Il modello Standard-La fisica Hypertextbook

Discussione

introduzione

Il modello standard è il nome dato nel 1970 ad una teoria delle particelle fondamentali e come interagiscono. Incorporava tutto ciò che era noto sulle particelle subatomiche all’epoca e prediceva anche l’esistenza di particelle aggiuntive.

Ci sono diciassette particelle denominate nel modello Standard, organizzate nel grafico mostrato di seguito., Le ultime particelle scoperte furono i bosoni W e Z nel 1983, il quark superiore nel 1995, il neutrino tau nel 2000 e il bosone di Higgs nel 2012.

modello Standard le particelle (nucleoni inclusi per confronto)
famiglia			particella	predetto/ scoperto		spin numero	carica e)	colore	massa (MeV/c2)
f e r m i o n s	d u r k s	u	fino quark	1964	1968	½	+⅔+	r, g, b	2.16
		d	giù di quark	1964	1968	½	−⅓−	r, g, b	4.,t> +⅔+ r, g, b 1,270 in quark strano 1964 1968 ½ −⅓− b, g, b 93 supporto quark top 1973 1995 ½ +⅔+ b, g, b 172,760 b quark bottom 1973 1977 ½ −⅓− b, g, b 4,180 con a p t o n in in elettrone 1874 1897 ½ −1− nessuno 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	bosone di higgs	1964	2012	0	0	nessuno	125,100

particella famiglie

particelle Fondamentali sono i mattoni della materia, chiamato fermioni, o i mediatori delle interazioni, chiamato bosoni. Ci sono dodici fermioni denominati e cinque bosoni denominati nel modello Standard.,

I fermioni obbediscono a una regola statistica descritta da Enrico Fermi (1901-1954) dell’Italia, Paul Dirac (1902-1984) dell’Inghilterra e Wolfgang Pauli (1900-1958) dell’Austria chiamata principio di esclusione. In parole semplici, i fermioni non possono occupare lo stesso posto allo stesso tempo. (Più formalmente, non ci sono due fermioni possono essere descritti dagli stessi numeri quantici.) Leptoni e quark sono fermioni, ma lo sono anche le cose fatte da loro come protoni, neutroni, atomi, molecole, persone e muri. Questo è d’accordo con le nostre osservazioni macroscopiche della materia nella vita di tutti i giorni., Le persone non possono camminare attraverso i muri a meno che il muro non si tolga di mezzo.

I bosoni, al contrario, non hanno alcun problema a occupare lo stesso posto allo stesso tempo. (Più formalmente, due o più bosoni possono essere descritti dagli stessi numeri quantici.) Le regole statistiche che i bosoni obbediscono furono descritte per la prima volta da Satyendra Bose (1894-1974) dell’India e Albert Einstein (1879-1955) della Germania. Gluoni, fotoni e W, Z e Higgs sono tutti bosoni. Come le particelle che compongono la luce e altre forme di radiazione elettromagnetica, i fotoni sono i bosoni con cui abbiamo l’esperienza più diretta., Nella nostra esperienza quotidiana, non vediamo mai fasci di luce schiantarsi l’uno contro l’altro. I fotoni sono come fantasmi. Passano l’uno attraverso l’altro senza alcun effetto.

Le particelle elementari hanno un momento angolare di spin intrinseco S. L’aggettivo intrinseco significa innato o essenziale per la cosa stessa. Le particelle elementari non hanno rotazione perché qualcuno le sta girando. Hanno appena spin-o meglio, hanno solo una quantità misurabile con le stesse unità del momento angolare. Nella fisica attuale, le particelle elementari sono senza caratteristiche-come un punto matematico., Affinché qualcosa possa essere percepito come spinning, la cosa che gira avrebbe bisogno di qualcosa come un” fronte “e un”retro”. Senza caratteristiche, le particelle puntiformi non hanno nulla di simile. La fisica delle particelle è meglio descritta con la matematica. Spin è una comoda etichetta per una qualità misurabile e non una descrizione della realtà.

