ელემენტარული ნაწილაკების სტანდარტული მოდელი

 სტანდარტული მოდელი – ეს არის ელემენტარული ნაწილაკების აღნაგობისა და ურთიერთქმედების თანამედროვე თეორია, მრავალჯერ გადამოწმებული ექსპერიმენტებით. ეს თეორია მცირე რაოდენობის პოსტულატებს ეფუძნება და ელემენტარული ნაწილაკების სამყაროში მიმდინარე ათასობით პროცესის თვისებათა თეორიული წინასწარმეტყველების საშუალებას იძლევა. ხშირ შემთხვევაში ეს წინასწარმეტყველებანი ექსპერიმენტულად მტკიცდება, ზოგჯერ უკიდურესად მაღალი სიზუსტითაც, თუ პრაქტიკა თეორიას არ დაემთხვა, სტანდარტული მოდელი გააფთრებული კამათის თემად იქცევა ხოლმე.

 სტანდარტული მოდელი – ეს არის საზღვარი, რომელიც ელემენტარული ნაწილაკების სამყაროში ერთმანეთისგან ყოფს სინამდვილესა და ჰიპოთეზებს. ექსპერიმენტების აღწერის საქმეში შთამბეჭდავი წარმატებების მიუხედავად, სტანდარტული მოდელი არ შეიძლება ჩაითვალოს ელემენტარული ნაწილაკების დასრულებულ, სრულფასოვან თეორიად. ფიზიკოსები დარწმუნებულნი არიან იმაში, რომ ის, მიკროსამყაროს აღნაგობის უფრო ღრმა თეორიის ნაწილი უნდა იყოს. რა თეორიაა ეს, ჯერჯერობით უცნობია. თეორეტიკოსებმა ასეთი თეორიის კანდიტატობის ბევრი მოდელი შეიმუშავეს, თუმცა მხოლოდ ექსპერიმეტი აჩვენებს, რომელი მათგანი ხსნის უკეთესად სამყაროს რეალურ სახეს. ამიტომ ეძებენ ფიზიკოსები ყველანაირ გადახრებს, ნაწილაკებს, ძალებსა თუ ეფექტებს, რომლებსაც სტანდარტული მოდელი არ წინასწარმეტყველებს. ზოგადად, ყველა ასეთ მოვლენას, მეცნიერები ”ახალ ფიზიკას” უწოდებენ. სწორედ ახალი ფიზიკის ძებნაა დიდი ადრონული კოლაიდერის უმთავრესი ამოცანა.

 სტანდარტული მოდელის ძირითადი კომპონენტები

 სტანდარტული მოდელის მუშა ინსტრუმენტია ველის კვანტური თეორია – თეორია, რომელიც კვანტურ მექანიკას ცვლის, სიჩქარეებზე, რომლებიც ახლოა სინათლის სიჩქარესთან. თეორიის მთავარი ობიექტები ელემენტარული ნაწილაკები კი არ არიან, როგორც კლასიკურ მექანიკაში, ან ”ნაწილაკი-ტალღები”, როგორც კვანტურ მექანიკაში, არამედ კვნტური ველები: ელექტრონული, მიუონური, ელექტრომაგნიტური , კვარკული და ა.შ. ვაკუუმი, ცალკეული ნაწილაკები, უფრო რთული წარმონაქმნები, რომლებიც არ შეიძლება ერთეულ ნაწილაკებამდე დავიყვანოთ – ყველაფერი ეს აღიწერება როგორც ველების განსხვავებული მდგომარეობები. როცა ფიზიკოსები იყენებენ სიტყვა ”ნაწილაკს”, გულისხმობენ სწორედ ამ მდგომარეობებს და არა ცალკეულ ნაწილაკებს.
 სტანდარტული მოდელი თავის თავში შემდეგ ძირითად ინგრედიენტებს აერთიანებს:

