Le modèle de particules standard pour les nuls. Particules élémentaires

Modèle standard est une théorie moderne de la structure et des interactions des particules élémentaires, testée expérimentalement à de nombreuses reprises. Cette théorie repose sur un très petit nombre de postulats et permet de prédire théoriquement les propriétés de milliers de processus différents dans le monde des particules élémentaires. Dans l'écrasante majorité des cas, ces prédictions sont confirmées par l'expérience, parfois avec une précision extrêmement élevée, et les rares cas où les prédictions du modèle standard diffèrent de l'expérience font l'objet de débats houleux.

Le modèle standard est la frontière qui sépare le connu de manière fiable de l'hypothétique dans le monde des particules élémentaires. Malgré le succès impressionnant dans la description des expériences, le modèle standard ne peut pas être considéré comme la théorie définitive des particules élémentaires. Les physiciens sont convaincus que cela devrait faire partie d'une théorie plus profonde de la structure du micromonde... De quel type de théorie s'agit-il n'est pas encore connu avec certitude. Les théoriciens ont développé un grand nombre de candidats pour une telle théorie, mais seule une expérience devrait montrer lequel d'entre eux correspond à la situation réelle de notre Univers. C'est pourquoi les physiciens recherchent agressivement tout écart par rapport au modèle standard, toute particule, force ou effet que le modèle standard ne prévoit pas. Les scientifiques appellent collectivement tous ces phénomènes « Nouvelle Physique » ; exactement la recherche de la nouvelle physique est la tâche principale du grand collisionneur de hadrons.

Principaux composants du modèle standard

L'outil de travail du modèle standard est la théorie quantique des champs - une théorie qui remplace la mécanique quantique à des vitesses proches de la vitesse de la lumière. Les objets clés qu'il contient ne sont pas des particules, comme en mécanique classique, ni des « ondes particulaires », comme en mécanique quantique, mais champs quantiques: électronique, muonique, électromagnétique, quark, etc. - un pour chaque type d'« entités du micromonde ».

A la fois le vide et ce que nous percevons comme des particules séparées, et des formations plus complexes qui ne peuvent être réduites à des particules séparées - tout cela est décrit comme des états différents des champs. Lorsque les physiciens utilisent le mot « particule », ils désignent en fait ces états des champs, et non des objets ponctuels individuels.

Le modèle standard comprend les principaux ingrédients suivants :

• Un ensemble de "blocs de construction" fondamentaux de la matière - six sortes de leptons et six sortes de quarks... Toutes ces particules sont des fermions de spin 1/2 et s'organisent très naturellement en trois générations. De nombreux hadrons - particules composées impliquées dans des interactions fortes - sont constitués de quarks dans différentes combinaisons.
• Trois types de forces agissant entre les fermions fondamentaux sont électromagnétiques, faibles et forts. Les interactions faibles et électromagnétiques sont les deux faces d'une même interaction électrofaible... L'interaction forte est à part, et c'est elle qui lie les quarks en hadrons.
• Toutes ces forces sont décrites sur la base de principe d'étalonnage- ils ne sont pas introduits dans la théorie « par la force », mais comme s'ils survenaient d'eux-mêmes du fait de l'exigence de symétrie de la théorie par rapport à certaines transformations. Certains types de symétrie donnent lieu à des interactions fortes et électrofaibles.
• Malgré le fait que la théorie elle-même contienne une symétrie électrofaible, dans notre monde, elle est spontanément brisée. Rupture spontanée de la symétrie électrofaible- un élément nécessaire de la théorie, et dans le cadre du Modèle Standard, la violation se produit en raison du mécanisme de Higgs.
• Valeurs numériques pour environ deux douzaines de constantes: ce sont les masses des fermions fondamentaux, les valeurs numériques des constantes de couplage des interactions, qui caractérisent leur force, et quelques autres quantités. Tous sont extraits une fois pour toutes de la comparaison avec l'expérience et ne sont plus ajustés dans les calculs ultérieurs.

De plus, le modèle standard est une théorie renormalisable, c'est-à-dire que tous ces éléments y sont introduits de manière tellement cohérente qu'en principe, les calculs peuvent être effectués avec le degré de précision requis. Cependant, les calculs avec le degré de précision souhaité sont souvent d'une difficulté prohibitive, mais ce n'est pas un problème de la théorie elle-même, mais plutôt de nos capacités de calcul.

Ce que le modèle standard peut et ne peut pas faire

Le modèle standard est, à bien des égards, une théorie descriptive. Il ne fournit pas de réponses à de nombreuses questions commençant par « pourquoi » : pourquoi y a-t-il exactement autant de particules et rien de tel ? d'où viennent ces interactions et avec de telles propriétés ? Pourquoi la nature a-t-elle eu besoin de créer trois générations de fermions ? Pourquoi les valeurs numériques des paramètres sont-elles exactement les mêmes ? De plus, le modèle standard est incapable de décrire certains des phénomènes observés dans la nature. En particulier, il n'y a pas de place pour les masses de neutrinos et les particules de matière noire. Le modèle standard ignore la gravité et on ne sait pas ce qu'il advient de cette théorie sur l'échelle énergétique de Planck lorsque la gravité devient extrêmement importante.

Si vous utilisez le modèle standard aux fins prévues, pour prédire les résultats des collisions de particules élémentaires, il permet, en fonction du processus spécifique, d'effectuer des calculs avec des degrés de précision variables.

• Pour les phénomènes électromagnétiques (diffusion d'électrons, niveaux d'énergie), la précision peut atteindre des parties par million ou même mieux. Le record est détenu ici par le moment magnétique anormal de l'électron, qui est calculé avec une précision meilleure qu'un milliardième.
• De nombreux processus à haute énergie, qui se produisent en raison d'interactions électrofaibles, sont calculés avec une précision meilleure qu'un pourcentage.
• La pire chose à calculer est l'interaction forte à des énergies pas trop élevées. La précision du calcul de tels processus varie considérablement : dans certains cas, elle peut atteindre le pourcentage, dans d'autres cas, différentes approches théoriques peuvent donner des réponses plusieurs fois différentes.

Il convient de souligner que le fait que certains processus soient difficiles à calculer avec la précision requise ne signifie pas que la "théorie est mauvaise". C'est juste qu'elle est très complexe, et les techniques mathématiques actuelles ne suffisent pas encore à en retracer toutes les conséquences. En particulier, l'un des fameux problèmes mathématiques du millénaire concerne le problème du confinement en théorie quantique avec des interactions de jauge non abéliennes.

Littérature complémentaire :

• Des informations de base sur le mécanisme de Higgs peuvent être trouvées dans le livre de LB Okun "Physique des particules élémentaires" (au niveau des mots et des images) et "Leptons et quarks" (à un niveau sérieux, mais accessible).

