Мир элементарных частиц подчиняется квантовым законам и всё ещё не до конца познан. Определяющим понятием при построении различных моделей взаимодействия элементарных частиц является понятие симметрии, понимаемое как математическое свойство неизменности процессов взаимодействия при различных преобразованиях координат или внутренних параметров модели. Такие преобразования образуют группы называемые группами симметрии.

Именно на основе понятия симметрии строится и Стандартная модель. Прежде всего, она обладает пространственно-временной симметрией относительно вращений и сдвигов в пространстве-времени. Соответствующая группа симметрии носит название группы Лоренца (или Пуанкаре). Этой симметрии соответствует независимость предсказаний от выбора системы отсчёта. Кроме того, имеются группы внутренней симметрии – симметрии относительно вращений в пространстве «изоспина» и «цвета» (в случае слабых и сильных взаимодействий соответственно). Также ещё имеется группа фазовых вращений, связанная с электромагнитными взаимодействиями. Этим симметриям соответствуют законы сохранения электрического заряда, «цветного» заряда и т.д. Полная группа внутренней симметрии Стандартной модели, полученная на основе анализа многочисленных экспериментальных данных, есть произведение унитарных групп SU(3) x SU(2) x U(1). Все частицы Стандартной модели принадлежат различным представлениям групп симметрии, причём частицы разного спина никогда не перемешиваются.

Стандартная модель – современная теория строения и взаимодействий элементарных частиц, теория базируется на очень небольшом количестве постулатов и позволяет теоретически предсказывать свойства различных процессов в мире элементарных частиц. Для описания свойств и взаимодействий элементарных частиц используется понятие физического поля, которое ставится в соответствие каждой частице: электронное, мюонное, кварковое и т.д. Поле есть специфическая форма распределения материи в пространстве. Поля, сопоставляемые элементарным частицам, имеют квантовую природу. Элементарные частицы являются квантами соответствующих полей. Рабочим инструментом Стандартной модели является квантовая теория поля. Квантовая теория поля (КТП) является теоретической основой описания микрочастиц, их взаимодействий и взаимопревращений. Maтематический аппарат квантовой теории поля (КТП) позволяет описать рождение и уничтожение частицы в каждой пространственно-временной точке.

Стандартная модель описывает три типа взаимодействия: электромагнитное, слабое и сильное. Гравитационное взаимодействие не входи в Стандартную модель.

Основным вопросом для описания динамики элементарных частиц является вопрос о выборе системы первичных полей, т.е. о выборе частиц (и соответственно полей), которые следует считать наиболее фундаментальными (элементарными) при описании наблюдаемых частиц материи. Стандартная модель отбирает в качестве фундаментальных частиц бесструктурные частицы со спином ½: три пары лептонов ( , ( и три пары кварков обычно группируемые в три поколения.

Недавнее открытие группы ученых во главе с Жоакимом Матиасом впервые серьезно поколебало основу современной физики частиц, а именно — Стандартную модель. Исследователям удалось предсказать нестандартный вариант распада частицы B-мезона, который данная модель не учитывает. Более того, практически сразу их догадки были подтверждены экспериментально.

Следует заметить, что в последнее время физики, занимающиеся изучением элементарных частиц, все чаще говорят о том, что этой дисциплине уже стало тесновато в рамках привычной всем Стандартной модели. Действительно, уже зарегистрировано много явлений, которые в ее рамках объяснить сложно. Например, эта модель не может предсказать, какие частицы могут составлять темную материю, а также не дает ответа на вопрос, который уже давно мучает ученых — почему в нашей Вселенной вещества больше, чем антивещества (барионная асимметрия). Да и эрзионная интерпретация процесса холодной трансмутации ядер, о которой мы не так давно писали, тоже выходит за пределы "действия" той самой Стандартной модели.

Тем не менее, все-так большинство физиков до сих пор придерживаются именно этого способа объяснения загадочной жизни элементарных частиц. Отчасти из-за того, что пока ничего лучшего никто не создал, отчасти же потому, что большая часть предсказаний Стандартной модели все-таки имеет экспериментальное подтверждение (чего нельзя сказать об альтернативных гипотезах). Более того, до последнего времени найти в экспериментах серьезные отклонения от этой модели все-таки не удавалось. Впрочем, похоже не так давно это все-таки случилось. Подобное может означать рождение совершенно новой теории физики частиц, согласно которой нынешняя Стандартная модель будет выглядеть частным случаем — так же, как ньютоновская теория всемирного тяготения выглядит частным случаем гравитации в рамках общей теории относительности.

