Физика от ЦЕРН (3): Стандартният модел

Теориите и откритията на хиляди физици от 30 - те години на миналия век насам са довели до забележителен поглед върху фундаменталната структура на материята: установено е, че всичко във Вселената е направено от няколко основни градивни елементи, наречени фундаментални частици, управлявани от четири фундаментални сили. Най-доброто разбиране, за това как тези частици и три от силите са свързани едни с други, е събрано в Стандартния модел на физиката на елементарните частици. Разработен в началото на 70-години на миналия век, той успешно обяснява почти всички експериментални резултати и точно прогнозира голямо разнообразие от явления. С течение на времето и чрез много експерименти Стандартният модел се утвърди като една добре изпитана физична теория. 

Частиците на материята 

Цялата материя около нас е направен от елементарни частици, градивните елементи на материята. Тези частици се срещат в два основни типа, наречени кварки и лептони. Всяка група се състои от шест частици, които са свързани по двойки, или "поколения". Най-леките и най-стабилни частици образуват първото поколение, докато по-тежките и по-малко стабилни частици принадлежат на второ и трето поколение. Цялата стабилна материя във Вселената е направена от частици, които принадлежат към първото поколение; някои по-тежки частици бързо се разпадат до следващото най-стабилно равнище. Шестте кварки са сдвоени в трите поколения – up (горен) кварк и down (долен) кварк формират първото поколение, следвани от charm (чаровен) кварк и strange (странен) кварк, а след това top (върховен) кварк и beauty (красив) кварк. Кварките притежават свойството цветен заряд или просто цвят (червен, зелен и син), които при свързване образуват безцветни обекти. Шестте лептоните също са подредени в три поколения – първо на електрона и електронното неутрино, второ на мю-лептона (мюон) и мюонното неутрино, и трето на тау – лептона и тау- неутриното. Електронът, мюонът и тау-лептонът имат електричен заряд и забележима маса, докато всички неутрино са електронеутрални и имат много малко маса. 

Сили и частици-посредници 

Във Вселената съществуват четири основни взаимодействия и съответни сили: силно ядрено, слабо ядрено, електромагнитно и гравитационно. Те имат различен интензитет и различен диапазон на действие. Гравитацията е най-слабото взаимодействие, но няма пространствено ограничение. Електромагнитното взаимодействие е присъщо на цялата Вселена, но е много пъти по-силно от гравитацията. Слабото и силно взаимодействие са ефективни само на много малки разстояния и доминират на нивото на субатомните частици. Въпреки името си, слабото ядрено взаимодействие е много по-силно от гравитацията, която от своя страна е най-слабото взаимодействие от останалите три. Силното взаимодействие, както подсказва и името, е най-силно от всички четири фундаментални взаимодействия. 

Три от основните сили са резултат и се проявяват чрез обмен на частици – посредници на съответното взаимодействие, които принадлежат към една широка група (семейство) и се наречат "бозони". Частиците на материята прехвърлят дискретни количества енергия чрез обмен на бозони едни с други. Всяка основна сила има свой съответен бозон - силното взаимодействие се осъществява от частици "глуони", електромагнитното взаимодействие се пренася от "фотони", а "W и Z бозоните" са отговорни за слабото взаимодействие. Въпреки че все още не е открит, "гравитонът" трябва да бъде частицата - посредник на гравитацията. Стандартният модел включва електромагнитното, силното и слабото ядрено взаимодействие и съответните им частици-посредници, и обяснява добре как тези сили действат върху всички частици на материята. Обаче най-познатата сила в нашето ежедневие, гравитацията, не е част от стандартния модел. Включването на гравитацията в Стандартния модел се оказа трудно предизвикателство. Квантовата теория, която се използва за описание на микросвета и Общата теория на относителността, използвана за описване на макросвета, засега трудно могат да се поберат в една  обща рамка. Никой не е успял да направи тези две теории математически съвместими в рамките на Стандартния модел. Но за щастие за физиката на елементарните частици, когато става въпрос за микромащаба на тези частици, ефектът на гравитацията е толкова слаб, че неговото действие може да се пренебрегне. Само когато материята е в огромно количество, в мащаба на човешкото тяло или на планетите например, тогава ефектите на гравитацията доминират. Така Стандартния модел все още работи добре, въпреки изключването на една от основните сили. 

Дотук добре, но... 

Стандартният модел е най-доброто описание на субатомния свят, но той не обяснява пълната картина на света. Теорията включва само три от четирите фундаментални сили, като се пропуска гравитацията. Има и други важни въпроси, на които той не отговаря, като например: "Какво е тъмната материя?", или "Какво се е случило с антиматерията след Големия взрив?", "Защо има три поколения кварки и лептони с толкова различна маса?" и др. Не на последно място е наличието на частицата, наречена Хигс бозон, основен компонент на Стандартния модел, която дава маса на частиците. На 8 октомври 2013 г. Нобеловата награда за физика беше присъдена на физиците Франсоа Енглерт и Питър Хигс "за теоретична откриването на механизъм, който допринася за нашето разбиране за произхода на масата от субатомни частици и който наскоро бе потвърден чрез откриването на прогнозираната фундаментална частица, от експериментите ATLAS и CMS в Големия адронен колайдер (LHC) на ЦЕРН."

Стандартният модел точно описва явленията в рамките на своята област, но все още картината на света е непълна. Може би тя е само част от по-голяма картина, която включва нови физични теории, скрити дълбоко в субатомния свят или в тъмните кътчета на Вселената. Очакваната нова информация от експериментите в LHC ще ни помогне да намерим повече от тези липсващи парчета.

Източник: ЦЕРН