La compréhension moderne de la physique des particules est contenue dans ce qu'on appelle Modèle standard ... Le modèle standard (SM) de la physique des particules est basé sur l'électrodynamique quantique, la chromodynamique quantique et le modèle quark-parton.
L'électrodynamique quantique (QED) - une théorie très précise - décrit les processus se produisant sous l'influence de forces électromagnétiques, qui ont été étudiées avec un degré élevé de précision.
La chromodynamique quantique (QCD), qui décrit les processus d'interactions fortes, est construite par analogie avec la QED, mais c'est dans une plus large mesure un modèle semi-empirique.
Le modèle quark-parton combine les résultats théoriques et expérimentaux des études des propriétés des particules et de leurs interactions.
Jusqu'à présent, aucun écart par rapport au modèle standard n'a été trouvé.
Le contenu principal du modèle standard est présenté dans les tableaux 1, 2, 3. Les constituants de la matière sont trois générations de fermions fondamentaux (I, II, III), dont les propriétés sont répertoriées dans le tableau. 1. Les bosons fondamentaux - porteurs d'interactions (tableau 2), qui peuvent être représentés à l'aide du diagramme de Feynman (Fig. 1).

Tableau 1 : Fermions - (spin demi-entier en unités de ) constituants de la matière

	Leptons, spin = 1/2			Quarks, spin = 1/2
	Flairer	Poids, GeV/c 2	Électrique charge, e	Flairer	Poids, GeV/c 2	Électrique charge, e
je	e	< 7·10 -9	0	toi, debout	0.005	2/3
	e, électron	0.000511	-1	d, vers le bas	0.01	-1/3
II	ν μ	< 0.0003	0	s, charme	1.5	2/3
	, muon	0.106	-1	s, étrange	0.2	-1/3
III	ν τ	< 0.03	0	t, haut	170	2/3
	, tau	1.7771	-1	b, en bas	4.7	-1/3

Tableau 2 : Bosons - porteurs d'interactions (spin = 0, 1, 2 ... en unités de ћ)

Transporteurs interactions	Poids, GeV / s2	Électrique charge, e
Interaction électrofaible
, photon, spin = 1	0	0
W -, rotation = 1	80.22	-1
W +, rotation = 1	80.22	+1
Z 0, rotation = 1	91.187	0
Forte interaction (couleur)
5, gluons, spin = 1	0	0
Des bosons non découverts
H 0, Higgs, spin = 0	> 100	0
G, graviton, spin = 2	?	0

Tableau 3 : Caractéristiques comparatives des interactions fondamentales

La force de l'interaction est indiquée par rapport à la plus forte.

Riz. 1 : Diagramme de Feynman : A + B = C + D, a est la constante d'interaction, Q 2 = -t est le 4-moment que la particule A transfère à la particule B à la suite de l'un des quatre types d'interactions.

1.1 Fondements du modèle standard

• Les hadrons sont constitués de quarks et de gluons (partons). Les quarks sont des fermions de spin 1/2 et de masse m 0 ; les gluons sont des bosons de spin 1 et de masse m = 0.
• Les quarks sont classés selon deux caractéristiques : l'arôme et la couleur. Il existe 6 saveurs de quarks et 3 couleurs pour chaque quark.
• L'arôme est une caractéristique qui persiste dans les interactions fortes.
• Le gluon est composé de deux couleurs - couleur et anti-couleur, et tous les autres nombres quantiques sont égaux à zéro. Lorsque le gluon est émis, le quark change de couleur, mais pas d'odeur. Il y a 8 gluons au total.
• Les processus élémentaires en QCD sont construits par analogie avec QED : émission de bremsstrahlung d'un gluon par un quark, production de paires quark-antiquark par un gluon. La production de gluons par les gluons n'a pas d'analogue en QED.
• Le champ de gluons statique ne tend pas vers zéro à l'infini, c'est-à-dire l'énergie totale d'un tel champ est infinie. Ainsi, les quarks ne peuvent pas s'échapper des hadrons ; le confinement a lieu.
• Les forces d'attraction agissent entre les quarks, qui ont deux propriétés inhabituelles : a) la liberté asymptotique à de très petites distances et b) le piégeage infrarouge - confinement, du fait que l'énergie potentielle d'interaction V (r) croît indéfiniment avec l'augmentation de la distance entre les quarks r, V (r ) = -α s / r + ær, s et sont des constantes.
• L'interaction quark-quark n'est pas additive.
• Seuls les maillots de couleur peuvent exister en tant que particules libres :
  singulet de méson, dont la fonction d'onde est déterminée par la relation

et singulet baryon avec fonction d'onde

où R est rouge, B est bleu, G est vert.

• Distinguer les quarks courants et constitutifs, qui ont des masses différentes.
• Les sections efficaces du processus A + B = C + X avec l'échange d'un gluon entre les quarks qui composent les hadrons s'écrivent sous la forme :

= x a x b s, = x a t / x c.

Les symboles a, b, c, d désignent les quarks et les variables associées, les symboles A, B, C - les hadrons, ,,, - les quantités liées aux quarks, - la fonction de distribution des quarks et dans le hadron A (ou, respectivement, - les quarks b dans hadron B), est la fonction de fragmentation du quark c en hadrons C, d / dt est la section efficace d'interaction élémentaire qq.

1.2 Trouver des écarts par rapport au modèle standard

Aux énergies existantes des particules accélérées, toutes les dispositions de QCD, et encore plus QED, sont bien satisfaites. Dans les expériences prévues avec des énergies de particules plus élevées, l'une des tâches principales est de trouver des écarts par rapport au modèle standard.
Le développement ultérieur de la physique des hautes énergies est associé à la solution des problèmes suivants :

1. Recherche de particules exotiques avec une structure différente de celle acceptée dans le modèle standard.
2. Recherche des oscillations des neutrinos ν μ ↔ ν τ et du problème connexe de la masse des neutrinos (ν m ≠ 0).
3. Recherche de la désintégration d'un proton dont la durée de vie est estimée à τ exp > 10 33 ans.
4. Recherche de la structure des particules fondamentales (cordes, préons à des distances d< 10 -16 см).
5. Détection de matière hadronique déconfinée (plasma quark-gluon).
6. Etude de la violation de l'invariance CP dans la désintégration des mésons K neutres, des mésons D et des particules B.
7. Étude de la nature de la matière noire.
8. Etude de la composition du vide.
9. Cherchez le boson de Higgs.
10. Recherche de particules supersymétriques.

1.3 Problèmes non résolus dans le modèle standard

La théorie physique fondamentale, le modèle standard des interactions électromagnétiques, faibles et fortes des particules élémentaires (quarks et leptons) est une réalisation généralement reconnue de la physique au XXe siècle. Il explique tous les faits expérimentaux connus dans la physique du micromonde. Cependant, il y a un certain nombre de questions auxquelles le modèle standard ne répond pas.

1. La nature du mécanisme de rupture spontanée de l'invariance de jauge électrofaible est inconnue.

• Expliquer l'existence de masses pour les bosons W ± - et Z 0 - nécessite l'introduction de champs scalaires dans la théorie avec un état fondamental - vide non invariant par rapport aux transformations de jauge.
• La conséquence en est l'émergence d'une nouvelle particule scalaire - le boson de Higgs.

1. CM n'explique pas la nature des nombres quantiques.

• Que sont les charges (électriques ; baryoniques ; lepton : Le, L , L τ : couleur : bleu, rouge, vert) et pourquoi sont-elles quantifiées ?
• Pourquoi y a-t-il 3 générations de fermions fondamentaux (I, II, III) ?

