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Modelo Padrão

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Informações de fundo

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O Modelo Padrão da física de partículas é uma teoria que descreve três dos quatro conhecidos interações fundamentais entre o partículas elementares que compõem toda a matéria . Ele agrupa os teoria eletrofraca e chromodynamics quântico para uma estrutura indicada pela grupo de calibre SU (3) × SU (2) × U (1). É um relativista teoria quântica de campos que é consistente com as duas mecânica quântica e da relatividade especial . Até o momento, quase todos os testes experimentais das três forças descritas pelo modelo padrão concordaram com as suas previsões.

O Modelo Padrão está aquém de ser um teoria completa de interacções fundamentais, principalmente por causa da sua falta de inclusão de gravidade , a quarta força fundamental conhecido, e também por causa do recente observação de oscilações de neutrinos.

Contexto histórico

A formulação da unificação da eletromagnética e interações fracas no Modelo Padrão é devido a Steven Weinberg, Abdus Salam e, subsequentemente, Sheldon Glashow. O modelo de unificação foi inicialmente proposto por Steven Weinberg em 1967 , e completou integrando-se com a proposta Peter Higgs de de ruptura espontânea de simetria que dá origem às massas de todas as partículas descritas no modelo.

Após a descoberta, feita no CERN da existência de correntes fracas neutras, mediada pela Z de Higgs, previsto no modelo padrão, Glashow, Salam e Weinberg recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1979 .

Visão global

Em física , a dinâmica de ambos matéria e energia na natureza é actualmente melhor compreendida em termos da cinemática e interações de partículas fundamentais. Até à data, a ciência conseguiu reduzir o leis que parecem reger o comportamento e interação de todos os tipos de matéria e energia estamos cientes, a um pequeno núcleo de leis e teorias fundamentais. Um dos principais objetivos da física é encontrar o "terreno comum" que uniria tudo isso em um modelo integrado de tudo, na qual todas as outras leis que conhecemos seria casos especiais, ea partir do qual o comportamento de toda a matéria e energia pode ser derivada (pelo menos em princípio). "Os detalhes podem ser trabalhados, se a situação é simples o suficiente para nós para fazer uma aproximação, que quase nunca é, mas muitas vezes podemos entender mais ou menos o que está acontecendo." ( Palestras de Feynman sobre Física, Vol 1. 2-7)

O modelo padrão é um agrupamento de duas teorias principais - electroweak quântica e cromodinâmica quântica - que fornece uma teoria internamente consistente descrevendo as interações entre todas as partículas observados experimentalmente. Tecnicamente, teoria quântica de campos fornece a estrutura matemática para o modelo standard. O modelo padrão descreve cada tipo de partícula em termos de um matemático campo. Para obter uma descrição técnica dos campos e as suas interacções, ver modelo padrão (formulação matemática).

Teor de partículas

As partículas do modelo padrão estão organizados em três classes de acordo com o seu rodada: férmions (partículas spin-½ da matéria), medidor bósons (spin-1-mediadora da força de partículas), eo (spin-0) Bóson de Higgs.

Partículas de matéria

Todos os férmions no modelo padrão são spin-½, e siga o Pauli Exclusão princípio, em conformidade com o spin-estatísticas teorema.

Organização dos férmions
Geração 1 Geração 2 Geração 3
Quarks Para cima
u Encanto
c Topo
t
Baixa
d Estranho
s Fundo
b
Léptons Elétron
Neutrino
ν
e
Muon
Neutrino
ν
μ
Tau
Neutrino
ν
τ
Elétron e - Muon μ - Tau
τ -

Para além da sua parceiros antipartícula, um total de doze diferentes férmions são conhecidos e contabilizados. Eles são classificados de acordo com a forma como eles interagem (ou equivalentemente, que cobra eles carregam): seis deles são classificados como quarks ( acima, baixa, encanto, estranho, top, inferior), e os outros seis como léptons ( elétron , múon, tau, e seus correspondentes neutrinos).

