Физика элементарных частиц

Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция»
Перейти к: навигация, поиск

Для других видов использования слова "частица" в физике и в других местах, см. Частица (значения).

Стандартная модель Физики элементарных частиц
CERN LHC Tunnel1.jpg
Большой адронный коллайдер Туннель ЦЕРН

Физика элементарных частиц — это отрасль физики , которая изучает природу элементарных частиц, составляющих то, что обычно называют материей en:Matter и излучением. В нынешнем понимании частиц — возбуждение квантовых полей и их динамические взаимодействия. Хотя слово частица en:Particle может использоваться в отношении многих объектов (например, протон, газ-частица, или даже бытовая пыль), термин физика элементарных частиц обычно относится к изучению мельчайших частиц и фундаментальных полей, которые должны быть определены для того, чтобы объяснить наблюдаемые частицы. Они не могут быть определены путем комбинации других фундаментальных полей, т.е. метод выбора частиц комбинированием разными наборами полей. Текущий набор фундаментальных полей и их динамика приведены в теории, называемой стандартной моделью en:Standard_Model, поэтому физика элементарных частиц в значительной степени — это изучение стандартной модели частиц контента и его возможные расширения при нахождении недавнего бозона Хиггса en:Higgs_boson.[1][2]

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»[править]

Мезон Мезон Барион Нуклон Кварк Лептон Электрон Адрон Атом Молекула Фотон W- и Z-бозоны Глюон Гравитон Электромагнитное взаимодействие Слабое взаимодействие Сильное взаимодействие Гравитация Квантовая электродинамика Квантовая хромодинамика Квантовая гравитация Электрослабое взаимодействие Теория великого объединения Теория всего Элементарные частицы (физика) Материя (физика) Бозон Хиггса
Краткий обзор различных семейств элементарных частиц и составных частиц, и теории, описывающие их взаимодействия. Фермионы — слева, бозоны — справа. (пункты на картинке кликабельны)

Физика элементарных частиц и высоких энергий — передовая область современной науки, изучающая строительные блоки материи. Она регулярно оказывается в центре внимания широкой общественности не только благодаря фундаментальному характеру затрагиваемых вопросов (например, бозон Хиггса en:Higgs_boson.[3], о вероятном открытии которого недавно заявили ученые, несет ответственность за наличие в природе массы), но и прикладным результатам своих исследований.

За последние пять лет несколько ведущих физических институтов, занятых фундаментальными исследованиями, сменили юрисдикцию и перешли — кто из РАН, а кто из «Росатома» — в национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», возглавляемый Михаилом Ковальчуком. При этом сотрудники одного из них, Института теоретической и экспериментальной физики, тут же начали жаловаться на препоны в работе.[4]

Субатомные частицы[править]

Содержание частиц стандартной модели из физики

Современные научные исследования частиц по физике ориентированы на субатомные частицы, в том числе и атомные составляющие, такие как электроны, протоны и нейтроны (протоны и нейтроны, которые являются составной частью частиц, называемых барионами; изготовленные из кварков) частицы процессов радиоактивного рассеяния, таких как фотоны, нейтрино и мюоны en:Muon. Современные научные исследования частиц по физике также затрагивают широкий спектр теоретических экзотических частиц. Динамика частиц также регулируется квантовой механикой; они демонстрируют в виде волны-частицы en:Wave–particle_duality — отображение частиц как поведение при определенных экспериментальных условиях в виде волны как поведение в других условиях. В более технических терминах их описывают как квантовое состояние en:Wave–particle_duality векторов в Гильбертовом пространстве, которое рассматривается в квантовой теории поля en:Quantum_field_theory. Следующие Конвенции частиц, физики как понятие элементарных частиц, применяется для тех частиц, которые, согласно современному пониманию, предположительно неделимым и не состоят из других частиц.[5]

Элементарные часицы
Виды Поколения Античастица Цветовой заряд Итого
Кварки 2 3 Пара 3 36
Лептоны 2 3 Пара Нет 12
Глюконы 1 1 Собственные 8 8
W-бозоны 1 1 Пара Нет 2
Z-бозоны 1 1 Пара Нет 1
Фотон 1 1 Собственный Нет 1
Бозон 1 1 Собственный Нет 1
Общее 61

