1 Стандартная Модель физики частиц

    Современное представление о физике частиц содержится в так называемой Стандартной Модели. Стандартная Модель (СМ) физики частиц базируется на квантовой электродинамике, квантовой хромодинамике и кварк-партонной модели.
    Квантовая электродинамика (КЭД) − высокоточная теория − описывает процессы, происходящие под действием электромагнитных сил, которые изучены с высокой степенью точности.
    Квантовая хромодинамика (КХД), описывающая процессы сильных взаимодействий, строится по аналогии с КЭД, но в большей степени является полуэмпирической моделью.
    Кварк-партонная модель объединяет теоретические и экспериментальные результаты исследований свойств частиц и их взаимодействий.
    До сего времени не обнаружено отклонений от Стандартной Модели.
    Основное содержание Стандартной Модели представлено в таблицах 1, 2, 3. Конституентами материи являются три поколения фундаментальных фермионов (I, II, III), свойства которых перечислены в табл. 1. Фундаментальные бозоны - переносчики взаимодействий (табл. 2), которые можно представить с помощью диаграммы Фейнмана (рис. 1).

Таблица 1: Фермионы − (спин полуцелый в единицах ћ) конституенты материи

Таблица 2: Бозоны — переносчики взаимодействий (спин = 0, 1, 2 ... в единицах ћ)

Таблица 3: Сравнительные характеристики фундаментальных взаимодействий

Сила взаимодействия указана относительно сильного.

Рис. 1: Диаграмма Фейнмана: А + В = С + D, а − константа взаимодействия, Q² = -t − 4-импульс, который частица А передает частице В в результате одного из четырех типов взаимодействий.

1.1 Основные положения Стандартной Модели

• Адроны состоят из кварков и глюонов (партонов). Кварки − фермионы со спином 1/2 и массой m 0; глюоны - бозоны со спином 1 и массой m = 0.
• Кварки классифицируются по двум признакам: аромат и цвет. Известно 6 ароматов кварков и 3 цвета для каждого кварка.
• Аромат - характеристика, сохраняющаяся в сильных взаимодействиях.
• Глюон составлен из двух цветов − цвета и антицвета, а все остальные квантовые числа у него равны нулю. При испускании глюона кварк меняет цвет, но не аромат. Всего работает 8 глюонов.
• Элементарные процессы в КХД строятся по аналогии с КЭД: тормозное испускание глюона кварком, рождение кварк-антикварковых пар глюоном. Процесс рождения глюонов глюоном не имеет аналога в КЭД.
• Статическое глюонное поле не стремится к нулю на бесконечности, т.е. полная энергия такого поля бесконечна. Таким образом, кварки не могут вылетать из адронов, имеет место конфайнмент.
• Между кварками действуют силы притяжения, имеющие два необычных свойства: а) асимптотическую свободу на очень малых расстояниях и б) инфракрасное пленение - конфайнмент, благодаря тому, что потенциальная энергия взаимодействия V(r) неограниченно растет с увеличением расстояния между кварками r, V(r) = -α_s/r + ær, α_s и æ − константы.
• Кварк-кварковое взаимодействие не аддитивно.
• В виде свободных частиц могут существовать только цветовые синглеты:
  мезонный синглет, для которого волновая функция определяется соотношением

        и барионный синглет с волновой функцией

        где R - красный, В - синий, G - зеленый.

• Различают токовые и составляющие кварки, которые имеют разные массы.
• Сечения процесса А + В = С + Х с обменом одним глюоном между кварками, входящими в состав адронов, записываются в виде:

ŝ = x_ax_bs,   = x_at/x_c.

Символами a, b, c, d обозначены кварки и относящиеся к ним переменные, символами А, В, С − адроны, ŝ, , , − величины, относящиеся к кваркам, − функция распределения кварков а в адроне А (или, соответственно, - кварков b в адроне В), − функция фрагментации кварка с в адроны С, d/dt − элементарное сечение qq взаимодействия.

1.2 Поиск отклонений от Стандартной Модели

    При существующих энергиях ускоренных частиц хорошо выполняются все положения КХД и тем более КЭД. В планирующихся экспериментах с более высокими энергиями частиц одной из главных задач считается поиск отклонений от Стандартной Модели.
    Дальнейшее развитие физики высоких энергий связано с решением следующих задач:

1. Поиск экзотических частиц, имеющих структуру, отличную от принятой в Стандартной Модели.
2. Поиск нейтринных осцилляции ν_μ ↔ ν_τ и связанная с этим проблема массы нейтрино (ν_m ≠ 0).
3. Поиск распада протона, время жизни которого оценивается величиной τ^эксп > 10³³ лет.
4. Поиск структуры фундаментальных частиц (струны, преоны при расстояниях d < 10^-16 см).
5. Обнаружение деконфайнмированной адронной материи (кварк-глюонной плазмы).
6. Изучение нарушения СР-инвариантности при распаде нейтральных K-мезонов, D-мезонов и B-частиц.
7. Изучение природы тёмной материи.
8. Изучение состава вакуума.
9. Поиск Хиггс-бозона.
10. Поиск суперсимметричных частиц.

1.3 Нерешенные вопросы Стандартной Модели

    Фундаментальная физическая теория, Стандартная Модель электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий элементарных частиц (кварков и лептонов) является общепризнанным достижением физики XX века. Она объясняет все известные экспериментальные факты в физике микромира. Однако существует целый ряд вопросов, на которые в Стандартной Модели нет ответа.

1. Неизвестна природа механизма спонтанного нарушения электрослабой калибровочной инвариантности.

• Объяснение существования масс у W^±- и Z⁰-бозонов требует введения в теорию скалярных полей с неинвариантным относительно калибровочных преобразований основным состоянием -вакуумом.
• Следствием этого является возникновение новой скалярной частицы - бозона Хиггса.

2. СМ не объясняет природу квантовых чисел.

• Что такое заряды (электрические; барионные; лептонные: Le, L_μ, L_τ: цветовые: синий, красный, зеленый) и почему они квантуются?
• Почему существует 3 поколения фундаментальных фермионов (I, II, III)?

3. СМ не включает гравитацию, отсюда путь включения гравитации в СМ - Новая гипотеза о существовании дополнительных измерений в пространстве микромира.
4. Нет объяснения, почему фундаментальный масштаб Планка (М ~ 10¹⁹ ГэВ) так далек от фундаментального масштаба электрослабых взаимодействий (М ~ 10² ГэВ).

    В настоящее время наметился путь решения этих проблем. Он состоит в развитии нового представления о структуре фундаментальных частиц. Предполагается, что фундаментальные частицы представляют собой объекты, которые принято называть "струнами". Свойства струн рассматриваются в быстро развивающейся Модели Суперструн, которая претендует на установление связи между явлениями, происходящими в физике элементарных частиц и в астрофизике. Такая связь привела к формулировке новой дисциплины - космологии элементарных частиц.