Modelul Standard – Fizica Hypertextbook

Discuții

introducere

Modelul Standard este numele dat în 1970, pentru o teorie a particulelor fundamentale și modul în care acestea interacționează. A încorporat tot ce se știa despre particulele subatomice la acea vreme și a prezis și existența unor particule suplimentare.există șaptesprezece particule numite în modelul Standard, organizate în graficul prezentat mai jos., Ultimele particule descoperite au fost bosonii W și Z în 1983, quark-ul superior în 1995, neutrinul tau în 2000 și bosonul Higgs în 2012.

model Standard de particule (nucleoni incluse pentru comparație)
familie			particule	prezis/ descoperit		spin număr	(e)	culoare	mass (MeV/c2)
f e r m o n s	q u r k s	u	up quark	1964	1968	½	+⅔+	r, g, b	2.16
		d	quarc down	1964	1968	½	−⅓−	r, g, b	4.,t> +⅔+ r, g, b 1,270 în quark ciudat 1964 1968 ½ −⅓− b, g, b 93 suport top quark 1973 1995 ½ +⅔+ b, g, b 172,760 b jos quark 1973 1977 ½ −⅓− b, g, b 4,180 p t o n în electron 1874 1897 ½ −1− nimic 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	higgs	1964	2012	0	0	nimic	125,100

de particule familii

particulele Fundamentale sunt fie construirea de blocuri de materie, numite fermioni, sau mediatori de interacțiuni, numite bosoni. Există doisprezece fermioni numiți și cinci bosoni numiți în modelul Standard.,

Fermioni asculte o statistică regula descrisă de Enrico Fermi (1901-1954) din Italia, Paul Dirac (1902-1984) din Anglia, și Wolfgang Pauli (1900-1958) din Austria numit excluderea principiu. Pur și simplu spus, fermionii nu pot ocupa același loc în același timp. (Mai formal, nu există două fermioni pot fi descrise de aceleași numere cuantice. Leptonii și quarcii sunt fermioni, dar la fel sunt și lucrurile făcute din ei, cum ar fi protonii, neutronii, atomii, moleculele, oamenii și pereții. Acest lucru este de acord cu observațiile noastre macroscopice ale materiei în viața de zi cu zi., Oamenii nu pot trece prin ziduri decât dacă zidul se dă la o parte.

bosonii, în schimb, nu au nicio problemă să ocupe același loc în același timp. (Mai formal, doi sau mai mulți bosoni pot fi descriși de aceleași numere cuantice.) Statistice reguli care bosoni supune fost descris pentru prima data de Satyendra Bose (1894-1974) din India și Albert Einstein (1879-1955) din Germania. Gluonii, fotonii și W, Z și Higgs sunt toți bosoni. Ca particule care alcătuiesc lumina și alte forme de radiații electromagnetice, fotonii sunt bosonii cu care avem cea mai directă experiență., În experiența noastră de zi cu zi, nu vedem niciodată fascicule de lumină care se ciocnesc una de cealaltă. Fotonii sunt ca fantomele. Ei trec unul prin altul fără nici un efect.

particulele elementare au un moment unghiular de spin intrinsec S. adjectivul intrinsec înseamnă înnăscut sau esențial pentru lucrul în sine. Particulele elementare nu au rotire pentru că cineva le rotește. Ei doar se rotesc — sau, mai degrabă, au doar o cantitate măsurabilă cu aceleași unități ca momentul unghiular. În fizica actuală, particulele elementare sunt lipsite de caracteristici — ca un punct matematic., Pentru ca ceva să fie perceput ca învârtire, lucrurile care se învârt ar avea nevoie de ceva de genul „față” și „spate”. Fără caracteristici, particulele punctuale nu au așa ceva. Fizica particulelor este cel mai bine descrisă cu matematica. Spin este o etichetă convenabilă pentru o calitate măsurabilă și nu o descriere a realității.fiecare particulă elementară a asociat cu ea un număr cuantic de spin s (adesea numit numărul de spin sau doar spinul), unde s este orice număr întreg multiplu de jumătate. Fermionii au numere cuantice de spin integrale pe jumătate (½, 1½, 2½ etc.).,) și bosonii au numere cuantice de spin integrale (0, 1, 2, etc.). Nu există numere de spin sunt posibile între acestea. Spinul este o cantitate cuantificată.

