Modèle Standard

Théorie quantique des champs
Diagramme de Feynman
Histoire
Fond Field Theory théorie de jauge Poincaré symétrie Mécanique quantique Brisure spontanée de symétrie
Symétries La conjugaison de charge Traversée Parité Le retournement temporel
Outils Anomalie Théorie effective valeur Attente Fantômes Faddeev-Popov Diagramme de Feynman Théorie de jauge sur réseau Formule de réduction LSZ la fonction de partage Propagator Quantification Régularisation Renormalisation état de vide Théorème de Wick Axiomes Wightman
Équations Équation de Dirac Klein-Gordon équation équations ProcA Wheeler-DeWitt équation Équations Bargmann-Wigner
Modèle Standard Interaction électrofaible Mécanisme de Higgs Chromodynamique quantique Électrodynamique quantique Théorie de Yang-Mills
Théories incomplètes La gravité quantique La théorie des cordes Supersymétrie Technicolor Théorie du tout
Les scientifiques CD Anderson PW Anderson Bardeen Bethe Bjorken Bogolioubov Brout Cabibbo Callan Cronin DeWitt Dirac Dyson Englert Fermi Feynman Fierz Pêcheur Fock Fröhlich Gell-Mann Brut Hänsch Heisenberg Higgs Haag 'T Hooft Kadanoff Kendall Klitzing Kobayashi Agneau Landau Lee Majorana Maskawa Mills Nambu Nishijima Parisi Paul Polyakov Salam Schwinger Shockley Skyrme Störmer Sudarshan Thomson Tomonaga Veltman Quartier Weinberg Wilczek Wilson Yang Yukawa

Le modèle standard de la physique des particules est une théorie qui décrit trois des quatre connue interactions fondamentales entre les particules élémentaires qui composent tous la matière . Elle regroupe les théorie électrofaible et chromodynamique quantique dans une structure désignée par la groupe de jauge SU (3) × SU (2) × U (1). Ce est un relativiste théorie quantique des champs qui est compatible avec les deux la mécanique quantique et la relativité restreinte . À ce jour, presque tous les tests expérimentaux des trois forces décrites par le modèle standard ont convenu avec ses prévisions.

Le modèle standard est loin d'être un théorie complète des interactions fondamentales, principalement en raison de son manque d'inclusion de gravité , la quatrième interaction fondamentale connu, et aussi parce que de l'observation récente de oscillations de neutrinos.

Contexte historique

La formulation de l'unification de l' électromagnétique et interactions faibles dans le modèle standard est due à Steven Weinberg, Abdus Salam et, par la suite, Sheldon Glashow. Le modèle d'unification a été initialement proposé par Steven Weinberg en 1967 , et complété l'intégration avec la proposition de Peter Higgs brisure de symétrie spontanée qui donne naissance à des masses de toutes les particules décrites dans le modèle.

Après la découverte, faite à CERN de l'existence de courants faibles neutres, médiée par le Boson Z, prévu dans le modèle standard, Glashow, Salam et Weinberg a reçu le Prix Nobel de physique en 1979 .

Vue d'ensemble

Dans la physique , la dynamique de la matière et de l'énergie dans la nature est actuellement mieux compris en termes de la cinématique et les interactions des particules fondamentales. À ce jour, la science a réussi à réduire le lois qui semblent régir le comportement et l'interaction de tous les types de matière et d'énergie que nous sommes au courant, à un petit noyau de lois et théories fondamentales. Un objectif majeur de la physique est de trouver le «terrain commun» qui unirait tous ces dans un modèle intégré de tout, dans lequel toutes les autres lois que nous connaissons seraient des cas particuliers, et à partir de laquelle le comportement de toute matière et énergie peut être dérivée (au moins en principe). "Les détails peuvent être élaborées 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 conférences de Feynman sur la physique, Vol 1. 2-7)

Le modèle standard est un regroupement de deux grandes théories - électrofaible quantique et chromodynamique quantique - qui fournit une théorie cohérence interne décrivant les interactions entre toutes les particules observées expérimentalement. Techniquement, la théorie quantique des champs fournit le cadre mathématique pour le modèle standard. Le modèle standard décrit chaque type de particule en termes de mathématique domaine. Pour une description technique des champs et de leurs interactions, voir modèle standard (formulation mathématique).