1. SM n'inclut pas la gravité, d'où la manière d'inclure la gravité dans SM - Nouvelle hypothèse sur l'existence de dimensions supplémentaires dans l'espace du micromonde.
2. Rien n'explique pourquoi l'échelle fondamentale de Planck (M ~ 10 19 GeV) est si éloignée de l'échelle fondamentale des interactions électrofaibles (M ~ 10 2 GeV).

À l'heure actuelle, une voie a été tracée pour résoudre ces problèmes. Il consiste en le développement d'une nouvelle compréhension de la structure des particules fondamentales. Les particules fondamentales sont supposées être des objets communément appelés "cordes". Les propriétés des cordes sont abordées dans le modèle Superstring en évolution rapide, qui prétend établir un lien entre les phénomènes se produisant en physique des particules et en astrophysique. Cette connexion a conduit à la formulation d'une nouvelle discipline - la cosmologie des particules élémentaires.

Le modèle standard des particules élémentaires est considéré comme la plus grande réalisation de la physique dans la seconde moitié du 20e siècle. Mais qu'y a-t-il au-delà ?

Le modèle standard (SM) des particules élémentaires, basé sur la symétrie de jauge, est la magnifique création de Murray Gell-Mann, Sheldon Glashow, Steven Weinberg, Abdus Salam et toute une galaxie de brillants scientifiques. Le SM décrit parfaitement les interactions entre quarks et leptons à des distances de l'ordre de 10−17 m (1% du diamètre du proton), qui peuvent être étudiées dans les accélérateurs modernes. Cependant, il commence déjà à glisser à des distances de 10−18 m et, de plus, ne permet pas de progresser vers l'échelle de Planck tant convoitée de 10−35 m.

On pense que c'est là que toutes les interactions fondamentales se fondent dans l'unité quantique. Le CM sera un jour remplacé par une théorie plus complète, qui, très probablement, ne deviendra pas non plus la dernière et définitive. Les scientifiques tentent de trouver un remplaçant pour le modèle standard. Beaucoup pensent que la nouvelle théorie sera construite en élargissant la liste des symétries qui constituent le fondement du SM. L'une des approches les plus prometteuses pour résoudre ce problème a été posée non seulement sans tenir compte des problèmes du SM, mais même avant sa création.

Particules obéissant aux statistiques de Fermi-Dirac (fermions à spin demi-entier) et de Bose-Einstein (bosons à spin entier). Dans un puits d'énergie, tous les bosons peuvent occuper le même niveau d'énergie inférieur, formant un condensat de Bose-Einstein. Les fermions obéissent au principe d'exclusion de Pauli, et donc deux particules avec les mêmes nombres quantiques (en particulier, les spins unidirectionnels) ne peuvent pas occuper le même niveau d'énergie.

Un mélange d'opposés

À la fin des années 1960, Yuri Golfand, chercheur principal au département théorique de FIAN, a suggéré à son étudiant diplômé Evgeny Likhtman de généraliser l'appareil mathématique utilisé pour décrire les symétries de l'espace-temps à quatre dimensions de la théorie de la relativité restreinte (Minkowski espace).

Lichtman a découvert que ces symétries peuvent être combinées avec les symétries intrinsèques des champs quantiques avec des spins non nuls. Dans ce cas, des familles (multiplets) se forment qui unissent des particules de même masse et de spins entiers et demi-entiers (c'est-à-dire des bosons et des fermions). C'était à la fois nouveau et incompréhensible, car tous deux obéissent à différents types de statistiques quantiques. Les bosons peuvent s'accumuler dans le même état, et les fermions suivent le principe de Pauli, qui interdit strictement même les conjonctions par paires de ce genre. Par conséquent, l'émergence des multiplets boson-fermion ressemblait à un exotique mathématique, sans rapport avec la physique réelle. C'est ainsi que cela a été perçu chez FIAN. Plus tard dans ses "Mémoires", Andrei Sakharov a qualifié l'unification des bosons et des fermions d'excellente idée, mais à cette époque, cela ne lui semblait pas intéressant.

Au-delà de la norme

Où sont les frontières du SM ? « Le modèle standard est d'accord avec presque toutes les données des accélérateurs à haute énergie. - explique le chercheur principal de l'Institut de recherche nucléaire de l'Académie des sciences de Russie Sergueï Troitsky. - Cependant, les résultats d'expériences qui indiquent la présence de masse dans deux types de neutrinos, et éventuellement dans les trois, ne rentrent pas tout à fait dans son cadre. Ce fait signifie que le SM doit être étendu, et lequel, personne ne le sait vraiment. Les données astrophysiques indiquent également l'incomplétude du SM. La matière noire, qui représente plus d'un cinquième de la masse de l'Univers, est constituée de particules lourdes qui ne rentrent en aucun cas dans le SM. À propos, il serait plus exact d'appeler cette matière non pas sombre, mais transparente, car non seulement elle n'émet pas de lumière, mais elle ne l'absorbe pas non plus. De plus, le SM n'explique pas l'absence quasi totale d'antimatière dans l'univers observable. »
Il y a aussi des objections esthétiques. Comme le note Sergei Troitsky, le SM est agencé de manière très moche. Il contient 19 paramètres numériques, qui sont déterminés par l'expérience et, du point de vue du bon sens, prennent des valeurs très exotiques. Par exemple, la moyenne du vide du champ de Higgs, qui est responsable des masses des particules élémentaires, est de 240 GeV. On ne sait pas pourquoi ce paramètre est 1017 fois inférieur au paramètre qui détermine l'interaction gravitationnelle. J'aimerais avoir une théorie plus complète qui permettra de déterminer cette relation à partir de quelques principes généraux.
Le SM n'explique pas l'énorme différence entre les masses des quarks les plus légers, qui composent les protons et les neutrons, et la masse du quark top, dépassant 170 GeV (sinon il n'est pas différent du quark u, qui est presque 10 mille fois plus léger). L'origine des particules apparemment identiques avec des masses si différentes n'est toujours pas claire.

Likhtman a soutenu sa thèse en 1971, puis est allé à VINITI et a presque abandonné la physique théorique. Golfand a été licencié de FIAN en raison de réductions de personnel et pendant longtemps, il n'a pas pu trouver de travail. Cependant, les employés de l'Institut ukrainien de physique et de technologie Dmitry Volkov et Vladimir Akulov ont également découvert la symétrie entre les bosons et les fermions et l'ont même utilisée pour décrire les neutrinos. Certes, ni les Moscovites ni les citoyens de Kharkiv n'ont gagné de lauriers à cette époque. Ce n'est qu'en 1989 que Golfand et Likhtman ont reçu le prix de l'Académie des sciences de l'URSS pour la physique théorique du nom de I.E. Tamm. En 2009, Vladimir Akulov (aujourd'hui il enseigne la physique au Technical College of the City University of New York) et Dmitry Volkov (à titre posthume) ont reçu le Prix national d'Ukraine pour la recherche scientifique.