Pares de cada classificação são agrupados juntos para formar um geração, com partículas correspondentes exibem comportamento físico semelhante (ver tabela de férmions).

A propriedade que define o quarks é que eles carregam carga de cor, e, por conseguinte, através da interação forte vigor. O infravermelho comportamento confinando da força de fortes resultados nos quarks sendo perpetuamente ligados um ao outro, formando partículas compostas de cor neutra ( hádrons) de qualquer uma das duas quarks ( mesões) ou três quarks ( bárions). O familiar próton e do nêutron são exemplos dos dois bárions mais leves. Quarks também carregam cargas elétricas e isospin fraco. Daí eles interagem com outros férmions eletromagneticamente e através das interações nucleares fracas.

Os restantes seis fermiones que não carregam carga de cor são definidos para serem o léptons. Os três neutrinos não carregam carga elétrica ou, então, o seu movimento está diretamente influenciada apenas por meio da força nuclear fraca. Por esta razão, os neutrinos são notoriamente difíceis de detectar em laboratórios. No entanto, o elétron , múon eo tau lepton transportar uma carga elétrica para que eles interagir eletromagneticamente , também.

O bóson de Higgs

A partícula de Higgs é uma hipotética maciça escalar partícula elementar prevista pelo Modelo Padrão, e que a única partícula fundamental previsto por esse modelo que não foi diretamente observado até agora. Isso é porque ele requer uma excepcionalmente grande quantidade de energia e feixe de luminosidade para criar e observar em aceleradores de alta energia. Não tem nenhum intrínseca girar, e, assim, (como a força mediadora partículas, que também têm rotação integrante) também é classificado como um Higgs.

O bóson de Higgs desempenha um papel único no Modelo Padrão, e um papel fundamental na explicação das origens da massa de outras partículas elementares, nomeadamente a diferença entre o massless fóton eo muito pesado W e Z bósons. Massas de partículas elementares, e as diferenças entre o electromagnetismo (causada pelo fotão) eo força fraca (causada pelos bosões W e Z), são críticos para muitos aspectos da estrutura microscópica da (e consequentemente macroscópica) matéria. Em teoria eletrofraca ele gera as massas do maciço léptons ( elétron , múon e tau); e também dos quarks .

A partir de 2007, nenhum experimento foi detectada diretamente a existência do bóson de Higgs, mas há alguma evidência indireta para ele. Espera-se que após a conclusão do Grande Colisor de Hádrons, experimentos conduzidos em CERN traria evidência experimental confirmando a existência da partícula.

Ciência, uma revista de investigação científica original, relatou: "... experimentadores pode já ter esquecido uma partícula de Higgs, argumenta teórico Chien-Yuan Peng de Michigan State University . em East Lansing e seus colegas Eles consideraram a teoria supersymmetric mais simples possível. Normalmente, os teóricos assumem que o mais leve dos da teoria cinco Higgses é a que se arrasta sobre a W e Z. Essas interações então feed back sobre Higgs e empurrar sua massa acima 121 vezes a massa do próton, a massa máxima procurou no CERN do Grande elétron-pósitron (LEP) colisor, que funcionou de 1989 a 2000. Mas é possível que o Higgs mais leve pesa menos de 65 vezes a massa de um próton e não foi atingido, Yuan e seus colegas argumentam em um artigo a ser publicado no Physical Review Letters`. "

