Номер 3, страница 364 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

3. Опишите, что включает в себя так называемая Стандартная модель и что она объясняет.

Решение

Стандартная модель — это теоретическая конструкция в физике элементарных частиц, которая описывает электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия всех известных элементарных частиц. Она является одной из самых успешных и экспериментально проверенных теорий в истории науки.

Что включает в себя Стандартная модель:

Стандартная модель включает в себя набор фундаментальных частиц, которые делятся на две основные группы: фермионы (частицы вещества) и бозоны (частицы-переносчики взаимодействий).

• Фермионы (частицы с полуцелым спином): Это "кирпичики" вещества. Они делятся на кварки и лептоны, и каждая из этих групп состоит из трех поколений частиц. Частицы более высоких поколений тяжелее и нестабильны, они распадаются на частицы первого поколения.
  • Кварки: Участвуют в сильном взаимодействии. Существует 6 типов (или "ароматов") кварков:
    • Первое поколение: верхний (up, $u$) и нижний (down, $d$) кварки. Из них состоят протоны ($uud$) и нейтроны ($udd$).
    • Второе поколение: очарованный (charm, $c$) и странный (strange, $s$) кварки.
    • Третье поколение: истинный (top, $t$) и прелестный (bottom, $b$) кварки.
    Кварки никогда не встречаются в свободном состоянии, а объединяются в группы, называемые адронами (например, протоны и нейтроны).
  • Лептоны: Не участвуют в сильном взаимодействии. Существует 6 типов лептонов:
    • Первое поколение: электрон ($e^-$) и электронное нейтрино ($v_e$).
    • Второе поколение: мюон ($\mu^-$) и мюонное нейтрино ($v_\mu$).
    • Третье поколение: тау-лептон ($\tau^-$) и тау-нейтрино ($v_\tau$).
    У каждого фермиона есть соответствующая античастица.
• Бозоны (частицы с целым спином):
  • Калибровочные бозоны: Являются переносчиками фундаментальных взаимодействий.
    • Фотон ($\gamma$): переносчик электромагнитного взаимодействия.
    • Глюоны ($g$): переносчики сильного взаимодействия, которое связывает кварки вместе.
    • $W^+$ , $W^-$ и $Z^0$ бозоны: переносчики слабого взаимодействия, ответственного за некоторые виды радиоактивного распада.
  • Скалярный бозон (Бозон Хиггса, $H^0$): Это частица, связанная с полем Хиггса. Через механизм Хиггса некоторые элементарные частицы (W- и Z-бозоны, кварки, заряженные лептоны) приобретают массу.

Что объясняет Стандартная модель:

Стандартная модель успешно объясняет огромное количество экспериментальных данных и явлений в мире элементарных частиц.

1. Состав вещества: Она объясняет, из чего состоит вся видимая материя во Вселенной — из кварков и лептонов. Протоны и нейтроны, образующие атомные ядра, состоят из кварков, а электроны, вращающиеся вокруг ядер, являются лептонами.
2. Три из четырех фундаментальных взаимодействий: Модель описывает три фундаментальные силы природы:
   • Электромагнитное взаимодействие, которое управляет поведением заряженных частиц и отвечает за свет, электричество и магнетизм.
   • Слабое ядерное взаимодействие, которое вызывает радиоактивный распад и играет ключевую роль в процессах, происходящих на Солнце.
   • Сильное ядерное взаимодействие, которое связывает кварки внутри протонов и нейтронов и удерживает эти частицы вместе в атомном ядре, преодолевая электростатическое отталкивание протонов.
   Важным достижением является объединение электромагнитного и слабого взаимодействий в единое электрослабое взаимодействие.
3. Существование и свойства частиц: Модель предсказала существование многих частиц (например, $W$- и $Z$-бозонов, глюона, топ-кварка и бозона Хиггса) до того, как они были экспериментально обнаружены. Она с высокой точностью описывает их массы, времена жизни, типы распадов и другие свойства.

Несмотря на свой успех, Стандартная модель не является полной теорией всего. Она не включает гравитацию, не объясняет природу темной материи и темной энергии, не дает полного объяснения масс нейтрино и преобладания материи над антиматерией во Вселенной.

Ответ: Стандартная модель включает в себя фундаментальные частицы вещества (фермионы: 6 кварков и 6 лептонов, организованные в три поколения) и частицы-переносчики взаимодействий (бозоны: фотон, глюоны, W- и Z-бозоны), а также бозон Хиггса, который отвечает за наличие массы у некоторых частиц. Модель объясняет, из чего состоит вся обычная материя, и описывает три из четырех фундаментальных взаимодействий: сильное, слабое и электромагнитное. Она с высокой точностью предсказывает результаты экспериментов в области физики элементарных частиц, но не включает гравитацию и не объясняет такие явления, как темная материя и темная энергия.