Contenu de particules

Particules en physique Élémentaire Fermions Quarks u u ré ré c c s s t t b b Leptons e - e + μ - * μ + τ - τ * + ν e * ν e ν μ * ν μ ν τ ν * τ Bosons Jauge γ g ± W * Z Scalaire H 0 Autres Spectres Hypothétique Superpartenaires Jauginos Gluino Gravitino Autres Axino Chargino Higgsino Neutralino Sfermion Autres A 0 Dilaton Sol J Particule de Majorana m Tachyon X Y W ' Z ' Neutrino stérile Composite Hadrons Baryons / Hypérons N p n Δ Λ Σ Ξ Ω Mésons / Quarkonia π ρ η η ' φ ω J / ψ Υ θ K B Ré T Autres Les noyaux atomiques Atomes Diquarks Atomes exotiques Positronium Muonium Tauonium Onia Superatoms Molécules Hypothétique Hadrons exotiques Baryons exotiques Dibaryon Pentaquark Skyrmion Mésons exotiques Boules de glu Tétraquark Autres Molécule mésonique Poméron Quasiparticules Davydov soliton Exciton Trou Magnon Phonon Plasmaron Plasmon Polaritons Polaron Roton Trion Listes Baryons Mésons Particules Quasiparticules Chronologie des découvertes de particules Livres Wikipédia Matière hadronique Particules du Modèle Standard Leptons Quarks portail Physique

Les particules du modèle standard sont organisés en trois catégories en fonction de leur rotation: fermions (particules de spin-½ de la matière), jauge bosons (particules de spin-1 de force de médiation) et le (spin-0) Boson de Higgs.

Les particules de matière

Tous les fermions dans le modèle standard sont spin-½, et suivent le Pauli principe d'exclusion conformément à la Théorème spin-statistique.

En dehors de leur partenaires antiparticules, un total de douze fermions différents sont connus et pris en compte. Ils sont classés en fonction de la façon dont ils interagissent (ou de manière équivalente, quelles accusations qu'ils portent): six d'entre eux sont classés comme quarks ( up, vers le bas, charme, étrange, top, bas), et les six autres que leptons ( électrons , muon, tau, et de leur correspondant neutrinos).

Paires de chaque catégorie sont regroupés pour former un génération, avec des particules correspondantes présentant un comportement physique similaire (voir tableau des fermions).

La propriété de la définition de quarks , ce est qu'ils portent charge de couleur, et donc, d'interagir via le force forte. Le comportement infrarouge de confinement des résultats de vive force dans les quarks étant perpétuellement lié à l'autre en formant des particules composites couleur neutre ( hadrons) soit de deux quarks ( mésons) ou trois quarks ( baryons). Le familier protons et neutrons sont des exemples des deux baryons les plus légers. Quarks portent aussi des charges électriques et isospin faible. Par conséquent, ils interagissent avec d'autres fermions électromagnétiquement et via les interactions nucléaires faibles.

Les six restants fermions qui ne portent pas de charge de couleur sont définis comme la leptons. L'arbre neutrinos ne portent pas de charge électrique soit, de sorte que leur mouvement est directement influencée seulement par l'intermédiaire de la force nucléaire faible. Pour cette raison, les neutrinos sont notoirement difficiles à détecter dans les laboratoires. Cependant, l' électron , muon et le tau lepton portent une charge électrique afin qu'ils interagissent électromagnétique , aussi.