А началось все с того, что международная группа физиков во главе с Жоакимом Матиасом сделали несколько предсказаний о том, какие именно отклонения по вероятности распада B-мезона могут расходиться со Стандартной моделью и свидетельствовать о новой физике. Напомню, что B-мезоном называют частицу, состоящую из b-кварка и d-антикварка. Согласно положениям Стандартной модели, эта частица может распадаться на мюон (отрицательно заряженная частица, по сути дела — очень тяжелый электрон) и антимюон, хотя вероятность подобного события не слишком велика. Тем не менее, в прошлом году на конференции в Киото физики, работающие на Большом адронном коллайдере сообщили, что им удалось зафиксировать следы подобного распада (причем с той вероятностью, что и была предсказана теоретически).

Группа Матиаса же посчитала, что этот мезон должен распадаться несколько по другому — на пару мюонов и неизвестную пока что частицу K*, которая почти сразу распадается на каон и пион (два более легких мезона). Примечательно, что о результатах своих изысканий ученые доложили 19 июля на собрании Европейского физического общества и следующий же докладчик из тех, кто выступал на данном мероприятии (это был физик Николя Серра из коллаборации LHCb с Большого адронного коллайдера) сообщил, что его группе удалось зафиксировать следы таких распадов. Более того, экспериментальные результаты группы Серра практически полностью совпали с отклонениями, предсказанными в докладе доктора Матиаса и его соавторов!

Интересно, что физики оценивают эти результаты со статистической значимостью в 4,5σ, а это означает, что достоверность описанного события весьма и весьма велика. Напомню, что экспериментальные свидетельства в три σ рассматриваются как результаты существенной значимости, а пять σ считаются вполне себе состоявшимся открытием — именно такое значение достоверности было присвоено результатам прошлогодних экспериментов, которые наконец-то обнаружили следы существования бозона Хиггса.

Тем не менее, сам доктор Матиас считает, что пока не стоит спешить с выводами. "Для подтверждения этих результатов потребуются дополнительные теоретические исследования, равно как и новые замеры. Однако если наши выводы действительно верны, мы окажемся перед лицом первого прямого подтверждения существования новой физики — теории более общей, чем общепринятая Стандартная модель. Если бозон Хиггса позволил наконец-то сложить пазл Стандартной модели, то эти результаты могут быть первым кусочком нового пазла — куда большего размера" — говорит ученый.

Что представляет собой структура Стандартной модели? Какими свойствами обладают частицы, входящие в Стандартную модель? Возможно ли существование четвертого поколения элементарных частиц? На эти и другие вопросы отвечает доктор физико-математических наук Дмитрий Казаков.

Последняя треть XX века ознаменовалась тем, что была создана, подтверждена экспериментально, принята и увенчана Нобелевской премией Стандартная модель фундаментальных взаимодействий. Что это такое?

Прежде всего, это модель, которая описывает фундаментальные частицы материи и все их взаимодействия. Модель эта является моделью квантовой теории поля и формулируется как лагранжева квантовая теория поля. Это теория, которая описывается как квантовая механика полей, квантами которых являются элементарные частицы, и включает в себя все фундаментальные частицы материи. Таких частиц не так уж много - это шесть кварков и шесть лептонов. Они участвуют в трех видах : сильном, слабом и электромагнитном. Гравитационное взаимодействие в данном случае мы игнорируем в силу его малости, и оно не входит в Стандартную модель. Итак, три вида взаимодействий и шесть типов частиц.

У Стандартной модели есть структура, эта структура обычно связывается с группами симметрии. Три вида взаимодействий - три группы симметрии. Все эти группы относятся к одному и тому же классу - это так называемые унитарные группы. Электромагнитные взаимодействия описываются группой симметрии SU (1), унитарные группы с одним параметром, и, соответственно, одна частица-переносчик электромагнитных взаимодействий - это фотон. У слабых взаимодействий группа симметрии SU (2), здесь уже есть три параметра, и, соответственно, есть три частицы-переносчика слабых взаимодействий - это W- и Z-бозоны. Сильные взаимодействия описываются группой SU (3), здесь уже восемь параметров и, соответственно, восемь полей-переносчиков взаимодействий - их называют глюонами. Это что касается переносчиков взаимодействий.