Aspectos Teóricos

Construção do Modelo Padrão Lagrangian

Parâmetros do Modelo Padrão
Símbolo Descrição Renormalization
esquema (ponto)
Valor
m_e Massa do elétron 511 keV
m_ \ mu Massa Muon 106 MeV
m_ \ tau Massa lepton Tau 1,78 GeV
m_u Up massa do quark ( \ Mu _ {\ overline {\ text {MS}}} = 2 \ text {GeV} ) 1,9 MeV
m_d Abaixo massa do quark ( \ Mu _ {\ overline {\ text {MS}}} = 2 \ text {GeV} ) 4,4 MeV
Senhora Massa do quark estranho ( \ Mu _ {\ overline {\ text {MS}}} = 2 \ text {GeV} ) 87 MeV
m_c Massa quark charm ( \ Mu _ {\ overline {\ text {MS}}} = m_c ) 1,32 GeV
m_B Massa quark bottom ( \ Mu _ {\ overline {\ text {MS}}} = m_B ) 4,24 GeV
m_T Massa do quark top (Esquema on-shell) 172,7 GeV
\ Theta_ {12} CKM 12 ângulo de mistura 0,229
\ Theta_ {23} CKM-23 ângulo de mistura 0,042
\ Theta_ {13} CKM-13 ângulo de mistura 0,004
\ Delta CKM Phase-Violar CP 0,995
g_1 U (1) acoplamento calibre ( \ Mu _ {\ overline {\ text {MS}}} = M_ \ text {Z} ) 0,357
G_2 SU (2) acoplamento calibre ( \ Mu _ {\ overline {\ text {MS}}} = M_ \ text {Z} ) 0,652
g_3 SU (3) acoplamento calibre ( \ Mu _ {\ overline {\ text {MS}}} = M_ \ text {Z} ) 1.221
\ Theta_ \ text {QCD} QCD Ângulo Vacuum ~ 0
\ mu Higgs acoplamento quadrática Desconhecido
\ Lambda Higgs força auto-acoplamento Desconhecido

Tecnicamente, teoria quântica de campos fornece a estrutura matemática do modelo padrão, em que um Lagrangian controla a dinâmica e cinemática da teoria. Cada tipo de partícula está descrito em termos de uma dinâmica campo que permeia espaço-tempo. A construção do modelo de recursos padrão seguindo o método moderno de construir a maioria das teorias de campo: em primeiro lugar, postulando um conjunto de simetrias do sistema e, em seguida, anotando o mais geral renormalizável Lagrangian de seu teor de partículas (campo) que observa essas simetrias.

O global Poincaré simetria é postulada para todas as teorias quânticas de campo relativística. Ele consiste de o familiar simetria de translação, simetria rotacional eo inercial invariância referencial central para a teoria da relatividade especial . O SU local (3) \ times SU (2) \ times U (1) medidor de simetria é uma simetria interna que define essencialmente o modelo padrão. Grosso modo, os três fatores da simetria de calibre dão origem aos três interações fundamentais. Os campos cair em diferentes representações dos diferentes grupos de simetria do Modelo Padrão (ver tabela). Após escrever o Lagrangian mais geral, verifica-se que a dinâmica depende em 19 parâmetros, cujos valores numéricos são estabelecidos pela experiência. Os parâmetros estão resumidos no quadro à direita.

Simetrias adicionais do Modelo Padrão

Do ponto de vista teórico, o modelo padrão apresenta simetrias globais adicionais que não foram posulated desde o início de sua construção. Há quatro tais simetrias e são chamados coletivamente simetrias acidentais, todos os quais são U (1) simetrias globais contínuas. As transformações que deixam o invariante de Lagrange são

\ Psi_ \ text {q} (x) \ rightarrow e ^ {i \ alpha / 3} \ psi_ \ text {q}
E_L \ rightarrow e ^ {i \ beta} E_L \ text {} e (e_R) ^ c \ rightarrow e ^ {i \ beta} (e_R) ^ c
M_L \ rightarrow e ^ {i \ beta} M_L \ text {e} (\ mu_R) ^ c \ rightarrow e ^ {i \ beta} (\ mu_R) ^ c
T_L \ rightarrow e ^ {i \ beta} T_L \ text {e} (\ tau_R) ^ c \ rightarrow e ^ {i \ beta} (\ tau_R) ^ c.

