30-7 Štandardný model*

30-1 Pozitrón, antičastica elektrónu; 30-2 Vznik a zánik párov, kreácia a anihilácia; 30-3 Antiprotón a antineutrón; 30-4 Mazané neutríno; 30-5 Výmenné sily a mezóny; 30-6 Viac a viac častíc; 30-7 Štandardný model*; 30-8∗ Solárne neutrína;

Úlohy

30-6 Viac a viac častíc

30-7 Štandardný model*

Dnes najuznávanejším modelom častíc je tzv. štandardný model. Tento model, ktorý hovorí, že máme tri tipy častíc. Leptóny (elektrón, mión, tauón a ich neutrína), kvarky (z nich sa skladajú baryóny a mezóny), a konečne častice, ktoré prenášajú medzi nimi sily (gluónu, fotóny, a slabé bozóny: $W^{\pm}$ a $Z$ ).

Baryóny sa skladajú z troch kvarkov, sú fermióny.

Mezóny sa skladajú z kvarku a nejakého antikvarku a sú bozóny.

Leptóny, baryóny a mezóny sú to, čo nazývame v prírode hmotou, látkou.

Štandardný model popisuje silnú interakciu (držiacu pohromade baryóny a mezóny), elektromagnetickú interakciu (to je relatívne dobre známe) a slabú interakciu (ktorá je zodpovedné za beta rozpad). Štandardný model nie je dokonalý, lebo nepopisuje gravitáciu. Napriek tomu predstavuje míľnik vo fyzike častíc, na vypracovaní ktorého sa zaslúžili nezávisle od seba Sheldon Glashow, Steven Weinberg a Abdus Salam⁸, keď vysvetlili, že elektromagnetická interakcia a slabá interakcia sú dvomi stránkami tej istej interakcie, elektroslabej interakcie. S ničím podobným sme sa už stretli, keď Maxwell dokázal, že elektrina a magnetizmus nie sú dva rôzne javy, ale existujú len elektromagnetické javy. Kým elektrické náboje stoja, obklopuje ich len elektrické pole; pokiaľ sa však pohybujú, obklopuje ich aj magnetické pole. Magnety, ktoré stoja, majú len magnetické pole, ale keď sa pohybujú, obklopuje ich aj elektrické pole (ktoré potom vo vodičoch vyvoláva elektrický prúd). Fyzici dnes vedia, že neexistuje slabá interakcia a elektromagnetická interakcia, ale len elektroslabá interakcia. Fyzici túžia spojiť všetky 4 interakcie do jednej jedinej, čo by bolo dôkazom toho, že hlboko pochopili prírodu. Weinberg raz poznamenal: „Vôbec pritom nie je zrejmé, že príroda sa hrá na veľké zjednotenie všetkých interakcií.“

elementárne častice — Obr. 30.5:Súhrnná tabuľka elementárnych častíc štandardného modelu a ich vlastností – rovnaká tabuľka existuje pre antičastice (intermediálne bozóny majú obidve tabuľky spoločné.)

Tabuľka 30.1:Častice - štandardný model


Názov	Symbol	$m c^{2}$	$τ$	el.náboj/ $e$	spin/ $ℏ$	zloženie (kvarky)	$ℓ_{e}$	$ℓ_{μ}$	$ℓ_{τ}$

intermediálne bozóny
fotón	$γ$	0	stabil.	0	1	-
gluón	$g$	0		0	1	-
gravitón		0		0	2	-
W	$W^{\pm}$	$80, 4 GeV$	$3 \times 1 0^{- 25} s$	$\pm 1$	1	-
Z	$Z$	$91, 2 GeV$	$3 \times 1 0^{- 25} s$	0	1	-
higgs	$H^{0}$	$125, 1 GeV$	$1, 56 \times 1 0^{- 22} s$	0	0	-

