
Mod??le Standard
Renseignements g??n??raux
SOS Enfants produite ce site pour les ??coles ainsi que ce site de vid??o sur l'Afrique . enfants SOS est le plus grand organisme de bienfaisance du monde en donnant des enfants orphelins et abandonn??s la chance de la vie familiale.
Th??orie quantique des champs |
---|
![]() Diagramme de Feynman |
Histoire |
Fond
|
Sym??tries
|
Outils
|
??quations
|
Mod??le Standard
|
Th??ories incompl??tes
|
Les scientifiques
|
Le mod??le standard de la physique des particules est une th??orie qui d??crit trois des quatre connue interactions fondamentales entre les particules ??l??mentaires qui composent tous la mati??re . Elle regroupe les th??orie ??lectrofaible et chromodynamique quantique dans une structure d??sign??e par la groupe de jauge SU (3) ?? SU (2) ?? U (1). Ce est un relativiste th??orie quantique des champs qui est compatible avec les deux la m??canique quantique et la relativit?? restreinte . ?? ce jour, presque tous les tests exp??rimentaux des trois forces d??crites par le mod??le standard ont convenu avec ses pr??visions.
Le mod??le standard est loin d'??tre un th??orie compl??te des interactions fondamentales, principalement en raison de son manque d'inclusion de gravit?? , la quatri??me interaction fondamentale connu, et aussi parce que de l'observation r??cente de oscillations de neutrinos.
Contexte historique
La formulation de l'unification de l' ??lectromagn??tique et interactions faibles dans le mod??le standard est due ?? Steven Weinberg, Abdus Salam et, par la suite, Sheldon Glashow. Le mod??le d'unification a ??t?? initialement propos?? par Steven Weinberg en 1967 , et compl??t?? l'int??gration avec la proposition de Peter Higgs brisure de sym??trie spontan??e qui donne naissance ?? des masses de toutes les particules d??crites dans le mod??le.
Apr??s la d??couverte, faite ?? CERN de l'existence de courants faibles neutres, m??di??e par le Boson Z, pr??vu dans le mod??le standard, Glashow, Salam et Weinberg a re??u le Prix Nobel de physique en 1979 .
Vue d'ensemble
Dans la physique , la dynamique de la mati??re et de l'??nergie dans la nature est actuellement mieux compris en termes de la cin??matique et les interactions des particules fondamentales. ?? ce jour, la science a r??ussi ?? r??duire le lois qui semblent r??gir le comportement et l'interaction de tous les types de mati??re et d'??nergie que nous sommes au courant, ?? un petit noyau de lois et th??ories fondamentales. Un objectif majeur de la physique est de trouver le ??terrain commun?? qui unirait tous ces dans un mod??le int??gr?? de tout, dans lequel toutes les autres lois que nous connaissons seraient des cas particuliers, et ?? partir de laquelle le comportement de toute mati??re et ??nergie peut ??tre d??riv??e (au moins en principe). "Les d??tails peuvent ??tre ??labor??es si la situation est assez simple pour nous de faire une approximation, ce qui ne est presque jamais, mais souvent nous peuvent comprendre plus ou moins ce qui se passe." ( Les conf??rences de Feynman sur la physique, Vol 1. 2-7)
Le mod??le standard est un regroupement de deux grandes th??ories - ??lectrofaible quantique et chromodynamique quantique - qui fournit une th??orie coh??rence interne d??crivant les interactions entre toutes les particules observ??es exp??rimentalement. Techniquement, la th??orie quantique des champs fournit le cadre math??matique pour le mod??le standard. Le mod??le standard d??crit chaque type de particule en termes de math??matique domaine. Pour une description technique des champs et de leurs interactions, voir mod??le standard (formulation math??matique).
Contenu de particules
|
Les particules du mod??le standard sont organis??s en trois cat??gories en fonction de leur rotation: fermions (particules de spin-?? de la mati??re), jauge bosons (particules de spin-1 de force de m??diation) et le (spin-0) Boson de Higgs.
Les particules de mati??re
Tous les fermions dans le mod??le standard sont spin-??, et suivent le Pauli principe d'exclusion conform??ment ?? la Th??or??me spin-statistique.