Les particules élémentaires du modèle standard sont divisées en bosons et fermions selon le type de statistiques. Les particules composites - les hadrons - peuvent obéir soit aux statistiques de Bose-Einstein (celles-ci incluent les mésons - kaons, pions), soit aux statistiques de Fermi-Dirac (baryons - protons, neutrons).

La naissance de la supersymétrie

En Occident, des mélanges d'états bosoniques et fermioniques sont apparus pour la première fois dans la théorie émergente, qui représente les particules élémentaires non pas comme des objets ponctuels, mais comme des vibrations de cordes quantiques unidimensionnelles.

En 1971, un modèle a été construit dans lequel une vibration fermionique appariée a été combinée avec chaque vibration bosonique. Certes, ce modèle n'a pas fonctionné dans l'espace de Minkowski à quatre dimensions, mais dans l'espace-temps à deux dimensions des théories des cordes. Cependant, déjà en 1973, l'Autrichien Julius Wess et l'Italien Bruno Zumino ont signalé au CERN (et un an plus tard publié un article) sur un modèle supersymétrique à quatre dimensions avec un boson et un fermion. Elle n'a pas prétendu décrire des particules élémentaires, mais a démontré les capacités de la supersymétrie à l'aide d'un exemple illustratif et extrêmement physique. Bientôt, ces mêmes scientifiques ont prouvé que la symétrie qu'ils ont découverte était une version étendue de la symétrie de Golfand et Lichtman. Il s'est donc avéré qu'au cours de trois ans, la supersymétrie dans l'espace de Minkowski a été découverte indépendamment par trois paires de physiciens.

Les résultats de Wess et Zumino ont incité au développement de théories avec des mélanges bosoniques-fermioniques. Parce que ces théories associent les symétries de jauge aux symétries de l'espace-temps, elles ont été appelées superjauge puis supersymétriques. Ils prédisent l'existence de nombreuses particules, dont aucune n'a encore été découverte. La supersymétrie du monde réel est donc encore hypothétique. Mais même s'il existe, il ne peut pas être strict, sinon les électrons auraient des parents bosoniques chargés avec exactement la même masse, ce qui pourrait être facilement détecté. Il reste à supposer que les partenaires supersymétriques des particules connues sont extrêmement massives, et cela n'est possible que si la supersymétrie est brisée.

L'idéologie supersymétrique est entrée en vigueur au milieu des années 1970, lorsque le modèle standard existait déjà. Naturellement, les physiciens ont commencé à construire ses extensions supersymétriques, c'est-à-dire à y introduire des symétries entre les bosons et les fermions. La première version réaliste du modèle standard supersymétrique, appelée le modèle standard supersymétrique minimal (MSSM), a été proposée par Howard Georgie et Savas Dimopoulos en 1981. En fait, il s'agit du même modèle standard avec toutes ses symétries, mais chaque particule est complétée par un partenaire dont le spin diffère de son spin de ½ - un boson à un fermion et un fermion à un boson.

Par conséquent, toutes les interactions du SM restent en place, mais s'enrichissent des interactions des nouvelles particules avec les anciennes et entre elles. Plus tard, des versions supersymétriques plus complexes du SM sont apparues. Tous comparent les particules déjà connues des mêmes partenaires, mais expliquent la brisure de la supersymétrie de différentes manières.

Particules et superparticules

Les noms des superpartenaires des fermions sont construits en utilisant le préfixe "c" - seelectron, smuon, squark. Les superpartenaires de bosons acquièrent la terminaison "ino": photon - photino, gluon - gluino, Z-boson - zino, W-boson - vin, boson de Higgs - Higgsino.

Le spin du superpartenaire de toute particule (à l'exception du boson de Higgs) est toujours ½ inférieur à son propre spin. Par conséquent, les partenaires de l'électron, les quarks et autres fermions (ainsi que, bien entendu, leurs antiparticules) ont un spin nul, et les partenaires des bosons photons et vecteurs de spin unitaire ont la moitié. Ceci est dû au fait que plus le nombre d'états d'une particule est grand, plus son spin est grand. Par conséquent, remplacer la soustraction par l'addition créerait des super partenaires redondants.

Gauche - Modèle Standard (SM) des particules élémentaires : fermions (quarks, leptons) et bosons (porteurs d'interactions). A droite se trouvent leurs super partenaires dans le modèle standard supersymétrique minimum, MSSM : les bosons (squarks, sleptons) et les fermions (super partenaires des porteurs d'interaction). Les cinq bosons de Higgs (indiqués par un symbole bleu dans le diagramme) ont également leurs super partenaires - les cinq Higgsinos.

Prenons l'exemple d'un électron. Il peut être dans deux états - dans l'un, son spin est dirigé parallèlement à l'impulsion, dans l'autre - antiparallèle. Du point de vue du SM, ce sont des particules différentes, car elles ne participent pas tout à fait également aux interactions faibles. Une particule avec un spin unitaire et une masse non nulle peut être dans trois états différents (comme le disent les physiciens, a trois degrés de liberté) et ne convient donc pas à un électron comme partenaire. La seule issue est d'attribuer à chacun des états électroniques un superpartenaire de spin nul et de considérer ces électrons comme des particules différentes.

Les superpartenaires des bosons du modèle standard sont un peu plus délicats. Puisque la masse d'un photon est nulle, alors avec un spin unitaire, il n'a pas trois, mais deux degrés de liberté. Par conséquent, il peut facilement être comparé à photino, un superpartenaire à demi-spin, qui, comme un électron, possède deux degrés de liberté. Les gluinos apparaissent de la même manière. La situation avec le Higgs est plus compliquée. Le MSSM a deux doublets de bosons de Higgs, qui correspondent à quatre superpartenaires - deux Higgsinos neutres et deux de charge opposée. Les neutres se mélangent de différentes manières avec le photino et le zino et forment quatre particules physiquement observables collectivement appelées neutralino. Des mélanges similaires avec un nom étrange pour le chargino de l'oreille russe (en anglais - chargino) forment des superpartenaires de bosons W positifs et négatifs et une paire de Higgs chargés.

La situation avec les superpartenaires des neutrinos a aussi ses spécificités. Si cette particule n'avait pas de masse, son spin serait toujours opposé à la quantité de mouvement. Par conséquent, on pourrait s'attendre à ce qu'un neutrino sans masse ait un seul partenaire scalaire. Cependant, les vrais neutrinos ne sont toujours pas sans masse. Il est possible qu'il existe également des neutrinos à impulsions et spins parallèles, mais ils sont très lourds et n'ont pas encore été détectés. Si cela est vrai, alors chaque type de neutrino a son propre superpartenaire.

Selon Gordon Kane, professeur de physique à l'Université du Michigan, le mécanisme le plus universel pour briser la supersymétrie est associé à la gravité.

Cependant, l'ampleur de sa contribution aux masses de superparticules n'a pas encore été clarifiée, et les estimations des théoriciens sont contradictoires. De plus, ce n'est guère le seul. Ainsi, le modèle standard supersymétrique suivant au minimum, NMSSM, introduit deux autres bosons de Higgs, qui ajoutent leurs propres ajouts à la masse de la superparticule (et augmente également le nombre de neutralinos de quatre à cinq). Cette situation, note Kane, multiplie considérablement le nombre de paramètres intégrés dans les théories supersymétriques.