A primeira regra de transformação é uma abreviação para significar que todos os campos de quarks para todas as gerações deve ser rodado por uma fase idêntica simultaneamente. Os campos M_L , T_L e (\ Mu_R) ^ c , (\ Tau_R) ^ c são o segundo (muon) e análogos de 3 (tau) geração de E_L e (E_R) ^ c campos.

Por Teorema de Noether, cada uma dessas simetrias produz uma lei de conservação associado. Eles são a conservação da número de bárions, o número de elétrons, múons número e número de tau. Cada quark transporta 1/3 de um número de bárions, enquanto cada antiquark carrega -1/3 de um número de bárions. A lei de conservação implica que o número total de quark número menos de antiquarks permanece constante ao longo do tempo. Dentro dos limites experimentais, nenhuma violação da presente lei de conservação foi encontrado.

Da mesma forma, cada elétron e seu neutrino associado carrega um número de elétrons, enquanto o antielétron eo número antineutrino carry -1 eletrônica associada, os múons levar um número múon e tau os léptons levar um número tau. O modelo padrão prevê que cada um destes três números devem ser conservados separadamente de uma maneira semelhante ao número bariônico. Estes números são conhecidos coletivamente como os números da família Lepton (LF). A diferença nas estruturas de simetria entre os sectores da lepton o quark e é devido ao masslessness de neutrinos no modelo padrão. No entanto, descobriu-se recentemente que os neutrinos têm massa pequena, e oscilam entre sabores, sinalizando a violação destes três números quânticos.

Além das simetrias acidentais (mas exactas) descritos acima, o modelo padrão exibe um conjunto de simetrias aproximados. Estes são o SU (2) Carcerários Simetria ea SU (2) ou SU (3) simetria sabor quark.

Simetrias do Modelo Padrão e Leis de Conservação Associados
Simetria Grupo Lie Simetria Tipo Lei de Conservação
Poincaré Traduções \ rtimes SO (3,1) Simetria global Energia , Momentum , Momentum Angular
Bitola SU (3) \ times SU (2) \ times L (1) Simetria local Carga elétrica , Isospin fraco, Cor carga
Fase baryon L (1) Acidental Simetria global Número de bárions
Fase Electron L (1) Acidental Simetria global Número Electron
Fase Muon L (1) Acidental Simetria global Número Muon
Fase Tau L (1) Acidental Simetria global Número lépton-Tau
Conteúdo do campo do Modelo Padrão
Campo
(1ª geração)
Rotação Medida Grupo
Representação
Baryon
Número
Elétron
Número
Quark canhoto Q_ \ text {L}1/2 ( \ Mathbf {3} , \ Mathbf {2} , +1/6 ) 1/30
Quark destro-up (U_ \ text {R}) ^ c1/2 ( \ Bar \ mathbf {3} , \ Mathbf {1} , -2/3 ) -1/30
Quark destro-down (D_ \ text {R}) ^ c1/2 ( \ Bar \ mathbf {3} , \ Mathbf {1} , +1/3 ) -1/30
Lepton canhoto E_ \ text {L}1/2 ( \ Mathbf {1} , \ Mathbf {2} , -1/2 ) 01
Elétron destro (E_ \ text {R}) ^ c1/2 ( \ Mathbf {1} , \ Mathbf {1} , +1 ) 0-1
Campo calibre hipercarga B_ \ mu1 ( \ Bar \ mathbf {1} , \ Mathbf {1} , 0 ) 00
Campo calibre isospin W_ \ mu1 ( \ Mathbf {1} , \ Mathbf {3} , 0 ) 00
Campo de glúon G_ \ mu1 ( \ Mathbf {8} , \ Mathbf {1} , 0 ) 00
Campo de Higgs H0 ( \ Mathbf {1} , \ Mathbf {2} , +1/2 ) 00

Lista de férmions modelo padrão

Esta tabela é baseada em parte em dados recolhidos pela Particle Data Group ( Quarks PDF (54,8 KB)).

