Стандартная модель физики элементарных частиц (СМ) является наиболее успешной теорией, описывающей все известные фундаментальные взаимодействия (за исключением гравитации) и элементарные частицы. Она была разработана в течение 1970-х годов и получила широкое подтверждение в экспериментах.

1.1.1. Основные концепции, достижения и ограничения Стандартной модели:

Основные концепции:

* Квантование поля: СМ основана на квантовании полей, т.е. квантовании не частиц, а физических полей, которые заполняют пространство-время.

* Фундаментальные взаимодействия: СМ описывает три из четырех фундаментальных взаимодействий:

* Электромагнитное взаимодействие: описывается квантовой электродинамикой (КЭД),

* Слабое взаимодействие: описывает процессы радиоактивного распада,

* Сильное взаимодействие: описывает взаимодействие между кварками, составляющими протоны и нейтроны.

* Фундаментальные частицы: СМ включает в себя:

* Кварки: составляющие протоны, нейтроны и другие адроны.

* Лептоны: не включают в себя кварки, например, электрон и мюон.

* Калибровочные бозоны: переносчики фундаментальных взаимодействий, например, фотон для электромагнитного взаимодействия.

* Бозон Хиггса: посредник механизма Хиггса, который придает массу элементарным частицам.

Достижения:

* СМ предсказала существование ряда новых частиц, которые были впоследствии обнаружены в экспериментах, например, W- и Z-бозоны, кварк очарования, тау-лептоны и др.

* СМ может объяснить широкий спектр физических явлений, включая радиоактивный распад, образование атомных ядер, процессы на ускорителях частиц.

* СМ согласуется с большинством экспериментальных данных, собранных на сегодняшний день.

Ограничения:

* Не включает гравитацию: СМ не включает гравитацию, что является ее основным ограничением.

* Не объясняет темную материю и темную энергию: СМ не объясняет существование темной материи и темной энергии, которые составляют большую часть материи и энергии Вселенной.

* Не объясняет массы нейтрино: СМ предсказывает, что нейтрино должны иметь нулевую массу, в то время как экспериментальные данные показывают, что они обладают очень маленькой, но ненулевой массой.

* Не объясняет барионную асимметрию Вселенной: СМ не объясняет, почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии.

1.1.2. Проблема описания гравитации в Стандартной модели:

Стандартная модель не включает в себя гравитацию, которая описывается общей теорией относительности (ОТО) Эйнштейна. Объединение СМ и ОТО в рамках единой теории является одной из главных задач современной теоретической физики.

Существует несколько подходов к решению этой проблемы:

* Квантовая гравитация: попытка квантования гравитации, включающая в себя идеи квантовой теории поля.

* Теории струн: предполагают, что элементарные частицы являются не точечными объектами, а вибрирующими струнами в многомерном пространстве.

* Петлевая квантовая гравитация: основана на представлении о дискретном пространстве-времени.

1.1.3. Роль бозона Хиггса и его связь с массой частиц:

Бозон Хиггса играет ключевую роль в механизме Хиггса, который придает массу элементарным частицам. Согласно СМ, частицы не имеют массы сами по себе, а приобретают ее взаимодействуя с полем Хиггса.

Механизм Хиггса описывает следующее:

* Поле Хиггса заполняет всё пространство-время и имеет ненулевое значение в вакууме.

* Когда частицы движутся через это поле, они взаимодействуют с ним и приобретают массу.

* Чем сильнее взаимодействие частицы с полем Хиггса, тем больше ее масса.

Бозон Хиггса был обнаружен в 2012 году в экспериментах на Большом адронном коллайдере (БАК). Это открытие подтвердило правильность СМ и механизма Хиггса.