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Modelo padrão de partículas para iniciantes

"Estamos nos perguntando por que um grupo de pessoas talentosas e dedicadas está pronto para dedicar suas vidas a perseguir objetos tão pequenos que você nem consegue ver? De fato, nos estudos dos físicos de partículas, há uma curiosidade humana e um desejo de descobrir como é o mundo em que vivemos ”Sean Carroll

Se você ainda tem medo da frase mecânica quântica e ainda não sabe o que é um modelo padrão, seja bem-vindo a gato. Em minha publicação, tentarei explicar o básico do mundo quântico, bem como a física elementar de partículas, da maneira mais simples e clara possível. Vamos tentar descobrir quais são as principais diferenças entre férmions e bósons, por que os quarks têm nomes tão estranhos e, finalmente, por que todos queriam encontrar o bóson de Higgs.


Do que somos feitos?



Bem, então, começamos nossa jornada ao microworld com uma pergunta simples: em que consistem os objetos que nos cercam? Nosso mundo, como casa, consiste em muitos tijolos pequenos, que de uma maneira especial, conectando, criam algo novo, não apenas na aparência, mas também em suas propriedades. De fato, se você olhar atentamente para eles, descobrirá que não existem tantos tipos diferentes de blocos, apenas que cada vez que eles se conectam de maneiras diferentes, formando novas formas e fenômenos. Cada bloco é uma partícula elementar indivisível, que será discutida na minha história.

Por exemplo, pegue alguma substância, seja o segundo elemento da tabela periódica, gás inerte, hélio. Como outras substâncias no Universo, o hélio consiste em moléculas, que por sua vez são formadas por ligações entre átomos. Mas neste caso, para nós, o hélio é um pouco especial, porque consiste em apenas um átomo.



Em que consiste um átomo?


O átomo de hélio, por sua vez, consiste em dois nêutrons e dois prótons que compõem o núcleo atômico, em torno do qual dois elétrons giram. O mais interessante é que apenas o elétron é absolutamente indivisível aqui .

Um momento interessante no mundo quântico.

A menor a massa de uma partícula elementar, o mais espaço que ocupa. É por essa razão que os elétrons, que são 2000 vezes mais leves que um próton, ocupam muito mais espaço em comparação com o núcleo de um átomo.


Nêutrons e prótons pertencem ao grupo dos chamados hádrons (partículas sujeitas a forte interação), ou, para ser mais preciso, bárions .

Hadrons podem ser divididos em grupos
  • Bariões, que consistem em três quarks
  • Mésons que consistem em um par: partícula antipartícula


O nêutron, como o próprio nome indica, é carregado de maneira neutra e pode ser dividido em dois quarks inferiores e um quark superior. Um próton, uma partícula carregada positivamente, é dividido em um quark inferior e dois quarks superiores.



Sim, sim, eu não estou brincando, eles são realmente chamados superior e inferior. Parece que se descobrimos os quarks superiores e inferiores, e até o elétron, podemos usá-los para descrever todo o Universo. Mas essa afirmação estaria muito longe da verdade.

O principal problema é que as partículas precisam interagir de alguma forma. Se o mundo consistisse apenas dessa trindade (nêutron, próton e elétron), as partículas simplesmente voariam através das vastas extensões do espaço e nunca se juntariam em formações maiores, como hádrons.

Férmions e Bósons


Há muito tempo, os cientistas criaram uma forma conveniente e concisa de representar partículas elementares, chamado modelo padrão. Acontece que todas as partículas elementares são divididas em férmions , dos quais toda a matéria é composta, e bósons que transferem vários tipos de interações entre os férmions.

A diferença entre esses grupos é muito clara. O fato é que os férmions precisam de algum espaço para sobreviver de acordo com as leis do mundo quântico, e para os bósons quase não há necessidade de espaço livre.

Fermions

Um grupo de férmions, como já mencionado, cria matéria visível ao nosso redor. Tudo o que vemos, criado por férmions. Os férmions são divididos em quarks , interagindo fortemente entre si e trancados dentro de partículas mais complexas, como hádrons e leptons , que existem livremente no espaço, independentemente de suas contrapartes.

Quarks são divididos em dois grupos.
  • Tipo superior. Os quarks do tipo superior, com uma carga de +2 \ 3, incluem: quarks superiores, encantados e verdadeiros
  • Tipo inferior. Os quarks do tipo inferior, com uma carga de -1 \ 3, incluem: quarks inferiores, estranhos e encantadores
Verdadeiros e amáveis ​​são os maiores quarks, e os superiores e inferiores são os menores. Por que os quarks receberam nomes tão incomuns e, mais corretamente, "aromas", ainda é motivo de controvérsia para os cientistas.