fermionii elementari au o rotire de½. Particulele obținute din combinații de fermioni vor avea o rotire generală care este o combinație a rotirilor individuale. Un Barion compus din trei cuarci se va combina cu o rotire totală de ½ sau 1½, deoarece acestea sunt singurele combinații posibile, non-negative de½±½±½. Asta arată că toți barionii (cum ar fi protonii și neutronii, de exemplu) sunt, de asemenea, fermioni., De asemenea, un meson compus dintr-un quark și un antiquark va combina la un ansamblu de spin de 0 sau 1, deoarece acestea sunt singurele posibile, non-negative combinații de½±½. Asta arată că toți toți mezonii (cum ar fi pionul interacțiunii reziduale puternice, de exemplu) sunt, de asemenea, bosoni.

bosonii carying forța Modelului Standard (gluoni, fotoni, și W și Z) au spin 1, deoarece acestea merg cu câmpuri vectoriale. Bosonul Higgs corespunde unui câmp scalar, deci are spin 0., Dacă particula câmpului gravitațional este descoperită vreodată, aceasta ar fi numită graviton și ar avea un spin 2, deoarece corespunde unui câmp tensor. Un tensor este un obiect matematic care este mai complex decât un vector, care este la rândul său mai complex decât un scalar. Vedeți tendința? Un câmp scalar fără direcție primește o particulă cu spin 0. Un câmp vectorial cu o direcție devine o particulă cu spin 1. Un câmp tensor care se întinde și stoarce spațiul în două direcții devine o particulă cu spin 2.

toate particulele fundamentale și compozite au un număr cuantic de spin s (litere mici)., Acest lucru este asociat cu un spin Momentum unghiular S (majuscule). Unitatea SI de moment unghiular este kilogramul metru pătrat pe secundă sau, echivalent, al doilea joule, care este mult prea mare pentru particulele elementare. În schimb se folosește ℏ (bara h), cunoscută și sub denumirea de constantă Planck redusă (ℏ = h/2π). Din motive care depășesc domeniul de aplicare al acestei cărți, numărul cuantic de spin s (Care este doar un număr) și momentul unghiular de spin S (Care este un număr cu o unitate) nu sunt numeric aceleași. În schimb, ele sunt legate printr-o ecuație non-evidentă.,

S =	⎡ ⎣	s	⎛ ⎝	s	+ 1	⎞ ⎠	⎤½ ⎦	ℏ

Pentru particule cu spin numărul cuantic de 0, soluția este o decizie de rotire unghiulară a 0 ℏ.,

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

Pentru mai mare număr cuantic de spin de rotire unghiulară crește, dar dincolo de asta nu prea mai e altceva care poate fi pur și simplu de spus.,Fermionii sunt împărțiți în două grupuri de șase: cei care trebuie să se lege împreună se numesc cuarci, iar cei care pot exista independent se numesc leptoni.

cuvântul „quark” a apărut inițial într-un singur rând al romanului Finnegans Wake scris de autorul irlandez James Joyce (1882-1941). Protagonistul cărții este un publican pe nume Humphrey Chimpden Earwicker care visează că servește bere unui pescăruș beat (fără glumă). În loc să ceară „trei quarts pentru Mister Mark”, pasărea beată spune „trei Quark pentru Muster Mark”., Deoarece teoria modelului pre-Standard era completă cu doar trei quark-uri, numele avea sens. Modelul standard complet de astăzi are nevoie de șase quark-uri. Asta nu a făcut cuvântul mai puțin distractiv de spus. Quark! Cele șase arome de quark sunt în sus, în jos, ciudat, farmec, de sus și de jos. Numele aromelor sunt în esență lipsite de sens.