Сами частицы материи тоже относятся к представлениям групп симметрии. С точки зрения группы сильных взаимодействий - а в них участвуют только кварки - кварки выступают в Стандартной модели в виде триплетов, то есть они имеют квантовые числа, приобретающие три значения, часто это называют словом «цвет»: синий, красный, зеленый. В слабых взаимодействиях все частицы выступают в виде дублетов - это низшее представление группы симметрии слабых взаимодействий. У нас существуют верхние и нижние кварки, электрон и нейтрино - вот примеры двух дублетов.

Интересно, что кварки и лептоны повторяют друг друга, это называется поколениями. Есть первое поколение, второе поколение и третье поколение Стандартной модели. Вообще говоря, не очень понятно, почему природа выбрала три поколения. Есть первое поколение частиц, из которых состоит весь наблюдаемый мир, есть копия - второе поколение, и есть третья копия - это третье поколение. В Стандартную модель входят . Эти частицы являются фундаментальными в том смысле, что мы не видим никакой структуры в этих частицах.

Вообще-то говоря, абсолютного утверждения сделать нельзя, поскольку раньше протон тоже казался частицей без структуры, а потом эта структура была обнаружена. Поэтому нельзя сказать, что те частицы, которые мы сейчас считаем бесструктурными, являются такими всегда.

Возможно, в будущем что-то нам приоткроется, что сейчас не известно. Но на сегодняшний день те частицы, которые составляют Стандартную модель, являются бесструктурными точечными частицами - это кварки и лептоны, они представляются как точечные частицы Стандартной модели. Если мы хотим описать какой-то процесс, происходящий в природе, - как правило, в нем участвуют не сами кварки, а частицы, составленные из кварков, то есть адроны. Лептоны же - электрон, мюон, таон - по-прежнему наблюдаются в виде свободных или взаимодействующих частиц в природе. Поэтому процессы, которые описываются с лептонами, непосредственно описываются Стандартной моделью, с адронами - опосредованно.

Так или иначе, любые взаимодействия и любые превращения, которые мы наблюдаем в природе как на малых, так и на больших расстояниях, описываются Стандартной моделью.

В этом смысле Стандартная модель венчает собой все здание физики элементарных частиц и в некоем смысле все здание фундаментальной физики, поскольку описывает самые фундаментальные законы природы, которые известны на сегодняшний день.

Какими же свойствами обладают частицы, входящие в Стандартную модель? Прежде всего, мы привыкли описывать квантовый мир с помощью так называемых квантовых чисел. Примером квантового числа является электрический заряд. Электрический заряд - это характеристика частицы, которая нам понятна. Частицы бывают положительно заряженные, отрицательно заряженные, вовсе не заряженные, и электрический заряд - это на самом деле квантовое число, которое сохраняется в природе. Сохранение электрического заряда в Стандартной модели описывается соответствующей группой симметрии, из теории симметрии следует сохранение электрического заряда.

Но это не единственная характеристика частиц, поскольку, как известно, в Стандартной модели есть три группы симметрии. Сильные взаимодействия описывают цветные объекты. Цвет, конечно, понятие условное, просто квантовое число, которое приобретает три значения, удобно обозначать для наглядности цветом. Так вот, цветной заряд тоже обладает группой симметрии и тоже сохраняющаяся величина, цветной заряд кварков сохраняется. В слабых взаимодействиях есть свой заряд, его называют левым из-за спина - немножко сложное название, имеющее историческую причину, но это тоже характеристика слабых взаимодействий, это тоже заряд, который сохраняется. Таким образом, все частицы имеют квантовые числа, квантовые заряды, которые сохраняются, как следует из симметрии Стандартной модели.

В Стандартной модели есть свойства, которые на первый взгляд не очень понятны. Например, когда мы говорим о кварках, мы говорим, что кварки нельзя наблюдать в свободном состоянии. То есть мы настолько уверены, что кварки существуют внутри адронов, что тот факт, что мы их не можем напрямую наблюдать, нам не кажется уже странным. Но свойства, которыми обладают эти частицы, очень хорошо проявляются на эксперименте, и поэтому на эксперименте мы подтверждаем все свойства Стандартной модели.