Generation 1 | Generation 2 | Generation 3 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
Quarks | En haut | u | Charme | c | Haut | t |
Vers le bas | r?? | ??trange | s | Bas | b | |
Leptons | ??lectron Neutrino | ν e | Muon Neutrino | ν μ | Tau Neutrino | ν τ |
??lectron | e - | Muon | μ - | Tau | τ - |
En dehors de leur partenaires antiparticules, un total de douze fermions diff??rents sont connus et pris en compte. Ils sont class??s en fonction de la fa??on dont ils interagissent (ou de mani??re ??quivalente, quelles accusations qu'ils portent): six d'entre eux sont class??s comme quarks ( up, vers le bas, charme, ??trange, top, bas), et les six autres que leptons ( ??lectrons , muon, tau, et de leur correspondant neutrinos).
Paires de chaque cat??gorie sont regroup??s pour former un g??n??ration, avec des particules correspondantes pr??sentant un comportement physique similaire (voir tableau des fermions).
La propri??t?? de la d??finition de quarks , ce est qu'ils portent charge de couleur, et donc, d'interagir via le force forte. Le comportement infrarouge de confinement des r??sultats de vive force dans les quarks ??tant perp??tuellement li?? ?? l'autre en formant des particules composites couleur neutre ( hadrons) soit de deux quarks ( m??sons) ou trois quarks ( baryons). Le familier protons et neutrons sont des exemples des deux baryons les plus l??gers. Quarks portent aussi des charges ??lectriques et isospin faible. Par cons??quent, ils interagissent avec d'autres fermions ??lectromagn??tiquement et via les interactions nucl??aires faibles.
Les six restants fermions qui ne portent pas de charge de couleur sont d??finis comme la leptons. L'arbre neutrinos ne portent pas de charge ??lectrique soit, de sorte que leur mouvement est directement influenc??e seulement par l'interm??diaire de la force nucl??aire faible. Pour cette raison, les neutrinos sont notoirement difficiles ?? d??tecter dans les laboratoires. Cependant, l' ??lectron , muon et le tau lepton portent une charge ??lectrique afin qu'ils interagissent ??lectromagn??tique , aussi.
Le boson de Higgs
La particule de Higgs est une hypoth??tique massif scalaire particule ??l??mentaire pr??dite par le mod??le standard, et la seule particule fondamentale pr??dite par ce mod??le qui n'a pas ??t?? directement observ?? encore. Ce est parce qu'il n??cessite un montant exceptionnellement ??lev?? de l'??nergie et de la poutre luminosit?? pour cr??er et observer au collisionneurs de haute ??nergie. Il n'a pas intrins??que tourner, et donc, (comme la force la m??diation particules, qui ont ??galement spin entier) est ??galement class??e comme une boson.
Le boson de Higgs joue un r??le unique dans le mod??le standard, et un r??le cl?? dans l'explication de l'origine de la masse des autres particules ??l??mentaires, en particulier la diff??rence entre la masse nulle photons et de la tr??s lourde Bosons W et Z. Masses des particules primaires, et les diff??rences entre l'??lectromagn??tisme (caus??e par le photon) et le force faible (caus??e par les bosons W et Z), sont essentiels pour de nombreux aspects de la structure microscopique du (et donc macroscopique) question. En th??orie ??lectrofaible il g??n??re des masses de l'??norme leptons ( ??lectrons , muon et tau); et aussi des quarks .
En 2007, aucune exp??rience n'a d??tect?? directement l'existence du boson de Higgs, mais il ya des preuves indirectes pour elle. On peut esp??rer que, lors de l'ach??vement de la Grand collisionneur de hadrons, des exp??riences men??es au CERN serait apporter la preuve exp??rimentale confirmant l'existence de la particule.