quark-urile sunt cunoscute pentru a se lega în tripleți și dublete. Tripleții sunt numiți barioni, un termen derivat din cuvântul grecesc βαρύς (varys) care înseamnă „greu”. Dubletele sunt numite mezoni, un termen derivat din cuvântul grecesc μέσος (mesos) care înseamnă „mediu”., Colectiv barioni (grele tripleti), mezoni (mijlocie dublete), și quarcii (particulele fundamentale) sunt cunoscute sub numele de hadroni, de la cuvântul grecesc αδρός (adros) sensul gros, robust, masiv, sau mari. Acest nume face aluzie la capacitatea Quark-urilor asemănătoare punctului de a se lega împreună și de a forma particule care sunt „groase” într-un anumit sens.ceilalți șase fermioni se numesc leptoni, un nume derivat din cuvântul grecesc λεπτός (leptos) care înseamnă subțire, delicat, ușor sau mic. Aceste particule nu trebuie să se lege între ele, ceea ce le menține „subțiri” într-un anumit sens., Inițial, leptonii au fost considerați particulele ” ușoare „și hadronii particulele” grele”, dar descoperirea lui tau lepton în 1975 a încălcat această regulă. Tau (cel mai greu lepton) este aproape de două ori mai masiv decât un proton (cel mai ușor hadron).Barionii găsiți în nucleu (protonul și neutronul) se numesc nucleoni. Cuvântul Latin pentru kernel este nucleu. Nucleonii se găsesc în „nucleul” metaforic al atomului. Barionii care conțin cel puțin un quark ciudat, dar fără farmec, de jos sau de sus, se numesc hiperoni., Cuvântul grecesc pentru dincolo Este τπέρ( yper), care sa transformat în prefixul englez hyper-. Hiperonii sunt particule care sunt” ieșite ” într-un anumit sens.

neutrinii sunt un subgrup important în leptoni. Ei vin în trei arome numite pentru partenerul lor leptoni. Electronul, miuonul și tau se potrivesc cu neutrinul electronului, neutrinul miuonului și neutrinul tau. Neutrinii au o masă foarte mică (chiar și pentru leptoni) și interacționează atât de slab cu restul particulelor încât sunt extrem de dificil de detectat. Numele este un joc de cuvinte., Cuvântul Italian pentru neutron (Neutron) sună ca cuvântul neutru (neutro) cu un sufix augmentativ (- one) însăilat la capăt. Adică sună ceva de genul” mare neutru ” pentru urechile italiene. Înlocuiți sufixul augmentativ-unul cu sufixul diminutiv – ino și aveți un „mic neutru”, care este o descriere bună a ceea ce este un neutrino — o particulă neutră diminutivă. Aaaaaw, atât de mic și neutru.

Fermionii aparțin uneia dintre cele trei generații cunoscute, de la obișnuit (I), la exotic (II), la foarte exotic (III)., (Acestea sunt adjectivele pe care le-am selectat pentru a descrie generațiile.) Particulele din generația I se pot combina pentru a forma hadroni cu o durată de viață efectiv infinită (atomi stabili din electroni, protoni și neutroni, de exemplu). Particulele din generația a II-a formează întotdeauna hadroni instabili. Cel mai longeviv hadron care conține un quark de generația a II-a este particula lambda (formată dintr-un quark în sus, în jos și ciudat). Are o durată medie de viață mai mică de o miliardime de secundă, care este considerată de lungă durată pentru un hadron instabil. Particulele din generația III sunt împărțite în comportamentul lor., Quark-ul de jos nu este mult mai străin decât un quark ciudat, dar quark-ul de sus este atât de scurt încât nu există suficient de mult pentru a face nimic. Se destramă înainte ca lumea să știe că există. Quarcurile de Top sunt cunoscute numai din produsele lor de dezintegrare.

interacțiunile particulelor

Trei din cele patru fundamentale fources naturii sunt incluse în Modelul Standard al fizicii particulelor — electromagnetismul, forța tare și forța slabă. (Gravitatea nu este inclusă în modelul Standard.,) Fiecare forță acționează între particule din cauza unor proprietăți ale acelei particule-sarcină pentru electromagnetism, culoare pentru forța puternică și aromă pentru forța slabă. Bosonii asociați cu fiecare forță sunt numiți bosoni ecartament — fotonul pentru electromagnetism, gluonii pentru forța puternică și bosonii W și Z pentru forța slabă.

