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Modèle de particules standard pour débutant

"Nous nous demandons pourquoi un groupe de personnes talentueuses et dévouées est prêt à consacrer leur vie à la chasse à de si petits objets que vous ne pouvez même pas voir? En fait, dans les études des physiciens des particules, il y a une curiosité humaine et un désir de découvrir comment est le monde dans

lequel nous vivons. »Sean Carroll Si vous avez toujours peur de l'expression mécanique quantique et ne savez toujours pas ce qu'est un modèle standard, bienvenue à chat. Dans ma publication, j'essaierai d'expliquer les bases du monde quantique, ainsi que la physique des particules élémentaires, aussi simplement et clairement que possible. Nous allons essayer de comprendre quelles sont les principales différences entre les fermions et les bosons, pourquoi les quarks ont des noms si étranges, et enfin, pourquoi tout le monde voulait trouver le boson de Higgs.


De quoi sommes-nous faits?



Eh bien, alors, nous commençons notre voyage dans le micromonde avec une question simple: en quoi consistent les objets qui nous entourent? Notre monde, en tant que maison, se compose de nombreuses petites briques qui, d'une manière spéciale, se connectent, créent quelque chose de nouveau, non seulement en apparence, mais aussi en leurs propriétés. En fait, si vous les regardez de près, vous pouvez constater qu'il n'y a pas tellement de types de blocs différents, juste que chaque fois qu'ils se connectent les uns aux autres de différentes manières, formant de nouvelles formes et de nouveaux phénomènes. Chaque bloc est une particule élémentaire indivisible, qui sera discutée dans mon histoire.

Par exemple, prenez une substance, que ce soit le deuxième élément du tableau périodique, gaz inerte, hélium. Comme d'autres substances dans l'Univers, l'hélium est constitué de molécules, qui à leur tour sont formées par des liaisons entre atomes. Mais dans ce cas, pour nous, l'hélium est un peu spécial, car il ne comprend qu'un seul atome.



En quoi consiste un atome?


L'atome d'hélium, quant à lui, se compose de deux neutrons et de deux protons qui composent le noyau atomique, autour duquel tournent deux électrons. La chose la plus intéressante est que seul l' électron est absolument indivisible ici .

Un moment intéressant dans le monde quantique.

Le plus la masse d'une particule élémentaire, le plus d' espace qu'il faut. C'est pour cette raison que les électrons, qui sont 2000 fois plus légers qu'un proton, occupent beaucoup plus d'espace que le noyau d'un atome.


Les neutrons et les protons appartiennent au groupe des soi-disant hadrons (particules soumises à une forte interaction) ou, pour être plus précis, des baryons .

Les hadrons peuvent être divisés en groupes
  • Baryons, qui se composent de trois quarks
  • Mésons constitués d'une paire: particule antiparticule


Le neutron, comme son nom l'indique, est chargé de manière neutre et peut être divisé en deux quarks inférieurs et un quark supérieur. Un proton, une particule chargée positivement, est divisé en un quark inférieur et deux quarks supérieurs.



Oui, oui, je ne plaisante pas, on les appelle vraiment supérieurs et inférieurs. Il semblerait que si nous découvrions les quarks supérieurs et inférieurs, et même l'électron, nous pourrions alors les utiliser pour décrire l'Univers entier. Mais cette déclaration serait très loin de la vérité.

Le problème principal est que les particules doivent en quelque sorte interagir les unes avec les autres. Si le monde n'était composé que de cette trinité (neutron, proton et électron), les particules voleraient simplement à travers les vastes étendues de l'espace et ne se rassembleraient jamais en formations plus grandes, comme les hadrons.

Fermions et Bosons


Il y a assez longtemps, les scientifiques ont mis au point une forme pratique et concise de représentation des particules élémentaires, appelée modèle standard. Il s'avère que toutes les particules élémentaires sont divisées en fermions , dont toute la matière est composée, et en bosons qui transfèrent différents types d'interactions entre les fermions.

La différence entre ces groupes est très claire. Le fait est que les fermions ont besoin d'espace pour survivre selon les lois du monde quantique, et pour les bosons, il n'y a presque pas besoin d'espace libre.

Fermions

Un groupe de fermions, comme déjà mentionné, crée de la matière visible autour de nous. Tout ce que nous voyons, créé par fermions. Les fermions sont divisés en quarks , interagissant fortement les uns avec les autres et enfermés à l'intérieur de particules plus complexes comme les hadrons et les leptons , qui existent librement dans l'espace indépendamment de leurs homologues.

Les quarks sont divisés en deux groupes.
  • Type supérieur. Les quarks du type supérieur, avec une charge de +2 \ 3, comprennent: les quarks supérieurs, charmés et vrais
  • Type inférieur. Les quarks du type inférieur, avec une charge de -1 \ 3, comprennent: les quarks inférieurs, étranges et charmants
Vrai et beau sont les plus grands quarks, et le haut et le bas sont les plus petits. La raison pour laquelle les quarks ont reçu des noms aussi inhabituels et, plus exactement, des «arômes» est toujours un sujet de controverse pour les scientifiques.