Ogni particella elementare ha associato ad essa un numero quantico di spin s (spesso chiamato numero di spin o solo spin), dove s è un numero intero multiplo di mezzo. I fermioni hanno numeri quantici di spin a metà integrale ( ½ , 1½,2½, ecc.,) e i bosoni hanno numeri quantici di spin integrali (0, 1, 2, ecc.). Nessun numero di spin sono possibili tra questi. Spin è una quantità quantizzata.

I fermioni elementari hanno uno spin di½. Le particelle fatte da combinazioni di fermioni avranno un giro complessivo che è una combinazione dei singoli giri. Un barione composto da tre quark si combinerà con uno spin complessivo di ½ o 1½, poiché queste sono le uniche combinazioni possibili non negative di½±½±½. Ciò dimostra che tutti i barioni (come protoni e neutroni, per esempio) sono anche fermioni., Allo stesso modo, un mesone composto da un quark e un antiquark si combinerà con uno spin complessivo di 0 o 1 poiché queste sono le uniche combinazioni possibili, non negative di½±½. Ciò dimostra che tutti i mesoni (come il pione dell’interazione forte residua, per esempio) sono anche bosoni.

I bosoni che caricano la forza del modello standard (gluoni, fotoni e W e Z) hanno spin 1 poiché vanno con campi vettoriali. Il bosone di Higgs corrisponde a un campo scalare quindi ha spin 0., Se la particella del campo gravitazionale viene mai scoperta, sarebbe chiamata gravitone e avrebbe uno spin 2 poiché corrisponde a un campo tensoriale. Un tensore è un oggetto matematico più complesso di un vettore, che a sua volta è più complesso di uno scalare. Vedi la tendenza? Un campo scalare senza direzione ottiene una particella con spin 0. Un campo vettoriale con una direzione ottiene una particella con spin 1. Un campo tensoriale che allunga e stringe lo spazio in due direzioni ottiene una particella con spin 2.

Tutte le particelle fondamentali e composite hanno un numero quantico di spin s (minuscolo)., Questo è associato con uno spin momento angolare S (maiuscolo). L’unità SI del momento angolare è il chilogrammo metro quadrato al secondo o, equivalentemente, il secondo joule, che è troppo grande per le particelle elementari. Invece ℏ (h bar), noto anche come costante di Planck ridotta (ℏ = h/2π), viene utilizzato. Per ragioni che vanno oltre lo scopo di questo libro, il numero quantico di spin s (che è solo un numero) e il momento angolare di spin S (che è un numero con un’unità) non sono numericamente gli stessi. Invece, sono correlati da un’equazione non ovvia.,

=	é ⎣	s	æ ø	s	+ 1	ö ø	⎤½ ⎦	ℏ

Per particelle con spin numero quantico di 0, la soluzione e ‘ un buon momento angolare di spin 0 ℏ.,

S(0) =	é ⎣	0	æ ø	0	+ 1	ö ø	⎤½ ⎦	ℏ = 0 ℏ

Per maggiore spin numeri quantici di spin momento angolare aumenta, ma al di là che non c’è molto altro che può essere semplicemente detto.,

I fermioni sono divisi in due gruppi di sei: quelli che devono legarsi insieme sono chiamati quark e quelli che possono esistere indipendentemente sono chiamati leptoni.

La parola “quark” apparve originariamente in una singola riga del romanzo Finnegans Wake scritto dall’autore irlandese James Joyce (1882-1941). Il protagonista del libro è un pubblicano di nome Humphrey Chimpden Earwicker che sogna di servire birra a un gabbiano ubriaco (non è uno scherzo). Invece di chiedere ” tre quarti per Mister Mark “l’uccello ubriaco dice”tre quark per Muster Mark”., Poiché la teoria del modello pre-standard era completa con solo tre quark, il nome aveva un senso. Il modello standard completo oggi ha bisogno di sei quark. Questo non ha reso la parola meno divertente da dire. Quark! I sei sapori di quark sono su, giù, strano, fascino, superiore e inferiore. I nomi dei sapori sono essenzialmente privi di significato.

