Стандартна модель — це теорія у фізиці елементарних частинок, яка пояснює, як фундаментальні частинки та сили Всесвіту взаємодіють одна з одною. Він поєднує в собі квантову механіку та спеціальну теорію відносності, щоб забезпечити основу для розуміння структури матерії в найменших масштабах. Стандартна модель підтверджується експериментальними даними та є однією з найбільш ретельно перевірених теорій у науці.
Стандартна модель описує три з чотирьох відомих фундаментальних сил у Всесвіті: електромагнітну, слабку ядерну та сильну ядерну сили. Вона не включає гравітацію, яка описується загальною теорією відносності. Модель класифікує всі відомі елементарні частинки на дві основні групи: ферміони та бозони.
Ферміони є будівельними блоками матерії. Вони поділяються на дві групи: кварки і лептони. Кварки бувають шести «ароматів»: вгору, вниз, чарівність, дивно, верх і низ. Вони поєднуються певним чином, утворюючи протони та нейтрони, які утворюють ядра атомів. До лептонів належать електрони, мюони, тау та відповідні їм нейтрино. Електрони обертаються навколо атомного ядра, утвореного протонами та нейтронами, утворюючи атоми.
Бозони — це частинки, які є посередниками фундаментальних сил між ферміонами. Фотон ( \(\gamma\) ) є носієм електромагнітної сили, бозони W і Z є посередниками слабкої ядерної сили, а глюони ( \(g\) ) несуть сильну ядерну силу. Бозон Хіггса ( \(H\) ) — це особлива частинка, пов'язана з полем Хіггса, яка надає масу іншим частинкам.
Електромагнітна сила описується теорією квантової електродинаміки (КЕД). Він відповідає за взаємодію між зарядженими частинками через обмін фотонами. Електромагнітна сила зв’язує електрони з атомними ядрами, утворюючи атоми. Рівняння взаємодії для електромагнітної сили можна представити у вигляді:
\( F = \frac{k e \cdot q 1 \cdot q_2}{r^2} \)де \(F\) — сила, \(k e\) — постійна Кулона, \(q1\) і \(q_2\) — заряди, а \(r\) — відстань між зарядами.
Слабка ядерна сила відповідає за радіоактивний розпад і певні ядерні реакції. Це опосередковується бозонами W і Z. Прикладом процесу, що включає слабку силу, є бета-розпад, коли нейтрон у ядрі атома перетворюється на протон, випускаючи електрон і електронне антинейтрино ( \(\bar{\nu}_e\) ). Взаємодію можна представити як:
\( n \rightarrow p + e^- + \bar{\nu}_e \)Сильна ядерна сила зв’язує кварки, утворюючи протони та нейтрони, і утримує атомне ядро разом. Це найсильніша з чотирьох основних сил, але діє на дуже короткій відстані. Сильна сила опосередковується глюонами, і її сила описується квантовою хромодинамікою (КХД). Сила між кварками визначається як:
\( F_{strong} \propto \frac{1}{r^2} \textrm{ на короткі відстані} \)але зростає з відстанню, утримуючи кварки всередині протонів і нейтронів.
Механізм Хіггса пояснює, як частинки набувають маси. Він пропонує поле, поле Хіггса, яке пронизує Всесвіт. Частинки, взаємодіючи з цим полем, набувають масу; чим сильніша взаємодія, тим важча частинка. Бозон Хіггса — це квантована частинка, пов’язана з цим полем, відкрита в 2012 році на Великому адронному колайдері (LHC) CERN.
Прогнози Стандартної моделі були підтверджені численними експериментами. Відомі відкриття включають топ-кварк (1995), тау-нейтрино (2000) і бозон Хіггса (2012). Великий адронний колайдер (LHC) CERN і коллайдер Tevatron від Fermilab зіграли вирішальну роль у цих відкриттях. Ці експерименти включають зіткнення частинок при високих енергіях і спостереження за результатами, які дають змогу зрозуміти фундаментальні складові матерії та сили, що на них діють.
Хоча стандартна модель була надзвичайно успішною, вона має обмеження. Це не пояснює темну матерію та темну енергію Всесвіту, асиметрію матерії та антиматерії чи силу тяжіння. Такі теорії, як суперсиметрія та теорія струн, пропонують розширення Стандартної моделі для вирішення цих таємниць, але експериментальних підтверджень цих теорій досі немає.
Поточні дослідження фізики елементарних частинок спрямовані на поглиблення нашого розуміння Всесвіту, що потенційно призведе до більш повної теорії, яка включає всі чотири фундаментальні сили та вирішує питання Стандартної моделі, на які немає відповіді.