Есть характеристики, которые неочевидны. Например, Стандартная модель описывает массы частиц и переходы одного сорта частиц в другие, при этом сохраняя нужные симметрии. Интересный пример слабого взаимодействия, в котором происходит нарушение ряда симметрий, в частности нарушение пространственной четности или нарушение зарядового сопряжения, когда частицы заменяются на античастицы.

Что еще входит в Стандартную модель? Помимо кварков и лептонов в Стандартную модель входит хиггсовский бозон. возник в теории по той причине, что понадобилось найти механизм, который дал бы массу всем частицам Стандартной модели. Это было достигнуто путем спонтанного обнаружения симметрии, путем введения в теорию дополнительного скалярного поля, то есть обладающего спином ноль, который получил название хиггсовский бозон.

Тем самым полный состав полей Стандартной модели состоит из шести кварков, шести лептонов, одного хиггсовского бозона и переносчиков всех трех видов взаимодействий. Все эти частицы экспериментально открыты. Последней открытой частицей был хиггсовский бозон - он был открыт в 2012 году. Все остальные были открыты еще в XX веке, последним было открыто нейтрино, которое называется таонное нейтрино, третье нейтрино, и оно было открыто в 2000 году. Тем самым XX век завершил Стандартную модель за исключением хиггсовского бозона, и все частицы экспериментально подтверждены.

Возникает вопрос: заканчивается ли на этом история или, может быть, есть еще какие-то частицы, которые не вошли пока в Стандартную модель, но должны будут туда войти? Или, может быть, существует что-то совсем другое, что не описывается Стандартной моделью? На все эти вопросы есть различные ответы, истину мы пока не знаем.

Прежде всего, если говорить о новых частицах типа новых кварков и новых лептонов, которые еще не открыты, как я уже сказал, в Стандартной модели есть три поколения этих частиц. Спрашивается: есть ли четвертое поколение? Экспериментально четвертого поколения не видно. Более того, есть косвенные данные, связанные как с экспериментами физики частиц, так и в космологии, что, возможно, четвертого поколения и нет. Дело в том, что в Стандартной модели есть так называемая : сколько кварков, столько и лептонов. А вот на лептоны (точнее говоря, на нейтрино) , что количество независимых полей нейтрино равно трем. Там есть небольшая лазейка для четвертого, но, по всей вероятности, она тоже скоро будет закрыта.

Если число нейтрино равно трем и есть кварк-лептонная симметрия, то и число поколений всех остальных частиц равно трем, и тем самым мы завершаем Стандартную модель.

Хиггсовский бозон только один. Может ли их быть два, или четыре, или больше? Ответ такой же: возможно. Возможно, существуют другие хиггсовские бозоны, возможно, мы открыли пока только один. Но теория разрешает присутствие большого количества хиггсовских бозонов. Есть ли они или нет - это вопрос к эксперименту. В этом смысле может так оказаться, что Стандартная модель еще не завершена, еще будут открыты новые частицы. Но, может быть, и нет - одного бозона достаточно, чтобы дать массу всем частицам.

Новые взаимодействия - мы говорили о трех видах взаимодействий, которые входят в Стандартную модель, все они реализуются как обмен переносчиками, калибровочными полями со спином единица. В некотором смысле и хиггсовский бозон может рассматриваться как переносчик четвертого взаимодействия, когда он выступает как переносчик взаимодействия со спином ноль. Но есть ли еще? Нет ли каких-то новых взаимодействий или каких-то новых групп симметрии, более широких, чем Стандартная модель? Не входит ли Стандартная модель как составная часть в какую-то более общую теорию? Этот вопрос тоже открыт. Не исключено, что это так, не исключено, что она входит в более общую теорию, но этого пока не видно.

Надо сказать, что, когда мы говорим о том, что Стандартная модель триумфально завершилась, мы говорим о том, что все без исключения эксперименты, которые ставятся на ускорителях, в подземной физике, в космосе, - все они блестяще, совершенно с завидной точностью, с точностью иногда до десяти десятитысячных знаков, описываются Стандартной моделью. В этом смысле это совершенно уникальная модель, которая позволяет описать огромную часть неживой природы с помощью очень простых универсальных математических формул.