Même une extension minimale du modèle standard nécessite une centaine de paramètres supplémentaires. Cela ne devrait pas être une surprise, car toutes ces théories introduisent de nombreuses nouvelles particules. À mesure que des modèles plus complets et cohérents émergent, le nombre de paramètres devrait diminuer. Dès que les détecteurs du Large Hadron Collider capteront des superparticules, de nouveaux modèles ne tarderont pas à arriver.

Hiérarchie des particules

Les théories supersymétriques éliminent un certain nombre de faiblesses du modèle standard. Le professeur Kane place le puzzle du boson de Higgs en premier, appelé problème de hiérarchie..

Cette particule gagne de la masse au cours de l'interaction avec les leptons et les quarks (tout comme ils acquièrent eux-mêmes de la masse en interaction avec le champ de Higgs). Dans le SM, les contributions de ces particules sont représentées par des séries divergentes à sommes infinies. Certes, les contributions des bosons et des fermions ont des signes différents et, en principe, peuvent s'éteindre presque complètement. Cependant, une telle extinction devrait être presque idéale, puisque la masse du Higgs est maintenant connue pour n'être que de 125 GeV. Ce n'est pas impossible, mais hautement improbable.

C'est correct pour les théories supersymétriques. Avec une supersymétrie exacte, les contributions des particules ordinaires et de leurs superpartenaires devraient s'annuler complètement. La supersymétrie étant rompue, la compensation est incomplète et le boson de Higgs acquiert une masse finie et, surtout, calculable. Si les masses des superpartenaires ne sont pas trop importantes, elle devrait être mesurée en cent ou deux cents GeV, ce qui est vrai. Comme le souligne Kane, les physiciens ont commencé à prendre la supersymétrie au sérieux lorsqu'il a été démontré qu'elle résolvait le problème de la hiérarchie.

Les possibilités de la supersymétrie ne s'arrêtent pas là. Il résulte du SM que, dans la région des très hautes énergies, les interactions fortes, faibles et électromagnétiques, bien qu'ayant à peu près la même intensité, ne s'unissent jamais. Et dans les modèles supersymétriques à des énergies de l'ordre de 1016 GeV, une telle unification a lieu, et cela semble beaucoup plus naturel. Ces modèles offrent également une solution au problème de la matière noire. Lorsque les superparticules se désintègrent, elles génèrent à la fois des superparticules et des particules ordinaires - bien sûr, de masse moindre. Cependant, la supersymétrie, contrairement au SM, permet une désintégration rapide d'un proton, ce qui, heureusement, ne se produit pas réellement.

Le proton, et avec lui tout le monde environnant, peut être sauvé en supposant que le nombre de parité R quantique est préservé dans les processus impliquant des superparticules, qui pour les particules ordinaires est égal à un, et pour les superpartenaires - moins un. Dans ce cas, la superparticule la plus légère doit être complètement stable (et électriquement neutre). Par définition, il ne peut pas se désintégrer en superparticules, et la conservation de la parité R lui interdit de se désintégrer en particules. La matière noire peut être constituée de telles particules, qui sont apparues immédiatement après le Big Bang et ont échappé à l'annihilation mutuelle.

En attente d'expériences

« Peu de temps avant la découverte du boson de Higgs basé sur la théorie M (la version la plus avancée de la théorie des cordes), sa masse était prédite avec une erreur de seulement 2% ! - dit le professeur Kane. - Ont également été calculées les masses des électrons, smuons et squarks, qui se sont avérées trop importantes pour les accélérateurs modernes - de l'ordre de plusieurs dizaines de TeV. Les superpartenaires du photon, du gluon et des autres bosons de jauge sont beaucoup plus légers, et il y a donc une chance de les trouver au LHC. »

Bien entendu, l'exactitude de ces calculs n'est garantie par rien : la théorie-M est une question délicate. Et pourtant, est-il possible de détecter des traces de superparticules sur les accélérateurs ? « Les superparticules massives devraient se désintégrer immédiatement après la naissance. Ces désintégrations se produisent dans le contexte des désintégrations de particules ordinaires, et il est très difficile de les distinguer sans ambiguïté », explique Dmitry Kazakov, chercheur en chef au laboratoire de physique théorique JINR de Doubna. - Il serait idéal que les superparticules se manifestent d'une manière unique qui ne peut être confondue avec rien d'autre, mais la théorie ne le prédit pas.

Nous devons analyser de nombreux processus différents et rechercher parmi eux ceux qui ne sont pas entièrement expliqués par le modèle standard. Ces recherches n'ont pas encore été couronnées de succès, mais nous avons déjà des limitations sur les masses de super partenaires. Celles d'entre elles qui participent à des interactions fortes doivent tirer au moins 1 TeV, tandis que les masses des autres superparticules peuvent varier entre des dizaines et des centaines de GeV.

En novembre 2012, lors d'un symposium à Kyoto, les résultats d'expériences au LHC ont été rapportés, au cours desquels pour la première fois il a été possible d'enregistrer de manière fiable une désintégration très rare d'un méson Bs en un muon et un anti-muon. Sa probabilité est d'environ trois milliardièmes, ce qui est en bon accord avec les prédictions CM. Étant donné que la probabilité attendue de cette désintégration, calculée sur la base du MSSM, peut s'avérer plusieurs fois plus élevée, certains ont décidé que la supersymétrie était terminée.

Cependant, cette probabilité dépend de plusieurs paramètres inconnus, qui peuvent apporter des contributions à la fois grandes et petites au résultat final ; il y a encore beaucoup de flou ici. Par conséquent, rien de terrible ne s'est produit et les rumeurs sur la disparition du MSSM sont grandement exagérées. Mais cela ne signifie pas du tout qu'elle soit invulnérable. Le LHC ne fonctionne pas encore à pleine capacité, il ne l'atteindra que dans deux ans, lorsque l'énergie des protons sera portée à 14 TeV. Et s'il n'y a pas de manifestations de superparticules, alors le MSSM mourra très probablement de mort naturelle et le temps viendra pour de nouveaux modèles supersymétriques.

Nombres de Grassmann et supergravité

Même avant la création du MSSM, la supersymétrie était associée à la gravité. L'application répétée de transformations reliant les bosons et les fermions déplace la particule dans l'espace-temps. Cela nous permet de relier les supersymétries et les déformations de la métrique espace-temps, qui, selon la théorie de la relativité générale, est la cause de la gravitation. Lorsque les physiciens ont réalisé cela, ils ont commencé à construire des généralisations supersymétriques de la relativité générale, appelées supergravité. Ce domaine de la physique théorique se développe activement actuellement.
Dans le même temps, il s'est avéré que les théories supersymétriques nécessitaient des nombres exotiques inventés au XIXe siècle par le mathématicien allemand Hermann Gunter Grassmann. Ils peuvent être additionnés et soustraits comme d'habitude, mais le produit de ces nombres change de signe lorsque les facteurs sont réarrangés (par conséquent, le carré et, en général, toute puissance entière du nombre de Grassmann est égal à zéro). Naturellement, les fonctions de tels nombres ne peuvent pas être différenciées et intégrées selon les règles standard de l'analyse mathématique ; des techniques complètement différentes sont nécessaires. Et elles, heureusement pour les théories supersymétriques, ont déjà été trouvées. Ils ont été inventés dans les années 1960 par l'éminent mathématicien soviétique de l'Université d'État de Moscou, Felix Berezin, qui a créé une nouvelle direction - les supermathématiques.

