Standardní Model

Diskuse

úvod

Standardní Model je jméno dané v roce 1970 na teorii elementárních částic a jejich interakci. Zahrnoval vše, co bylo v té době známo o subatomárních částicích, a předpověděl také existenci dalších částic.

ve standardním modelu je sedmnáct pojmenovaných částic, uspořádaných do níže uvedeného grafu., Poslední objevené částice byly bosony W A Z v roce 1983, horní kvark v roce 1995, Tau neutrino v roce 2000 a Higgsův boson v roce 2012.

Standardní model částic (nukleony zahrnuta pro srovnání)

* závaží z Particle Data Group

† proton a neutron jsou hadrony (z kvarků), baryony (tvořené třemi kvarky), a nukleony (nachází se v jádře), ale oni nejsou standardní model částic

‡ higgsův boson je jediná známá skalární boson.,

			částice	předpověděl/ objevil		rotace počet	nabíjení (e)	barva	*hmotnost* (MeV/c2)
f e r m o s	q u r k s	u	quark	1964	1968	½	+⅔+	r, g, b	2.16
		d	kvark	1964	1968	½	−⅓−	r, g, b	4.,t> +⅔+ r, g, b 1,270 podivný kvark 1964 1968 ½ −⅓− b, g, b 93 podpora top kvark 1973 1995 ½ +⅔+ b, g, b 172,760 b spodní kvark 1973 1977 ½ −⅓− b, g, b 4,180 p t o elektron 1874 1897 ½ −1− none 0.,51099895
		μ	muon	0000	1936	½	−1−	none	105.658375
		τ	tau	0000	1975	½	−1−	none	1776.86
		νe	electron neutrino	1930	1956	½	0	none	< 1.1 × 10−6
		νμ	muon neutrino	s1940s	1962	½	0	none	< 0.,19
	ντ	tau neutrino	s1970s	2000	½	0	none	< 18.2
	†	p	proton	1815	1917	½	+1+	none	938.272081
		n	neutron	1920	1932	½	0	none	939.,565413
	b o s o n s	v e c t o r	g	gluon	1962	1978	1	0	8 colors	0
			γ	photon	0000	1899	1	0	none	0
			W	W boson	1968	1983	1	±1±	none	80,379
			Z	Z boson	1968	1983	1	0	none	91,187.,6
		‡	H	higgsova bosonu	1964	2012	0	0	none	125,100

částice rodiny

Základní částice jsou buď stavební bloky hmoty, tzv. fermiony, nebo mediátorů interakce, tzv. bosony. Ve standardním modelu je dvanáct pojmenovaných fermionů a pět pojmenovaných bosonů.,

Fermiony poslouchat statistické pravidlo popsané Enrico Fermi (1901-1954) Itálie, Paul Dirac (1902-1984) v Anglii, a Wolfgang Pauli (1900-1958) z Rakouska s názvem vyloučení principu. Jednoduše řečeno, fermiony nemohou obsadit stejné místo současně. (Více formálně, žádné dva fermiony mohou být popsány stejnými kvantovými čísly.) Leptony a kvarky jsou fermiony, ale stejně tak jsou z nich vyrobeny věci jako protony, neutrony, atomy, molekuly, lidé a stěny. To souhlasí s našimi makroskopickými pozorováními hmoty v každodenním životě., Lidé nemohou projít zdmi, pokud se zeď nedostane z cesty.

bosony naopak nemají problém obsadit stejné místo současně. (Formálně lze dva nebo více bosonů popsat stejnými kvantovými čísly.) Statistická pravidla, která bosony dodržují, byla poprvé popsána Satyendrou Bose (1894-1974) z Indie a Albertem Einsteinem (1879-1955) z Německa. Gluony, fotony a W, Z a Higgs jsou bosony. Jako částice, které tvoří světlo a jiné formy elektromagnetického záření, fotony jsou bosony máme nejvíce přímé zkušenosti., V naší každodenní zkušenosti, nikdy nevidíme paprsky světla narazit do sebe. Fotony jsou jako fantomy. Procházejí se navzájem bez účinku.