Science, une revue de la recherche scientifique originale, a signal??: "... exp??rimentateurs peuvent avoir d??j?? n??glig?? une particule de Higgs, soutient th??oricien Chien-Yuan Peng de la Michigan State University . ?? East Lansing et ses coll??gues Ils ont consid??r?? la th??orie supersym??trique simple possible. Ordinairement, les th??oriciens supposent que le plus l??ger des cinq Higgses de la th??orie est celle qui tra??ne sur le Z. W et Ces interactions alimentent alors de retour sur Higgs et pousser sa masse au-dessus de 121 fois la masse du proton, la plus haute masse recherch?? au CERN Grand ??lectron-positon (LEP) collisionneur, qui a dur?? de 1989 ?? 2000. Mais il est possible que le plus l??ger p??se Higgs aussi peu que 65 fois la masse d'un proton et a ??t?? manqu??e, Yuan et ses coll??gues font valoir dans un document qui sera publi?? dans Physique Letters` examen. "
Aspects th??oriques
Construction du Mod??le Standard de Lagrange
Symbole | Description | Renormalisation r??gime (le point) | Valeur |
---|---|---|---|
![]() | Masse Electron | 511 keV | |
![]() | Masse Muon | 106 MeV | |
![]() | Tau lepton masse | 1,78 GeV | |
![]() | Jusqu'?? masse du quark | ( ![]() | 1,9 MeV |
![]() | Bas masse du quark | ( ![]() | 4,4 MeV |
![]() | Masse du quark ??trange | ( ![]() | 87 MeV |
![]() | La masse du quark Charme | ( ![]() | 1,32 GeV |
![]() | Masse du quark bas | ( ![]() | 4,24 GeV |
![]() | Top masse du quark | (R??gime on-shell) | 172,7 GeV |
![]() | CKM 12 m??langeant angle | 0,229 | |
![]() | CKM 23-angle de m??lange | 0,042 | |
![]() | CKM 13-angle de m??lange | 0,004 | |
![]() | Phase CKM violation de CP- | 0,995 | |
![]() | U (1) couplage de jauge | ( ![]() | 0,357 |
![]() | SU (2) couplage de jauge | ( ![]() | 0,652 |
![]() | SU (3) le couplage de jauge | ( ![]() | 1,221 |
![]() | QCD Angle de vide | ~ 0 | |
![]() | Higgs couplage quadratique | Inconnu | |
![]() | Higgs force d'auto-couplage | Inconnu |
Techniquement, la th??orie quantique des champs fournit le cadre math??matique pour le mod??le standard, dans lequel un Lagrange contr??le la dynamique et de la cin??matique de la th??orie. Chaque type de particules est d??crite en termes de dynamique champ inonde l'espace-temps. La construction du produit du mod??le standard suivant la m??thode moderne de construire la plupart des th??ories sur le terrain: d'abord postuler un ensemble de sym??tries du syst??me, puis en ??crivant le plus g??n??ral renormalisable LAgrangian de sa particule (champ) du contenu qui observe ces sym??tries.
Le mondial Poincar?? sym??trie est postul?? pour toutes les th??ories quantiques des champs relativistes. Il se compose du familier sym??trie de translation, la sym??trie de rotation et la inertiel de r??f??rence invariance centrale ?? la th??orie de la relativit?? restreinte . Le SU locale (3) SU (2)
U (1) de sym??trie est une jauge sym??trie interne qui d??finit essentiellement le mod??le standard. En gros, les trois facteurs de la sym??trie de jauge donnent lieu aux trois interactions fondamentales. Les domaines se situent dans diff??rentes repr??sentations des diff??rents groupes de sym??trie du mod??le standard (voir tableau). Apr??s l'??criture du lagrangien le plus g??n??ral, on constate que la dynamique d??pendent de 19 param??tres, dont les valeurs num??riques sont ??tablis par l'exp??rience. Les param??tres sont r??sum??s dans le tableau ?? droite.
Sym??tries suppl??mentaires du Mod??le Standard
Du point de vue th??orique, le mod??le standard pr??sente sym??tries globales suppl??mentaires qui ne ??taient pas posulated au d??but de sa construction. Il ya quatre de ces sym??tries et sont collectivement appel??s sym??tries accidentels, qui sont tous des U (1) sym??tries globales continues. Les transformations qui quittent l'invariant de Lagrange sont
La premi??re r??gle de transformation est un raccourci pour signifier que tous les champs de quarks pour toutes les g??n??rations doivent ??tre mis en rotation par une phase identique simultan??ment. Les champs ,
et
,
sont la 2e (muon) et analogues 3??me (tau) de g??n??ration de
et
domaines.
Par Th??or??me de Noether, chacune de ces sym??tries donne une loi de conservation associ??e. Ils sont la conservation de nombre baryonique, le nombre d'??lectrons, num??ro de muon, et le num??ro de tau. Chaque quark porte tiers d'un nombre baryonique, tandis que chaque antiquark porte -1/3 d'un nombre baryonique. La loi de conservation implique que le nombre total de quarks nombre n??gatif des antiquarks reste constante dans le temps. Dans les limites exp??rimentales, aucune violation de cette loi de conservation a ??t?? trouv??.