Le boson de Higgs

La particule de Higgs est une hypothétique massif scalaire particule élémentaire prédite par le modèle standard, et la seule particule fondamentale prédite par ce modèle qui n'a pas été directement observé encore. Ce est parce qu'il nécessite un montant exceptionnellement élevé de l'énergie et de la poutre luminosité pour créer et observer au collisionneurs de haute énergie. Il n'a pas intrinsèque tourner, et donc, (comme la force la médiation particules, qui ont également spin entier) est également classée comme une boson.

Le boson de Higgs joue un rôle unique dans le modèle standard, et un rôle clé dans l'explication de l'origine de la masse des autres particules élémentaires, en particulier la différence entre la masse nulle photons et de la très lourde Bosons W et Z. Masses des particules primaires, et les différences entre l'électromagnétisme (causée par le photon) et le force faible (causée par les bosons W et Z), sont essentiels pour de nombreux aspects de la structure microscopique du (et donc macroscopique) question. En théorie électrofaible il génère des masses de l'énorme leptons ( électrons , muon et tau); et aussi des quarks .

En 2007, aucune expérience n'a détecté directement l'existence du boson de Higgs, mais il ya des preuves indirectes pour elle. On peut espérer que, lors de l'achèvement de la Grand collisionneur de hadrons, des expériences menées au CERN serait apporter la preuve expérimentale confirmant l'existence de la particule.

Science, une revue de la recherche scientifique originale, a signalé: "... expérimentateurs peuvent avoir déjà négligé une particule de Higgs, soutient théoricien Chien-Yuan Peng de la Michigan State University . à East Lansing et ses collègues Ils ont considéré la théorie supersymétrique simple possible. Ordinairement, les théoriciens supposent que le plus léger des cinq Higgses de la théorie est celle qui traîne 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 recherché au CERN Grand électron-positon (LEP) collisionneur, qui a duré de 1989 à 2000. Mais il est possible que le plus léger pèse Higgs aussi peu que 65 fois la masse d'un proton et a été manquée, Yuan et ses collègues font valoir dans un document qui sera publié dans Physique Letters` examen. "

Aspects théoriques

Construction du Modèle Standard de Lagrange

Paramètres du Modèle Standard

Symbole	Description	Renormalisation régime (le point)	Valeur
	Masse Electron		511 keV
	Masse Muon		106 MeV
	Tau lepton masse		1,78 GeV
	Jusqu'à masse du quark	( )	1,9 MeV
	Bas masse du quark	( )	4,4 MeV
	Masse du quark étrange	( )	87 MeV
	La masse du quark Charme	( )	1,32 GeV
	Masse du quark bas	( )	4,24 GeV
	Top masse du quark	(Régime on-shell)	172,7 GeV
	CKM 12 mélangeant angle		0,229
	CKM 23-angle de mélange		0,042
	CKM 13-angle de mélange		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 théorie quantique des champs fournit le cadre mathématique pour le modèle standard, dans lequel un Lagrange contrôle la dynamique et de la cinématique de la théorie. Chaque type de particules est décrite en termes de dynamique champ inonde l'espace-temps. La construction du produit du modèle standard suivant la méthode moderne de construire la plupart des théories sur le terrain: d'abord postuler un ensemble de symétries du système, puis en écrivant le plus général renormalisable LAgrangian de sa particule (champ) du contenu qui observe ces symétries.

Le mondial Poincaré symétrie est postulé pour toutes les théories quantiques des champs relativistes. Il se compose du familier symétrie de translation, la symétrie de rotation et la inertiel de référence invariance centrale à la théorie de la relativité restreinte . Le SU locale (3) SU (2) U (1) de symétrie est une jauge symétrie interne qui définit essentiellement le modèle standard. En gros, les trois facteurs de la symétrie de jauge donnent lieu aux trois interactions fondamentales. Les domaines se situent dans différentes représentations des différents groupes de symétrie du modèle standard (voir tableau). Après l'écriture du lagrangien le plus général, on constate que la dynamique dépendent de 19 paramètres, dont les valeurs numériques sont établis par l'expérience. Les paramètres sont résumés dans le tableau à droite.