Elementární částice mají vnitřní rotaci moment hybnosti S. adjektivum vlastní prostředky, vrozené nebo zásadní věc sama o sobě. Elementární částice nemají rotaci, protože je někdo točí. Prostě se točí-nebo spíše mají jen měřitelné množství se stejnými jednotkami jako moment hybnosti. V současné fyzice jsou elementární částice nevýznamné-jako matematický bod., Aby bylo něco vnímáno jako točení, věc, která se točí, by potřebovala něco jako „přední “ a“zadní“. Nepatrné, bodové částice nic takového nemají. Částicová fyzika je nejlépe popsána matematikou. Spin je vhodný štítek pro měřitelnou kvalitu a ne popis reality.

každá elementární částice s ní spojila spinové kvantové číslo s (často nazývané spinové číslo nebo jen spin), kde s je celé číslo násobkem poloviny. Fermiony mají poloviční integrální spinová kvantová čísla ( ½ , 1½, 2½ atd.,) a bosony mají integrální spinová kvantová čísla (0, 1, 2 atd.). Žádné spin čísla jsou možné mezi nimi. Spin je kvantované množství.

elementární fermiony mají rotaci½. Částice vyrobené z kombinací fermionů budou mít celkovou rotaci, která je kombinací jednotlivých otočení. Baryon složený ze tří kvarků se spojí s celkovým spinem ½ nebo 1½,protože to jsou jediné možné, non-negativní kombinace½±½±½±½. To ukazuje, že všechny baryony (například protony a neutrony) jsou také fermiony., Stejně tak se mezon složený z kvarku a antikvarku spojí s celkovým spinem 0 nebo 1, protože to jsou jediné možné, non-negativní kombinace½±½. To ukazuje, že všechny mezony (například pion zbytkové silné interakce) jsou také bosony.

bosony se silou vyřezávajícími standardní Model (gluony, fotony a W A Z) mají spin 1, protože jdou s vektorovými poli. Higgsův boson odpovídá skalárnímu poli, takže má spin 0., Pokud je částice gravitačního pole někdy objevena, bude nazývána gravitonem a bude mít spin 2, protože odpovídá tenzorovému poli. Tenzor je matematický objekt, který je složitější než vektor, který je zase složitější než skalární. Vidíte trend? Skalární pole bez směru dostane částice s odstřeďováním 0. Vektorové pole se směrem dostane částice s odstřeďováním 1. Tenzorové pole, které se táhne a vytlačuje prostor ve dvou směrech, dostane částice s odstřeďováním 2.

všechny základní a kompozitní částice mají spinové kvantové číslo s (malá písmena)., To je spojeno s rotační momentovou hybností S (velká písmena). Jednotkou úhlového momentu je kilogram metr na druhou za sekundu, nebo, ekvivalentně, joule druhý , který je příliš velký pro elementární částice. Místo toho se používá ℏ (h bar), také známý jako redukovaná Planckova konstanta (ℏ = h/2π). Z důvodů, které jsou mimo rozsah této knihy, spinové kvantové číslo s (což je jen číslo) a spin moment hybnosti S (což je číslo s jednotkou) jsou číselně stejné. Místo toho jsou spojeny ne-zřejmou rovnicí.,

S =	⎡ ⎣	y	⎛ ⎝	y	+ 1	⎞ ⎠	⎤½ ⎦	ℏ

Pro částice se spinem kvantové číslo 0, řešením je rozumný rotace moment hybnosti 0 ℏ.,

Y(0) =	⎡ ⎣	0	⎛ ⎝	0	+ 1	⎞ ⎠	⎤½ ⎦	ℏ = 0 ℏ

Pro vyšší spin kvantová čísla, spin moment hybnosti zvyšuje, ale za to tam není moc co jiného to může být jednoduše řekl.,

Fermiony jsou rozděleny do dvou skupin: ty, které musí vázat dohromady se nazývají kvarky, a ty, které mohou existovat nezávisle na sobě, se nazývají leptony.