Férmions canhotos no Modelo Padrão
Geração 1
Fermion
(Canhoto)
Símbolo Elétrico
cobrar
Fraco
isospin
Fraco
hipercarga
Cor
cobrar *
Mass **
Elétron e ^ - \,-1 \,-1/2 \,-1 \,\ Bold {1} \, 511 keV
Pósitron e ^ + \,1 \,0 \,2 \,\ Bold {1} \, 511 keV
Elétron-neutrino \ Nu_e \,0 \,+1/2 \,-1 \,\ Bold {1} \, <2 eV ****
Quark up u \,+2/3 \,+1/2 \,+1/3 \,\ Bold {3} \, ~ 3 MeV ***
Up antiquark \ Bar {u} \,-2/3 \,0 \,-4/3 \,\ Bold {\ bar {3}} \, ~ 3 MeV ***
Para baixo quark d \,-1/3 \,-1/2 \,+1/3 \,\ Bold {3} \, ~ 6 MeV ***
Antiquark para baixo \ Bar {d} \,+1/3 \,0 \,+2/3 \,\ Bold {\ bar {3}} \, ~ 6 MeV ***
Geração 2
Fermion
(Canhoto)
Símbolo Elétrico
cobrar
Fraco
isospin
Fraco
hipercarga
Cor
cobrar *
Mass **
Muon \ Mu ^ - \,-1 \,-1/2 \,-1 \,\ Bold {1} \, 106 MeV
Antimuon \ Mu ^ + \,1 \,0 \,2 \,\ Bold {1} \, 106 MeV
Muon-neutrino \ Nu_ \ mu \,0 \,+1/2 \,-1 \,\ Bold {1} \, <2 eV ****
Quark charm c \,+2/3 \,+1/2 \,+1/3 \,\ Bold {3} \, ~ 1,3 GeV
Encanto antiquark \ Bar {c} \,-2/3 \,0 \,-4/3 \,\ Bold {\ bar {3}} \, ~ 1,3 GeV
Quark estranho s \,-1/3 \,-1/2 \,+1/3 \,\ Bold {3} \, ~ 100 MeV
Antiquark estranho \ Bar {s} \,+1/3 \,0 \,+2/3 \,\ Bold {\ bar {3}} \, ~ 100 MeV
Geração 3
Fermion
(Canhoto)
Símbolo Elétrico
cobrar
Fraco
isospin
Fraco
hipercarga
Cor
cobrar *
Mass **
Tau lepton \ Tau ^ - \,-1 \,-1/2 \,-1 \,\ Bold {1} \, 1,78 GeV
Anti-tau lepton \ Tau ^ + \,1 \,0 \,2 \,\ Bold {1} \, 1,78 GeV
Tau-neutrino \ Nu_ \ tau \,0 \,+1/2 \,-1 \,\ Bold {1} \, <2 eV ****
Quark top t \,+2/3 \,+1/2 \,+1/3 \,\ Bold {3} \, 171 GeV
Top antiquark \ Bar {t} \,-2/3 \,0 \,-4/3 \,\ Bold {\ bar {3}} \, 171 GeV
Quark bottom b \,-1/3 \,-1/2 \,+1/3 \,\ Bold {3} \, ~ 4,2 GeV
Antiquark bottom \ Bar {b} \,+1/3 \,0 \,+2/3 \,\ Bold {\ bar {3}} \, ~ 4,2 GeV
Notas:
  • * Estes não são comuns abelianos encargos , que podem ser adicionados juntos, mas são rótulos de as representações do grupo de Grupos de Lie.
  • ** Missa é realmente um acoplamento entre um fermion canhoto e um destro fermion. Por exemplo, a massa de um elétron é realmente um acoplamento entre um elétron canhoto e um destro elétron, que é o antipartícula de um canhoto- pósitron. Também mostra neutrinos grandes mixagens em seu acoplamento em massa, por isso não é preciso falar sobre massa dos neutrinos no base sabor ou para sugerir um antineutrino do elétron canhoto.
  • *** As massas de bárions e hádrons e várias secções transversais são as quantidades medidas experimentalmente. Desde quark não pode ser isolado porque de QCD confinamento, a quantidade aqui é suposto ser a massa do quark no renormalization escala da escala QCD.
  • **** O Modelo Padrão assume que os neutrinos são sem massa. No entanto, várias experiências provam que contemporâneos neutrinos oscilam entre o seu estados sabor, o que não poderia acontecer se todos eram sem massa. É simples de estender o modelo para caber estes dados, mas existem muitas possibilidades, de modo a massa eigenstates ainda são aberto. Ver Neutrino # Missa.
Log lote de massas no Modelo Padrão.

