Стандартная модель


Станда́ртная моде́ль (СМ) — теоретическая конструкция в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Современная формулировка была завершена в 2000-е годы после экспериментального подтверждения существования кварков. Открытие t-кварка (1995)[1], b-кварка (1977) и тау-нейтрино (2000), подтвердило правильность СМ.

Стандартная модель не является теорией всего, так как не описывает тёмную материю, тёмную энергию и не включает в себя гравитацию. Экспериментальное подтверждение существования промежуточных векторных бозонов в середине 80-х годов завершило построение Стандартной модели и её принятие как основной. Необходимость незначительного расширения модели возникла в 2002 году, после обнаружения нейтринных осцилляций, а подтверждение существования бозона Хиггса в 2012 году завершило экспериментальное обнаружение предсказываемых Стандартной моделью элементарных частиц[2].

Тем не менее СМ крайне важна для теоретической и экспериментальной физики элементарных частиц. Для теоретиков СМ — основополагающий пример теории, демонстрирующий широкий ряд физических феноменов включая спонтанное нарушение симметрии, квантовые аномалии[en] и т. п. Она используется как базис для построения более экзотических моделей, включающих гипотетические частицы, дополнительные размерности и расширенные симметрии (например, суперсимметрию), в попытках объяснить экспериментальные результаты, не охваченные СМ. В свою очередь, экспериментаторы используют СМ для поиска феноменов, выходящих за её пределы. Кроме того, СМ нашла применение в областях за пределами физики элементарных частиц, таких как астрономия, космология и ядерная физика.

Стандартная модель включает в себя следующие ингредиенты: 6 кварков, 6 лептонов, 4 частицы-переносчика силовых взаимодействий, а также 1 хиггсовский бозон. Если учитывать античастицы и различные цветовые заряды у глюонов, то в общей сложности СМ описывает 61 уникальную частицу[3][4].

Основы стандартной модели были заложены в 1960 году Шелдоном Глэшоу, пытавшимся объединить электромагнитное и слабое взаимодействия. В 1967 году Стивен Вайнберг и Абдус Салам включили в теорию Глэшоу механизм Хиггса, придав ей современную форму. Механизм Хиггса необходим для появления массы у всех элементарных частиц СМ — W-бозонов, Z-бозонов, кварков и лептонов. В 1973 году в ЦЕРНе были открыты нейтральные токи, переносимые Z-бозоном, после чего электрослабая теория получила широкое признание. Глэшоу, Салам и Вайнберг разделили в 1979 году Нобелевскую премию по физике за её создание. W- и Z-бозоны были экспериментально обнаружены в 1981 году, и их массы соответствовали предсказанию СМ. Теория сильного взаимодействия, к которой причастны многие учёные, приобрела современную форму около 1973—1974 годах, когда эксперименты подтвердили, что адроны состоят из кварков обладающих дробным зарядом.


Стандартная модель элементарных частиц
МезонМезонБарионНуклонКваркЛептонЭлектронАдронАтомМолекулаФотонW- и Z-бозоныГлюонГравитонЭлектромагнитное взаимодействиеСлабое взаимодействиеСильное взаимодействиеГравитацияКвантовая электродинамикаКвантовая хромодинамикаКвантовая гравитацияЭлектрослабое взаимодействиеТеория великого объединенияТеория всегоЭлементарная частицаВеществоБозон Хиггса
Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц и теории, описывающие их взаимодействия. Элементарные частицы слева — фермионы, справа — бозоны. (Термины — гиперссылки на статьи ВП)
Стандартная модель. Показаны спин, заряд и масса элементарных частиц, а также их взаимодействия
Взаимодействия в Стандартной модели. Все диаграммы Фейнмана в модели строятся из комбинаций этих вершин. q — любой кварк, g — глюон, X — любая заряженная частица, γ — фотон, f — любой фермион, m — любая частица с массой (возможно, за исключением нейтрино), mB — любой бозон с массой. На диаграммах с несколькими метками частиц, разделенными символом /, выбирается одна метка частицы. На диаграммах с метками частиц, разделёнными символом | метки должны быть выбраны в том же порядке. Например, в четырёхбозонном электрослабом случае допустимыми диаграммами являются WWWW, WWZZ, WWγγ, WWZγ. Допускается также сопряжение каждой из перечисленных вершин (обратное направление стрелок)[9].
Взаимодействие между различными частицами в Стандартной модели