slovo „quark“ se původně objevilo v jediném řádku románu Finnegans Wake, který napsal irský autor James Joyce (1882-1941). Protagonista knihy je celník jménem Humphrey Chimpden Earwicker, kteří sní, že on je sloužící pivo opilý racek (to není vtip). Místo toho, aby požádal o „tři kvarty pro pana Marka“, opilý pták říká „tři kvarky pro Muster Mark“., Od pre-Standardní Model teorie byla kompletní pouze se třemi kvarky, jméno má nějaký smysl. Celý standardní Model dnes potřebuje šest kvarků. To ještě neznamená, že slovo o nic méně zábavné říci. Quarku! Šest příchutí kvarku je nahoru, dolů, podivné, kouzlo, nahoře a dole. Názvy příchutí jsou v podstatě bezvýznamné.o Kvarcích

je známo, že se váží na trojčata a dvojčata. Trojčata se nazývají baryony, což je termín odvozený od řeckého slova βαρύς (varys), což znamená „těžký“. Dublety se nazývají mezony, což je termín odvozený od řeckého slova μέσος (mesos), což znamená „střední“., Společně baryony (těžké trojčata), mezony (střední kabátce) a kvarky (základní částice) jsou známé jako hadrony, z řeckého slova αδρός (adros), což znamená, tlustý, robustní, masivní, nebo velké. Toto jméno se zmiňuje o schopnosti bodových kvarků spojit se a vytvořit částice, které jsou v určitém smyslu“ silné“.

dalších šest fermionů se nazývá leptony, což je název odvozený od řeckého slova λεπτός (leptos), což znamená tenký, jemný, lehký nebo malý. Tyto částice se nemusí navzájem vázat, což je v určitém smyslu udržuje „tenké“., Původně leptony byly považovány za „lehké“ částice hadronů „těžké“ částice, ale objev tau lepton v roce 1975 toto pravidlo porušila. Tau (nejtěžší lepton) je téměř dvakrát tak masivní jako proton (nejlehčí hadron).

baryony nalezené v jádru (proton a neutron) se nazývají nukleony. Latinské slovo pro jádro je jádro. Nukleony se nacházejí v metaforickém „jádru“ atomu. Baryony, které obsahují alespoň jeden podivný kvark, ale žádné kouzlo, dno nebo horní kvarky, se nazývají hyperony., Řecké slovo pro beyond je επέρ (yper), které se proměnilo v anglickou předponu hyper-. Hyperony jsou částice, které jsou v určitém smyslu „cestou ven“.

neutrina jsou důležitou podskupinou v rámci leptony. Přicházejí ve třech příchutích pojmenovaných pro svého partnera leptony. Elektron, muon a tau jsou shodné s elektronovým neutrinem, muon neutrino a tau neutrino. Neutrina mají velmi malou hmotnost (i pro leptony) a interagují tak slabě se zbytkem částic, že je mimořádně obtížné je detekovat. Název je hra na slova., Italské slovo pro neutron (Neutron) zní jako slovo neutrální (neutro) s augmentativní příponou (-jedna) na konci. To znamená, že italským uším to zní jako „velký neutrální“. Vyměňte augmentativní příponu-jeden s zdrobnělina přípony -ino a máte „trochu neutrální“, což je dobrý popis toho, co neutrino je — maličký neutrální částice. Aaaaaw, tak malý a neutrální.

Fermiony patří do jedné ze tří známých generací od běžných (I), exotické (II), až po velmi exotické (III)., (Toto jsou přídavná jména, která jsem vybral k popisu generací. Generace ) jsem se částice mohou dohromady tvoří hadrony s efektivně nekonečná životnost (stabilní atomy z elektronů, protonů a neutronů, například). Částice generace II vždy tvoří nestabilní hadrony. Nejdelší žil hadron obsahující kvark generace II je lambda částice (vyrobené z nahoru, dolů, a podivné kvark). Má průměrnou životnost méně než miliardtinu sekundy, která je považována za dlouhou životnost pro nestabilní hadron. Částice generace III jsou rozděleny podle jejich chování., Spodní kvark není o moc cizí než podivný kvark, ale horní kvark je tak krátkodobý, že neexistuje dost dlouho na to, aby něco udělal. Rozpadne se, než svět dokonce ví, že existuje. Top kvarky jsou známy pouze z jejich produktů rozpadu.