I quark sono noti per legarsi in terzine e doppietti. Le terzine sono chiamate barioni, un termine derivato dalla parola greca βαρύς (varys) che significa “pesante”. I doppietti sono chiamati mesoni, un termine derivato dalla parola greca μέσος (mesos) che significa “mezzo”., I barioni (le terzine pesanti), i mesoni (i doppietti medi) e i quark (le particelle fondamentali) sono noti come adroni, dalla parola greca αδρός (adros) che significa spesso, robusto, massiccio o grande. Questo nome allude alla capacità dei quark puntiformi di legarsi e formare particelle “spesse” in un certo senso.

Gli altri sei fermioni sono chiamati leptoni, un nome derivato dalla parola greca λεπτός (leptos) che significa sottile, delicato, leggero o piccolo. Queste particelle non hanno bisogno di legarsi l’una all’altra, il che le mantiene “sottili” in un certo senso., Originariamente i leptoni erano considerati le particelle ” leggere “e gli adroni le particelle” pesanti”, ma la scoperta del leptone tau nel 1975 infranse questa regola. Il tau (il lepton più pesante) è quasi due volte più massiccio di un protone (l’adrone più leggero).

I barioni trovati nel nucleo (il protone e il neutrone) sono chiamati nucleoni. La parola latina per kernel è nucleo. I nucleoni si trovano nel “kernel” metaforico dell’atomo. I barioni che contengono almeno un quark strano ma nessun quark charm, bottom o top sono chiamati iperoni., La parola greca per oltre è υπέρ (yper), che si è trasformata nel prefisso inglese hyper-. Gli iperoni sono particelle che sono” via d’uscita ” in un certo senso.

I neutrini sono un sottogruppo importante all’interno dei leptoni. Sono disponibili in tre sapori chiamati per i loro leptoni partner. L’elettrone, il muone e il tau sono abbinati al neutrino elettronico, al neutrino muonico e al neutrino tau. I neutrini hanno pochissima massa (anche per i leptoni) e interagiscono così debolmente con il resto delle particelle che sono eccezionalmente difficili da rilevare. Il nome è un gioco di parole., La parola italiana per neutrone (neutrone) suona come la parola neutro (neutro) con un suffisso aumentativo (- one) virato alla fine. Cioè, suona qualcosa come “grande neutro” per le orecchie italiane. Sostituisci il suffisso aumentativo-uno con il suffisso diminutivo — ino e hai un “piccolo neutro”, che è una buona descrizione di cosa sia un neutrino-una particella neutra diminutiva. Aaaaaw, così piccolo e neutro.

I fermioni appartengono a una delle tre generazioni conosciute dall’ordinario (I), all’esotico (II), al molto esotico (III)., (Questi sono gli aggettivi che ho selezionato per descrivere le generazioni.) Le particelle di generazione I possono combinarsi per formare adroni con durate di vita effettivamente infinite (atomi stabili fatti di elettroni, protoni e neutroni per esempio). Le particelle di generazione II formano sempre adroni instabili. L’adrone più longevo contenente un quark di generazione II è la particella lambda (fatta di un quark su, giù e strano). Ha una vita media di meno di un miliardesimo di secondo, che è considerato longevo per un adrone instabile. Le particelle di generazione III sono divise nel loro comportamento., Il quark inferiore non è molto più strano di uno strano quark, ma il quark superiore è così breve che non esiste abbastanza a lungo da fare nulla. Cade a pezzi prima ancora che il mondo sappia che esiste. I quark migliori sono noti solo dai loro prodotti di decadimento.

interazioni particellari

Tre delle quattro fources fondamentali della natura sono incluse nel modello standard della fisica delle particelle: l’elettromagnetismo, la forza forte e la forza debole. (Gravità non è incluso nel modello standard.,) Ogni forza agisce tra le particelle a causa di alcune proprietà di quella particella-carica per l’elettromagnetismo, colore per la forza forte e sapore per la forza debole. I bosoni associati a ciascuna forza sono chiamati bosoni di gauge: il fotone per l’elettromagnetismo, i gluoni per la forza forte e i bosoni W e Z per la forza debole.