Testes e previsões

O Modelo Padrão previu a existência de bósons W e Z, o glúon, o quark top eo quark encanto antes de estas partículas foram observadas. Suas propriedades previstos foram confirmados experimentalmente com boa precisão.

O Large Electron Positron Collider do- CERN testou várias previsões sobre a decadência dos bósons Z, e encontrou-os confirmado.

Para se ter uma ideia do sucesso do modelo padrão uma comparação entre a medida e os valores previstos de algumas quantidades são mostradas na tabela seguinte:

Quantidade Medido (GeV) Predição SM (GeV)
Missa do bóson W 80,398 ± 0,025 80,3900 ± 0,0180
Massa de Z bóson 91,1876 ± 0,0021 91,1874 ± 0,0021

Desafios para o modelo padrão

Lista de problemas não resolvidos da física
Parâmetros no Modelo Padrão: O que dá origem ao Modelo Padrão da física de partículas? Por que suas massas das partículas e constantes de acoplamento possuem os valores que temos medidos? Será que o Bóson de Higgs previsto pelo modelo realmente existe? Por que há três gerações de partículas no modelo padrão?

O Modelo Padrão da física de partículas tem sido empiricamente determinada através experiências ao longo dos últimos 50 anos. Atualmente, o modelo padrão prevê que há mais uma partícula a ser descoberto, o Bóson de Higgs. Uma das razões para construir o Large Hadron Collider é que se espera que o aumento da energia para fazer o Higgs observável. No entanto, a partir de 2007, há apenas indireta indicações experimentais para a existência do bóson de Higgs e que não pode ser reivindicada a ser encontrado.

Tem havido uma grande quantidade de teórica e experimental pesquisa explorando se o modelo padrão pode ser estendido em uma completa teoria de tudo. Esta área de pesquisa é muitas vezes descrita pelo termo ' Além do Modelo Padrão ". Há várias motivações para esta pesquisa. Em primeiro lugar, o Modelo Padrão não tenta explicar a gravidade , e não se sabe como combinar teoria quântica de campos que é usado para o modelo padrão com a relatividade geral , que é o melhor modelo físico da gravidade. Isto significa que não é um bom modelo teórico para fenômenos como o universo inicial.

Outra linha de pesquisa está relacionado ao fato de que o modelo padrão parece muito ad-hoc e deselegante. Por exemplo, a teoria contém muitos parâmetros de modo aparentemente não relacionadas da teoria em todos - 21 (18 parâmetros na teoria do núcleo, mais G, C e h; não se acredita ser um adicional de 7 ou 8 parâmetros necessários para as massas de neutrinos embora massa dos neutrinos estão fora do modelo padrão e os detalhes não são claros). A pesquisa também incide sobre a Hierarquia problema (por que a escala fraco e Escala de Planck são tão díspares), e tenta conciliar o modelo emergente Padrão de Cosmologia com o Modelo Padrão da física de partículas. Muitas questões relacionadas com o condições iniciais que levaram à actualmente observada Universo . Os exemplos incluem: Por que há uma questão / antimatéria assimetria? Porque é que o Universo e isotrópico homogénea em grandes distâncias?

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