částice, interakce

Tři ze čtyř základních fources přírody jsou zahrnuty ve Standardním Modelu částicové fyziky — elektromagnetická síla, silná síla, slabá síla. (Gravitace není součástí standardního modelu.,) Každá síla působí mezi částicemi kvůli nějaké vlastnosti této částice-náboj pro elektromagnetismus, barva pro silnou sílu a chuť pro slabou sílu. Bosony spojené s každou silou se nazývá měřidlo bosony — foton pro elektromagnetismus, gluony pro silnou sílu, a W a Z bosony pro slabou sílu.

náboj je vlastností hmoty, která vede k elektrickým a magnetickým jevům (společně známým jako elektromagnetismus)., Poplatek kvantována, což znamená, že může existovat pouze v diskrétních množstvích s omezenou hodnoty — násobky a zlomky elementární náboj (e = 1.6 × 10-19 C). Částice, které existují nezávisle (elektron, mion a tau) provádět násobky elementárního náboje (-1 e), zatímco kvarky nesou frakce elementární náboj (+⅔ nebo e −⅓ e). Kvarky se vždy spojují ve skupinách, jejichž celkový náboj je integrálním násobkem elementárního náboje, a proto nikdo nikdy přímo neměřil zlomkový náboj., Kromě toho, protože protilehlé náboje přitahují, elektrony mají tendenci se vázat na protony za vzniku atomů, které jsou celkově neutrální. Normálně si kvůli tomu nevšimneme elektrické povahy hmoty.

nabité částice interagují výměnou fotonů-nosiče elektromagnetické síly. Kdykoli jeden elektron odpuzuje jiný nebo jakýkoli elektron obíhá kolem jádra, je zodpovědný foton. Fotony jsou bez hmotnosti, nezmapované a mají neomezený rozsah., Matematický model používaný k popisu interakce nabitých částic výměnou fotonů je známý jako kvantová elektrodynamika (QED).

kvarky se drží jiných kvarků, protože mají charakteristiku známou jako barva (nebo barevný náboj). Kvarky přicházejí v jedné ze tří barev: Červená, zelená a modrá. Nedovolte, aby vás slova zaváděla. Kvarky jsou příliš malé na to, aby byly viditelné, a proto by nikdy nemohly mít vnímavou vlastnost, jako je barva. Jména byla vybrána kvůli pohodlné analogii., Barvy kvarků ve standardním modelu se kombinují jako barvy světla v lidském vidění.

červené světlo plus zelené světlo plus modré světlo se nám lidem jeví jako „bezbarvé“ bílé světlo. Baryon je trojčlenka jednoho červeného, jednoho zeleného a jednoho modrého kvarku. Dejte je dohromady a dostanete barevně neutrální částice. Barva plus její opačná barva také dává bílé světlo. Červené světlo plus azurové světlo vypadá stejně jako například bílé světlo. Mezon je dublet jednoho barevného kvarku a jednoho antikvarku. Dejte je dohromady a dostanete barevně neutrální částice.,

je tu něco o barvě, díky které se chce skrýt před čímkoli větším než jádrem. Kvarky nemohou vydržet být od sebe navzájem. Prostě se musí připojit a vždy tak učinit způsobem, který skrývá jejich barvu před vnějším světem. Jedna barva není nikdy upřednostňována před druhou, když se kvarky spojí. Hmota je barevně neutrální až do velmi malého rozsahu.

barevné částice jsou spojeny vhodně pojmenovanými gluony. Gluony jsou také barevné, ale složitějším způsobem než kvarky., Šest z osmi gluonů má dvě barvy, Jedna má čtyři a druhá šest. Gluony lepí kvarky dohromady, ale také se drží na sobě. Jedním z důsledků toho je, že nemohou oslovit a dělat hodně mimo jádro.