Symétries supplémentaires du Modèle Standard

Du point de vue théorique, le modèle standard présente symétries globales supplémentaires qui ne étaient pas posulated au début de sa construction. Il ya quatre de ces symétries et sont collectivement appelés symétries accidentels, qui sont tous des U (1) symétries globales continues. Les transformations qui quittent l'invariant de Lagrange sont

La première règle de transformation est un raccourci pour signifier que tous les champs de quarks pour toutes les générations doivent être mis en rotation par une phase identique simultanément. Les champs , et , sont la 2e (muon) et analogues 3ème (tau) de génération de et domaines.

Par Théorème de Noether, chacune de ces symétries donne une loi de conservation associée. Ils sont la conservation de nombre baryonique, le nombre d'électrons, numéro de muon, et le numéro 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 négatif des antiquarks reste constante dans le temps. Dans les limites expérimentales, aucune violation de cette loi de conservation a été trouvé.

De même, chaque électron et son neutrino associé porte le numéro d'électrons 1, tandis que le nombre antiélectron et l'antineutrino report -1 électronique associé, les muons portent une certain nombre de muons et les leptons tau portent une numéro de tau. Le modèle standard prévoit que chacun de ces trois numéros devraient être conservés séparément d'une manière similaire au nombre baryonique. Ces chiffres sont collectivement connus comme les numéros de famille lepton (LF). La différence dans les structures de symétrie entre le quark et les secteurs de leptons est due à la masslessness de neutrinos dans le modèle standard. Cependant, il a été récemment découvert que les neutrinos ont une petite masse, et osciller entre saveurs, signalant la violation de ces trois nombres quantiques.

En plus des symétries accidentels (mais exactes) décrites ci-dessus, le modèle standard présente un ensemble de symétries approximatives. Ce sont les SU (2) garde Symétrie et SU (2) ou SU (3) saveur de quark symétrie.

Symétries du Modèle Standard et lois de conservation associés

Symétrie	Groupe de Lie	Symétrie type	loi de conservation
Poincaré	Traductions SO (3,1)	Symétrie globale	Énergie , Momentum , Angular Momentum
Jauge	SU (3) SU (2) U (1)	Symétrie locale	La charge électrique , Isospin faible, frais de Couleur
phase de Baryon	U (1)	Accidentel Symétrie globale	nombre baryonique
La phase Electron	U (1)	Accidentel Symétrie globale	Numéro Electron
La phase Muon	U (1)	Accidentel Symétrie globale	Numéro Muon
phase de Tau	U (1)	Accidentel Symétrie globale	numéro de Tau-leptons

contenu du champ du Modèle Standard

Domaine (1ère génération)		Tourner	Gauge Groupe Représentation	Baryon Nombre	Électron Nombre
Quark gaucher			( , , )
Quark droitier-up			( , , )
Quark droitier-bas			( , , )
Lepton gaucher			( , , )
Électrons droitier			( , , )
Champ de jauge hypercharge			( , , )
Champ de jauge isospin			( , , )
Champ de gluons			( , , )
Champ de Higgs			( , , )

Liste des fermions de modèle standard

Ce tableau est basé en partie sur les données recueillies par le Particle Data Group ( Quarks PDF (54,8 KB)).