leptóny elektrón	$e^{-}$	$0, 511 MeV$	stabil.	$- 1$	1/2	-	$+ 1$	0	0
pozitrón	$e^{+}$	$0, 511 MeV$	stabil.	$+ 1$	1/2	-	$- 1$	0	0
el. neutríno	$ν_{e}$	$< 1, 1 eV$	?	0	1/2	-	$+ 1$	0	0
el. antineutríno	${\bar{ν}}_{e}$	$< 1, 1 eV$	?	0	1/2	-	$- 1$	0	0
mión	$μ^{-}$	$105, 7 MeV$	$2, 20 \times 1 0^{- 6} s$	$- 1$	1/2	-	0	$+ 1$	0
antimión	$μ^{+}$	$105, 7 MeV$	$2, 20 \times 1 0^{- 6} s$	$+ 1$	1/2	-	0	$- 1$	0
miónové neutríno	$ν_{μ}$	$< 1, 1 eV$	?	0	1/2	-	0	$+ 1$	0
miónové antineutríno	${\bar{ν}}_{μ}$	$< 1, 1 eV$	?	0	1/2	-	0	$- 1$	0
tauón	$τ^{-}$	$1776, 9 MeV$	$2, 90 \times 1 0^{- 13} s$	$- 1$	1/2	-	0	0	$+ 1$
antitauón	$τ^{+}$	$1776, 9 MeV$	$2, 90 \times 1 0^{- 13} s$	$+ 1$	1/2	-	0	0	$- 1$
tauónové neutríno	$ν_{τ}$	$< 1, 1 eV$	?	0	1/2	-	0	0	$+ 1$
tauónové antineutríno	${\bar{ν}}_{τ}$	$< 1, 1 eV$	?	0	1/2	-	0	0	$- 1$

kvarky
up (hore)	$u$	$2, 16 MeV$	-	$+ 2 ∕ 3$	$1 ∕ 2$	u
down (dole)	$d$	$4, 67 MeV$	-	$- 1 ∕ 3$	$1 ∕ 2$	d
charm (pôvabný)	$c$	$1, 27 GeV$	-	$+ 2 ∕ 3$	$1 ∕ 2$	c
strange (podivný)	$s$	$93 MeV$	-	$- 1 ∕ 3$	$1 ∕ 2$	s
top (vrchný)	$t$	$93 MeV$	-	$+ 2 ∕ 3$	$1 ∕ 2$	t
bottom (spodný)	$b$	$4, 18 GeV$	-	$- 1 ∕ 3$	$1 ∕ 2$	b

baryónu (3 kvarky)
protón	$p$	$938, 3 MeV$	stabil.	$+ 1$	1/2	uud
neutrón	$n$	$939, 6 MeV$	$879 s$	0	1/2	udd
lambda	$Λ$	$1115, 7 MeV$	$2, 63 \times 1 0^{- 10} s$	0	1/2	uds
sigma +	$Σ^{+}$	$1189, 4 MeV$	$8, 02 \times 1 0^{- 11} s$	$+ 1$	1/2	uus
sigma 0	$Σ^{0}$	$1192, 6 MeV$	$7, 4 \times 1 0^{- 20} s$	0	1/2	uds
sigma -	$Σ^{-}$	$1197, 4 MeV$	$1, 48 \times 1 0^{- 10} s$	$- 1$	1/2	dds
ksí 0	$Ξ^{0}$	$1314, 9 MeV$	$2, 90 \times 1 0^{- 10} s$	0	1/2	uss
ksí -	$Ξ^{-}$	$1321, 7 MeV$	$1, 64 \times 1 0^{- 10} s$	$- 1$	1/2	dss
omega -	$Ω^{-}$	$1672, 5 MeV$	$8, 21 \times 1 0^{- 11} s$	$- 1$	3/2	sss
$⋮$	$⋮$

mezóny (kvark-antikvark)
pión $\pm$	$π^{\pm}$	$139, 6 MeV$	$2, 60 \times 1 0^{- 8} s$	$\pm 1$	0	$u \bar{d}, ū d$
pión $0$	$π^{0}$	$135, 0 MeV$	$8, 52 \times 1 0^{- 17} s$	$0$	0	$u ū - d \bar{d}$
kaón $\pm$	$K^{\pm}$	$493, 7 MeV$	$1, 24 \times 1 0^{- 10} s$	$\pm 1$	0	$u \bar{s}, ū s$
kaón $0$	$K^{0}, {\bar{K}}^{0}$	$497, 6 MeV$	-	0	0	$d \bar{s}, s \bar{d}$
$⋮$	$⋮$