Современное представление о физике частиц содержится в так называемой Стандартной Модели . Стандартная Модель (СМ) физики частиц базируется на квантовой электродинамике, квантовой хромодинамике и кварк-партонной модели.
Квантовая электродинамика (КЭД) − высокоточная теория − описывает процессы, происходящие под действием электромагнитных сил, которые изучены с высокой степенью точности.
Квантовая хромодинамика (КХД), описывающая процессы сильных взаимодействий, строится по аналогии с КЭД, но в большей степени является полуэмпирической моделью.
Кварк-партонная модель объединяет теоретические и экспериментальные результаты исследований свойств частиц и их взаимодействий.
До сего времени не обнаружено отклонений от Стандартной Модели.
Основное содержание Стандартной Модели представлено в таблицах 1, 2, 3. Конституентами материи являются три поколения фундаментальных ферми онов (I, II, III), свойства которых перечислены в табл. 1. Фундаментальные бозоны - переносчики взаимодействий (табл. 2), которые можно представить с помощью диаграммы Фейнмана (рис. 1).

Таблица 1: Фермионы − (спин полуцелый в единицах ћ) конституенты материи

Таблица 2: Бозоны - переносчики взаимодействий (спин = 0, 1, 2 ... в единицах ћ)

Таблица 3: Сравнительные характеристики фундаментальных взаимодействий

Сила взаимодействия указана относительно сильного.

Рис. 1: Диаграмма Фейнмана: А + В = С + D, а − константа взаимодействия, Q 2 = -t − 4-импульс, который частица А передает частице В в результате одного из четырех типов взаимодействий.

1.1 Основные положения Стандартной Модели

• Адроны состоят из кварков и глюонов (партонов). Кварки − фермионы со спином 1/2 и массой m 0; глюоны - бозоны со спином 1 и массой m = 0.
• Кварки классифицируются по двум признакам: аромат и цвет. Известно 6 ароматов кварков и 3 цвета для каждого кварка.
• Аромат - характеристика, сохраняющаяся в сильных взаимодействиях.
• Глюон составлен из двух цветов − цвета и антицвета, а все остальные квантовые числа у него равны нулю. При испускании глюона кварк меняет цвет, но не аромат. Всего работает 8 глюонов.
• Элементарные процессы в КХД строятся по аналогии с КЭД: тормозное испускание глюона кварком, рождение кварк-антикварковых пар глюоном. Процесс рождения глюонов глюоном не имеет аналога в КЭД.
• Статическое глюонное поле не стремится к нулю на бесконечности, т.е. полная энергия такого поля бесконечна. Таким образом, кварки не могут вылетать из адронов, имеет место конфайнмент.
• Между кварками действуют силы притяжения, имеющие два необычных свойства: а) асимптотическую свободу на очень малых расстояниях и б) инфракрасное пленение - конфайнмент, благодаря тому, что потенциальная энергия взаимодействия V(r) неограниченно растет с увеличением расстояния между кварками r, V(r) = -α s /r + ær, α s и æ − константы.
• Кварк-кварковое взаимодействие не аддитивно.
• В виде свободных частиц могут существовать только цветовые синглеты:
  мезонный синглет, для которого волновая функция определяется соотношением

и барионный синглет с волновой функцией

где R - красный, В - синий, G - зеленый.

• Различают токовые и составляющие кварки, которые имеют разные массы.
• Сечения процесса А + В = С + Х с обменом одним глюоном между кварками, входящими в состав адронов, записываются в виде:

ŝ = x a x b s, = x a t/x c .

Символами a, b, c, d обозначены кварки и относящиеся к ним переменные, символами А, В, С − адроны, ŝ, , , − величины, относящиеся к кваркам, − функция распределения кварков а в адроне А (или, соответственно, - кварков b в адроне В), − функция фрагментации кварка с в адроны С, d/dt − элементарное сечение qq взаимодействия.