încărcarea este proprietatea materiei care dă naștere fenomenelor electrice și magnetice (cunoscute colectiv ca electromagnetism)., Încărcarea este cuantificată, ceea ce înseamnă că poate exista numai în cantități discrete cu valori restrânse — multipli și fracții ale sarcinii elementare (e = 1,6 × 10-19 C). Particule care exista independent (electron, muon, și uta) de a efectua multipli de sarcini elementare (-1 e), în timp ce cuarci transporta fracțiuni de sarcini elementare (+⅔ e sau −⅓ e). Quark-urile se leagă întotdeauna în grupuri a căror încărcare totală este un multiplu integral al încărcăturii elementare, motiv pentru care nimeni nu a măsurat direct o încărcare fracționată., În plus, deoarece sarcinile opuse atrag, electronii tind să se lege de protoni pentru a forma atomi care sunt neutri în general. În mod normal, nu observăm natura electrică a materiei din această cauză.

particulele încărcate interacționează prin schimbul de fotoni — purtătorul forței electromagnetice. Ori de câte ori un electron respinge altul sau orice electron orbitează un nucleu, un foton este responsabil. Fotonii sunt fără masă, neîncărcați și au o gamă nelimitată., Modelul matematic utilizat pentru a descrie interacțiunea particulelor încărcate prin schimbul de fotoni este cunoscut sub numele de electrodinamică cuantică (QED).

Cuarci stick la alte cuarci pentru că ei posedă o caracteristică cunoscut sub numele de culoare (sau de culoare cost). Quark-urile vin într-una din cele trei culori: roșu, verde și albastru. Nu lăsa cuvintele să te inducă în eroare. Quark – urile sunt mult prea mici pentru a fi vizibile și astfel nu ar putea avea niciodată o proprietate perceptuală precum culoarea. Numele au fost alese din cauza unei analogii convenabile., Culorile cuarcilor din modelul Standard se combină ca culorile luminii în viziunea umană.

Lumina roșie plus lumina verde plus lumina albastră ne apare oamenilor ca lumină albă „incoloră”. Un Barion este un triplet de un roșu, unul verde și un quark albastru. Puneți-le împreună și obțineți o particulă neutră de culoare. O culoare plus culoarea opusă oferă și lumină albă. Lumina roșie plus lumina cyan arată la fel pentru oameni ca lumina albă, de exemplu. Un Mezon este un dublet dintr-un quark colorat și un antiquark anticolor. Puneți-le împreună și obțineți o particulă neutră de culoare.,

există ceva despre culoare care o face să vrea să se ascundă de ceva mai mare decât un nucleu. Quarcii nu suportă să fie despărțiți unul de celălalt. Ei trebuie doar să se alăture și să facă întotdeauna acest lucru într-un mod care ascunde culoarea lor din lumea exterioară. O culoare nu este niciodată favorizată față de alta atunci când cuarcii se reunesc. Materia este culoarea neutră până la scara foarte mică.

particulele colorate sunt legate între ele prin gluonii numiți corespunzător. Gluonii sunt, de asemenea, colorați, dar într-un mod mai complicat decât quarcii., Șase din cele opt gluoni au două culori, unul are patru, iar altul are șase. Gluonii lipesc quark-urile împreună, dar se lipesc și de ei înșiși. O consecință a acestui lucru este că ei nu pot ajunge și nu pot face mult dincolo de nucleu.