De m??me, chaque ??lectron et son neutrino associ?? porte le num??ro d'??lectrons 1, tandis que le nombre anti??lectron et l'antineutrino report -1 ??lectronique associ??, les muons portent une certain nombre de muons et les leptons tau portent une num??ro de tau. Le mod??le standard pr??voit que chacun de ces trois num??ros devraient ??tre conserv??s s??par??ment d'une mani??re similaire au nombre baryonique. Ces chiffres sont collectivement connus comme les num??ros de famille lepton (LF). La diff??rence dans les structures de sym??trie entre le quark et les secteurs de leptons est due ?? la masslessness de neutrinos dans le mod??le standard. Cependant, il a ??t?? r??cemment d??couvert que les neutrinos ont une petite masse, et osciller entre saveurs, signalant la violation de ces trois nombres quantiques.
En plus des sym??tries accidentels (mais exactes) d??crites ci-dessus, le mod??le standard pr??sente un ensemble de sym??tries approximatives. Ce sont les SU (2) garde Sym??trie et SU (2) ou SU (3) saveur de quark sym??trie.
Sym??trie | Groupe de Lie | Sym??trie type | loi de conservation |
---|---|---|---|
Poincar?? | Traductions ![]() | Sym??trie globale | ??nergie , Momentum , Angular Momentum |
Jauge | SU (3) ![]() ![]() | Sym??trie locale | La charge ??lectrique , Isospin faible, frais de Couleur |
phase de Baryon | U (1) | Accidentel Sym??trie globale | nombre baryonique |
La phase Electron | U (1) | Accidentel Sym??trie globale | Num??ro Electron |
La phase Muon | U (1) | Accidentel Sym??trie globale | Num??ro Muon |
phase de Tau | U (1) | Accidentel Sym??trie globale | num??ro de Tau-leptons |
Domaine (1??re g??n??ration) | Tourner | Gauge Groupe Repr??sentation | Baryon Nombre | ??lectron Nombre | |
---|---|---|---|---|---|
Quark gaucher | ![]() | ![]() | ( ![]() ![]() ![]() | ![]() | ![]() |
Quark droitier-up | ![]() | ![]() | ( ![]() ![]() ![]() | ![]() | ![]() |
Quark droitier-bas | ![]() | ![]() | ( ![]() ![]() ![]() | ![]() | ![]() |
Lepton gaucher | ![]() | ![]() | ( ![]() ![]() ![]() | ![]() | ![]() |
??lectrons droitier | ![]() | ![]() | ( ![]() ![]() ![]() | ![]() | ![]() |
Champ de jauge hypercharge | ![]() | ![]() | ( ![]() ![]() ![]() | ![]() | ![]() |
Champ de jauge isospin | ![]() | ![]() | ( ![]() ![]() ![]() | ![]() | ![]() |
Champ de gluons | ![]() | ![]() | ( ![]() ![]() ![]() | ![]() | ![]() |
Champ de Higgs | ![]() | ![]() | ( ![]() ![]() ![]() | ![]() | ![]() |
Liste des fermions de mod??le standard
Ce tableau est bas?? en partie sur les donn??es recueillies par le Particle Data Group ( Quarks PDF (54,8 KB)).
Generation 1 | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Fermion (Gaucher) | Symbole | ??lectrique charger | Faible isospin | Faible hypercharge | Couleur charger * | Mass ** | |
??lectron | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | 511 keV | |
Positron | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | 511 keV | |
Electron-neutrino | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | <2 eV **** | |
Quark up | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | *** ~ 3 MeV | |
Jusqu'?? antiquark | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | *** ~ 3 MeV | |
Quark down | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ~ 6 MeV *** | |
Antiquark Bas | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ~ 6 MeV *** | |
Generation 2 | |||||||
Fermion (Gaucher) | Symbole | ??lectrique charger | Faible isospin | Faible hypercharge | Couleur charger * | Mass ** | |
Muon | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | 106 MeV | |
Antimuon | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | 106 MeV | |
Muon-neutrino | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | <2 eV **** | |
Quark charm | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ~ 1,3 GeV | |
Charm antiquark | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ~ 1,3 GeV | |
Quark ??trange | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ~ 100 MeV | |
Antiquark ??trange | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ~ 100 MeV | |
Generation 3 | |||||||
Fermion (Gaucher) | Symbole | ??lectrique charger | Faible isospin | Faible hypercharge | Couleur charger * | Mass ** | |
Tau lepton | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | 1,78 GeV | |
Anti-tau lepton | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | 1,78 GeV | |
Tau-neutrino | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | <2 eV **** | |
Quark top | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | 171 GeV | |
Top antiquark | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | 171 GeV | |
Quark | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ~ 4,2 GeV | |
Antiquark Bottom | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ~ 4,2 GeV | |
Notes:
|
Tests et pr??dictions
Le Mod??le Standard pr??dit l'existence des bosons W et Z, le gluon, le quark haut et le quark charm?? avant que ces particules avaient ??t?? observ??s. Leurs propri??t??s pr??dites ont ??t?? confirm??es exp??rimentalement avec une bonne pr??cision.