¹ stĺpec s názvom

τ

- stredná doba života ²

m c^{2}

– pokojová energia ³ stabil. - stabilná častica ⁴

^{*}

- hypotetická častica gravitácie ⁵ hmotnosť kvarkov je tzv. „holá“ hmotnosť (bez interakcie) ⁶ antikvarky

ū, \bar{d}, \bar{c}, \bar{s}, \bar{t}, \bar{b}

majú opačné el. náboje a farebné náboje ⁷

K^{0}

je superpozíciou dvoch častíc:

K_{S}^{0}

má

τ = 8, 97 \times 1 0^{- 11} s

K_{L}^{0}

má

τ = 5, 12 \times 1 0^{- 8} s

,
preto

K^{0}

{\bar{K}}^{0}

sa rozpadajú zvláštne. ⁸ známy stav na https://pdg.lbl.gov

Posledný kameň skladačky štandardného modelu čakal na svoje potvrdenie veľmi dlho a jedná sa o Higgsovu časticu. Táto častica (v prevažnej miere) zodpovedá v štandardnom modeli za hmotnosť ostatných častíc. Ich existenciu predpokladali už v roku 1964 Peter Higgs⁹ a Francois Englert¹⁰

Bez toho, aby sme išli do detailov (tie sú matematicky nesmierne náročné), znova použijeme hrubú analógiu k objasneniu Higgsovho mechanizmu, ako tento mechanizmus dodáva časticiam hmotnosť. Podľa Higgsovho mechanizmu je priestor vyplnený rovnomerne Higgsovými časticami (Higgsovo pole) – to je veľmi podobné tomu, čo z čarovného klobúka vytiahol Dirac. Predstavme si veľkú recepciu, kde každý postáva sám na parkete a popíja niečo, a nudí sa. Oni sú Higgsove častice. Do sály vstupy neznámy muž, ktorý nevzbudí záujem nikoho v sále. Tento muž prejde z jednej strany sály na druhý v podstate nepozorovane, v sále sa nič nezmení. Tento prípad zodpovedá častici, ktorá nemá hmotnosť (alebo má len veľmi malú). Teraz do sály vstúpi známa osobnosť, a každý v sále ho chce vidieť, podať si s ním ruku. Prítomní sa zhluknú okolo neho, zdržujú ho. Veľký hlúčik obdivovateľov ho dokonca sprevádza na jeho ceste sálou. Tento slávny človek nemôže sa pohybovať ani rýchlo, ani sa nemôže zastaviť, hlúčik ho vedie sebou – má veľkú zotrvačnosť. To je prípad častice, ktorá sa nám javí ako ťažká, hmotná. Rozdiel medzi dvojicou osôb, ktoré vstúpili do sály je v tom, že prvá osoba nevyvolala interakciu, voči nemu boli prítomní nevšímaví. Druhá osoba, naopak, vyvolala veľkú interakciu, veľký záujem. Keby bola sála prázdna, obidvaja prichádzajúci by prešli ľahkosťou. Keby priestor nebol vyplnený Higgsovými časticami, všetky častice by mali nulovú hmotnosť (to zhruba hovorí teória Higgsovho mechanizmu). Priestor je ale všade vyplnený Higgsovým poľom. Niektoré častice s nimi interagujú viac a majú potom väčšiu hmotnosť, niektoré zase menej a majú preto menšiu hmotnosť.

Častice štandardného modelu sú znázornené na obr. 30.5 a v tabuľke 30.1 na strane § sú uvedené vlastnosti elementárnych častíc štandardného modelu, ako aj kvarkové zloženie niektorých (už nie elementárnych) zložených častíc (vybrali sme tie najskôr objavené).

Neschopnosť zapracovať do štandardného modelu gravitáciu nie je jediným nedostatkom modelu. Veľké problémy predstavujú neutrína. Podľa štandardného modelu by mali mať nulovú hmotnosť ako fotón, dnes ale už vieme, že tomu tak nie je. Mali by tiež tvoriť izolované rodiny, ako ich príslušné elektricky nabité leptóny. Nie je tomu ale tak, a tento problém bol objavený ešte dávno predtým, než by bol štandardný model dokončený, a fyzici o ňom hovorili ako o probléme solárnych neutrín.