Все частицы и их взаимодействие, наблюдаемых на сегодняшний день, могут быть описаны практически полностью с помощью квантовой теории поля, называемой стандартной моделью.[6] Стандартная модель в настоящее время сформулирована и она содержит 61 элементарных частиц.[5]

Те элементарные частицы, которые образуют составные частицы, бухгалтерского учета и для сотен других видов частиц были обнаружены с 1960-х годов. В стандартной модели было установлено, в согласии почти со всеми экспериментальными испытаниями, проведенные до настоящего времени. Однако большинство частиц физики считают, что это неполное описание природы, и, что более фундаментальную теорию ждет discovery (см. Теория всего). В последние годы при измерениях массы нейтрино позволили получить первые экспериментальные отклонения от стандартной модели (нейтрино масса первоначально является электрически нейтральной, со слабо взаимодействующими элементарными субатомными частицами).

История[править]

Современная физика
$$i\hbar\frac{\partial}{\partial t} \Psi(\mathbf{r},\,t) = \hat H \Psi(\mathbf{r},\,t)$$
Уравнения Шредингера
История современной физики
Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: История субатомной физики

Идея о том, что всё вещество состоит из элементарных частиц датируется, по крайней мере, в 6-м веке до нашей эры.[7] В 19 веке, Джон Дальтон en:John_Dalton, и через его работу по стехиометрии en:Stoichiometry пришли к выводу, что каждый элемент природы, состоит из одного уникального типа частиц.[8] Слово атом после греческого слова atomos означает "неделимый", обозначает — наименьшая частица химического элемента у физиков, но вскоре обнаружили, что атомы не являются, по сути, фундаментальными частицами природы, но и конгломераты даже более мелкие частицы, такие как электрон. В начале 20-го века исследования в области ядерной физики en:Nuclear_physics и квантовой физики en:Quantum_mechanics завершились доказательстваvb ядерного деления en:Nuclear_fission. В 1939 году Лиза Мейтнер (на основе экспериментов по Otto Hahn), ядерного синтеза en:Nuclear_fusion; Ханс бете в том же году; оба открытия, привели к разработке дерного оружия. На протяжении 1950-х и 1960-х годов, невероятным разнообразием частиц были обнаружены в экспериментах по упругому рассеянию en:Deep_inelastic_scattering. Это называется зоопарк частиц en:Particle_zoo. Этот устаревшим термин после формулировки стандартной модели в 1970-е годы, в которой большое количество частиц, объяснил, как сочетания (относительно) небольшого числа фундаментальных частиц.

Стандартные модели[править]

Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Стандартная модель

Современное состояние классификации всех элементарных частиц объясняется стандартной моделью en:Standard_Model. Она описывает сильные en:Strong_interaction, слабые en:Weak_interaction электромагнитные взаимодействия с помощью посредника калибровочных бозонов en:Gauge_boson. Видами калибровочных бозонов являются глюоны en:Gluon, W-, W+ и Z - бозоны en:W_and_Z_bosons и фотоны.[6] Стандартная модель также содержит 24 фундаментальных частиц en:Elementary_particle, (12 частиц и связанных с ними анти-частиц), которые являются составляющими всех вопросов.[9] Наконец, стандартная модель также предсказывает существование модели типа Хиггса en:Boson , известной как бозон Хиггса en:Higgs_boson. Рано утром 4 июля 2012 года физики на большом Адронном коллайдере в ЦЕРНЕ объявили, что они обнаружили новую частицу, которая ведет себя аналогично, что ожидается от бозона Хиггса.[10]

Экспериментальные лаборатории[править]

В области физики элементарных частиц, крупнейшие международные лаборатории расположены в:

  • Брукхейвенской Национальной Лаборатории (Лонг-Айленд, США) en:Brookhaven_National_Laboratory. Ее основной базой является Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) en:Relativistic_Heavy_Ion_Collider, которая сталкивается тяжелых ионов , таких как ионы золота и поляризованные протоны. Это первый в мире heavy ion collider, и единственный в мире коллайдер поляризованных протонов.[11][не в цитировании данного]
  • Им. Г.И. Будкера Институт ядерной физики (Новосибирск, Россия) en:Budker_Institute_of_Nuclear_Physics. Основные проекты сейчас электрон —позитронных коллайдеров ВЭПП-2000,[12] эксплуатируется с 2006 года, и ВЭПП-4,[13] начал эксперименты в 1994 году. Ранее ради удобства включают первый electron-electron beam-луч коллайдер ВЭП-1, который проводил эксперименты с 1964 по 1968 год; электрон-позитронный коллайдер ВЭПП-2, эксплуатируется с 1965 по 1974 г.; его преемник ВЭПП-2м,[14] проведены эксперименты с 1974 по 2000 год.[15]
  • ЦЕРН en:CERN, (Франко-швейцарской границы, близ Женевы). Его главный проект сейчас находится на большом Адронном коллайдере (LHC), который провел свой первый луч обращения на 10 сентября 2008 года, и сейчас они в мире самые энергичные коллайдеры протонов. Он также стал самым энергичным коллайдером тяжелых ионов после начала столкновения ионов свинца. Раньше, в отеле есть большой Электрон-позитронный коллайдер (LEP), который был остановлен на 2 ноября 2000 года, а затем демонтирован, чтобы уступить дорогу для LHC; и супер-Протонный Синхротрон, который используется повторно в качестве предварительного ускорителя LHC.[16]
  • DESY en:DESY (Гамбург, Германия). Ее основной базой является адронное Электронное кольцо Anlage (HERA), которое вступает в противоставление электронов и позитронов с протонами.[17]
  • Fermilab en:DESY, (Батавия, США). Его основной объект до 2011 года был Tevatron, который занимался столкновениями протонов и антипротонов и был самым высоким в энергии частиц в коллайдере на земле до тех пор, пока большой адронный коллайдер превзошел его на 29 ноября 2009 года.[18]
  • KEK en:KEK, (г. Цукуба, Япония). Он является домом для ряда экспериментов, таких как K2K эксперимент, по экспериментам осцилляциям нейтрино и Belle, где ведутся эксперименты, измерения CP violation of B-мезонов.[19]

Существуют многие другие ускорители частиц.

Методы, необходимые, чтобы сделать современную, экспериментальную физику частиц, весьма разнообразны и сложны, которые являются составляющими суб-специальностей, почти полностью отличаются от теоретической стороны поля.[20]

Теория[править]

Квантовая теория поля
Feynmann Diagram Gluon Radiation.svg
Фейнмана диаграмма
История


Теоретическая физика элементарных частиц — попытки разработать модели, теоретические основы и математические инструменты, чтобы понять текущие эксперименты и делать прогнозы для будущих экспериментов. См. также теоретическая физика en:Theoretical_physics. Существуют несколько основных взаимосвязанных усилий, предпринимаемые в области теоретической физики элементарных частиц на сегодняшний день. Одним из важных — отдельно попытка лучше понять стандартную модель и ее испытания. Путем извлечения параметров стандартной модели — от экспериментов с меньшей неопределенностью. Эта работа исследует пределы стандартной модели и, следовательно, расширяет наше понимание природы строительных блоков. Эти усилия осуществляются сложно, наличие сложности расчёта величин в квантовой хромодинамике en:Quantum_chromodynamics. Некоторые теоретики, работающие в этой области называют себя phenomenologists en:Quantum_chromodynamics и они могут использовать инструменты квантовой теории поля en:Quantum_field_theory и эффективной теории поля en:Effective_field_theory. Другие делают ставку на использование решеточной теории поля en:Lattice_field_theory и называют себя теоретиками решетки.

Другие основные усилия в процессе создания модели, где строительство модели en:Model_building_(particle_physics) требует разработку идей для того, что бы физика могла лежать за пределами стандартной модели en:Physics_beyond_the_Standard_Model (при более высоких энергиях или меньших расстояниях). Эта работа часто мотивируется проблемами иерархии en:Hierarchy_problem и сдерживается существующими экспериментальными данными. Основные усилия могут включать в себя работы по суперсимметрии en:Supersymmetry, альтернативы Хиггсовского механизма en:Higgs_mechanism, дополнительных пространственных измерений (таких, как Рэндалл-Sundrum моделей en:Randall–Sundrum_model), Preon en:Preon теории, комбинации этих или других идей.

Третие значительные усилия в области теоретической физики элементарных частиц — теория струн en:String_theory. Струнные теоретики пытаются построить единое описание квантовой механики и общей теории относительности путем построения теории, основанной на малых струнах и мембранах en:Brane , а не на частицах. Если теория успешна, ее можно считать теорией всего en:Theory_of_everything.