1.2 Поиск отклонений от Стандартной Модели

При существующих энергиях ускоренных частиц хорошо выполняются все положения КХД и тем более КЭД. В планирующихся экспериментах с более высокими энергиями частиц одной из главных задач считается поиск отклонений от Стандартной Модели.
Дальнейшее развитие физики высоких энергий связано с решением следующих задач:

1. Поиск экзотических частиц, имеющих структуру, отличную от принятой в Стандартной Модели.
2. Поиск нейтринных осцилляции ν μ ↔ ν τ и связанная с этим проблема массы нейтрино (ν m ≠ 0).
3. Поиск распада протона, время жизни которого оценивается величиной τ эксп > 10 33 лет.
4. Поиск структуры фундаментальных частиц (струны, преоны при расстояниях d < 10 -16 см).
5. Обнаружение деконфайнмированной адронной материи (кварк-глюонной плазмы).
6. Изучение нарушения СР-инвариантности при распаде нейтральных K-мезонов, D-мезонов и B-частиц.
7. Изучение природы тёмной материи.
8. Изучение состава вакуума.
9. Поиск Хиггс-бозона.
10. Поиск суперсимметричных частиц.

1.3 Нерешенные вопросы Стандартной Модели

Фундаментальная физическая теория, Стандартная Модель электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий элементарных частиц (кварков и лептонов) является общепризнанным достижением физики XX века. Она объясняет все известные экспериментальные факты в физике микромира. Однако существует целый ряд вопросов, на которые в Стандартной Модели нет ответа.

1. Неизвестна природа механизма спонтанного нарушения электрослабой калибровочной инвариантности.

• Объяснение существования масс у W ± - и Z 0 -бозонов требует введения в теорию скалярных полей с неинвариантным относительно калибровочных преобразований основным состоянием -вакуумом.
• Следствием этого является возникновение новой скалярной частицы - бозона Хиггса.

1. СМ не объясняет природу квантовых чисел.

• Что такое заряды (электрические; барионные; лептонные: Le, L μ , L τ : цветовые: синий, красный, зеленый) и почему они квантуются?
• Почему существует 3 поколения фундаментальных фермионов (I, II, III)?

1. СМ не включает гравитацию, отсюда путь включения гравитации в СМ - Новая гипотеза о существовании дополнительных измерений в пространстве микромира.
2. Нет объяснения, почему фундаментальный масштаб Планка (М ~ 10 19 ГэВ) так далек от фундаментального масштаба электрослабых взаимодействий (М ~ 10 2 ГэВ).

В настоящее время наметился путь решения этих проблем. Он состоит в развитии нового представления о структуре фундаментальных частиц. Предполагается, что фундаментальные частицы представляют собой объекты, которые принято называть "струнами". Свойства струн рассматриваются в быстро развивающейся Модели Суперструн, которая претендует на установление связи между явлениями, происходящими в физике элементарных частиц и в астрофизике. Такая связь привела к формулировке новой дисциплины - космологии элементарных частиц.

Стандартная модель - это современная теория строения и взаимодействий элементарных частиц, многократно проверенная экспериментально. Эта теория базируется на очень небольшом количестве постулатов и позволяет теоретически предсказывать свойства тысяч различных процессов в мире элементарных частиц. В подавляющем большинстве случаев эти предсказания подтверждаются экспериментом, иногда с исключительно высокой точностью, а те редкие случаи, когда предсказания Стандартной модели расходятся с опытом, становятся предметом жарких споров.

Стандартная модель - это та граница, которая отделяет достоверно известное от гипотетического в мире элементарных частиц. Несмотря на впечатляющий успех в описании экспериментов, Стандартная модель не может считаться окончательной теорией элементарных частиц. Физики уверены, что она должна быть частью некоторой более глубокой теории строения микромира . Что это за теория - достоверно пока неизвестно. Теоретики разработали большое число кандидатов на такую теорию, но только эксперимент должен показать, что из них отвечает реальной ситуации, сложившейся в нашей Вселенной. Именно поэтому физики настойчиво ищут любые отклонения от Стандартной модели, любые частицы, силы или эффекты, которые Стандартной моделью не предсказываются. Все эти явления ученые обобщенно называют «Новая физика»; именно поиск Новой физики и составляет главную задачу Большого адронного коллайдера .

Основные компоненты Стандартной модели

Рабочим инструментом Стандартной модели является квантовая теория поля - теория, приходящая на смену квантовой механике при скоростях, близких к скорости света. Ключевые объекты в ней не частицы, как в классической механике, и не «частицы-волны», как в квантовой механике, а квантовые поля : электронное, мюонное, электромагнитное, кварковое и т. д. - по одному для каждого сорта «сущностей микромира».

