8.3.6. Частицы – переносчики взаимодействий

Адроны и лептоны относятся к частицам – источникам фундаментальных взаимодействий. Все фундаментальные взаимодействия носят обменный характер. Частицы, обеспечивающие обменный характер фундаментальных взаимодействий, составляют особую группу частиц – переносчиков взаимодействий.

Переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон. Фотон – элементарная частица, квант электромагнитного поля, переносчик электромагнитного взаимодействия. Масса покоя фотона равна нулю, его скорость равна скорости света. Спин фотона равен 1, относится к бозонам. Энергия фотона Е= где – постоянная Планка, – частота излучения. Импульс фотона где – скорость света в вакууме.

Переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны. Глюоны [от англ. glue – клей] – восемь нейтральных частиц со спином 1 и нулевой массой, обладающие специфическим цветовым зарядом (цветом); осуществляют взаимодействие между кварками и «склеивают» их попарно или тройками в адроны. Глюоны могут находиться в восьми различных цветовых состояниях:

В свободном состоянии цветные частицы в природе не встречаются. Взаимодействие цветных кварков и глюонов описывается квантовой хромодинамикой. Квантовая хромодинамика (КХД) – квантовая теория сильного взаимодействия цветных глюонных и кварковых полей. КХД составляет основу описания сильного взаимодействия между адронами и ответственна за силы, связывающие кварки в адроны.

Промежуточные векторные бозоны – векторные частицы, за счет обмена которыми осуществляется слабое взаимодействие (переносчики слабого взаимодействия). К ним относятся заряженные - бозоны и нейтральный - бозон. Радиус действия слабого взаимодействия чрезвычайно мал, поэтому переносчиками должны быть частицы с большой массой покоя. Масса - бозонов равна 80,39 ГэВ, масса - бозона – 91,187 ГэВ. Спин промежуточных векторных бозонов равен 1.

Переносчиком гравитационного взаимодействия считается гравитон – гипотетическая электрически нейтральная частица с нулевой массой покоя и спином, равным 2, квант гравитационного поля.

8.3.7. Стандартная модель элементарных частиц

Мир элементарных частиц подчиняется квантовым законам и всё ещё не до конца познан. Определяющим понятием при построении различных моделей взаимодействия элементарных частиц является понятие симметрии, понимаемое как математическое свойство неизменности процессов взаимодействия при различных преобразованиях координат или внутренних параметров модели. Такие преобразования образуют группы называемые группами симметрии.

Именно на основе понятия симметрии строится и Стандартная модель. Прежде всего, она обладает пространственно-временной симметрией относительно вращений и сдвигов в пространстве-времени. Соответствующая группа симметрии носит название группы Лоренца (или Пуанкаре). Этой симметрии соответствует независимость предсказаний от выбора системы отсчёта. Кроме того, имеются группы внутренней симметрии – симметрии относительно вращений в пространстве «изоспина» и «цвета» (в случае слабых и сильных взаимодействий соответственно). Также ещё имеется группа фазовых вращений, связанная с электромагнитными взаимодействиями. Этим симметриям соответствуют законы сохранения электрического заряда, «цветного» заряда и т.д. Полная группа внутренней симметрии Стандартной модели, полученная на основе анализа многочисленных экспериментальных данных, есть произведение унитарных групп SU(3) x SU(2) x U(1). Все частицы Стандартной модели принадлежат различным представлениям групп симметрии, причём частицы разного спина никогда не перемешиваются.

Стандартная модель – современная теория строения и взаимодействий элементарных частиц, теория базируется на очень небольшом количестве постулатов и позволяет теоретически предсказывать свойства различных процессов в мире элементарных частиц. Для описания свойств и взаимодействий элементарных частиц используется понятие физического поля, которое ставится в соответствие каждой частице: электронное, мюонное, кварковое и т.д. Поле есть специфическая форма распределения материи в пространстве. Поля, сопоставляемые элементарным частицам, имеют квантовую природу. Элементарные частицы являются квантами соответствующих полей. Рабочим инструментом Стандартной модели является квантовая теория поля. Квантовая теория поля (КТП) является теоретической основой описания микрочастиц, их взаимодействий и взаимопревращений. Maтематический аппарат квантовой теории поля (КТП) позволяет описать рождение и уничтожение частицы в каждой пространственно-временной точке.

Стандартная модель описывает три типа взаимодействия: электромагнитное, слабое и сильное. Гравитационное взаимодействие не входи в Стандартную модель.