Le Large Electron-Positron Collider au CERN a test?? diff??rentes pr??dictions sur la d??sint??gration de bosons Z, et les trouva confirm??.
Pour avoir une id??e de la r??ussite du mod??le standard une comparaison entre la mesure et les valeurs pr??dites de certaines quantit??s sont pr??sent??s dans le tableau suivant:
Quantit?? | Mesur?? (GeV) | Pr??vision SM (GeV) |
---|---|---|
Messe du boson W | 80,398 ?? 0,025 | 80,3900 ?? 0,0180 |
Messe du boson Z | 91,1876 ?? 0,0021 | 91,1874 ?? 0,0021 |
D??fis au mod??le standard
Param??tres dans le mod??le standard: ce qui donne lieu ?? le mod??le standard de la physique des particules? Pourquoi ses masses des particules et constantes de couplage poss??dent les valeurs que nous avons mesur??es? Est-ce que Boson de Higgs pr??dit par le mod??le existe vraiment? Pourquoi y at-il trois g??n??rations de particules dans le mod??le standard? |
Le mod??le standard de la physique des particules a ??t?? d??termin?? empiriquement par exp??riences au cours des cinquante derni??res ann??es. Actuellement, le mod??le standard pr??dit qu'il ya une plus particules ?? d??couvrir, le Boson de Higgs. L'une des raisons pour la construction de la Grand collisionneur de hadrons, on pr??voit que l'augmentation de l'??nergie pour faire le boson observable. Cependant, ?? partir de 2007, il ya seulement indirecte indications exp??rimentales de l'existence du boson de Higgs et il ne peut ??tre pr??tendu ??tre trouv??s.
Il ya eu beaucoup de fois th??orique et exp??rimentale recherche qui explore si le mod??le standard pourrait ??tre ??tendu dans un compl??te th??orie du tout. Ce domaine de recherche est souvent d??crit par le terme ' Au-del?? du mod??le standard. Il ya plusieurs motivations pour cette recherche. Tout d'abord, le mod??le standard ne tente pas d'expliquer la gravit?? , et on ne sait comment combiner la th??orie quantique des champs qui est utilis?? pour le mod??le standard avec la relativit?? g??n??rale qui est le meilleur mod??le physique de gravit??. Cela signifie qu'il n'y a pas un bon mod??le th??orique pour des ph??nom??nes tels que l'univers primitif.
Une autre voie de recherche est li??e au fait que le mod??le standard semble ad-hoc et tr??s in??l??gante. Par exemple, la th??orie contient de nombreux param??tres apparemment si ind??pendants de la th??orie - 21 au total (18 param??tres de la th??orie de base, plus G, c et h; il sont soup??onn??s d'??tre encore 7 ou 8 param??tres requis pour les masses des neutrinos bien la masse des neutrinos sont en dehors du mod??le standard et les d??tails ne sont pas clairs). La recherche se concentre ??galement sur la Probl??me de la hi??rarchie (pourquoi l'??chelle faible et ??chelle de Planck sont si disparates), et tente de concilier le mod??le standard ??mergent de la cosmologie avec le mod??le standard de la physique des particules. Beaucoup de questions ont trait ?? la conditions initiales qui ont conduit ?? la g??n??ration actuelle observ??e Univers . Exemples: Pourquoi est-il question / antimati??re asym??trie? Pourquoi l'Univers et isotrope homog??ne ?? de grandes distances?