Современная физика высоких энергий опирается на квантовую теорию поля, в рамках которой частицы рассматриваются как возбуждённые состояния соответствующих квантовых полей. Каждый тип фундаментальной частицы ассоциирован с определённым калибровочным или фермионным полем, а взаимодействия между частицами — с обменом бозонами, возникающими из этих же полей.
Таким образом, под фундаментальной или элементарной частицей подразумевается объект, не обладающий внутренней структурой, не составленный из других частиц. В Стандартной модели (СМ) таких частиц — конечное число, они делятся на две основные категории: фермионы (носители материи) и бозоны (носители взаимодействий).
Фермионы — это частицы с полуцелым спином (в СМ все фермионы имеют спин ½), подчиняющиеся статистике Ферми-Дирака. Они разделяются на:
Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии. Всего известно шесть лептонов, сгруппированных в три поколения:
Каждый лептон имеет соответствующий античастицу, обладающую противоположным электрическим зарядом (если он есть) и лептонным числом.
Кварки участвуют во всех известных взаимодействиях, включая сильное. Они также делятся на три поколения:
Особенность кварков заключается в наличии цветового заряда, который обусловливает участие в сильном взаимодействии, опосредованном глюонами. Кварки не наблюдаются в свободном состоянии вследствие явления конфайнмента — они входят в состав адронов (мезонов и барионов), образуя композитные состояния.
Бозоны обладают целым спином и подчиняются статистике Бозе–Эйнштейна. Они отвечают за реализацию фундаментальных взаимодействий.
Глюоны являются калибровочными бозонами квантовой хромодинамики (КХД) — теории сильного взаимодействия. Существует восемь типов глюонов, каждый из которых переносит как цветовой заряд, так и антизаряд, что позволяет глюонам взаимодействовать друг с другом. Это самоинтерактивность приводит к неленейной структуре КХД и явлению конфайнмента.
Фотон — калибровочный бозон электромагнитного взаимодействия. Он не имеет массы и электрического заряда, что обусловливает бесконечный радиус действия электромагнитных сил.
Эти массивные бозоны отвечают за слабое взаимодействие. W-бозоны заряжены, Z-бозон — нейтрален. Их большая масса объясняет короткий радиус действия слабого взаимодействия. Являются носителями слабого изоспина, и играют ключевую роль в процессах распада, включая β-распад.
Хиггсовский бозон — скалярная частица (спин 0), предсказанная механизмом Хиггса и экспериментально подтверждённая в 2012 году. Он обеспечивает массу другим частицам посредством механизма спонтанного нарушения симметрии. Бозон Хиггса уникален тем, что не является калибровочным переносчиком взаимодействия в обычном смысле, однако критически важен для структуры СМ.
Каждая элементарная частица характеризуется набором квантовых чисел, включающим:
Наблюдается структура из трёх поколений фермионов, каждое из которых содержит два кварка и два лептона. Массы частиц увеличиваются с переходом к более высоким поколениям, но другие квантовые числа остаются аналогичными. Это отражает иерархичность массы, остающуюся одной из нерешённых проблем Стандартной модели.
Каждой частице соответствует античастица, обладающая противоположными аддитивными квантовыми числами (например, зарядом, лептонным числом и т. д.), но той же массой и спином. Анигиляция частицы с античастицей приводит к полному превращению их массы в энергию. Кварки и глюоны также имеют античастицы, с противоположным цветовым зарядом.
Несмотря на успехи СМ, она не объясняет целый ряд явлений, таких как:
Это стимулирует развитие расширенных теорий, таких как суперсимметрия, теория великого объединения (GUT) и теория струн, в которых появляются новые элементарные частицы: гравитино, аксионы, суперпартнёры известных фермионов и бозонов и др.
| Тип | Частицы | Спин | Заряд | Участвуют в сильном взаимодействии |
|---|---|---|---|---|
| Лептоны | e⁻, μ⁻, τ⁻, νₑ, ν_μ, ν_τ | ½ | 0, –1 | Нет |
| Кварки | u, d, c, s, t, b | ½ | +⅔, –⅓ | Да |
| Бозоны | γ, g, W⁺, W⁻, Z⁰, H⁰ | 1 (0 для H⁰) | 0, ±1 | Да (g), Нет (остальные) |
Из всех фермионов только частицы первого поколения стабильны при обычных условиях: электрон и нейтрино (в отсутствие взаимодействий с другими частицами). Остальные частицы быстро распадаются на более лёгкие. Например:
Распады обусловлены нарушением масс и сохраняющимися квантовыми числами. Стабильность протона является фундаментальным фактом, и её нарушение (например, в GUT-предсказаниях) пока не обнаружено.
Фундаментальные взаимодействия и классификация частиц глубоко связаны с группами симметрий. Стандартная модель базируется на калибровочной группе:
SU(3)_C × SU(2)_L × U(1)_Y
Взаимодействия и структуры частиц выводятся из преобразований относительно этих групп, а сами частицы представляют определённые представления этих групп симметрий.
В Стандартной модели массы частиц не вводятся вручную, а возникают динамически за счёт механизма Хиггса. Фундаментальное скалярное поле приобретает ненулевое вакуумное значение, что приводит к спонтанному нарушению симметрии SU(2)_L × U(1)_Y → U(1)_EM, в результате чего:
Этот механизм был подтверждён обнаружением Хиггсовского бозона на Большом адронном коллайдере.
Таким образом, фундаментальные частицы Стандартной модели представляют собой базис современной физики высоких энергий. Их классификация, свойства и взаимодействия определяют структуру и эволюцию всей наблюдаемой материи, а выход за пределы СМ является предметом интенсивных теоретических и экспериментальных исследований.