სტანდარტული მოდელი

ელემენტარული ნაწილაკების სტანდარტული მოდელი — ფიზიკაში ელემენტარული ნაწილაკების თეორიული კონსტრუქცია, რომელიც აღწერს ყველა ელემენტარული ნაწილაკების ელექტრომაგნიტურ, სუსტ და ძლიერ ურთიერთქმედებას. თანამედროვე ფორმულირება დასრულდა 2000-იან წლებში კვარკების არსებობის ექსპერიმენტული დადასტურების შემდეგ. t-კვარკის (1995), b-კვარკის (1977) და ტაუ-ნეიტრინოს (2000) აღმოჩენამ დაადასტურა სტანდარტული მოდელის სისწორე.

კვლევის ისტორია
1954 წელს იან ჩენ-ნინგმა და რობერტ მილსმა გააფართოვეს კალიბრაციის თეორიის კონცეფცია აბელურ ჯგუფებისთვის, მაგ. კვანტური ელექტროდინამიკა, არააბელურ ჯგუფებს ძლიერი ურთიერთქმედებების ახსნა-განმარტების მისაცემად. 1957 წელს ჩიენ-შიუნგ ვუმ აჩვენა, რომ პარიტეტი არ იყო დაცული სუსტ ურთიერთქმედებაში. 1961 წელს შელდონ გლაშოვმა გააერთიანა ელექტრომაგნიტური და სუსტი ურთიერთქმედებები. 1967 წელს სტივენ ვაინბერგმა და აბდუს სალამმა შეიტანეს ჰიგსის მექანიზმი გლაშოუს ელექტროსუსტ ურთიერთქმედებაში, რამაც მას თანამედროვე სახე მისცა.

ითვლება, რომ ჰიგსის მექანიზმი წარმოშობს სტანდარტული მოდელის ყველა ელემენტარული ნაწილაკების მასას. ეს მოიცავს W- და Z-ბოზონების მასებს და ფერმიონების მასებს, ანუ კვარკებსა და ლეპტონებს.

მას შემდეგ, რაც 1973 წელს CERN-ში აღმოაჩინეს Z ბოზონის გაცვლით გამოწვეული ნეიტრალური სუსტი დენები, ელექტროსუსტი თეორია ფართოდ იქნა მიღებული, ხოლო გლაშოუმ, სალამმა და ვაინბერგმა გაიყვეს 1979 წლის ნობელის პრემია ფიზიკაში, მისი აღმოჩენის გამო. W± და Z0 ბოზონები ექსპერიმენტულად აღმოაჩინეს 1983 წელს; და მათი მასების თანაფარდობა აღმოჩნდა ისეთი, როგორიც სტანდარტული მოდელი იყო ნაწინასწარმეტყველები.

ძლიერი ურთიერთქმედების თეორიამ (ანუ კვანტური ქრომოდინამიკა, QCD), რომელსაც მრავალი წვლილი მიუძღვის, თავისი თანამედროვე ფორმა შეიძინა 1973-1974 წლებში, როდესაც შემოთავაზებული იქნა ასიმპტომური თავისუფლება (განვითარება, რომელმაც QCD თეორიული კვლევის მთავარ აქცენტად აქცია.)Dean Rickles (2014). A Brief History of String Theory: From Dual Models to M-Theory. Springer, p. 11 n. 22. და ექსპერიმენტებმა დაადასტურა, რომ ჰადრონები შედგებოდა წილადად დამუხტული კვარკებისგან.

ტერმინი „სტანდარტული მოდელი“ შემოიღეს აბრაამ პაისმა და სემ ტრეიმანმა 1975 წელს, ოთხი კვარკით ელექტროსუსტი თეორიის წყაროს მითითებით. სტივენ ვაინბერგმა ასევე განაცხადა, რომ მან ტერმინი „სტანდარტული მოდელი“ მისი მოკრძალებული სახელის გამო აირჩიაA model is a representation of reality, whereas a theory is an explanation of reality; this Wikipedia article and some of the literature refers to the Standard Model as a theory. და გამოიყენა იგი 1973 წელს ექს-ან-პროვანსში გამოსვლისას საფრანგეთში.

სტანდარტული მოდელის ჯგუფები
სტანდარტული მოდელი აერთიანებს 17 ელემენტარულ ნაწილაკს, რომელიც აღწერს ყველა ბუნებრივ მოვლენას გრავიტაციის გარდა. ელემენტარული ნაწილაკები ფუნდამენტური ელემენტებია, რომლისაგანაც შედგება მთელი სამყარო. ესაა უმცირესი ნაწილაკები, რომელთა შემდგომი დანაწევრება ან დაყოფა შეუძლებელია. სტანდარტული მოდელი ყოფს მათ ორ ჯგუფად: მატერიალურ და არამატერიალურად.