La carica è la proprietà della materia che dà origine a fenomeni elettrici e magnetici (noti collettivamente come elettromagnetismo)., La carica è quantizzata, il che significa che può esistere solo in quantità discrete con valori limitati — multipli e frazioni della carica elementare (e = 1,6 × 10-19 C). Le particelle che esistono indipendentemente (l’elettrone, il muone e il tau) trasportano multipli della carica elementare (-1 e), mentre i quark trasportano frazioni della carica elementare (+e e o −⅓ e). I quark si legano sempre insieme in gruppi la cui carica totale è un multiplo integrale della carica elementare, motivo per cui nessuno ha mai misurato direttamente una carica frazionaria., Inoltre, poiché le cariche opposte si attraggono, gli elettroni tendono a legarsi ai protoni per formare atomi complessivamente neutri. Normalmente non notiamo la natura elettrica della materia a causa di questo.

Le particelle cariche interagiscono con lo scambio di fotoni — il vettore della forza elettromagnetica. Ogni volta che un elettrone respinge un altro o qualsiasi elettrone orbita attorno a un nucleo, un fotone è responsabile. I fotoni sono senza massa, non caricati e hanno un intervallo illimitato., Il modello matematico utilizzato per descrivere l’interazione di particelle cariche attraverso lo scambio di fotoni è noto come elettrodinamica quantistica (QED).

I quark si attaccano ad altri quark perché possiedono una caratteristica nota come colore (o carica di colore). I quark sono disponibili in uno dei tre colori: rosso, verde e blu. Non lasciatevi ingannare dalle parole. I quark sono troppo piccoli per essere visibili e quindi non potrebbero mai avere una proprietà percettiva come il colore. I nomi sono stati scelti a causa di una comoda analogia., I colori dei quark nel modello Standard si combinano come i colori della luce nella visione umana.

Luce rossa più luce verde più luce blu appare a noi umani come luce bianca “incolore”. Un barione è una tripletta di un quark rosso, uno verde e uno blu. Mettili insieme e ottieni una particella neutra di colore. Un colore più il suo colore opposto dà anche luce bianca. Luce rossa più luce ciano sembra lo stesso per gli esseri umani come luce bianca, per esempio. Un mesone è un doppietto di un quark colorato e un antiquark anticolorato. Mettili insieme e ottieni una particella neutra di colore.,

C’è qualcosa nel colore che lo fa desiderare di nascondersi da qualcosa di più grande di un nucleo. I quark non sopportano di essere separati l’uno dall’altro. Devono solo unirsi e farlo sempre in un modo che nasconde il loro colore dal mondo esterno. Un colore non è mai favorito su un altro quando i quark si riuniscono. La materia è di colore neutro fino alla scala molto piccola.

Le particelle colorate sono legate insieme dai gluoni opportunamente denominati. Anche i gluoni sono colorati, ma in un modo più complicato rispetto ai quark., Sei degli otto gluoni hanno due colori, uno ne ha quattro e un altro ne ha sei. I gluoni incollano i quark insieme, ma si attaccano anche a se stessi. Una conseguenza di ciò è che non possono raggiungere e fare molto oltre il nucleo.

Il modello matematico utilizzato per descrivere l’interazione di particelle colorate attraverso lo scambio di gluoni è noto come cromodinamica quantistica (QCD). L’intero pasticcio appiccicoso è chiamato la forza forte o la forte interazione poiché si traduce in forze nel nucleo che sono più forti della forza elettromagnetica., Senza la forza forte, ogni nucleo si farebbe esplodere in mille pezzi.