matematický model používaný k popisu interakce barevných částic výměnou gluonů je známý jako kvantová chromodynamika (QCD). Celý lepkavý nepořádek se nazývá silná síla nebo silná interakce, protože má za následek síly v jádru, které jsou silnější než elektromagnetická síla., Bez silné síly by se každé jádro vyhodilo do vzduchu.

existuje dvanáct pojmenovaných elementárních fermionů. Rozdíl mezi nimi je jedním z příchutí. Slovo “ chuť „se zde používá jako“ typ “ a vztahuje se pouze na fermiony. Nedovolte, aby vás slovo zavádělo. Subatomární částice jsou příliš malé na to, aby měly jakékoli vlastnosti, které by mohly být přímo pozorovány lidskými smysly.,

Ochucené částice interagují slabě prostřednictvím výměny W a Z bosony — nosiče slabé síly (také známý jako meziprodukt vektorové bosony). Když se neutron rozpadne na proton, je zodpovědný W− boson. Matematický model se používá k popisu interakce s příchutí částice prostřednictvím výměny W a Z bosony, je někdy známý jako kvantové flavordynamics (QFD), ale to je termín, který není používán práci částicových fyziků. Při vyšších energiích začínají slabé a elektromagnetické síly vypadat stále více podobně., Matematický model, který popisuje tyto interakce dohromady je známý jako electroweak teorie (EWT). Toto je konvenční název Teorie slabé síly.

hmotnost a gravitace

všechny fermiony mají nenulovou klidovou hmotnost. Částice v generaci I je méně masivní, než ty, v, generace II, které jsou méně masivní než v generaci III. V rámci generace, kvarky jsou více masivní než leptony a neutrina jsou méně masivní než ostatní leptony. Bosony jsou rozděleny, pokud jde o hmotnost., Gluony a fotony jsou bez hmoty. Bosony W, Z a Higgs jsou masivní.

hmotnost je energie. Pohyblivá částice je masivnější než stacionární částice, protože má kinetickou energii. Logicky by tedy stacionární částice neměla mít žádnou hmotnost. Kdybychom mohli zastavit foton (což nemůžeme), nic by to nevážilo. Zdá se, že naše logika funguje. Kdybychom mohli zastavit elektron (což můžeme), něco by to vážilo. Naše logika je rozbitá. Proč některé částice váží něco v klidu a jiné neváží nic?,

hmotnost je energie a energie přichází ve dvou typech: kinetická energie (energie pohybu) a potenciální energie (energie uspořádání). Příspěvek kinetické energie k hmotnosti je menší. Většina hmoty kolem nás pochází z nějaké potenciální energie. Například proton je tvořen dvěma kvarky a kvarkem dolů. Masy těchto tří kvarků nepřidávají k hmotnosti protonu.

mp	hodnota	2mu +1md
938.,272 MeV/c2	hodnota	2(2.3 MeV/c2) + 1(4.8 MeV/c2)
938.272 MeV/c2	hodnota	9.4 MeV/c2

mas díly jsou jen 1% hmotnosti celku. Zbývajících 99% pochází z potenciální energie silné síly, která drží proton pohromadě. Částice, které zprostředkovávají silnou sílu, jsou gluony. Interakční energie těchto hmotnostíméně částic je to, co dává protonu většinu jeho hmotnosti.,

tak proč kvarky mají hmotnost, ale gluony ne? Nebo jak byla historicky položena otázka, proč mají bosony W A Z hmotnost, ale foton ne? Možná existuje jiný druh potenciální energie. Možná je tam další interakce venku — interakce, že některé částice cítí a jiní ne. Pokud existuje interakce, je částice — částice, která dává hmotnost ostatním částicím, když budou jen sedět a nedělat nic. Interakce, která dává hmotu elementárním částicím, byla navržena v roce 1964 vědci na třech nezávislých místech.,

1. François Englert a Robert Brout v L’Université Libre de Bruxelles v Belgii,
2. Peter Higgs na Univerzitě v Edinburghu ve Skotsku
3. Gerald Guralnik, Carl Hagen a Tom Kibble v Imperial College, Londýn