მატერიალური ჯგუფი
მატერიალური ჯგუფი შედგება მატერიისაგან, რომელსაც აქვს ფუნდამენტური მნიშვნელობა ყველა ცოცხალი ორგანიზმისთვის, პლანეტებისთვის, ვარსკვლავებისა და ყველაფერს რასაც გააჩნია მასა. ელემენტარული ნაწილაკები, რომელთაგანაც შედგება მატერია ეწოდებათ ფერმიონები. ფერმიონები ეს ერთგვარი აგურია, რომლითაც შექმნილია სამყარო. არსებობს ფერმიონების ორი კატეგორია: კვარკები და ლეპტონები, რომელტაგანაც შედგება მთელი მატერია სამყაროში. ისინია არსებობენ სამ განსხვავებულ ფორმებში, რომელთაც ეწოდებათ თაობები. თითოეულ თაობასთან დაკავშირებულია განსაზღვრული წყვილი კვარკები და წყვილი ლეპტონები. 

მატერიის პირველი თაობა შედგება ზედა (u) და ქვედა (d) კვარკებისაგან, ასევე ლეპტონების ორი ტიპისაგან: ელექტრონებისა (e) და ელექტრული ნეიტრინოებისაგან (νe). ესაა ყველაზე გავრცელებული ნაწილაკები, რომლებიც გვხვდება სამყაროში. როდესაც u- და d-კვარკები სამეულში ერთიანდება მიიღება პროტონები (u-d-u) ან ნეიტრონები (d-u-d), რომლებიც ატომბირთვის ძირითად კომპონენტებს წარმოადგენენ. ელექტრონები ასევე იმყოფებიან ატომებში, რომლებიც მოძრაობენ პროტონებისა და ნეიტრონების გარშემო. მათი უარყოფითი მუხტი ანეიტრალებს პროტონების დადებით მუხტს, რის გამოც მატერიას შეუძლია დარჩეს ნეიტრალური. გამტარში გადაადგილების დროს ელექტრონები პასუხისმგებელი არიან ელექტროობაზე. ელექტრონული ნეიტრინო — ყველაზე მრავალმრიცხოვანი ელემენტარული ნაწილაკი სამყაროში. ჩვენს სხეულში ყოველ წამს გადის ათასობით მილიარდი ელექტრული ნეიტრინო. ისინი არ ურთიერთქმედებენ მატერიასთან, რის შედეგადაც მათი აღმოჩენა ძალზედ რთულია. 

მატერიის მეორე თაობა შედგება ეს-კვარკებისა (s) და ცე-კვარკებისაგან (c), ასევე მიუონი (μ) და მიუონური ნეიტრინო (νμ). ამ ელემენტარულ ნაწილაკებს აქვთ უფრო მეტი მასა ვიდრე ნაწილაკებს მატერიის პირველი თაობიდან. 

მატერიის მესამე თაობა შედგება b-კვარკებისა (b) და t-კვარკებისაგან (t), ასევე ტაუ-ლიპტონი (τ) და ტაუ-ნეიტრინო (ντ). აღნიშნული ნაწილაკები შედარებით მასიურები არიან წინა ორი თაობის ნაწილაკებთან შედარებით.

მატერიის მეორე და მესამე თაობის ნაწილაკები საკმაოდ იშვიათობას წარმოადგენენ სამყაროში. სამყარო ძირითადად შედგება მატერიის პირველი თაობის ელმენტარული ნაწილაკებისაგან. მატერიალური ჯგუფის ნაწილაკები სამყაროში არსებობენ ორ ფორმაში. დამტკიცებულია, რომ არსებობს მატერიის კიდევ ერთი ფორმა, რომელსაც ეწოდება ანტიმატერია. ესაა სარკისებური ანარეკლი ზემოთჩამოთვლილი ელემენტარული ნაწილაკებისა. მათ შორის სხვაობა მხოლოდ ელექტრული მუხტის საპირისპირო მნიშვნელობით განისაზღვრება, მაშინ როცა ნაწილაკების ყველა სხვა დანარჩენი თვისება იდენტურია.

არამატერიალური ჯგუფი
მეორე ჯგუფი, რომელიც არ შეადგენს მატერიას ეწოდება ბოზონები. ბოზონები ესაა ნაწილაკი, რომლებიც მოქმედებენ როგორც გადამცემი, რომელიც უზრუნველყოფს ნაწილაკების ურთიერთქმედებას გარკვეულ დისტანციაზე. ოთხ მათგან ეწოდება კალიბრული ბოზონები. თითოეული კალიბრაციული ბოზონი წარმოადგენს ურთიერთქმედების ძალას სამყაროში. 

