Стандартная модель частиц

Кварки — элементарные фермионы Стандартной модели, различающиеся ароматом, электрическим зарядом и массой. Шесть ароматов образуют три поколения: up (u, верхний) и down (d, нижний); charm (c, очарованный) и strange (s, странный); top (t, истинный) и bottom (b, прелестный). У u, c и t заряд +2/3 элементарного заряда, у d, s и b — −1/3. Обозначения t и b важны: буквальные переводы «верхний» и «нижний» уже используются для u и d.

Каждый кварк несёт цветовой заряд и участвует в сильном взаимодействии через глюонное поле. Из-за конфайнмента свободные кварки не наблюдаются; эксперименты обнаруживают цветонейтральные адроны и следы кварков в процессах рождения и распада. Валентный состав, например uud у протона, классифицирует адрон, но не описывает всю его динамическую кварк-глюонную структуру.

Лептоны — элементарные частицы материи, которые не несут цветового заряда и потому не участвуют в сильном взаимодействии. К ним относятся три заряженные частицы — электрон, мюон и тау-лептон — и три нейтрино, связанные с ними в поколениях: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Электрон устойчив и входит в атомы; более тяжёлые мюон и тау распадаются.

Нейтрино электрически нейтральны и взаимодействуют главным образом слабым взаимодействием. Эксперименты с осцилляциями показывают, что ароматные состояния нейтрино смешиваются между состояниями с определёнными массами. В минимальной Стандартной модели нейтрино считались безмассовыми; наблюдаемые осцилляции требуют расширения этого описания.

Калибровочные бозоны — переносчики взаимодействий в Стандартной модели. Глюоны связаны с сильным взаимодействием между цветными кварками, фотон — с электромагнитным взаимодействием заряженных частиц, а W- и Z-бозоны — со слабым взаимодействием, которое, например, участвует в бета-распаде.

Гравитация не включена в Стандартную модель, и подтверждённого гравитона в ней нет. Бозон Хиггса тоже не относится к калибровочным бозонам: это скалярная частица, связанная с полем Хиггса.

Сильное взаимодействие — одна из трёх фундаментальных сил Стандартной модели. На уровне кварков и глюонов его описывает квантовая хромодинамика: цветной заряд частиц связан с глюонным полем, а сильная динамика удерживает кварки внутри адронов.

Связь протонов и нейтронов в ядре часто называют остаточным сильным, или ядерным, взаимодействием. Оно действует между цветонейтральными адронами и не является просто тем же процессом, что удерживает кварки внутри протона.

Адроны — частицы, участвующие в сильном взаимодействии и состоящие из кварковых и глюонных степеней свободы. Основные группы — мезоны и барионы: в простейшей модели мезон имеет валентную пару кварк—антикварк, а барион — три валентных кварка.

Валентная схема не исчерпывает внутреннее устройство адрона: в нём также есть глюонное поле и динамические пары кварк—антикварк. Экспериментально изучают и состояния, которые не укладываются в минимальную схему, например кандидаты в тетракварки и пентакварки; их внутреннюю структуру не всегда можно свести к одной картинке.

Бозон Хиггса — скалярное квантовое возбуждение поля Хиггса. В Стандартной модели механизм нарушения электрослабой симметрии связан с массами W- и Z-бозонов и заряженных элементарных фермионов. В минимальной Стандартной модели нейтрино безмассовы; наблюдаемые осцилляции показывают, что реальная модель нуждается в расширении, поэтому нейтринные массы нельзя без оговорки приписывать минимальному механизму Хиггса.

Открытие бозона в 2012 году подтвердило существование соответствующего возбуждения поля, но не означает, что поле Хиггса составляет всю массу обычного вещества. Большая часть массы протона связана с энергией кварков и глюонов в КХД.

Электромагнитное взаимодействие связывает электрически заряженные частицы и описывается квантовой электродинамикой. В Стандартной модели его квант переносчика — фотон; взаимодействие отвечает за излучение и поглощение света, силы между зарядами и значительную часть атомных и молекулярных связей.

После электрослабого нарушения симметрии фотон остаётся безмассовым переносчиком электромагнитного поля. Здесь рассматривается взаимодействие элементарных частиц; классическая электродинамика, оптика и электромагнитные волны — связанные, но более широкие темы.

Слабое взаимодействие — одно из взаимодействий Стандартной модели; его заряженные и нейтральные токи переносятся бозонами W⁺/W⁻ и Z⁰. Оно участвует в распадах частиц и может менять аромат кварка или превращать заряженный лептон в соответствующее нейтрино. Поэтому слабые процессы позволяют нестабильным частицам переходить в более лёгкие состояния.

В отличие от электромагнитного взаимодействия, слабое взаимодействие действует через массивные переносчики и проявляется на малых расстояниях. Здесь рассматриваются его место в Стандартной модели и классы процессов; ядерная физика, конкретные распады и электрослабая теория остаются связанными, но отдельными темами.