Есть и другие направления работы в области теоретической физики элементарных частиц, начиная от частиц, космологии для петлевой квантовой гравитации en:Loop_quantum_gravity.

Это деление усилий в области физики элементарных частиц отражается в названиях категорий как: архивные en:wiki/ArXiv (имеющиеся теории), архива бумаг (не разработанных теорий en:Preprint):[21] hep-th (теория), hep-ph (феноменология), hep-ex (эксперименты), hep-lat (решеточная калибровочная теория en:Lattice_gauge_theory).

Практические применения[править]

На снимке в стандартном ПЭТ—центре, оснащённый ECAT Exact HR+ ПЭТ-сканером. Подобные ПЭТ-сканеры неуклонно изменяют системы, сочетающие в себе оба ПЭТ-и КТ-сканера в единое ПЭТ/КТ устройство.

В принципе, все физика (и практические приложения, разработанные в ней) могут быть получены из исследования фундаментальных частиц. На практике, даже если физика элементарных частиц означает только высокую энергию сокрушителей атома, многие технологии были разработаны в ходе этих пионерских исследований, которые впоследствии нашли широкое применение в обществе. Циклотроны используются для производства медицинских изотопов, для исследования и лечения (например, изотопы, используемые в ПЭТ en:Positron_emission_tomography), или использовать непосредственно для определенных методов лечения рака. Разработка Сверхпроводников en:Superconductivity была выдвинута вперед для их применения в физике частиц. World Wide Web и технологии сенсорного управления, были первоначально разработаны в ЦЕРН en:CERN.

Дополнительные приложения в медицине, национальной безопасности, промышленности, вычислительной техники, науки, и развития трудовых ресурсов, иллюстрирующие долго и постоянно растущий список полезных практических приложений с помощью взносов от физики элементарных частиц.[22]

Будущее[править]

Темная материя невидима. На основе эффекта гравитационного линзирования, кольцо из темной материи было обнаружено в образе galaxy cluster (CL0024+17) и представлено в синем цвете.[23]

Основная цель, которая преследуется в нескольких различных способах исследований заключается в том, чтобы найти и понять, что физика может лежать за пределами стандартной модели en:Physics_beyond_the_Standard_Model. Есть несколько мощных экспериментальных оснований ожидать в появлении новой физики, в том числе и тайн тёмной материи en:Dark_matter и массы нейтрино en:Neutrino#MassNeutrino#Mass. Существуют также теоретические намеки на то, что новая физика должна быть найдена в доступных энергетических масштабах. Кроме того, там могут быть сюрпризы, которые дадут нам возможность узнать о их природе.

Много прикладывается усилий, чтобы найти этот новый физический закон, который сориентирован на новом коллайдере экспериментов. На большом Адронном коллайдере en:Large_Hadron_Collider (LHC) было завершено в 2008 году, чтобы помочь продолжить поиск бозона Хиггса en:Higgs_boson, суперсимметричных en:Superpartner частиц, и других новых физических явлений. Промежуточной целью является строительство Международного линейного коллайдера [:en:International_Linear_Collider] (ILC), который будет дополнять LHC за счёт счет более точных измерений характеристик вновь найденных частиц. В августе 2004 года решение для технологии МКТ было принято, но сайты до сих пор не согласованы.

Кроме того, существуют важные номера-коллайдеров экспериментов, которые также пытаются найти и понять физику за пределами стандартной модели en:Physics_beyond_the_Standard_Model. Одним из важных номеров-коллайдера являются усилия в определении нейтрино массы, поскольку эти массы могут возникнуть в результате смешивания нейтрино с очень тяжелыми частицами. Кроме того, космологические наблюдения en:Physical_cosmology дают много полезных ограничений по темной материи, хотя это может быть невозможно определить точную природу темной материи без коллайдеров. Наконец, нижние границы на очень долгое время жизни протона en:Proton_decay поставили ограничения на Grand Unified Theories en:Grand_Unified_Theory в энергии весов значительно выше, чем в коллайдере экспериментов, которые смогут зондировать природу тёмной материи в ближайшее время.