modelul matematic folosit pentru a descrie interacțiunea particulelor colorate prin schimbul de gluoni este cunoscut sub numele de Cromodinamică cuantică (QCD). Întreaga mizerie lipicioasă se numește forța puternică sau interacțiunea puternică, deoarece are ca rezultat forțe în nucleu care sunt mai puternice decât forța electromagnetică., Fără forța puternică, fiecare nucleu s-ar arunca în țăndări.

există douăsprezece fermioane elementare numite. Diferența dintre ele este una de aromă. Cuvântul ” aromă „este folosit aici pentru a însemna” tip ” și se aplică numai fermionilor. Nu lăsa cuvântul să te inducă în eroare. Particulele subatomice sunt mult prea mici pentru a avea caracteristici care ar putea fi observate direct de simțurile umane.,

particulele aromate interacționează slab prin schimbul de bosoni W sau Z — purtătorii forței slabe (cunoscuți și ca bosoni vectori intermediari). Când un neutron se descompune într− un proton, un boson W este responsabil. Modelul matematic utilizat pentru a descrie interacțiunea cu aroma de particule prin schimbul de bosonii W si Z este uneori cunoscut sub numele de quantum flavordynamics (QFD), dar acesta este un termen care nu este folosit de lucru fizicieni. La energii mai mari, forțele slabe și electromagnetice încep să pară din ce în ce mai asemănătoare., Modelul matematic care descrie aceste interacțiuni împreună este cunoscut sub numele de teoria electroweak (EWT). Acesta este numele convențional pentru teoria forței slabe.

masă și gravitație

se crede că toate fermionii au o masă de repaus diferită de zero. Particulele din generația I sunt mai puțin masive decât cele din Generația II, care sunt mai puțin masive decât cele din generația III. în cadrul generațiilor, cuarcii sunt mai masivi decât leptonii, iar neutrinii sunt mai puțin masivi decât ceilalți leptoni. Bosonii sunt împărțiți când vine vorba de masă., Gluonii și fotonii sunt fără masă. Bosonii W, Z și Higgs sunt masivi.masa este energie. O particulă în mișcare este mai masivă decât o particulă staționară, deoarece are energie cinetică. În mod logic, o particulă staționară nu ar trebui să aibă masă. Dacă am putea opri un foton (pe care nu îl putem) nu ar cântări nimic. Logica noastră pare să funcționeze. Dacă am putea opri un electron (pe care îl putem) ar cântări ceva. Logica noastră este ruptă. De ce unele particule cântăresc ceva în repaus, iar altele nu cântăresc nimic?,masa este energie, iar energia vine în două tipuri: energia cinetică (energia mișcării) și energia potențială (energia aranjamentului). Contribuția energiei cinetice la masă este minoră. Cea mai mare parte a masei din jurul nostru provine dintr-un fel de energie potențială. De exemplu, un proton este format din două quark-uri în sus și un quark în jos. Masele acestor trei quark-uri nu se adaugă la masa unui proton.

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

maselor pieselor sunt doar 1% din masa întregului. Restul de 99% provine din energia potențială a forței puternice care ține protonul împreună. Particulele care mediază forța puternică sunt gluonii. Energia de interacțiune a acestor particule de masă este ceea ce dă protonului cea mai mare parte a masei sale.,deci, de ce quarcii au masă, dar gluonii nu? Sau, după cum s-a afirmat istoric, de ce bosonii W și Z au masă, dar fotonul nu? Poate că există un alt fel de energie potențială. Poate că există o altă interacțiune acolo — o interacțiune pe care unele particule o simt și altele nu o simt. dacă există o interacțiune, există o particulă — o particulă care dă masă altor particule atunci când stau degeaba. Interacțiunea care dă masă particulelor elementare a fost propusă în 1964 de către oamenii de știință în trei locații independente.,