Os leptões também são divididos em dois grupos.
  • O primeiro grupo, com uma carga de "-1", inclui: um elétron, um múon (uma partícula mais pesada) e uma partícula de tau (a mais massiva)
  • O segundo grupo, com carga neutra, contém: neutrino eletrônico, neutrino múon e neutrino tau
Neutrino - é uma pequena partícula de matéria, quase impossível de detectar. Sua carga é sempre 0.

Surge a questão de saber se os físicos encontrarão mais algumas gerações de partículas que serão ainda mais massivas em comparação com as anteriores. É difícil responder, mas os teóricos acreditam que as gerações de leptões e quarks estão esgotadas em três.

Você não encontra nenhuma semelhança? Os quarks e os léptons estão divididos em dois grupos que diferem entre si por uma carga por unidade? Mas mais sobre isso mais tarde ...

Bósons

Sem eles, os férmions voariam em um fluxo contínuo através do universo. Mas, trocando bósons, os férmions dizem um ao outro algum tipo de interação. Os próprios bósons praticamente não interagem entre si.
De fato, alguns bósons ainda interagem entre si, mas isso será discutido em mais detalhes nos seguintes artigos sobre problemas no mundo inteiro: a

interação transmitida pelos bósons acontece:

  • Eletromagnéticas , partículas são fótons. Com a ajuda dessas partículas sem massa, a luz é transmitida.
  • Partículas nucleares fortes são glúons. Com a ajuda deles, quarks do núcleo de um átomo não se decompõem em partículas individuais.
  • Partículas nucleares fracas - bósons ± W e Z. Com a ajuda deles, os férmions são espalhados por massa, energia e podem se transformar um no outro.
  • Gravitacionais , partículas são gravitons . Potência do mundo mundial extremamente fraca. Torna-se visível apenas em corpos supermassivos.


Reserva de interação gravitacional.
A existência de gravitons ainda não foi confirmada experimentalmente. Eles existem apenas na forma de uma versão teórica. No modelo padrão, na maioria dos casos, eles não são considerados.


Isso é tudo, o modelo padrão é montado.





Os problemas apenas começaram



Apesar da representação muito bonita das partículas no diagrama, duas questões permanecem. De onde as partículas obtêm sua massa e qual é o bóson de Higgs que se destaca do resto dos bósons.

Para entender a idéia de usar o bóson de Higgs, precisamos recorrer à teoria quântica de campos. Em termos simples, pode-se argumentar que o mundo inteiro, o universo inteiro, não consiste nas menores partículas, mas em muitos campos diferentes: glúon, quark, eletrônico, eletromagnético etc. Em todos esses campos, pequenas flutuações ocorrem constantemente. Mas percebemos o mais poderoso deles como partículas elementares. E esta tese é muito controversa. Do ponto de vista da dualidade onda-partícula, o mesmo objeto do microworld em diferentes situações se comporta como uma onda ou como uma partícula elementar, depende apenas de como é mais conveniente para o físico que observa o processo modelar a situação.

Campo Higgs

Acontece que existe um campo chamado Higgs, cujo valor médio não deseja tender a zero. Como resultado, este campo está tentando obter algum valor diferente de zero constante em todo o universo. O campo é um fundo onipresente e constante, como resultado de fortes flutuações das quais o bóson de Higgs aparece.
E é graças ao campo de Higgs que as partículas são dotadas de massa.
A massa de uma partícula elementar depende de quanto ela interage com o campo de Higgs , voando constantemente dentro dele.
E é precisamente por causa do Bóson de Higgs, ou melhor, por causa de seu campo, que o modelo padrão possui tantos grupos semelhantes de partículas. O campo de Higgs é forçado a produzir muitas partículas adicionais, como, por exemplo, neutrinos.

Sumário



O que eu disse a você são os conceitos mais superficiais sobre a natureza do modelo padrão e por que precisamos do bóson de Higgs. Alguns cientistas ainda esperam que uma partícula encontrada em 2012 e semelhante ao Bóson de Higgs no LHC seja simplesmente um erro estatístico. Afinal, o campo de Higgs viola muitas simetrias bonitas da natureza, tornando os cálculos dos físicos mais confusos.
Alguns até acreditam que o modelo padrão está vivendo seus últimos anos por causa de sua imperfeição. Mas isso não foi provado experimentalmente, e o modelo padrão de partículas elementares continua sendo o modelo atual do gênio do pensamento humano.

Source: https://habr.com/ru/post/pt382753/

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