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Standard-Anfänger-Partikelmodell

"Wir fragen uns, warum eine Gruppe talentierter und engagierter Menschen bereit ist, ihr Leben der Jagd nach so kleinen Objekten zu widmen, die Sie nicht einmal sehen können. Tatsächlich gibt es in den Studien von Teilchenphysikern eine menschliche Neugier und den Wunsch herauszufinden, wie die Welt ist, in der wir leben. “Sean Carroll

Wenn Sie immer noch Angst vor dem Ausdruck Quantenmechanik haben und immer noch nicht wissen, was ein Standardmodell ist, sind Sie herzlich willkommen Katze. In meiner Publikation werde ich versuchen, die Grundlagen der Quantenwelt sowie der Elementarteilchenphysik so einfach und klar wie möglich zu erklären. Wir werden versuchen herauszufinden, was die Hauptunterschiede zwischen Fermionen und Bosonen sind, warum Quarks so seltsame Namen haben und warum schließlich jeder das Higgs-Boson finden wollte.


Woraus bestehen wir?



Nun, dann beginnen wir unsere Reise in die Mikrowelt mit einer einfachen Frage: Woraus bestehen die uns umgebenden Objekte? Unsere Welt als Haus besteht aus vielen kleinen Ziegeln, die auf besondere Weise miteinander verbinden und etwas Neues schaffen, nicht nur im Aussehen, sondern auch in ihren Eigenschaften. Wenn Sie sie sich genauer ansehen, werden Sie feststellen, dass es nicht so viele verschiedene Arten von Blöcken gibt, sondern dass sie jedes Mal auf unterschiedliche Weise miteinander verbunden werden und neue Formen und Phänomene bilden. Jeder Block ist ein unteilbares Elementarteilchen, das in meiner Geschichte besprochen wird.

Nehmen Sie zum Beispiel eine Substanz, sei es das zweite Element des Periodensystems, Inertgas, Helium. Wie andere Substanzen im Universum besteht Helium aus Molekülen, die wiederum durch Bindungen zwischen Atomen gebildet werden. In diesem Fall ist Helium für uns etwas Besonderes, da es nur aus einem Atom besteht.



Woraus besteht ein Atom?


Das Heliumatom besteht wiederum aus zwei Neutronen und zwei Protonen, die den Atomkern bilden, um den sich zwei Elektronen drehen. Das Interessanteste ist, dass hier nur das Elektron absolut unteilbar ist .

Ein interessanter Moment in der Quantenwelt:

Je kleiner die Masse eines Elementarteilchens ist, desto mehr Platz benötigt es. Aus diesem Grund nehmen Elektronen, die 2000-mal leichter als ein Proton sind, im Vergleich zum Atomkern viel mehr Platz ein.


Neutronen und Protonen gehören zur Gruppe der sogenannten Hadronen (Teilchen, die einer starken Wechselwirkung unterliegen), genauer gesagt der Baryonen .

Hadronen können in Gruppen eingeteilt werden
  • Baryonen, die aus drei Quarks bestehen
  • Mesonen, die aus einem Paar bestehen: Antiteilchenpartikel


Das Neutron ist, wie der Name schon sagt, neutral geladen und kann in zwei untere und einen oberen Quark unterteilt werden. Ein Proton, ein positiv geladenes Teilchen, wird in einen unteren Quark und zwei obere Quarks unterteilt.



Ja, ja, ich scherze nicht, sie heißen wirklich oben und unten. Es scheint, dass wir, wenn wir die oberen und unteren Quarks und sogar das Elektron entdecken, sie verwenden können, um das gesamte Universum zu beschreiben. Aber diese Aussage wäre sehr weit von der Wahrheit entfernt.

Das Hauptproblem ist, dass die Partikel irgendwie miteinander interagieren müssen. Wenn die Welt nur aus dieser Dreifaltigkeit (Neutron, Proton und Elektron) bestehen würde, würden die Teilchen einfach durch die weiten Weiten des Weltraums fliegen und sich niemals zu größeren Formationen wie Hadronen sammeln.

Fermionen und Bosonen


Vor langer Zeit haben Wissenschaftler eine bequeme und prägnante Form der Darstellung von Elementarteilchen entwickelt, das sogenannte Standardmodell. Es stellt sich heraus, dass alle Elementarteilchen in Fermionen unterteilt sind , aus denen die gesamte Materie besteht, und in Bosonen , die verschiedene Arten von Wechselwirkungen zwischen Fermionen übertragen.

Der Unterschied zwischen diesen Gruppen ist sehr deutlich. Tatsache ist, dass Fermionen nach den Gesetzen der Quantenwelt etwas Platz brauchen, um zu überleben, und für Bosonen besteht fast kein Bedarf an freiem Raum.

Fermionen

Eine Gruppe von Fermionen erzeugt, wie bereits erwähnt, sichtbare Materie um uns herum. Was auch immer wir sehen, von Fermionen erschaffen. Fermionen sind in Quarks unterteilt , die stark miteinander interagieren und in komplexeren Partikeln wie Hadronen und Leptonen eingeschlossen sind , die unabhängig von ihren Gegenstücken frei im Raum existieren.

Quarks sind in zwei Gruppen unterteilt.
  • Top-Typ. Die Quarks des oberen Typs mit einer Ladung von +2 \ 3 umfassen: obere, bezauberte und echte Quarks
  • Unterer Typ. Die Quarks des unteren Typs mit einer Ladung von -1 \ 3 umfassen: niedrigere, seltsame und schöne Quarks
Wahr und lieblich sind die größten Quarks, und die oberen und unteren sind die kleinsten. Warum Quarks so ungewöhnliche Namen und genauer gesagt „Aromen“ erhalten haben, ist für Wissenschaftler immer noch umstritten.