И вакуум, и то, что мы воспринимаем как отдельные частицы, и более сложные образования, которые нельзя свести к отдельным частицам, - всё это описывается как разные состояния полей. Когда физики употребляют слово «частица», они на самом деле имеют в виду именно эти состояния полей, а не отдельные точечные объекты.

Стандартная модель включает в себя следующие основные ингредиенты:

• Набор фундаментальных «кирпичиков» материи - шесть сортов лептонов и шесть сортов кварков . Все эти частицы являются фермионами со спином 1/2 и очень естественным образом организуются в три поколения. Многочисленные адроны - составные частицы, участвующие в сильном взаимодействии, - составлены из кварков в разных комбинациях.
• Три типа сил , действующих между фундаментальными фермионами, - электромагнитные, слабые и сильные. Слабое и электромагнитное взаимодействия являются двумя сторонами единого электрослабого взаимодействия . Сильное взаимодействие стоит отдельно, и именно оно связывает кварки в адроны.
• Все эти силы описываются на основе калибровочного принципа - они не вводятся в теорию «насильно», а словно возникают сами собой в результате требования симметричности теории относительно определенных преобразований. Отдельные виды симметричности порождают сильное и электрослабое взаимодействия.
• Несмотря на то что в самой теории имеется электрослабая симметрия, в нашем мире она самопроизвольно нарушается. Спонтанное нарушение электрослабой симметрии - необходимый элемент теории, и в рамках Стандартной модели нарушение происходит за счет хиггсовского механизма .
• Численные значения для примерно двух десятков констант : это массы фундаментальных фермионов, численные значения констант связи взаимодействий, которые характеризуют их силу, и некоторые другие величины. Все они раз и навсегда извлекаются из сравнения с опытом и при дальнейших вычислениях уже не подгоняются.

Кроме того, Стандартная модель - перенормируемая теория, то есть все эти элементы вводятся в нее таким самосогласованным способом, который, в принципе, позволяет проводить вычисления с нужной степенью точности. Впрочем, зачастую вычисления с желаемой степенью точностью оказываются неподъемно сложными, но это проблема не самой теории, а, скорее, наших вычислительных способностей.

Что может и чего не может Стандартная модель

Стандартная модель - это, во многом, описательная теория. Она не дает ответы на многие вопросы, начинающиеся с «почему»: почему частиц именно столько и именно таких? откуда взялись именно эти взаимодействия и именно с такими свойствами? зачем природе понадобилось создавать три поколения фермионов? почему численные значения параметров именно такие? Кроме того, Стандартная модель не способна описать некоторые явления, наблюдаемые в природе. В частности, в ней нет места массам нейтрино и частицам темной материи. Стандартная модель не учитывает гравитацию и неизвестно, что с этой теорией происходит на планковском масштабе энергий, когда гравитация становится чрезвычайно важной.

Если же использовать Стандартную модель по своему назначению, для предсказания результатов столкновений элементарных частиц, то она позволяет, в зависимости от конкретного процесса, выполнять вычисления с разной степенью точности.

• Для электромагнитных явлений (рассеяние электронов, энергетические уровни) точность может достигать миллионных долей и даже лучше. Рекорд тут держит аномальный магнитный момент электрона, который вычислен с точностью лучше одной миллиардной.
• Многие высокоэнергетические процессы, которые протекают за счет электрослабых взаимодействий, вычисляются с точностью лучше процента.
• Хуже всего поддается расчету сильное взаимодействие при не слишком высоких энергиях. Точность расчета таких процессов сильно варьируется: в одних случаях она может достигать процентов, в других случаях разные теоретические подходы могут давать ответы, различающиеся в несколько раз.

Стоит подчеркнуть, что тот факт, что некоторые процессы тяжело рассчитать с нужной точностью, не означает, что «теория плохая». Просто она очень сложная, и нынешних математических приемов пока не хватает, чтоб проследить все ее следствия. В частности, одна из знаменитых математических Задач тысячелетия касается проблемы конфайнмента в квантовой теории с неабелевым калибровочным взаимодействием.

Дополнительная литература:

• Базовые сведения о хиггсовском механизме можно найти в книге Л. Б. Окуня «Физика элементарных частиц» (на уровне слов и картинок) и «Лептоны и кварки» (на серьезном, но доступном уровне).