Standard modell. For et dumt navn for den mest nøyaktige vitenskapelige teorien kjent for menneskeheten. Mer enn en fjerdedel av Nobelprisene i fysikk fra forrige århundre ble tildelt til verk som enten var direkte eller indirekte relatert til standardmodellen. Navnet hennes er selvfølgelig slik at du kan kjøpe en forbedring for et par hundre rubler. Enhver teoretisk fysiker foretrekker den "fantastiske teorien om nesten alt", som den virkelig er.
Mange husker spenningen blant forskere og i media over oppdagelsen av Higgs boson i 2012. Men oppdagelsen kom ikke som en overraskelse og kom ikke ut av ingensteds - den markerte 50-årsjubileet for den vinnende strek av Standard Model. Den inkluderer alle grunnleggende krefter unntatt tyngdekraften. Ethvert forsøk på å tilbakevise det og demonstrere i laboratoriet at det trengte å bli fullstendig omarbeidet - og det var mange - mislyktes.
Kort sagt svarer Standardmodellen på dette spørsmålet: hva er alt laget av og hvordan passer alt sammen?
De minste byggesteinene
Fysikere elsker enkle ting. De ønsker å knuse alt til sin kjerne, for å finne de mest grunnleggende byggesteinene. Det er ikke så lett å gjøre dette i nærvær av hundrevis av kjemiske elementer. Forfedrene våre trodde at alt består av fem elementer - jord, vann, ild, luft og eter. Fem er mye enklere enn hundre og atten. Og også feil. Du vet helt sikkert at verden rundt oss er laget av molekyler, og molekyler er laget av atomer. Kemner Dmitry Mendeleev fant ut av dette på 1860-tallet og presenterte atomer i tabellen over elementer, som studeres i skolen i dag. Men det er 118 av disse kjemiske elementene. Antimon, arsen, aluminium, selen … og 114 til.
I 1932 visste forskere at alle disse atomene består av bare tre partikler - nøytroner, protoner og elektroner. Nøytroner og protoner er nært knyttet til hverandre i kjernen. Elektroner, tusenvis av ganger lettere enn dem, sirkler rundt kjernen med en hastighet nær lys. Fysikerne Planck, Bohr, Schrödinger, Heisenberg og andre har introdusert en ny vitenskap - kvantemekanikk - for å forklare denne bevegelsen.
Det ville være flott å stoppe der. Bare tre partikler. Det er enda enklere enn fem. Men hvordan klistrer de seg sammen? Negativt ladede elektroner og positivt ladede protoner holdes sammen av kreftene til elektromagnetisme. Men protonene spretter i kjernen, og deres positive ladninger bør skyve dem vekk. Selv nøytrale nøytroner vil ikke hjelpe.
Salgsfremmende video:
Hva binder disse protonene og nøytronene sammen? "Guddommelig intervensjon"? Men selv et guddommelig vesen ville ha problemer med å holde rede på hver av 1080 protoner og nøytroner i universet, og holde dem med viljestyrke.
Utvide dyrehagen med partikler
I mellomtiden nekter naturen desperat å lagre bare tre partikler i sin dyrehage. Til og med fire, fordi vi trenger å redegjøre for fotonet, partikkelen av lys beskrevet av Einstein. Fire ble til fem da Anderson målte positivt ladede elektroner - positroner - som traff jorden fra det ytre rom. Fem ble seks da pionen som holdt kjernen som en helhet og spådd av Yukawa ble oppdaget.
Da dukket muon opp - 200 ganger tyngre enn elektronet, men ellers tvillingen. Klokka er allerede syv. Ikke så lett.
På 1960-tallet var det hundrevis av "grunnleggende" partikler. I stedet for et godt organisert periodisk bord var det bare lange lister med baryoner (tunge partikler som protoner og nøytroner), mesoner (som Yukawa-pioner) og leptoner (lette partikler som elektroner og unnvikende nøytrinoer), uten noen organisering eller prinsipper for design.
Og i denne avgrunnen ble Standard Model født. Det var ingen innsikt. Archimedes hoppet ikke ut av badet og ropte "Eureka!" Nei, i stedet, midt på 1960-tallet, gjorde noen få smarte mennesker viktige forutsetninger som gjorde denne kvagmyren, først til en enkel teori, og deretter til femti år med eksperimentell testing og teoretisk utvikling.
Kvarker. De fikk seks alternativer som vi kaller smaker. Som blomster, bare ikke så velsmakende luktende. I stedet for roser, liljer og lavendel, kom vi oss opp og ned, rare og fortryllende, nydelige og sanne kvarker. I 1964 lærte Gell-Mann og Zweig oss hvordan vi blander tre kvarker for å lage en baryon. En proton er to opp og en ned kvark; nøytron - to nedre og en øvre. Ta en kvark og en antikvark - få en meson. En pioner er en opp eller ned kvark assosiert med en opp eller ned antikvark. Alle saker vi har å gjøre med består av opp og ned kvarker, antikvarker og elektroner.
Enkelhet. Ikke akkurat enkelhet, for det er ikke lett å holde kvarkene bundet. De binder seg så tett sammen at du aldri vil finne en kvark eller antikvark som vandrer på egen hånd. Teorien om denne forbindelsen og partiklene som tar del i den, nemlig gluoner, kalles kvante kromodynamikk. Dette er en viktig del av standardmodellen, matematisk sammensatt, og noen steder til og med uløselig for grunnleggende matematikk. Fysikere gjør sitt beste for å gjøre beregninger, men noen ganger er det matematiske apparatet ikke tilstrekkelig utviklet.
Et annet aspekt ved Standardmodellen er "leptonmodellen". Dette er tittelen på et landemerke-papir fra 1967 av Steven Weinberg som kombinerte kvantemekanikk med essensiell kunnskap om hvordan partikler interagerer og organiserer dem i en enhetlig teori. Han slo på elektromagnetisme, assosierte den med en "svak kraft" som fører til visse radioaktive forfall, og forklarte at dette er forskjellige manifestasjoner av den samme styrken. Higgs-mekanismen ble inkludert i denne modellen, og ga masse til grunnleggende partikler.
Siden den gang har standardmodellen spådd resultatene av eksperimenter etter resultater, inkludert oppdagelsen av flere varianter av kvarker og W- og Z-bosoner - tunge partikler som i svake interaksjoner spiller den samme rollen som et foton i elektromagnetisme. Muligheten for at nøytrinoer har masse ble savnet på 1960-tallet, men bekreftet av standardmodellen på 1990-tallet, flere tiår senere.
Oppdagelsen av Higgs-bosonet i 2012, som lenge var spådd av standardmodellen og etterlengtet, kom imidlertid ikke som en overraskelse. Men det var nok en stor seier for Standardmodellen over de mørke kreftene som partikkelfysikere jevnlig forventer i horisonten. Fysikere liker ikke at standardmodellen ikke samsvarer med ideene deres om det enkle, de er bekymret for dens matematiske inkonsekvens, og de leter også etter måter å inkludere tyngdekraften i ligningen. Det er klart, dette oversettes til forskjellige teorier om fysikk, som kan være etter standardmodellen. Slik oppstod storslagen foreningsteorier, supersymmetri, technocolor og strengteori.
Teorier utenfor standardmodellen har dessverre ikke funnet vellykkede eksperimentelle bevis og ingen store feil i standardmodellen. Femti år senere er det Standardmodellen som kommer nærmest å være en teori om alt. Utrolig teori om nesten alt.
Ilya Khel