To by mělo být nazýváno Englert-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen-Granule mechanismus, ale není. Z nějakého důvodu, interakce, která dává hmotnost elementárních částic se nazývá Higgsův mechanismus a částic, které zprostředkovává interakce se nazývá Higgsův boson, Higgsův boson částice, nebo (zřídka) higgson.,

Celý prostor se předpokládá, že být vyplněn Higgsovým polem — pozadí moře virtuální Higgsovy bosony, že pop dovnitř a ven existence. Kvarky, leptony a bosony W A Z pohybující se kolem prostoru interagují s tímto polem, a proto mají tyto částice hmotnost. Fotony a gluony nereagují s Higgsovým polem, a proto tyto částice nemají hmotnost. Dokonce i samotný Higgsův boson interaguje s Higgsovým polem. Dává si masu!, Higgsův boson je odlišný od ostatních bosony (gluony, fotony, W a Z bosony) v tom, že Higgsův mechanismus nemá za následek nic připomínající síly (jako silné, elektromagnetické a slabé síly). Higgsovo pole je skalární pole a Higgsův boson je částice s nulovou rotací.

gravitace je síla mezi objekty kvůli jejich hmotnosti. Matematický model, který by popsal gravitaci na úrovni částic, se někdy nazývá kvantová geometrodynamika (QGD), ale častěji se označuje jako kvantová gravitace., Standardní Model částicové fyziky nezahrnuje gravitaci (ani to nikdy nemohlo) a v současné době neexistuje žádná kvantová teorie gravitace. Pokud by byla, musela by obsahovat částici, která by vyřezávala sílu. Navrhovaný název této částice je graviton. Obecná relativita popisuje gravitační vlny jako tenzorovou poruchu, která propogates-ten, který stříhá časoprostor podél dvou střídavých kolmých směrů. Toto dvojrozměrné chování vede teoretické fyziky k přesvědčení, že graviton by se roztočil dva.,

předpokládá se, že gravitace bude postaráno v teorii nad rámec standardního modelu. V extrémním případě sebedůvěra, někteří teoretici navrhují, že taková teorie by teorie všeho. Vzhledem k historii vědy (a život obecně), cokoliv, co tvrdí, že konečný reprezentace reality (vědecké, ekonomické, kulturní, nebo náboženské), je odsouzena být nahrazena něco větší a lepší — nebo alespoň, něco méně špatně.

jména, jména, jména

téma tohoto tématu se zdá být „jména, jména, jména“.,

Částice skupiny pojmenované po fyziků

* Klasické částice (molekuly ideálního plynu, například) nejsou součástí Standardního Modelu, ale jsou zahrnuta pro srovnání.,d>

mimo

Částice skupin s názvy latinského původu

skupiny	latinský kořen	význam
nukleony	jádro	jádro

Částice skupin s názvy různého původu

skupiny	zdroj	vysvětlení
neutrina	Enrico Fermi (1901-1954) Itálie	italská zdrobnělina jména neutron (neutrone)., Neutrino by mohlo být přeloženo jako „malý neutrální“, aby kontrastovalo s neutronem, což je „velký neutrální“.
kvarky	Murray Gell-Mann (1929-2019) Spojené Státy americké	libovolný výrok později spojené s průchodem v Finnegans Wake — román od Irského modernistického autora Jamese Joyce. Chtěl znít jako opilý racek objednávající“ kvarty “ piva.,aternions absolutní hodnotu 1, {x ∈ ℍ: |x| =1} diffeomorphic na hypersphere (3-koule) homomorfní k rotaci skupiny, TAKŽE(3), množinu všech rotací o původu v běžném trojrozměrný euklidovský prostor U(1) 1. řádu jednotné skupiny množina všech 1 × 1 unitární matice izomorfní do kruhu skupiny, multiplikativní skupiny komplexních čísel s absolutní hodnotou 1, T = {x ∈ ℂ: |x| =1} izomorfní se TAK(2), druhým cílem speciální ortogonální skupiny lagrangeovské Co je tohle?, Standardní Model Lagrangian. Co se tam píše? Dám ti vědět, až na to přijdu.