Ci sono dodici fermioni elementari denominati. La differenza tra loro è quella del sapore. La parola “sapore” è usata qui per significare “tipo” e si applica solo ai fermioni. Non lasciarti ingannare dalla parola. Le particelle subatomiche sono troppo piccole per avere caratteristiche che potrebbero essere osservate direttamente dai sensi umani.,

Le particelle aromatizzate interagiscono debolmente attraverso lo scambio di bosoni W o Z — i portatori della forza debole (noti anche come bosoni vettoriali intermedi). Quando un neutrone decade in un protone, un bosone W è responsabile. Il modello matematico utilizzato per descrivere l’interazione di particelle aromatizzate attraverso lo scambio di bosoni W e Z è talvolta noto come quantum flavordynamics (QFD), ma questo è un termine che non viene utilizzato dai fisici delle particelle di lavoro. A energie superiori, le forze deboli ed elettromagnetiche iniziano a sembrare sempre più simili., Il modello matematico che descrive queste interazioni insieme è noto come teoria elettrodebole (EWT). Questo è il nome convenzionale per la teoria della forza debole.

massa e gravità

Si pensa che tutti i fermioni abbiano una massa a riposo diversa da zero. Le particelle della generazione I sono meno massicce di quelle della generazione II, che sono meno massicce di quelle della generazione III.All’interno delle generazioni, i quark sono più massicci dei leptoni e i neutrini sono meno massicci degli altri leptoni. I bosoni sono divisi quando si tratta di massa., Gluoni e fotoni sono senza massa. I bosoni W, Z e Higgs sono massicci.

La massa è energia. Una particella in movimento è più massiccia di una particella stazionaria perché ha energia cinetica. Logicamente quindi, una particella stazionaria non dovrebbe avere massa. Se potessimo fermare un fotone (che non possiamo) non peserebbe nulla. La nostra logica sembra funzionare. Se potessimo fermare un elettrone (che possiamo) peserebbe qualcosa. La nostra logica è rotta. Perché alcune particelle pesano qualcosa a riposo e altre non pesano nulla?,

La massa è energia e l’energia è disponibile in due tipi: energia cinetica (l’energia del movimento) e energia potenziale (l’energia della disposizione). Il contributo dell’energia cinetica alla massa è minore. La maggior parte della massa intorno a noi proviene da una sorta di energia potenziale. Ad esempio, un protone è costituito da due quark up e un quark down. Le masse di questi tre quark non si sommano alla massa di un protone.

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

Le masse delle parti sono solo l ‘ 1% della massa di tutto. Il restante 99% proviene dall’energia potenziale della forza forte che tiene insieme il protone. Le particelle che mediano la forza forte sono i gluoni. L’energia di interazione di queste particelle massleess è ciò che dà al protone la maggior parte della sua massa.,

Quindi perché i quark hanno massa ma i gluoni no? O come la domanda è stata storicamente affermata, perché i bosoni W e Z hanno massa ma il fotone no? Forse c’è un altro tipo di energia potenziale. Forse c’è un’altra interazione là fuori — un’interazione che alcune particelle sentono e altre no. Se c’è un’interazione, c’è una particella — una particella che dà massa ad altre particelle quando stanno semplicemente seduti intorno a non fare nulla. L’interazione che dà massa alle particelle elementari è stata proposta nel 1964 dagli scienziati in tre luoghi indipendenti.,

François Englert e Robert Brout presso l’Université Libre de Bruxelles, in Belgio
Peter Higgs dell’Università di Edimburgo in Scozia
Gerald Guralnik, Carl Hagen, e Tom Kibble presso l’Imperial College, Londra

dovrebbe essere chiamato il Englert-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen-Crocchette meccanismo, ma non è così. Per qualsiasi motivo, l’interazione che dà massa alle particelle elementari è chiamato il meccanismo di Higgs e la particella che media l’interazione è chiamato il bosone di Higgs, la particella di Higgs, o (più raramente) il higgson.,