•  მატერიის ფუნდამენტური ”სამშენებლო აგურები” – ლეპტონების ექვსი სორტი და კვარკების ექვსი სორტი. ყველა ეს ნაწილაკები ფერმიონებია ½ სპინით და სრულიად ბუნებრივად სამ თაობებად არის ორგანიზებული. მრავალრიცხოვანი ადრონები, შედგენილი ნაწილაკებია, მონაწილეობენ ძლიერ ურთიერთქმედებაში – შედგებიან კვარკებისგან, სხვადასხვა კომბინაციებით.
•  სამი ტიპის ძალა, მოქმედი ფუნდამენტურ ფერმიონებს შორის – ელ.მაგნიტური, სუსტი და ძლიერი. სუსტი და ელ.მაგნიტური ურთიერთქმედება ერთიანი ელექტროსუსტი ურთიერთქმედების ორი მხარეა. ძლიერი ურთიერთქმედება ცალკე დგას, სწორედ ის აკავშირებს კვარკებს ადრონებად.
•  ყველა ეს ძალა კალიბრული პრინციპით აღიწერება – თეორიაში ისინი ”ძალდატანებით” არ არის შეტანილი, არამედ თითქოს თავისთავად ჩნდებიან, განსაზღვრული გარდაქმნების დროს სიმეტრიულობის დაცულობის მოთხოვნის გამო. სიმეტრიულობის ცალკეული სახეები ძლიერ და ელექტროსუსტ ურთიერთქმედებებს წარმოქმნის.
•  მიუხედავად იმისა, რომ თვითონ თეორიაშია ელექტროსუსტი სიმეტრია, სამყაროში ის თავისთავად ირღვევა. ელექტროსუსტი სიმეტრიის დარღვევა – თეორიის აუცილებელი ელემენტი, სტანდარტული მოდელის ჩარჩოებში ეს დარღვევა ჰიგსის მექანიზმის ხარჯზე ხდება.
•  კონსტანტების დაახლოებით ორი ათეულის რიცხვითი მნიშვნელობები: ფუნდამენტური ფერმიონების მასები, ურთიერთქმედებათა კავშირის კონსტანტების რიცხვითი მნიშვნელობები, რომლებიც მათ ძალას ახასიათებს, ასევე ზოგიერთ სხვა სიდიდესაც. ყველა მათგანი, ერთხელ და სამუდამოდ, ექსპერიმენტულთან შედარებით მიიღება და შემდგომ გამოთვლებში აღარ ზუსტდება.
•  გარდა ამისა, სტანდარტული მოდელი – ასე რომ ვთქვათ, გადანორმირებადი თეორიაა, ანუ ყველა ეს ელემენტი მასში ისეთი თვითშეთნხმებული წესითაა შეტანილი, რომელიც გამოთვლათა საჭირო ხარისხით ჩატარების შესაძლებლობას იძლევა. ხშირად, სასურველი ხარისხის სიზუსტის გამოთვლები გადაულახავი სირთულისაა ხოლმე, თუმცა ეს არა თვიონ თეორიის, არამედ ჩვენი გამოთვლითი შესაძლებლობების პრობლემაა.

სტანდარტული მოდელის ფუნდამენტური ნაწილაკები (Particle Zoo).

 რა შეუძლია და რა არ შეუძლია სტანდარტულ მოდელს

 სტანდარტული მოდელი – ეს, უმეტესად, აღმწერი თეორიაა. ის ბევრ შეკითხვაზე ვერ იძლევა პასუხს, დაწყებულს ”რატოდან”: რატომ არის სწორედ ასეთი რაოდენობისა და სახის ნაწილაკები? საიდან გაჩნდა ეს ურთიერთქმედებები? რატომ დასჭირდა ბუნებას ფერმიონების სამი თაობის შექმნა? რატომ არის მნიშვნელობათა მაჩვენებლები მაინც და მაინც ასეთი? გარდა ამისა, სტანდარტული მოდელი ბუნებაში დამზერად ბევრ მოვლენასაც ვერ ხსნის. კერძოდ, მასში არ არის ადგილი ნეიტრინოს მასისთვის და ბნელი მატერიის ნაწილაკებისთვის. სტანდარტული მოდელი არ ითვალისწინებს გრავიტაციას, უცნობია რა ემართება თეორიას ენერგიების პლანკურ მასშტაბებზე, როცა გრავიტაცია განსაკუთრებით გამოკვეთილი ხდება.

