слабое взаимодействие сильнее гравитации.
Сильная сила, слабая сила и электромагнитная сила - все это части Стандартной модели. Хотя гравитация включена в квантовую теорию и теорию относительности, математически она не укладывается в рамки Стандартной модели. При работе с физикой элементарных частиц влияние гравитации настолько слабое, что оно не оказывает достаточного влияния на какие-либо эксперименты, чтобы полностью дискредитировать Стандартную модель. Включенные 3 фундаментальные силы исходят от бозонов. Бозоны - это частицы-носители силы, которые передают между собой дискретные количества энергии. Сильная сила контролируется «глюоном» (g), слабая сила контролируется бозонами «W и Z» (w, z), а электромагнитная сила контролируется «фотонами» ().
Ошибки и ограничения в стандартной модели
Хотя Стандартная модель - лучшая модель субатомного мира, в ней все еще отсутствуют некоторые ключевые элементы. Помимо отсутствия расчета гравитации (и гравитонов, гипотетической фундаментальной частицы, которая ее вызывает), модель не отвечает на вопросы о темной материи, антивеществе и бозоне Хиггса. Хотя Бозон Хиггса теоретизировался Стандартной моделью, его еще предстоит доказать. Недавно вокруг мюона был обнаружен сильный магнетизм. Революционное открытие эксперимента с мюоном g-2 может указывать на то, что Стандартная модель является неполной, и если несоответствие будет доказано, это будет первый случай с момента ее создания, когда Стандартная модель не смогла предсказать явление. Суперсимметрия (SUSY) - одна из недоказанных теорий, которые могут объяснить магнетизм мюона. Если бы теория суперсимметрии была доказана, это стало бы правдоподобным объяснением недавно открытых мюонных явлений и темной материи. В лаборатории LCB физики также обнаружили другие признаки аномалий в ожидаемом поведении мюонов. Согласно Стандартной модели, мюоны должны производиться с такой же скоростью, что и электроны, однако данные показывают, что это не так. Несколько гипотетических теорий, объясняющих данные экспериментов LCB и g-2, включают модель Лептокварка и Z ’бозон. По мере того, как будет выпущено больше данных для обоих экспериментов, Стандартная модель в конечном итоге может быть подтверждена или опровергнута.
Источники:
The Standard Model: https://home.cern/science/physics/standard-model
DOE Explains...the Standard Model of Particle Physics (U.S Dept. of Energy; Office of Science): https://www.energy.gov/science/doe-explainsthe-standard-model-particle-physics
What’s next for physics’ standard model? Muon results throw theories into confusion (Nature): https://www.nature.com/articles/d41586-021-01033-8
Источник изображения:
CERN
Перевод на русский язык Дарьи Смук.