В мае 2014 года, в физике частиц приоритезации проектов панель en:Particle_Physics_Project_Prioritization_Panel опубликовала свой доклад по физике элементарных частиц, повлиявших на приоритеты финансирования в США в течение следующего десятилетия. В этом докладе подчеркивалось, продолжение участия США в LHC и ILC, и расширение Long Baseline Neutrino Experiment en:Long_Baseline_Neutrino_Experiment, среди других рекомендаций.

В начале октября 2014 года на коллайдере обнаружена новая частица, которую обнаружили у четырех кварков, названных tetraquark en:Tetraquark.[24]

См. также[править]

Примечания[править]

  1. http://home.web.cern.ch/topics/higgs-boson
  2. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2013/advanced-physicsprize2013.pdf
  3. http://home.web.cern.ch/topics/higgs-boson
  4. http://www.atomic-energy.ru/smi/2013/09/24/43980
  5. а б Braibant, S.; Giacomelli, G.; Spurio, M. [Braibant, S.; Giacomelli, G.; Spurio, M. (2009). Particles and Fundamental Interactions: An Introduction to Particle Physics. Springer. pp. 313–314. ISBN 978-94-007-2463-1. "Particles and Fundamental Interactions"]. Retrieved Springer. pp. 313–314., 2009.  Check date values in: |accessdate= (help)
  6. а б "Particle Physics and Astrophysics Research". The Henryk Niewodniczanski Institute of Nuclear Physics. Retrieved 31 May 2012. 
  7. "Fundamentals of Physics and Nuclear Physics" (PDF). Retrieved 21 July 2012. 
  8. "Scientific Explorer: Quasiparticles". Sciexplorer.blogspot.com. 22 May 2012. Retrieved 21 July 2012. 
  9. Nakamura, K (1 July 2010). "Review of Particle Physics". Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics 37 (7A). DOI:10.1088/0954-3899/37/7A/075021.
  10. Mann, Adam (28 March 2013). "Newly Discovered Particle Appears to Be Long-Awaited Higgs Boson - Wired Science". Wired.com. Retrieved 6 February 2014. 
  11. "Brookhaven National Laboratory – A Passion for Discovery". Bnl.gov. Retrieved 23 June 2012. 
  12. "index". Vepp2k.inp.nsk.su. Retrieved 21 July 2012. 
  13. "The VEPP-4 accelerating-storage complex". V4.inp.nsk.su. Retrieved 21 July 2012. 
  14. "VEPP-2M collider complex" (in русский). Inp.nsk.su. Retrieved 21 July 2012. 
  15. "The Budker Institute Of Nuclear Physics". English Russia. 21 January 2012. Retrieved 23 June 2012. 
  16. "Welcome to". Info.cern.ch. Retrieved 23 June 2012. 
  17. "Germany's largest accelerator centre – Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY". Desy.de. Retrieved 23 June 2012. 
  18. "Fermilab | Home". Fnal.gov. Retrieved 23 June 2012. 
  19. "Kek | High Energy Accelerator Research Organization". Legacy.kek.jp. Retrieved 23 June 2012. 
  20. http://en.wikipedia.org/wiki/Particle_physics
  21. arxiv.org
  22. "Fermilab | Science at Fermilab | Benefits to Society". Fnal.gov. Retrieved 23 June 2012. 
  23. "Hubble Finds Dark Matter Ring in Galaxy Cluster". 
  24. "Universe Today; Benefits to Society". Universe Today. Retrieved 8 October 2014. 

Дополнительная литература[править]

Вступительное чтение[править]

Расширенное чтение[править]

  • David J. Griffiths Introduction to Elementary Particles. — Wiley, John & Sons, Inc, 1987. — ISBN 0-471-60386-4>
  • Gordon L. Kane Modern Elementary Particle Physics. — Perseus Books, 1987. — ISBN 0-201-11749-5>
  • Donald H. Perkins Introduction to High Energy Physics. — Cambridge University Press, 1999. — ISBN 0-521-62196-8>
  • Bogdan Povh Particles and Nuclei: An Introduction to the Physical Concepts. — Springer-Verlag, 1995. — ISBN 0-387-59439-6>
  • Oleg Boyarkin Advanced Particle Physics Two-Volume Set. — CRC Press, 2011. — ISBN 978-1-4398-0412-4>

Внешние ссылки[править]