 თუ სტანდარტული მოდელი გამოიყენება მისი დანიშნულებისამებრ, ელემენტარული ნაწილაკების შეჯახების შედეგების პროგნოზირებისთვის, მაშინ ის საშუალებას იძლევა, კონკრეტული პროცესიდან გამომდინარე, განახორციელოს გამოთვლები სხვადასხვა ხარისხის სიზუსტით.

•  ელ.მაგნიტური მოვლენებისთვის (ელექტრონთა გაბნევა, ენერგეტუკული დონეები) სიზუსტემ მემილიონედ და უფრო მაღალ მნიშვნელობას შეიძლება მიაღწიოს.
•  ბევრი მაღალენერგიული პროცესები, რომლებიც ელექტროსუსტი ურთიერთქმედების ხარჯზე მიმდინარეობს, პროცენტზე ზუსტი მნიშვნელობით იანგარიშება.
•  ყველაზე ცუდად გამოთვლებს, არც თუ ისე მაღალ ენერგიებზე, ძლიერი ურთიერთქმედება ემორჩილება. ასეთი პროცესების გამოთვლის სიზუსტე ძლიერ ვარირებას განიცდის: ზოგჯერ ის რამდენიმე პროცენტს აღწევს, სხვა შემთხვევებში განსხვავებული თეორიული მიდგომით მიიღება პასუხები, რომლებიც ერთმანეთისგან რამდენიმეჯერ არის განსხვავებული.

 აღსანისნავია, რომ ზოგიერთი პროცესის სასურველი სიზუსტით გამოთვლა შეუძლებელია და ეს არ ნიშნავს, რომ ეს ”თეორია ცუდია”. უბრალოდ, ის ძალიან რთულია, არ არსებობს თანამედროვე მათემატიკური ხერხები, რომლებიც პროცესის ყველა შედეგებს მიადევნებდა თვალს.

 ელემენტარული ნაწილაკების სტანდარტულ მოდელს, მიურეი გელ-მანის, შელდონ გლაშოუს, სტივენ ვაინბერგის, აბდუს სალამის და ბრწყინვალე მეცნიერთა დანარჩენი პლეადის ქმნილებას, გარკვეული ჩარაჩოებით შემოსაზღვრული გამოყენების სფერო აქვს. სმ შესანიშნავად აღწერს კვარკებსა და ლეპტონებს შორის ურთიერთქმედებებს 10^–17 მ. რიგის მანძილზე (პროტონის დიამეტრის 1%), რომლის შესწავლა შესაძლებელია თანამედროვე ამაჩქარებლების გამოყენებით. თუმცა, მას უკვე უჭირს 10^–18 მ. მანძილზე და, მით უმეტეს, ვერ მიდის პლანკის მასშტაბისკენ. ეს არის საზომი სიდიდე, რომელიც შეიძლება გამოვიყვანოთ სამყაროში არსებული სამი ფუნდამენტური მუდმივისაგან – გრავიტაციული მუდმივისაგან, სინათლის სიჩქარისა და პლანკის მუდმივისაგან. მისი რიცხვითი მნიშვნელობა არის დაახლოებით 1,6162 × 10^–35 მ, ითვლება, რომ ამ სივრცულ მასშტაბზე ყველა ფუნდამენტური ურთიერთქმედება, გრავიტაციის ჩათვლით, ერწყმის კვანტურ ერთიანობას.