Најубавата сложувалка за Универзумот – Стандардниот Модел

СПОДЕЛИ

Верувам дека сите сте запознаени со или барем еднаш сте го виделе периодниот систем на хемиските елементи и сте забележале колку добро и успешно се групирани и подредени. Сепак, тие хемиски елементи не се најситните честички во нашиот Универзум. На пример, првиот и најмал елемент е водородот којшто има еден електрон којшто, во една поедноставена слика, ротира околу едно јадро.[1] Јадрото пак, се состои од еден протон и еден неутрон. Електронот, протонот и неутронот се честички помали од атомот, но без нив атомот и хемиските елементи не би постоеле. Сепак, дали овие честички можеби можат да се поделат на уште поситни честички? Зошто масата на протонот е речиси 2000 пати поголема од таа на електронот (попрецино, 1837 пати)? Одговорот на ова прашање е: и протонот може да се подели на уште поситни честички, па со самото тоа што е збир од други честички е потежок од електронот.

Низ текот на годините, физичарите забележале голем број на честички и сето тоа изгледало навистина конфузно сѐ додека во доцните години на 20от век не го креирале Стандарниот Модел којшто во моментов ги вклучува сите елементарни честички кои (до сега) ни се познати. Под елементарна честичка се подразбира честичка која не е делива на други честички. Па така, електронот не може да се дели на други честички и е елементаарна честичка, но протонот и неутронот НЕ се елементарни честички (подоцна малку повеќе за ова).

[1] Ова е ако не се земаат в предвид неговите изотопи – варијации на еден ист хемиски елемент кои во јадрото имат ист број на протони, но различен број на неутрони

Стандардниот Модел = фермиони (материја) + бозони (сили)

Стандардниот Модел е една од најсовршените „сложувалки“ којашто го објаснува нашиот Универзум и не е само збир од теории на хартија, ами теории кои се детално истражени и докажани преку дел од најкомплексните, најнапредните и најдолгите експерименти во историјата на човештвото.  Во суштина оваа сложувалка концептуално (но не и математички за жал) е многу едноставна затоа што вкупно вклучува само 17 честички поделени во две групи: фермиони (ја објаснуваат сета материја во Универзумот) и бозони (ги објаснуваат силите меѓу материјата).  Во прилог подоле следува графички прикз на Стандарниот Модел.

 

Фигура 1: Стандардниот Модел на Елементарните Честички =
= фермиони (кваркови + лептони) + бозони (гејџ бозони + скаларни бозони)

Фермиони = кваркови + лептони

Фермионите се сите честички кои ја креираат сета видлива материја и се додатно поделени во две групи: кваркови и лептони .  Овие две групи имаат по 6 честички. Кварковите се: up, down, charm, strange, top, bottom; додека лептоните се: electron, electron neutrino, muon, muon neutrino, tau, tau neutrino. Овие честички се групирани во три колони, што значи дека постојат три пара, или како што физичарите сакаат да ги наречат „генерации“. Ова исто така е визуелно прикажано во Фигура 1 погоре.

Најлесните и најстабилните честички ја формираат првата генерација, додека (по)тешките и (по)нестабилните припаѓаат во втората и во третата генерација. Сета стабилна материја во нашиот Универзум е креирана од честичките во првата генерација, додека честичките од втората и третата брзо се „распаѓаат“ во честички од првата генерација.

Најважната карактеристика на кварковите е тоа што имаат полнеж наречен боја и нивните интеракции се одвиваат преку силната нуклеарна сила. Овој полнеж се дели на црвен, зелен и син, но не треба да се мисли дека кварковите се нвистина обоени! Овие бои се избрани од практични причини: нивниот збир резултир во „неутрална“ боја, а кварковите тежнеат да се групират меѓусебно за да формираат честички со неутрална боја наречени хадрони. Хадроните можат да содржаат кварк и анти кварк (мезони) или три кварка (барјони). Протонот и неутронот се најлесните барјони кои ни се познати, па така протонот и неутронот не можат да се сметаат за елементарни честички, ами композиција од три елементарни честички (три кварка).