ფოტონი (γ) — კალიბრაციული ბოზონი დაკავშირებული ელექტრომაგნიტურ ურთიერთქმედებასთან. ის მოძრაობს სინათლის სიჩქარით (300,000 კმ/წმ) და წარმოქმნის მაგნეტიზმსა და თავად სინათლეს. 

გლუონი (g)— კალიბრაციული ბოზონი დაკავშირებული ძლიერ ურთიერთქმედებასთან. იგი თავს იჩენს მიკროსკოპულ მასშტაბებში და მოქმედებს ძლიერად. ის აკავშირებს ერთმანეთთან კვარკებს (u, d) რომლებიც ქმნიან პროტონებსა და ნეიტრონებს.

Z0, W- და W+ — კალიბრაციული ბოზონები დაკავშირებული სუსტ ურთიერთქმედებასთან. აღნიშნული ძალა საფუძვლად უდევს ისეთ მოვლენებს, როგორებიცაა ნაწილაკების რადიოაქტიურობა და ბირთვული სინთეზი, რომელიც მიმდინარეობს მზის მაგვარ ვარსკვლავებში. 

ჰიქსის ბოზონი (H0) — კიდევ ერთი ბოზონი სტანდარტულ მოდელში. ჰიქსის ბოზონი სინამდვილეში წარმოადგენს არა ძალას არამედ ველს, რომელიც ანიჭებს ნაწილაკებს მასას, ორმლებიც აღნიშნულ ველში მოძრაობენ. რაც უფრო მეტი ნაწილაკი ურთიერთქმედებს ჰიქსის ველთან მით დიდია მათი მასა. 

სამყაროში არსებობს ელემენტარული ნაწილაკების დიდი მრავალფეროვნება, რომელთაც სტანდარტული მოდელი აერთიანებს ერთიან თეორიაში. მიუხედავა ამისა სტანდარტულ მოდელს არ შეუძლია ახსნას ყველაფერი. მაგალითად სტანდარტული მოდელი არ მოიცავს გრავიტაციას, რომელიც ფაქტია, რომ არსებობს სამყაროში. იმისათვის, რომ გრავიტაცია აეხსნათ, მეცნიერებმა ჰიპოტეტურად დაუშვეს ბოზონის — გრავიტონის — არსებობა, რომელსაც უნდა გადაეტანა გრავიტაციული ურთიერთქმედება, თუმცა მისი არსებობა დღემდე რჩება სუფთა ჰიპოტეტურად.

ელემენტარული ნაწილაკების კატეგორიზაცია მასის მიხედვით
სტანდარტული მოდელის ყველა ელემენტარული ნაწილაკის მასა უდრის ნულს. ყველა ფორმულა, კანონი დაცულია, მხოლოდ იმ პირობით თუ ნაწილაკებს თავდაპირველად არ გააჩნიათ მასა. აღნიშნულისდა მიხედვით შეიძლება ელემენტარული ნაწილაკების კატეგორიზაცია მასის მიხედვით:

1. უმასო ნაწილაკები — ფოტონები და გლუონები. ელემენტარული ნაწილაკები, რომლებიც უპრობლემოდ გადაადგილდებიან სამყაროში;
2. ჰიქსის მექანიზმი — W- და Z-ბოზონები. სუსტი ურთიერთქმედების გადამტანები. ისინი მასას იძენენ ჰიქსის მექანიზმის შედეგად;
3. კერალური სიმეტრიის დარღვევა ჰიქსის ველში — სამი ლეპტონისა (e, μ, τ) და კვარკების (d, s, b, u, c, t) მასების წარმოქმნა ჰიქსის სხვა პროცესში;
4. უცნობი მასის წარმოქმნის მექანიზმი — სამი ნეიტრინო (νe, νμ, ντ);
5. მასა გააჩნია თავიდანვე — ჰიქსის ბოზონი.

ზემოთჩამოთვლილ ხუთი ჯგუფის საერთო მასა შეადგენს სამყაროს მასის მხოლოდ 0.16%-ს.

6. კერალური სიმეტრიის დარღვევა კვარკულ კონდენსატში — ასჯერ მეტი მასა (16%) გენერირდება კვარკებისაგან შედგენილ ნაწილაკებში — ჰადრონებში (პროტონები, ნეიტრონები, მეზონები).
7. უცნობი მასის წარმოქმნის მექანიზმი — ბნელი მატერია. შეიცავს სამყაროს მასის ~84%-ს. იგი არ ექვემდებარება ელექტრომაგნეტიზმს და მის შესახებ ცოტა რამაა ცნობილი.

რესურსები ინტერნეტში
 "The Standard Model explained in Detail by CERN's John Ellis " omega tau podcast.
 The Standard Model on the CERN website explains how the basic building blocks of matter interact, governed by four fundamental forces.
 Particle Physics: Standard Model, Leonard Susskind lectures (2010).

სქოლიო