Leptonen werden ebenfalls in zwei Gruppen unterteilt.
  • Die erste Gruppe mit einer Ladung von "-1" umfasst: ein Elektron, ein Myon (ein schwereres Teilchen) und ein Tau-Teilchen (das massereichste)
  • Die zweite Gruppe mit einer neutralen Ladung enthält: Elektronenneutrino, Myonenneutrino und Tau-Neutrino
Neutrino - ist ein kleines Materieteilchen, das kaum zu erkennen ist. Seine Ladung ist immer 0.

Es stellt sich die Frage, ob die Physiker noch einige Generationen von Teilchen finden werden, die im Vergleich zu den vorherigen noch massiver sind. Es ist schwer zu beantworten, aber Theoretiker glauben, dass die Generationen von Leptonen und Quarks um drei erschöpft sind.

Finden Sie keine Ähnlichkeit? Sind sowohl Quarks als auch Leptonen in zwei Gruppen unterteilt, die sich durch eine Ladung pro Einheit voneinander unterscheiden? Aber dazu später mehr ...

Bosonen

Ohne sie würden Fermionen in einem kontinuierlichen Strom durch das Universum fliegen. Aber beim Austausch von Bosonen erzählen sich Fermionen eine Art Interaktion. Die Bosonen selbst interagieren praktisch nicht miteinander.
Tatsächlich interagieren einige Bosonen immer noch miteinander, aber dies wird in den folgenden Artikeln zu Problemen mit der Mikrowelt ausführlicher erläutert. Die

von Bosonen übertragene Interaktion findet statt:

  • Elektromagnetische Teilchen sind Photonen. Mit Hilfe dieser masselosen Partikel wird Licht durchgelassen.
  • Starke Kernpartikel sind Gluonen. Mit ihrer Hilfe zerfallen Quarks aus dem Atomkern nicht in einzelne Teilchen.
  • Schwacher Kern , Partikel - ± W- und Z-Bosonen. Mit ihrer Hilfe werden Fermionen durch Masse und Energie verbreitet und können sich ineinander verwandeln.
  • Gravitationspartikel sind Gravitonen . Extrem schwache Mikroweltleistung. Es wird nur auf supermassiven Körpern sichtbar.


Reservierung der Gravitationswechselwirkung.
Die Existenz von Gravitonen wurde noch nicht experimentell bestätigt. Sie existieren nur in Form einer theoretischen Version. Im Standardmodell werden sie in den meisten Fällen nicht berücksichtigt.


Das ist alles, das Standardmodell ist montiert.





Die Probleme haben gerade erst begonnen



Trotz der sehr schönen Darstellung der Partikel im Diagramm bleiben zwei Fragen offen. Woher beziehen die Teilchen ihre Masse und was ist das Higgs-Boson , das sich vom Rest der Bosonen abhebt?

Um die Idee der Verwendung des Higgs-Bosons zu verstehen, müssen wir uns der Quantenfeldtheorie zuwenden. In einfachen Worten kann argumentiert werden, dass die ganze Welt, das gesamte Universum nicht aus den kleinsten Teilchen besteht, sondern aus vielen verschiedenen Feldern: Gluon, Quark, elektronisch, elektromagnetisch usw. In all diesen Bereichen treten ständig leichte Schwankungen auf. Aber wir nehmen die mächtigsten von ihnen als Elementarteilchen wahr. Und diese These ist sehr umstritten. Unter dem Gesichtspunkt der Welle-Teilchen-Dualität verhält sich dasselbe Objekt der Mikrowelt in verschiedenen Situationen entweder als Welle oder als Elementarteilchen. Es hängt nur davon ab, wie bequem es für den Physiker ist, den Prozess zu beobachten, um die Situation zu modellieren.

Higgs Field

Es stellt sich heraus, dass es ein sogenanntes Higgs-Feld gibt, dessen Durchschnittswert nicht gegen Null tendieren will. Infolgedessen versucht dieses Feld, im gesamten Universum einen konstanten Wert ungleich Null anzunehmen. Das Feld ist ein allgegenwärtiger und konstanter Hintergrund, aufgrund starker Schwankungen, von denen das Higgs-Boson auftritt.
Und dank des Higgs-Feldes sind Teilchen mit Masse ausgestattet.
Die Masse eines Elementarteilchens hängt davon ab, wie stark es mit dem Higgs-Feld interagiert und ständig darin fliegt.
Und gerade wegen des Higgs-Bosons oder vielmehr wegen seines Feldes weist das Standardmodell so viele ähnliche Partikelgruppen auf. Das Higgs-Feld musste viele zusätzliche Partikel bilden, wie zum Beispiel Neutrinos.

Zusammenfassung



Was ich Ihnen gesagt habe, sind die oberflächlichsten Konzepte über die Natur des Standardmodells und warum wir das Higgs-Boson brauchen. Einige Wissenschaftler hoffen immer noch tief im Inneren, dass ein Partikel, das 2012 gefunden wurde und dem Higgs-Boson im LHC ähnelt, einfach ein statistischer Fehler war. Immerhin verletzt das Higgs-Feld viele schöne Symmetrien der Natur, was die Berechnungen der Physiker verwirrender macht.
Einige glauben sogar, dass das Standardmodell aufgrund seiner Unvollkommenheit seine letzten Jahre überlebt. Dies wurde jedoch nicht experimentell bewiesen, und das Standardmodell der Elementarteilchen bleibt das aktuelle Modell des Genies des menschlichen Denkens.

Source: https://habr.com/ru/post/de382753/

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