Fermions gauchers dans le modèle standard

Generation 1
Fermion (Gaucher)	Symbole	Électrique charger	Faible isospin	Faible hypercharge	Couleur charger *	Mass **
Électron						511 keV
Positron						511 keV
Electron-neutrino						<2 eV ****
Quark up						*** ~ 3 MeV
Jusqu'à antiquark						*** ~ 3 MeV
Quark down						~ 6 MeV ***
Antiquark Bas						~ 6 MeV ***
Generation 2
Fermion (Gaucher)	Symbole	Électrique 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 étrange						~ 100 MeV
Antiquark étrange						~ 100 MeV
Generation 3
Fermion (Gaucher)	Symbole	Électrique 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: * Ce ne sont pas ordinaire abéliennes charges , qui peuvent être ajoutés ensemble, mais sont les étiquettes de représentations des groupes de groupes de Lie. ** Messe est vraiment un couplage entre un fermion gaucher et un fermion droitier. Par exemple, la masse d'un électron est vraiment un couplage entre un électron de gaucher et un droitier électrons, qui est le antiparticule d'une main gauche positron. Aussi montrer neutrinos grands brassages dans leur couplage de masse, de sorte qu'il ne est pas exact de parler de la masse des neutrinos dans le base de la saveur ou de suggérer un antineutrino électronique gaucher. *** Les masses de baryons et hadrons et diverses sections sont les quantités mesurées expérimentalement. Depuis quarks ne peuvent être isolées en raison de QCD confinement, la quantité ici est censé être la masse du quark à la renormalisation échelle de l'échelle de la QCD. **** Le modèle standard suppose que les neutrinos sont de masse nulle. Cependant, plusieurs expériences contemporaines prouvent que neutrinos oscillent entre leur Etats saveur, qui ne pouvait pas arriver si tous étaient sans masse. Il est facile d'étendre le modèle pour se adapter à ces données, mais il ya beaucoup de possibilités, donc la masse états propres sont encore ouverte. Voir Neutrino # messe.

Log de masses dans le modèle standard.

Tests et prédictions

Le Modèle Standard prédit l'existence des bosons W et Z, le gluon, le quark haut et le quark charmé avant que ces particules avaient été observés. Leurs propriétés prédites ont été confirmées expérimentalement avec une bonne précision.

Le Large Electron-Positron Collider au CERN a testé différentes prédictions sur la désintégration de bosons Z, et les trouva confirmé.

Pour avoir une idée de la réussite du modèle standard une comparaison entre la mesure et les valeurs prédites de certaines quantités sont présentés dans le tableau suivant:

Défis au modèle standard

Le modèle standard de la physique des particules a été déterminé empiriquement par expériences au cours des cinquante dernières années. Actuellement, le modèle standard prédit qu'il ya une plus particules à découvrir, le Boson de Higgs. L'une des raisons pour la construction de la Grand collisionneur de hadrons, on prévoit que l'augmentation de l'énergie pour faire le boson observable. Cependant, à partir de 2007, il ya seulement indirecte indications expérimentales de l'existence du boson de Higgs et il ne peut être prétendu être trouvés.

Il ya eu beaucoup de fois théorique et expérimentale recherche qui explore si le modèle standard pourrait être étendu dans un complète théorie du tout. Ce domaine de recherche est souvent décrit par le terme ' Au-delà du modèle standard. Il ya plusieurs motivations pour cette recherche. Tout d'abord, le modèle standard ne tente pas d'expliquer la gravité , et on ne sait comment combiner la théorie quantique des champs qui est utilisé pour le modèle standard avec la relativité générale qui est le meilleur modèle physique de gravité. Cela signifie qu'il n'y a pas un bon modèle théorique pour des phénomènes tels que l'univers primitif.

Une autre voie de recherche est liée au fait que le modèle standard semble ad-hoc et très inélégante. Par exemple, la théorie contient de nombreux paramètres apparemment si indépendants de la théorie - 21 au total (18 paramètres de la théorie de base, plus G, c et h; il sont soupçonnés d'être encore 7 ou 8 paramètres requis pour les masses des neutrinos bien la masse des neutrinos sont en dehors du modèle standard et les détails ne sont pas clairs). La recherche se concentre également sur la Problème de la hiérarchie (pourquoi l'échelle faible et Échelle de Planck sont si disparates), et tente de concilier le modèle standard émergent de la cosmologie avec le modèle standard de la physique des particules. Beaucoup de questions ont trait à la conditions initiales qui ont conduit à la génération actuelle observée Univers . Exemples: Pourquoi est-il question / antimatière asymétrie? Pourquoi l'Univers et isotrope homogène à de grandes distances?