Лептоните, за разликаа од кварковите немаат боја, а честичката неутрино нема ни електричен полнеж (за разлика на пример од електронот кој што е со негативен полнеж). Ова навистина ја отежнува нивната детекција. Електронот, муонот и тауто се подлежни на електромагнетната сила.

 

Бозони = глуон + фотон + W/Z + Хигс

Бозоните се честички кои се главни носители на универзалните сили во Универзумот. Постојат четири сили:  електро-магнетна, слаба нуклеарна, силна нуклеарна и гравитавитација.  За жал, најголемиот недостаток на Стандардниот модел е што не ја опишува гравитацијата, па ова мотивира многу физичари да истражуваат теории кои би биле надополнување на Стандардниот Модел. Сепак, мора да се разбере дека тоа што гравитацијта не е вклучена не значи дека Стандардниот Модел е грешен или дека не функционира, ами само дека се бара додатно делче во слагалицата! Гравитацијата била објаснета од Ајнштајн преку неговата Генерална Теорија на Релативитетот, но сепак обединувањето на гравитацијата (или Генералната Теорија на Релативитетот) со Стандардниот Модел е еден од најголемите сонови на сите физичари!

Постојат пет бозони: фотонот, W и Z бозоните, глуонот и Хигз бозонот.

Фотонот посредува меѓу честичите со електричен полнеж со тоа што е носител на електромагнетнаата сила. Фотонот нема маса и тој, ако и сите интеракции водени од електромагнетната сила се објаснети преку полето на квантната електродинамика (QED = quantum electrodynamics).

W и Z бозоните посредуваат меѓу слабите интеракции меѓу кварковите и лептоните. Тие, за разликаа од фотонот, се навистина масивни. Z – бозонот нема полнеж, додека W – бозонот додатно се дели на W+ – со полнеж +1 и на W– со полнеж -1 и се врзува со електромагнетната интеракција. Овие три бозони и фотонот се групирани заедно, а со тоа и две од фундаменталните сили се обединети во една наречена електро-слаба интеракција (Electroweak Interaction).

Постојат осум глуони коишто немаат маса и посредуваат во силните интеракции меѓу кварковите. Тие се објаснети преку квантната кромодинамика (QCD = quantum chromodynamic).

 

Хигз Бозонот (The Higgs Boson)

Хигз бозонот е можеби најфасцинантната честичка од сите 17! Стандардниот Модел би функционирал прилично добро и без него, но само под услов ако сите честички, а не само фотонот и глуонот,  немаат маса. Ова ги вклучува и масивните W и Z бозони или електронот, за кои многу прецизно се знае дека не се без маса! Во 1964та година, три истражувачки групи предложиле еден механизам преку кој дел од честичките би се здобиле со маса. Овој механизам е познат ако „спонтано кршење на симетријата“ (spontaneous symmetry breaking) и го предложува постоењето на уште една честичка. Името Хигз е во чест на еден од научниците, Проф. Петар Хигз (Peter Higgs) кој во неговиот труд индиректно го предложил постоењето на новата честичка. Хигз бозонот беше пронајден и експериментално на 4ти јули 2012та година во ЦЕРН, Швајцарија со што сложувалката на Универзумот конечно, по речиси 50 години од креирањето на теоријата, си го доби најдолго траганото делче! Проф. Хигз и Проф. Енглерт во 2013та година беа наградени со Нобеловата Награда во физика за поставување на оваа теорија, а пронајдокот на Хигз бозонот според елитното списание Science беше именуван како „пронајдок/напредок на годината“, а за голем број од физичарите кои работат во ова поле – и најголемото откритие на 21от век до сега.

Фигура 2: Насловната страна на Science на крајот на 2012-тата година. Хигз бозонот беше именуван ко пронајдок на годината

Дискусија

Коментари