Стандартная модель (СМ) является фундаментальной теоретической конструкцией, описывающей структуру и взаимодействия материи на уровне элементарных частиц. Она объединяет три из четырёх фундаментальных взаимодействий природы — электромагнитное, слабое и сильное — в единую систему, построенную на языке калибровочных теорий. Гравитация в рамках СМ не рассматривается. Экспериментальная проверка положений этой модели стала возможной благодаря развитию ускорительной техники, позволяющей достигать энергий, при которых проявляются свойства микромира, недоступные при низкоэнергетических процессах.
Ускорительные эксперименты стали основным инструментом тестирования предсказаний СМ: открытие кварков, выявление структуры слабого взаимодействия, регистрация промежуточных бозонов W и Z, открытие глюонов, а также подтверждение существования бозона Хиггса — все эти достижения стали возможны только благодаря применению ускорителей высоких энергий.
Фундаментальные частицы СМ делятся на две большие группы: фермионы (частицы вещества) и бозоны (частицы-переносчики взаимодействий).
Фермионы
Бозоны
Сильное взаимодействие описывается квантовой хромодинамикой (КХД), слабое и электромагнитное объединяются в рамках электрослабой теории. Именно на ускорителях проверяются ключевые предсказания этих теорий.
Открытие кварков стало результатом глубоконеупругого рассеяния электронов на протонах и нейтронах в экспериментах на ускорителях в Стэнфорде (конец 1960-х гг.). Высокоэнергетические электроны, ускоренные до нескольких десятков ГеВ, позволили рассмотреть структуру нуклонов и выявить наличие точечных составляющих — кварков.
Позднейшие эксперименты на электрон-позитронных коллайдерах (например, на LEP в ЦЕРНе) позволили точно измерить число семейств фермионов, а также параметры слабых токов.
Ускорители сыграли ключевую роль в открытии промежуточных векторных бозонов W и Z. Эти частицы были обнаружены в начале 1980-х гг. на протон-антипротонном коллайдере SPS в ЦЕРНе. Их массы (порядка 80–90 ГеВ) стали первым убедительным подтверждением электрослабой теории Глэшоу–Вайнберга–Салама.
Точные измерения свойств W- и Z-бозонов на электрон-позитронном коллайдере LEP позволили уточнить параметры электрослабого взаимодействия и определить число типов нейтрино.
Подтверждение КХД стало возможным благодаря ускорителям, создающим условия для рождения и взаимодействия адронов. В частности:
Наиболее значимым экспериментальным достижением ускорительной физики последнего времени стало открытие бозона Хиггса в 2012 году на Большом адронном коллайдере. Хиггсовский механизм лежит в основе формирования масс W- и Z-бозонов, а также фермионов, что делает его краеугольным элементом СМ.
Благодаря колоссальным энергиям (до 7–8 ТэВ на протон-протонных столкновениях) и высокой статистике данных детекторы ATLAS и CMS зарегистрировали сигналы, соответствующие бозону Хиггса с массой около 125 ГеВ. Это стало важнейшей экспериментальной верификацией механизма спонтанного нарушения симметрии в СМ.
Несмотря на успехи, ускорительные исследования показывают границы применимости СМ. Существует ряд нерешённых проблем:
В поисках ответов строятся новые ускорительные комплексы: перспективные линейные коллайдеры (ILC, CLIC), проекты электрон-протонных и мюонных коллайдеров, а также идеи плазменного ускорения для достижения экстримальных энергий на компактных установках.