Стандартная модель фундаментальных взаимодействий

в физике элементарных частиц.

Фундаментальные взаимодействия.

По современным представлениям, все известные в настоящее время процессы сво­дят­ся к 4 типам взаимодействий, которые называются фундаментальными (таблица 1).

Таблица 1. Фундаментальные взаимодействия.

Вид взаимодейст­вия (поле)	Константа взаимодей­ст­вия	Радиус взаимодей­ст­вия	Характер­ные времена распада	Частицы - переносчики (кванты полей)
				Название	Заряд	Спин	Мас­са, Гэв
Гравитацион­ное	10-38		-	Гравитон (?)	0	2	0
Слабое	10-6	10-17... 10-18 м	10-8 с	W+, W- - бозоны Z0 - бозон	+e, -e 0	1	80 91
Электромаг­нит­ное	1/137		10-16 с	Фотон	0	1	0
Сильное	10	10-14... 10-15 м	10-23 с	Глюон	0	1	0

В квантовой физике каждая элементарная частица является квантом некоторого поля, и наоборот, каждому полю соответствует своя частица-квант. Энергия и импульс каждого поля слагаются из множества отдельных порций - квантов. Самый простой и лучше всего изученный пример: электромагнитное поле и его квант - фотон. Квантами поля сильных взаимодействий являются глюоны. Кванты поля слабых взаимодействий - ка­ли­б­ро­­во­ч­ны­е бозоны W ^± и Z⁰. Все эти частицы обнаружены экспериментально, и их свой­ства хорошо изучены. Переносчиком гравитационного взаимодействия является грави­тон: гипо­те­тическая частица, которая экспериментально пока не обнаружена. Кванты-переносчики полей имеют целый спин, т.е. являются бозе-частицами (бозонами), что и отражено в названии некоторых из них.

Современные ускорители. Все современные ускорители - коллайдеры (т.е. исполь­зу­ют встречные пучки) [2, с.126].

Таблица 2. Крупнейшие ускорители.

Название ускорителя	Ускоряемые частицы	Максимальные энергии	Год начала работы	Длина ускорительной камеры	Страна
TEVATRON	протон-антипротон	1 + 1 Тэв	1987	6.3 км	США
SLC (линейный)	электрон-позитрон	50 + 50 Гэв	1989	3.2 км	США
LEP	электрон-позитрон	100 + 100 Гэв	1989	26.7 км	Швейцария
HERA	электрон-протон	30 Гэв + 920 Гэв	1992	6.3 км	Германия
KEKB	электрон-позитрон	8 + 8 Гэв	1999	10 км	Япония
LHC	протон - протон	7 + 7 Тэв	2005	26.7	Швейцария
DESY (линейный)	электрон-позитрон	500 + 500 Гэв	строится	6 км	Германия
SSC	протон - протон	20 + 20 Тэв	строится	87 км	США

Из-за того, что кварки и глюоны взаимодействуют между собой сильнее, чем электроны и позитроны, а также из-за того, что энергии протон-протонных ускорителей больше, в столкновениях протонов с протонами происходит гораздо больше событий, чем в столкновениях электронов. В этом есть и плюсы, и минусы; минусы в том, что труднее выделить нужные реакции. Поэтому протон-протонные коллайдеры называют машинами открытий, а электрон-позитронные - машинами точных измерений [4, с.10].

Стандартная модель.

К настоящему времени раз­работано квантовое описание трех из четырех фун­да­мен­таль­ных вза­и­мо­дей­ст­вий: сильного, электромагнитного и слабого, а также пока­за­но, что сла­бое и электромаг­нит­ное взаимодействия фактически имеют общее происхождение (электро­сла­бое взаимодей­ст­вие). Совпадение с экспериментом наблюдается до расстояний 10^-18 м, что является преде­лом для современной экспериментальной техники. Поэтому теория трех не­гравитационных вза­имодействий, включающая 12 фундаментальных частиц, которые в них участвуют (таблица 2), называется стан­дарт­ной моделью физики элементарных час­тиц.

Таблица 3. Фундаментальные частицы.

Частица	Масса, Мэв	Частица	Масса, Мэв	Частица	Масса, Мэв
Электрон	0,51	Мюон	103	Таон	1780
Электронное нейтрино	< 10-5	Мюонное нейтрино	< 0.3	Таонное нейтрино	< 30
u-кварк	4.41	c-кварк	1500	t-кварк	177000
d-кварк	6.94	s-кварк	150	b-кварк	4880

Симметрия и инвариантность.

В том случае, когда состояние системы в результате какого-либо преобразования не ме­няется, говорят, что система обладает симметрией относительно данного преобразования. По­нятие симметрии является очень важным в физике элементарных частиц, т.к. каждому ви­ду симметрии соответствует свой закон сохранения и наоборот: каждому закону сохранения какой-либо физической величины соответствует своя симметрия [4, с. 5-6]. Общеизвестной яв­ля­ется связь симметрии времени и пространства относительно сдвигов (однородность) и по­во­ротов (изотропность) с законами сохранения энергии, импульса и момента импульса. Эти законы являются универсальными, т.е. выполняются во всех видах взаимодействий [2, с.146].

Кроме этих общеизвестных видов симметрии существуют так называемые "внут­рен­ние симметрии", которые в физике элементарных частиц называются "калибровочными сим­мет­риями (или инвариантностями)" [4, с.6]. В квантовой физике существует калибровочная ин­вариантность к изменению фазы волновой функции, т.к. не существует способа оп­ре­де­лить абсолютную величину фазы этой функции. Другими словами, квантовая механика ин­ва­ри­антна относительно произвольного изменения фазы волновой функции на постоянную ве­ли­чину, т.е. замены ψ на ψ·exp(i) при условии  = const. Это так называемая "глобальная ка­либ­ровочная сим­мет­рия" относительно изменения фазы волновой функции на одну и ту же ве­ли­чи­ну сразу во всем пространстве и во все моменты времени [2, с. 147]. Эта инвариант­ность оче­вид­на, т.к. множитель exp(i) при подстановке измененной волновой функции в урав­не­ние Шре­дин­ге­ра

можно сократить.

Если фаза  не равна константе, а является произвольной функцией ко­ор­динат и вре­мени, то такое преобразование называется локальным. При замене ψ на ψ·exp(i(r,t)) урав­не­ние Шредингера, конечно, изменится, од­на­ко его можно сохранить неизменным, если ввести в него компенсиру­ю­щее поле: четырехмерный вектор (φ(r,t),A(r,t)), который является со­во­куп­нос­тью скалярного и векторного потенциалов электромагнитного поля, квантами которо­го являются фотоны. В этом и заключается основная идея квантового описания электро­маг­нит­ного взаимодействия (КЭД).