Si presume che tutto lo spazio sia riempito con un campo di Higgs — un mare di sfondo di bosoni di Higgs virtuali che spuntano dentro e fuori dall’esistenza. I quark, i leptoni e i bosoni W e Z che si muovono nello spazio interagiscono con questo campo, motivo per cui queste particelle hanno massa. I fotoni e i gluoni non interagiscono con il campo di Higgs, motivo per cui queste particelle non hanno massa. Anche il bosone di Higgs stesso interagisce con il campo di Higgs. Si dà massa!, Il bosone di Higgs è diverso dagli altri bosoni (gluoni, fotoni, bosoni W e Z) in quanto il meccanismo di Higgs non risulta in nulla simile a una forza (come le forze forti, elettromagnetiche e deboli). Il campo di Higgs è un campo scalare e il bosone di Higgs è una particella con spin zero.

La gravità è la forza tra gli oggetti a causa della loro massa. Il modello matematico che descriverebbe la gravità a livello di particella è talvolta chiamato geometrodinamica quantistica (QGD), ma è più spesso indicato come gravitazione quantistica., Il modello standard della fisica delle particelle non include la gravità (né potrebbe mai) e attualmente non esiste una teoria quantistica della gravitazione. Se ci fosse, dovrebbe includere una particella carica di forza. Il nome proposto per questa particella è il gravitone. La relatività generale descrive le onde gravitazionali come un disturbo del tensore che propoga — uno che taglia lo spazio-tempo lungo due direzioni perpendicolari alternate. Questo comportamento bidimensionale porta i fisici teorici a credere che il gravitone avrebbe spin due.,

Si spera che la gravità sarà curata in una teoria al di là del Modello Standard. In un caso estremo di eccessiva fiducia, alcuni teorici propongono che una tale teoria sarebbe una teoria di tutto. Data la storia della scienza (e della vita in generale), tutto ciò che pretende di essere la rappresentazione ultima della realtà (scientifica, economica, culturale o religiosa) è certamente destinato a essere sostituito da qualcosa di più grande e migliore — o per lo meno, qualcosa di meno sbagliato.

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Il tema di questo argomento sembra essere “nomi, nomi, nomi”.,

Gruppi di particelle che prendono il nome dai fisici
oltre

Particella gruppi con nomi di origine latina
gruppo	radice latina	significato
nucleoni	nucleo	kernel

Particella gruppi con i nomi di varie origine
gruppo	fonte	descrizione
neutrini	Enrico Fermi (1901-1954) Italia	italiano diminutivo di neutroni (neutrone)., Il neutrino potrebbe essere tradotto come il ” piccolo neutro “per contrastarlo con il neutrone, che è il”grande neutro”.
quark	Murray Gell-Mann (1929-2019) Stati Uniti	Un’espressione arbitraria in seguito associata a un passaggio in Finnegans Wake — un romanzo dell’autore modernista irlandese James Joyce. Doveva sembrare un gabbiano ubriaco che ordinava “litri” di birra.,aternions di assoluto valore 1 {x ∈ ℍ: \|x\| =1}. diffeomorphic per un hypersphere (3-sfera) homomorphic per la rotazione del gruppo so(3), l’insieme di tutte le rotazioni sull’origine ordinario spazio euclideo tridimensionale U(1) 1 ° ordine unitario di gruppo l’insieme di tutti i 1 × 1 unitario matrici isomorfi al gruppo, il gruppo moltiplicativo dei numeri complessi con valore assoluto 1, T = {x ∈ ℂ: \|x\| =1}. isomorfi a MODO(2), il secondo ordine di gruppo speciale ortogonale lagrangiana che Cosa è questo?, Il modello standard lagrangiano. Cosa dice? Ti faro ‘sapere quando lo capiro’.