Основным вопросом для описания динамики элементарных частиц является вопрос о выборе системы первичных полей, т.е. о выборе частиц (и соответственно полей), которые следует считать наиболее фундаментальными (элементарными) при описании наблюдаемых частиц материи. Стандартная модель отбирает в качестве фундаментальных частиц бесструктурные частицы со спином ½: три пары лептонов ( , ( и три пары кварков обычно группируемые в три поколения.

Поколения фермионов – сходные по свойствам группы (семейства) частиц – кварков и лептонов, относящихся к фундаментальным фермионам – источникам взаимодействия. К фундаментальным фермионам относятся шесть типов (ароматов) лептонов [( ), ( ), ( )] и шесть типов (ароматов) кварков [( ), ( ), ( )], которые разделяются на три семейства (поколения):

	I поколение	II поколение	III поколение
Лептоны
Кварки

а также их античастицы. Соответствующие частицы из каждого поколения имеют одни и те же квантовые числа относительно группы симметрии электрослабого взаимодействия и отличаются только массами: каждое следующее поколение тяжелее предыдущего. Из первого поколения фермионов, в которое входят - и - кварки, электрон и электронное нейтрино, построено все, что мы видим вокруг нас: вещество, состоящее из атомов и молекул. Протоны и нейтроны состоят из трех кварков. Два последующих поколения кварков и лептонов в какой-то степени повторяют первое, но тяжелее и в конце концов распадаются на частицы первого поколения.

Между фундаментальными фермионами действуют три типа взаимодействий: сильное, электромагнитное и слабое (электромагнитное и слабое рассматриваются как две стороны единого электрослабого взаимодействия), удовлетворяющие определённым квантовым симметриям и принципу локальной калибровочной инвариантности. Кварки участвуют в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях; заряженные лептоны – в слабых и электромагнитных; нейтрино – только в слабых взаимодействиях. Все три типа взаимодействия возникают как следствие постулата, что наш мир симметричен относительно трех калибровочных преобразований (переходу к другому базису в пространстве внутренних симметрий, связанных с наличием у частиц изотопического спина, различных зарядов, цвета и др.). Как следствие, частицами-переносчиками взаимодействий являются калибровочные бозоны:

8 глюонов для сильного взаимодействия (группа симметрии );

три тяжелых калибровочных бозона для слабого взаимодействия (группа симметрии );

фотон (группа симметрии ). Слабое взаимодействие может менять аромат кварков.

Стандартная модель может быть сформулирована только для безмассовых фундаментальных частиц, т.е. кварков, лептонов и - и - бозонов. Для того чтобы они приобрели массу, вводятся поля Хиггса. Поля Хиггса – в квантовой теории гипотетические скалярные поля, взаимодействующие с калибровочными полями без нарушения калибровочной симметрии уравнений поля; предложены П.Хиггсом в 1964 г. Предполагается, что в состоянии физического вакуума среднее значение поля Хиггса отлично от нуля, что приводит к спонтанному нарушению калибровочной симметрии системы. При этом частицы, соответствующие калибровочным полям, могут приобретать массу. Взаимодействие с вакуумным полем Хиггса может служить механизмом возникновения массы у лептонов и кварков.

Хиггсовский механизм – механизм возникновения массы у калибровочного поля вследствие спонтанного нарушения локальной симметрии. Важнейшим следствием хиггсовского механизма является предсказание существования скалярной частицы – бозона Хиггса.

Бозон Хиггса, хиггсовский бозон, хиггсон – элементарная частица, квант поля Хиггса, с необходимостью возникающий в Стандартной модели физики элементарных частиц

вследствие хиггсовского механизма спонтанного нарушения электрослабой симметрии. Обладает нулевым спином. Постулирован П.Хиггсом в 1964 году. В рамках Стандартной модели отвечает за массу элементарных частиц. Бозон Хиггса первоначально был предсказан в теории, и после нескольких десятков лет поиска в июле 2012 года представители ЦЕРНа сообщили, что на обоих основных детекторах Большого адронного коллайдера наблюдалась новая частица с массой около 125—126 ГэВ. В марте 2013 года учёные ЦЕРН пришли к выводу, что открытая ими в июле 2012 года частица действительно является бозоном Хиггса. Однако ещё не установлено точно, является ли эта частица бозоном Хиггса, предсказанным Стандартной моделью, или это другой вариант бозона Хиггса, о котором говорят некоторые другие теории, выходящие за рамки Стандартной модели.

Необходимым элементом теории является спонтанное нарушение симметрии электрослабого взаимодействия за счёт хиггсовского механизма. В структуре Cтандартной модели достаточно много произвольных, эмпирически определяемых параметров (значений масс кварков и лептонов, значений констант взаимодействий и т.п.). Стандартная модель рассматривается как промежуточный этап в построении более совершенной и всеобъемлющей теории элементарных частиц.