Box 30-3 Higgs a „zhmotnenie častíc“

Peter Ware Higgs (29.05.1929- ), britský teoretický fyzik, nositeľ Nobelovej ceny za fyziku za rok 2013, spoločne s Francoizom Englertom „za teoretický objav mechanizmu, ktorý prispieva k nášmu pochopeniu pôvodu hmoty subatomárnych častíc, a ktorý bol nedávno potvrdený objavom predpokladanej základnej častice, experimentmi ATLAS a CMS na veľkom hadrónovom urýchľovači (LHC) v CERN-e.“ Higgs, údajne, vypracoval základy svojej teórie v apartmáne New Town v Edinburgu po návrate z neúspešného víkendového kempingu na Vysočine. Uviedol, že vo vývoji teórie nebol žiadny „heuréka efekt“. Len napísal krátky dokument, v ktorom využil medzeru v Goldstoneovej vete, a publikoval ho v renomovanom časopise Physics Letters, vydávanom v CERN-e vo Švajčiarsku (1964). Higgs napísal aj druhý príspevok popisujúci teoretický model (teraz nazývaný Higgsov mechanizmus), ale tento príspevok bol zamietnutý (vydavatelia Physics Letters to považovali za „bez zjavného významu pre fyziku“). Higgs svoj rukopis doplnil ďalším odsekom, a poslal ho do časopisu Physical Review Letters, inému renomovanému časopisu o fyzike, ktorý ho publikoval koncom roku 1964. Tento dokument predpovedal nový hmotný bozón s nulovým spinom (teraz známy ako Higgsov bozón).
Zaujímavé je, čo v kultúrnych dejinách fyziky je dosť častý jav, že keď dozreje myšlienka, tak ju objavia väčšinou hneď niekoľkí naraz. Higgsov mechanizmus v rôznych podobách vypracovali okrem Higgsa a Englerta v tom istom roku aj Gerald Guralnik, C.R. Hagen a tiež Tom Kibble.

⁸Sheldon Lee Glashow [šeldon lí glešou] (05.12.1932- ) americký teoretický fyzik, Abdus Salam (29.01.1926-21.11.1996) pakistanský teoretický fyzik a Steven Weinberg [stívn vainberg] (03.05.1933- ) americký teoretický fyzik, získali spoločne Nobelovu cenu za fyziku za rok 1979 „za ich príspevky k teórii zjednotenej slabej a elektromagnetickej interakcie medzi elementárnymi časticami, okrem iného vrátane predpovede slabého neutrálneho prúdu“ (častíc $W^{\pm}$ a $Z$ .)

⁹Peter Ware Higgs (29.05.1929- ), britský teoretický fyzik, nositeľ Nobelovej ceny za fyziku za rok 2013, spoločne s Francoizom Englertom „za teoretický objav mechanizmu, ktorý prispieva k nášmu pochopeniu pôvodu hmoty subatomárnych častíc, a ktorý bol nedávno potvrdený objavom predpokladanej základnej častice, experimentmi ATLAS a CMS na veľkom hadrónovom urýchľovači (LHC) v CERN-e.“ Higgs napísal aj druhý príspevok popisujúci teoretický model (teraz nazývaný Higgsov mechanizmus), ale tento príspevok bol zamietnutý (vydavatelia Physics Letters to považovali za „bez zjavného významu pre fyziku“). Higgs svoj rukopis doplnil ďalším odsekom, a poslal ho do časopisu Physical Review Letters, inému renomovanému časopisu o fyzike, ktorý ho publikoval koncom roku 1964. Tento dokument predpovedal nový hmotný bozón s nulovým spinom (teraz známy ako Higgsov bozón).

¹⁰Francois Englert [fransuá englert] (06.11.1932- ), belgický fyzik, ktorý obdržal Nobelovu cenu za fyziku za rok 2013 spolu s Petrom Higgsom.

30-8∗ Solárne neutrína