François Englert și Robert Adus de la L ‘ Université Libre de Bruxelles, în Belgia
Peter Higgs de la Universitatea din Edinburgh, în Scoția
Gerald Guralnik, Carl Hagen, și Tom Kibble la Imperial College, Londra,

ar trebui să fie numit Englert-Adus-Higgs-Guralnik-Hagen-Kibble mecanism, dar nu este. Pentru orice motiv, interacțiune care dă masă particulelor elementare este numit mecanismul Higgs și particula care mediază interacțiunea este numit bosonul Higgs, particula Higgs, sau (mai rar) higgson.,

se presupune că tot spațiul este umplut cu un câmp Higgs — o mare de fundal de bosoni Higgs virtuali care apar și ies din existență. Quarcii, leptonii și bosonii W și Z care se deplasează prin spațiu interacționează cu acest câmp, motiv pentru care aceste particule au masă. Fotonii și gluonii nu interacționează cu câmpul Higgs, motiv pentru care aceste particule nu au masă. Chiar și bosonul Higgs în sine interacționează cu câmpul Higgs. Se dă în masă!, Bosonul Higgs este diferit de ceilalți bosoni (gluoni, fotoni, bosoni W și Z) prin faptul că mecanismul Higgs nu are ca rezultat nimic asemănător unei forțe (cum ar fi forțele puternice, electromagnetice și slabe). Câmpul Higgs este un câmp scalar, iar bosonul Higgs este o particulă cu spin zero.gravitația este forța dintre obiecte datorită masei lor. Modelul matematic care ar descrie gravitația la nivelul particulelor este uneori numit geometrodinamică cuantică (QGD), dar este mai des menționată ca gravitația cuantică., Modelul Standard al fizicii particulelor nu include gravitația (și nici nu ar putea vreodată) și în prezent nu există o teorie cuantică a gravitației. Dacă ar exista, ar trebui să includă o particulă de cariere a forței. Numele propus pentru această particulă este gravitonul. Relativitatea generală descrie undele gravitaționale ca o perturbare tensorială care se propogates — una care taie spațiu-timp de-a lungul a două direcții perpendiculare alternante. Acest comportament bidimensional îi determină pe fizicienii teoretici să creadă că gravitonul ar avea spin two.,se speră că gravitația va fi îngrijită într-o teorie dincolo de modelul Standard. Într-un caz extrem de supraconfidență, unii teoreticieni propun ca o astfel de teorie să fie o teorie a tuturor lucrurilor. Având în vedere istoria științei (și al vieții în general), ceva care pretinde a fi în final o reprezentare a realității (științifice, economice, culturale, sau religioase) este cu siguranță sortit să fie înlocuit cu ceva mai mare și mai bine — sau cel puțin, ceva mai puțin greșit.

Nume, Nume, Nume

tema acestui subiect pare a fi”Nume, Nume, Nume”.,

grupuri de Particule numit după fizicieni
dincolo de

grupuri de Particule cu nume de origine latină
grupa	rădăcină latină	asta înseamnă
nucleoni	nucleu	kernel

grupuri de Particule cu nume de diverse origine
grupa	sursă	explicație
neutrinii	Enrico Fermi (1901-1954) Italia	italiană formă diminutiv de neutroni (neutrone)., Neutrino ar putea fi tradus ca ” micul neutru „pentru a-l contrasta cu neutronul, care este”marele neutru”.
cuarci	Murray Gell-Mann (1929-2019) Statele Unite ale americii	Un arbitrar rostire mai târziu asociat cu un pasaj în Finnegans Wake — un roman de Irlandez modernist autor James Joyce. Menit să sune ca un pescăruș beat comanda „quarts” de bere.,aternions de valoare absolută 1, {x ∈ ℍ: \|x\| =1} morfologică deformată la un hypersphere (3-sferă) homomorphic de rotație grup(3), un set de toate rotații despre originea obișnuit în trei dimensional spațiu euclidian U(1) ordinul 1 grup unitar un set de toate 1 × 1 matrici unitare izomorf cu grupul de cerc, de grup multiplicativ de numere complexe cu valoare absolută 1, T = {x ∈ ℂ: \|x\| =1} izomorf a DECI(2), cel de-al doilea pentru ortogonale speciale de grup lagrange Ce este asta?, Modelul Standard Lagrangian. Ce scrie? O să te anunț când o să-mi dau seama.