Les leptons sont également divisés en deux groupes.
  • Le premier groupe, avec une charge de "-1", comprend: un électron, un muon (une particule plus lourde) et une particule tau (la plus massive)
  • Le deuxième groupe, avec une charge neutre, contient: neutrino électronique, neutrino muon et neutrino tau
Neutrino - est une petite particule de matière, qui est presque impossible à détecter. Sa charge est toujours 0.

La question se pose de savoir si les physiciens trouveront quelques générations de particules de plus en plus massives par rapport aux précédentes. Il est difficile d'y répondre, mais les théoriciens pensent que les générations de leptons et de quarks sont épuisées par trois.

Ne trouvez-vous aucune ressemblance? Les quarks et les leptons sont-ils divisés en deux groupes qui diffèrent l'un de l'autre par une charge par unité? Mais plus là-dessus plus tard ...

Bosons

Sans eux, les fermions volaient en continu dans l'univers. Mais en échangeant des bosons, les fermions se disent une sorte d'interaction. Les bosons eux-mêmes n'interagissent pratiquement pas entre eux.
En fait, certains bosons interagissent toujours entre eux, mais cela sera discuté plus en détail dans les articles suivants sur les problèmes du micromonde. L'

interaction transmise par les bosons se produit:

  • Electromagnétiques , les particules sont des photons. À l'aide de ces particules sans masse, la lumière est transmise.
  • Nucléaire fort , les particules sont des gluons. Avec leur aide, les quarks du noyau d'un atome ne se désintègrent pas en particules individuelles.
  • Faibles particules nucléaires , ± bosons W et Z. Avec leur aide, les fermions se propagent en masse, en énergie et peuvent se transformer les uns en les autres.
  • Gravitationnelles , les particules sont des gravitons . Puissance micromonde extrêmement faible. Il ne devient visible que sur les corps supermassifs.


Réservation de l'interaction gravitationnelle.
L'existence de gravitons n'a pas encore été confirmée expérimentalement. Ils n'existent que sous forme de version théorique. Dans le modèle standard, dans la plupart des cas, ils ne sont pas pris en compte.


C'est tout, le modèle standard est assemblé.





Les problèmes viennent de commencer



Malgré la très belle représentation des particules dans le diagramme, deux questions demeurent. D'où les particules tirent-elles leur masse et quel est le boson de Higgs qui se démarque du reste des bosons.

Afin de comprendre l'idée d'utiliser le boson de Higgs, nous devons nous tourner vers la théorie des champs quantiques. En termes simples, on peut affirmer que le monde entier, l'Univers entier, n'est pas composé des plus petites particules, mais de nombreux champs différents: gluon, quark, électronique, électromagnétique, etc. Dans tous ces domaines, de légères fluctuations se produisent constamment. Mais nous percevons les plus puissants d'entre eux comme des particules élémentaires. Et cette thèse est très controversée. Du point de vue de la dualité onde-particule, le même objet du micromonde dans différentes situations se comporte soit comme une onde, soit comme une particule élémentaire, cela ne dépend que de la façon dont il est plus pratique pour le physicien observant le processus de modéliser la situation.

Champ de Higgs

Il s'avère qu'il existe un champ dit de Higgs, dont la valeur moyenne ne veut pas tendre vers zéro. Par conséquent, ce champ essaie de prendre une valeur non nulle constante dans tout l'univers. Le champ est un fond omniprésent et constant, résultant de fortes fluctuations dont le boson de Higgs apparaît.
Et c'est grâce au champ de Higgs que les particules sont dotées de masse.
La masse d'une particule élémentaire dépend de combien elle interagit avec le champ de Higgs , volant constamment à l'intérieur.
Et c'est précisément à cause du boson de Higgs, ou plutôt à cause de son champ, que le modèle standard a autant de groupes de particules similaires. Le champ de Higgs contraint de fabriquer de nombreuses particules supplémentaires, comme par exemple les neutrinos.

Sommaire



Ce que je vous ai dit, ce sont les concepts les plus superficiels sur la nature du modèle standard et pourquoi nous avons besoin du boson de Higgs. Certains scientifiques espèrent encore profondément qu'une particule trouvée en 2012 et similaire au boson de Higgs dans le LHC était simplement une erreur statistique. Après tout, le champ de Higgs viole de nombreuses belles symétries de la nature, rendant les calculs des physiciens plus confus.
Certains croient même que le modèle standard vit ses dernières années à cause de son imperfection. Mais cela n'a pas été prouvé expérimentalement, et le modèle standard des particules élémentaires reste le modèle actuel du génie de la pensée humaine.

Source: https://habr.com/ru/post/fr382753/

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