Cependant, il existe une autre stratégie qui n'est pas liée au LHC. Pendant que le collisionneur électron-positon LEP fonctionnait au CERN, ils recherchaient la plus légère des superparticules chargées, dont les désintégrations devraient donner naissance aux superpartenaires les plus légers. Ces particules précurseurs sont plus faciles à détecter car elles sont chargées et le super partenaire le plus léger est neutre. Des expériences au LEP ont montré que la masse de ces particules ne dépasse pas 104 GeV. Ce n'est pas beaucoup, mais il est difficile de les détecter au LHC en raison du bruit de fond élevé. Par conséquent, un mouvement a maintenant commencé à construire un collisionneur électron-positon super puissant pour leur recherche. Mais c'est une voiture très chère, et elle ne sera certainement pas construite de si tôt. »

Fermeture et ouverture

Cependant, selon Michael Shifman, professeur de physique théorique à l'Université du Minnesota, la masse mesurée du boson de Higgs est trop grande pour le MSSM, et ce modèle est très probablement déjà fermé :

"C'est vrai, ils essaient de la sauver à l'aide de divers add-ons, mais ils sont si inélégants qu'ils ont peu de chance de réussir. Il est possible que d'autres extensions fonctionnent, mais quand et comment sont encore inconnus. Mais cette question dépasse la science pure. Le financement actuel de la physique des hautes énergies repose sur l'espoir de découvrir quelque chose de vraiment nouveau au LHC. Si cela n'arrive pas, les financements seront coupés, et il n'y aura pas assez d'argent pour construire une nouvelle génération d'accélérateurs, sans laquelle cette science ne peut pas vraiment se développer.» Les théories supersymétriques sont donc toujours prometteuses, mais elles ne peuvent pas attendre le verdict des expérimentateurs.

« Nous nous demandons pourquoi un groupe de personnes talentueuses et dévouées est prête à consacrer sa vie à la poursuite d'objets si minuscules que vous ne pouvez même pas voir ? En effet, dans les études des physiciens des particules, la curiosité humaine et le désir de savoir comment se manifeste le monde dans lequel nous vivons " Sean Carroll

Si vous avez toujours peur de l'expression mécanique quantique et ne savez toujours pas quel est le modèle standard, bienvenue sur cat. Dans ma publication, je vais essayer d'expliquer le plus simplement et visuellement possible les bases du monde quantique, ainsi que la physique des particules élémentaires. Nous essaierons de comprendre quelles sont les principales différences entre les fermions et les bosons, pourquoi les quarks ont des noms si étranges, et enfin, pourquoi tout le monde était si impatient de trouver le boson de Higgs.

De quoi sommes-nous faits ?

Eh bien, nous allons commencer notre voyage dans le microcosme par une question simple : de quoi sont faits les objets qui nous entourent ? Notre monde, comme une maison, se compose de nombreuses petites briques qui, lorsqu'elles sont combinées de manière spéciale, créent quelque chose de nouveau, non seulement en apparence, mais aussi dans leurs propriétés. En fait, si vous les regardez de près, vous pouvez constater qu'il n'y a pas tellement de types de blocs différents, juste à chaque fois qu'ils se connectent les uns aux autres de différentes manières, formant de nouvelles formes et de nouveaux phénomènes. Chaque bloc est une particule élémentaire indivisible, dont il sera question dans mon récit.

Par exemple, prenons une substance, que ce soit le deuxième élément du système périodique de Mendeleev, un gaz inerte, hélium... Comme d'autres substances dans l'Univers, l'hélium est composé de molécules, qui à leur tour sont formées par des liaisons entre les atomes. Mais dans ce cas, pour nous, l'hélium est un peu particulier, car il est constitué d'un seul atome.

De quoi est fait un atome ?

L'atome d'hélium, à son tour, se compose de deux neutrons et de deux protons qui constituent un noyau atomique autour duquel tournent deux électrons. Le plus intéressant, c'est qu'absolument indivisible ici n'est que électron.

Moment intéressant du monde quantique

Comment moins la masse d'une particule élémentaire, la Suite elle a lieu. C'est pour cette raison que les électrons, qui sont 2000 fois plus légers qu'un proton, prennent beaucoup plus de place que le noyau d'un atome.

Les neutrons et les protons appartiennent à un groupe de hadrons(particules soumises à de fortes interactions), ou pour être plus précis, baryons.

Les hadrons peuvent être divisés en groupes

• Les baryons, qui sont composés de trois quarks
• Les mésons, qui sont constitués d'un couple : particule-antiparticule

Le neutron, comme son nom l'indique, est de charge neutre et peut être divisé en deux quarks down et un quark up. Un proton, une particule chargée positivement, se divise en un quark down et deux quarks up.

Oui, oui, je ne plaisante pas, ils s'appellent vraiment haut et bas. Il semblerait que si nous découvrions les quarks up et down, et même l'électron, nous puissions les utiliser pour décrire l'Univers tout entier. Mais cette déclaration serait très loin de la vérité.

Le problème principal est que les particules doivent d'une manière ou d'une autre interagir les unes avec les autres. Si le monde n'était constitué que de cette trinité (neutron, proton et électron), alors les particules voleraient simplement à travers les étendues infinies de l'espace et ne se rassembleraient jamais en formations plus grandes comme les hadrons.

Fermions et Bosons

Il y a assez longtemps, les scientifiques ont mis au point une forme pratique et laconique de représentation des particules élémentaires, appelée modèle standard. Il s'avère que toutes les particules élémentaires sont divisées par fermions, dont toute la matière consiste, et bosons qui portent différents types d'interactions entre les fermions.

La différence entre ces groupes est très nette. Le fait est que pour survivre selon les lois du monde quantique, les fermions ont besoin d'espace, et pour les bosons, il est presque sans importance d'avoir de l'espace libre.

Fermions

Un groupe de fermions, comme déjà mentionné, crée de la matière visible autour de nous. Tout ce que nous voyons et où que ce soit est créé par les fermions. Les fermions sont divisés en quarks interagissant fortement les uns avec les autres et piégés à l'intérieur de particules plus complexes comme les hadrons, et leptons qui existent librement dans l'espace indépendamment de leurs congénères.

Quarks sont divisés en deux groupes.

• Type supérieur. Les quarks de type up, avec une charge de +2 \ 3, comprennent : les quarks up, charmés et vrais
• Type inférieur. Les quarks de type down, avec une charge de -1/3, comprennent : les quarks down, étranges et adorables

Vrai et adorable sont les plus gros quarks, et le haut et le bas sont les plus petits. Pourquoi les quarks ont-ils reçu des noms si inhabituels, ou, plus exactement, des "saveurs", est toujours un sujet de controverse pour les scientifiques.

