Современная теория элементарных частиц – Стандартная модель фундаментальных взаимодействий – строится на основе понятия симметрии. Фото с сайта: www.subscribe.ru

Исследователи из Научно-исследовательского института ядерной физики Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (НИИЯФ МГУ) и лаборатория Джефферсона в США получили новые данные о том, что происходит при облучении протонов пучком электронов с энергиями около шести гигаэлектронвольт, сообщает «Лента.ру». Эта информация необходима для уточнения ряда предсказаний Стандартной модели. Информация о работе физиков опубликована на официальном сайте НИИЯФ МГУ имени М.В. Ломоносова.

Ученые использовали ускоритель электронов CEBAF в лаборатории Джефферсона. Эта установка позволяет разогнать электроны до энергии в 6 гигаэлектронвольт, а затем вывести сфокусированный пучок в один из нескольких экспериментальных залов. Американо-российская группа исследователей применила в качестве мишени капсулу с жидким водородом внутри специального детектора CLAS, многослойного шара диаметром около трех метров. Образовавшиеся при столкновении протонов и электронов частицы поглощались детектором практически полностью и благодаря его показаниям ученые получили возможность изучить взаимодействие частиц с так называемыми промежуточными энергиями.

По словам старшего научного сотрудника НИИЯФ МГУ Евгения Исупова при помощи CLAS изучалась «реакция в которой образуются положительные и отрицательные пи-мезоны. Преимущество данной реакции состоит в том, что большинство высоколежащих нуклонных резонансов распадаются преимущественно по этому каналу». Это означает, что ученые получили возможность проверить, действительно ли перешедшие в возбужденное состояние протоны (нуклонные резонансы) превращаются в другие частицы так, как предсказывает теория. Исследователь добавил, что кварковая модель также допускает наличие нескольких комбинаций частиц, которые пока что не удавалось наблюдать в эксперименте, но которые можно обнаружить при помощи достаточно мощного ускорителя в сочетании с чувствительным детектором.

Современная теория элементарных частиц – Стандартная модель фундаментальных взаимодействий – строится на основе понятия симметрии. Это не только знакомая нам пространственная симметрия, а симметрия относительно преобразований в так называемом внутреннем пространстве, как, например, симметрия относительно фазовых преобразований или относительно вращений в пространстве «изоспина» или в пространстве «цвета».

Стандартной моделью называется теоретическое описание трех фундаментальных сил из четырех (в ней присутствует сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия, но не фигурирует гравитация). Цель новой работы – выяснить, как меняется характер сильного взаимодействия при переходе от высоких энергий к сравнительно низким (для сравнения Большой адронный коллайдер выдает пучок протонов с энергией до четырех тераэлектровольт, то есть почти на три порядка выше рассматриваемого в работе).

Согласно Стандартной модели, весь материальный мир построен из частиц двух сортов: кварков и лептонов. Из кварков построены протоны и нейтроны, из которых состоят ядра атомов, а легчайший лептон – электрон – образует атомную оболочку. Всего известно шесть сортов кварков и столько же сортов лептонов. Их обычно подразделяют на три поколения, которые полностью идентичны за исключением значений их масс. Каждое последующее поколение тяжелее, чем предыдущее. Все эти частицы открыты экспериментально на ускорителях в прошлом веке.

Различают три типа фундаментальных взаимодействий элементарных частиц: сильное, слабое и электромагнитное. Существует ещ гравитация, но она очень слаба и ею обычно пренебрегают в физике микромира. Сильное взаимодействие ответственно за стабильность атомного ядра, слабое взаимодействие осуществляет процесс распада ядер, что является источником термоядерной энергии Солнца, а электромагнитное взаимодействие – это хорошо знакомый нам свет, который переносит энергию Солнца на Землю и является источником жизни. Все эти взаимодействия кварков и лептонов осуществляются путем обмена квантами соответствующего поля: глюонами, слабыми бозонами и фотонами в случае сильного, слабого и электромагнитного взаимодействия, соответственно.

Симметрии, связанные с этими тремя взаимодействиями, формулируются на языке теории групп и отвечают преобразованиям в соответствующем пространстве параметров. Уравнения, которыми описываются кварки и лептоны, а также частицы – переносчики взаимодействий, должны быть инвариантны относительно преобразований симметрии. Это требование есть следствие тех законов сохранения, которые были проверены экспериментально. Конкретный вид групп симметрии – это также вопрос соответствия теории с экспериментом. В результате многолетних усилий были установлены группы симметрии трх фундаментальных взаимодействий. Этими группами являются соответственно группы SU(3), SU(2) и U(1) – так называемые унитарные группы.