Leptons sont également divisés en deux groupes.

• Le premier groupe, avec une charge de "-1", il comprend : un électron, un muon (particule la plus lourde) et une particule tau (la plus massive)
• Le deuxième groupe, de charge neutre, contient : le neutrino électronique, le neutrino muonique et le neutrino tau

Le neutrino est une petite particule de matière, qui est presque impossible à détecter. Sa charge est toujours 0.

La question se pose de savoir si les physiciens ne trouveront pas encore plusieurs générations de particules qui seront encore plus massives que les précédentes. Il est difficile d'y répondre, mais les théoriciens pensent que les générations de leptons et de quarks sont limitées à trois.

Vous ne trouvez pas de similitudes ? Les quarks et les leptons sont divisés en deux groupes, qui diffèrent les uns des autres par leur charge par unité ? Mais plus là-dessus plus tard ...

bosons

Sans eux, les fermions voleraient en un flux continu à travers l'univers. Mais en échangeant des bosons, les fermions communiquent entre eux une sorte d'interaction. Les bosons eux-mêmes n'interagissent pratiquement pas entre eux.
En fait, certains bosons interagissent entre eux, mais cela sera discuté plus en détail dans les prochains articles sur les problèmes du micromonde.

Les interactions transmises par les bosons sont :

• Électromagnétique, les particules sont des photons. La lumière est transmise à travers ces particules sans masse.
• Nucléaire puissant, les particules sont des gluons. Avec leur aide, les quarks du noyau atomique ne se désintègrent pas en particules séparées.
• Nucléaire faible, les particules sont des bosons ± W et Z. Avec leur aide, les fermions sont transférés en masse, en énergie et peuvent se transformer les uns en les autres.
• Gravitationnel , particules - gravitons... Le pouvoir est extrêmement faible à l'échelle du microcosme. Devient visible uniquement sur les corps supermassifs.

Clause gravitationnelle.
L'existence des gravitons n'a pas encore été confirmée expérimentalement. Ils n'existent qu'en version théorique. Dans le modèle standard, dans la plupart des cas, ils ne sont pas pris en compte.

Ça y est, le modèle standard est assemblé.

Les problèmes viennent de commencer

Malgré la très belle représentation des particules dans le schéma, deux questions demeurent. D'où les particules tirent-elles leur masse et qu'est-ce que c'est le boson de Higgs, qui se démarque du reste des bosons.

Afin de comprendre l'idée d'appliquer le boson de Higgs, il faut se tourner vers la théorie quantique des champs. En termes simples, on peut affirmer que le monde entier, l'Univers entier, ne se compose pas des plus petites particules, mais de nombreux champs différents : gluon, quark, électronique, électromagnétique, etc. Tous ces champs sont constamment soumis à de légères fluctuations. Mais nous percevons les plus fortes d'entre elles comme des particules élémentaires. Et cette thèse est très controversée. Du point de vue du dualisme des ondes corpusculaires, un même objet du micromonde dans différentes situations se comporte soit comme une onde, soit comme une particule élémentaire, cela ne dépend que de la façon dont il est plus commode pour un physicien observant le processus de simuler la situation.

Champ de Higgs

Il s'avère qu'il existe un champ dit de Higgs, dont la valeur moyenne ne veut pas aller à zéro. En conséquence, ce champ essaie de prendre une valeur constante non nulle dans l'univers entier. Le champ constitue un fond omniprésent et constant, résultant de fortes fluctuations dont apparaît le boson de Higgs.
Et c'est grâce au champ de Higgs que les particules sont dotées de masse.
La masse d'une particule élémentaire dépend de la force avec laquelle elle interagit avec le champ de Higgs volant constamment à l'intérieur.
Et c'est à cause du Boson de Higgs, ou plutôt à cause de son champ, que le Modèle Standard a autant de groupes de particules similaires. Le champ de Higgs a forcé la fabrication de nombreuses particules supplémentaires, comme les neutrinos.

Résultats

Ce dont j'ai parlé est la compréhension la plus superficielle de la nature du modèle standard et pourquoi nous avons besoin du boson de Higgs. Certains scientifiques espèrent encore profondément que la particule trouvée en 2012 et similaire au boson de Higgs dans le LHC n'était qu'une erreur statistique. Après tout, le champ de Higgs brise bon nombre des belles symétries de la nature, rendant les calculs des physiciens plus confus.
Certains pensent même que le Modèle Standard vit ses dernières années en raison de ses imperfections. Mais cela n'a pas été prouvé expérimentalement, et le modèle standard des particules élémentaires reste un modèle de travail du génie de la pensée humaine.

Toute matière est constituée de quarks, de leptons et de particules - porteurs d'interactions.

Aujourd'hui, il est d'usage d'appeler le modèle standard la théorie qui reflète le mieux nos idées sur le matériau initial à partir duquel l'Univers a été construit à l'origine. Elle décrit également comment exactement la matière est formée à partir de ces composants de base, ainsi que les forces et les mécanismes d'interaction entre eux.

D'un point de vue structural, les particules élémentaires qui composent les noyaux atomiques ( nucléons), et en général toutes les particules lourdes - hadrons (baryons et mésons) - se composent de particules encore plus simples, qui sont généralement appelées fondamentales. Dans ce rôle, les éléments primaires vraiment fondamentaux de la matière sont quarks, dont la charge électrique est égale aux 2/3 ou –1/3 de la charge positive unitaire du proton. Les quarks les plus courants et les plus légers sont appelés Haut et inférieur et désignent, respectivement, vous(de l'anglais en haut) et ré(vers le bas). Parfois, ils sont aussi appelés proton et neutron quark en raison du fait que le proton est constitué d'une combinaison euh, et le neutron - udd. Le quark up a une charge aux 2/3 ; bas - charge négative -1/3. Puisqu'un proton se compose de deux quarks up et un down, et qu'un neutron se compose d'un quark up et de deux down, vous pouvez vérifier indépendamment que la charge totale d'un proton et d'un neutron s'avère strictement égale à 1 et 0, et faire sûr qu'en cela le modèle standard décrit adéquatement la réalité ... Les deux autres paires de quarks font partie des particules plus exotiques. Les quarks de la deuxième paire sont appelés enchanté - c(à partir de charmé) et étrange - s(à partir de étrange). La troisième paire est vrai - t(à partir de vérité, ou en anglais. traditions Haut) et beau - b(à partir de beauté, ou en anglais. traditions bas) quarks. Presque toutes les particules prédites par le modèle standard et constituées de diverses combinaisons de quarks ont déjà été découvertes expérimentalement.

Un autre ensemble de construction est composé de briques appelées leptons. Le plus commun des leptons - nous est familier depuis longtemps électron, qui fait partie de la structure des atomes, mais ne participe pas aux interactions nucléaires, se limitant aux interactions interatomiques. En plus de lui (et de son antiparticule appariée appelée positron) les leptons comprennent des particules plus lourdes - le lepton muon et tau avec leurs antiparticules. De plus, chaque lepton a sa propre particule non chargée avec une masse au repos nulle (ou pratiquement nulle); ces particules sont appelées respectivement électron, muon ou taon neutrino.

Ainsi, les leptons, comme les quarks, forment également trois « paires familiales ». Cette symétrie n'a pas échappé aux yeux observateurs des théoriciens, mais une explication convaincante n'en a pas encore été proposée. Quoi qu'il en soit, les quarks et les leptons sont les éléments de base de l'univers.

Pour comprendre le revers de la médaille - la nature des forces d'interaction entre les quarks et les leptons - vous devez comprendre comment les physiciens théoriciens modernes interprètent le concept même de force. Une analogie nous y aidera. Imaginez deux bateliers ramant sur une trajectoire de collision sur la rivière Cam à Cambridge. Un rameur, par générosité d'âme, a décidé de traiter un collègue avec du champagne et, lorsqu'ils se sont croisés, lui a lancé une pleine bouteille de champagne. Par suite de la loi de conservation de la quantité de mouvement, lorsque le premier rameur lançait la bouteille, la course de son bateau s'écartait de la trajectoire rectiligne en sens inverse, et lorsque le deuxième rameur attrapait la bouteille, son impulsion lui était transmise, et le deuxième bateau a également dévié de la ligne droite, mais en sens inverse. Ainsi, à la suite de l'échange de champagne, les deux bateaux ont changé de direction. Selon les lois de la mécanique de Newton, cela signifie qu'une interaction de force s'est produite entre les bateaux. Mais les bateaux ne sont pas entrés en contact direct les uns avec les autres, n'est-ce pas ? Ici, nous voyons clairement et comprenons intuitivement que la force d'interaction entre les bateaux a été transmise par le porteur de l'impulsion - une bouteille de champagne. Les physiciens l'appelleraient porteur d'interaction.

Exactement de la même manière, les interactions de force entre particules se produisent par l'échange de particules-porteuses de ces interactions. En fait, nous ne faisons la distinction entre les forces fondamentales d'interaction entre particules que dans la mesure où différentes particules agissent en tant que porteurs de ces interactions. Il existe quatre interactions de ce type : fort(c'est ce qui maintient les quarks à l'intérieur des particules), électromagnétique, faible(c'est ce qui conduit à certaines formes de désintégration radioactive) et gravitationnelle. Les porteurs d'une forte interaction de couleur sont gluons qui n'ont ni masse ni charge électrique. Ce type d'interaction est décrit par la chromodynamique quantique. L'interaction électromagnétique se produit par l'échange de quanta de rayonnement électromagnétique, appelés photons et aussi dépourvu de masse . Les interactions faibles, en revanche, sont transmises par des vecteur ou bosons de jauge, qui "pesent" 80 à 90 fois plus qu'un proton - dans des conditions de laboratoire, ils n'ont été découverts pour la première fois qu'au début des années 1980. Enfin, l'interaction gravitationnelle est transmise par l'échange de non-masse gravitons- ces intermédiaires n'ont pas encore été détectés expérimentalement.

Dans le cadre du modèle standard, les trois premiers types d'interactions fondamentales ont été combinés avec succès, et ils ne sont plus considérés séparément, mais sont considérés comme trois manifestations différentes de la force d'une même nature. Pour en revenir à l'analogie, supposons qu'une autre paire de rameurs, nageant l'un devant l'autre sur la rivière Cam, n'aient pas échangé une bouteille de champagne, mais juste un verre de crème glacée. A partir de là, les bateaux s'écarteront également du cap dans des directions opposées, mais beaucoup plus faibles. Pour un observateur extérieur, il peut sembler que dans ces deux cas des forces différentes ont agi entre les bateaux : dans le premier cas, il y a eu un échange de liquide (je suggère de ne pas prendre en compte la bouteille, car la plupart d'entre nous s'intéressent à son contenu ), et dans le second - avec un solide (crème glacée). Imaginez maintenant qu'à Cambridge ce jour-là, il y avait une chaleur estivale, ce qui est rare pour les endroits du nord, et la crème glacée a fondu en vol. C'est-à-dire qu'une légère augmentation de la température suffit pour comprendre qu'en fait, l'interaction ne dépend pas du fait qu'un liquide ou un solide en soit le porteur. La seule raison pour laquelle nous pensions qu'il y avait des forces différentes agissant entre les bateaux était la différence vers l'extérieur du support de crème glacée, causée par la température insuffisante pour le faire fondre. Augmentez la température et les forces d'interaction apparaîtront visuellement unies.

Les forces agissant dans l'Univers fusionnent également à des énergies (températures) d'interaction élevées, après quoi il est impossible de les distinguer. La première unir(c'est ainsi qu'on l'appelle communément) interactions nucléaires et électromagnétiques faibles. En conséquence, nous obtenons ce qu'on appelle interaction électrofaible observé même en laboratoire à des énergies développées par les accélérateurs de particules modernes. Au début de l'Univers, les énergies étaient si élevées que dans les 10 à 10 premières secondes après le Big Bang, il n'y avait pas de ligne entre les forces nucléaires et électromagnétiques faibles. Ce n'est qu'après que la température moyenne de l'Univers est tombée à 10 14 K que les quatre interactions de force observées aujourd'hui se sont séparées et ont pris une forme moderne. Alors que la température était au-dessus de cette marque, seules trois forces fondamentales étaient à l'œuvre : des interactions électrofaibles et gravitationnelles fortes et combinées.

L'unification des interactions nucléaires électrofaible et forte se produit à des températures de l'ordre de 10 27 K. Dans des conditions de laboratoire, de telles énergies sont aujourd'hui inaccessibles. L'accélérateur moderne le plus puissant - actuellement en construction à la frontière de la France et de la Suisse, le Large Hadron Collider - sera capable d'accélérer des particules à des énergies qui ne représentent que 0,000000001% de ce qui est nécessaire pour combiner les interactions nucléaires électrofaibles et fortes. Il faudra donc probablement attendre longtemps la confirmation expérimentale de cette unification. Il n'y a pas de telles énergies dans l'Univers moderne, cependant, dans les 10 -35 premiers de son existence, la température de l'Univers était supérieure à 10 27 K, et seules deux forces agissaient dans l'Univers - électrostatique et l'interaction gravitationnelle. Les théories décrivant ces processus sont appelées « théories de la Grande Unification » (TVO). Il est impossible de vérifier directement les TVO, mais ils donnent certaines prédictions sur les processus qui se déroulent à des énergies plus basses. À ce jour, toutes les prédictions de TVO pour des températures et des énergies relativement basses sont confirmées expérimentalement.

Ainsi, le modèle standard, sous forme généralisée, est une théorie de la structure de l'Univers, dans laquelle la matière est constituée de quarks et de leptons, et les interactions fortes, électromagnétiques et faibles entre eux sont décrites par les théories de la grande unification. Ce modèle est évidemment incomplet car il n'intègre pas la gravité. Vraisemblablement, une théorie plus complète sera éventuellement développée ( cm. théories universelles), et aujourd'hui le modèle standard est le meilleur que nous ayons.

"Éléments"