Физика частиц

редактировать
Чтобы узнать о других значениях слова «частица», см. « Частица» (значения).

Физика элементарных частиц (также известная как физика высоких энергий) - это раздел физики, изучающий природу частиц, составляющих материю и излучение. Хотя слово частица может относиться к различным типам очень маленьких объектов (например, протонам, частицам газа или даже домашней пыли), физика частиц обычно исследует неснижаемо мельчайшие обнаруживаемые частицы и фундаментальные взаимодействия, необходимые для объяснения их поведения.

В современном понимании эти элементарные частицы являются возбуждением квантовых полей, которые также управляют их взаимодействиями. Доминирующая в настоящее время теория, объясняющая эти фундаментальные частицы и поля, а также их динамику, называется Стандартной моделью. Таким образом, современная физика элементарных частиц обычно исследует Стандартную модель и ее различные возможные расширения, например, до новейшей «известной» частицы, бозона Хиггса, или даже до самого старого известного силового поля, гравитации.

СОДЕРЖАНИЕ
  • 1 Субатомные частицы
  • 2 История
  • 3 Стандартная модель
  • 4 экспериментальные лаборатории
  • 5 Теория
  • 6 Практическое применение
  • 7 Будущее
  • 8 См. Также
  • 9 ссылки
  • 10 Дальнейшее чтение
  • 11 Внешние ссылки
Субатомные частицы
Содержание частиц в стандартной модели в физике

Современные исследования физики элементарных частиц сосредоточены на субатомных частицах, включая атомные составляющие, такие как электроны, протоны и нейтроны (протоны и нейтроны - составные частицы, называемые барионами, состоящие из кварков ), которые образуются в результате радиоактивных процессов и процессов рассеяния, такие частицы являются фотонами., нейтрино и мюоны, а также широкий спектр экзотических частиц.

Динамика частиц также регулируется квантовой механикой ; они демонстрируют дуальность волна-частица, демонстрируя поведение, подобное частицам, в одних экспериментальных условиях и поведение, подобное волнам, в других. Говоря более техническим языком, они описываются векторами квантовых состояний в гильбертовом пространстве, которое также рассматривается в квантовой теории поля. Следуя соглашению физиков частиц, термин элементарные частицы применяется к тем частицам, которые, согласно нынешнему пониманию, считаются неделимыми и не состоят из других частиц.

Элементарные частицы
Типы Поколения Античастица Цвета Общий
Кварки 2 3 Пара 3 36
Лептоны Пара Никто 12
Глюоны 1 Никто Собственный 8 8
Фотон Собственный Никто 1
Z Бозон Собственный 1
W Бозон Пара 2
Хиггс Собственный 1
Общее количество (известных) элементарных частиц: 61

Все частицы и их взаимодействия, наблюдаемые на сегодняшний день, могут быть почти полностью описаны квантовой теорией поля, называемой Стандартной моделью. Стандартная модель в ее нынешней формулировке содержит 61 элементарную частицу. Эти элементарные частицы могут объединяться в составные частицы, составляющие сотни других видов частиц, которые были обнаружены с 1960-х годов.

Было обнаружено, что Стандартная модель согласуется почти со всеми экспериментальными испытаниями, проведенными на сегодняшний день. Однако большинство физиков, работающих с частицами, считают, что это неполное описание природы и что более фундаментальная теория ожидает открытия (см. « Теорию всего» ). В последние годы измерения массы нейтрино предоставили первые экспериментальные отклонения от Стандартной модели, поскольку нейтрино безмассовые в Стандартной модели.

История
Основная статья: История субатомной физики

Идея о том, что вся материя состоит из элементарных частиц, восходит как минимум к VI веку до нашей эры. В 19 веке Джон Дальтон в своей работе по стехиометрии пришел к выводу, что каждый элемент природы состоит из одного уникального типа частиц. Слово атом после греческого слова atomos, означающего «неделимый», с тех пор обозначало мельчайшую частицу химического элемента, но физики вскоре обнаружили, что атомы на самом деле не являются фундаментальными частицами природы, а представляют собой конгломераты еще более мелких частиц. частицы, такие как электрон. Первые изыскания двадцатого века по ядерной физике и квантовой физики привело к доказательству ядерного деления в 1939 г. Л. Мейтнер ( на основе опытов Отто Ганом ) и ядерного синтеза по Гансом Бете в том же году; оба открытия также привели к разработке ядерного оружия. На протяжении 1950-х и 1960-х годов при столкновении частиц с пучками все более высоких энергий было обнаружено поразительное разнообразие частиц. Его неофициально называли « зоопарком частиц ». Важные открытия, такие как нарушение CP по Джеймс Кронин и Вал Фитч принес новые вопросы материи-антиматерии дисбаланса. Термин «зоопарк частиц» был изменен после формулировки Стандартной модели в 1970-х годах, в которой большое количество частиц объяснялось как комбинация (относительно) небольшого количества более фундаментальных частиц, что положило начало современной физике элементарных частиц.

Стандартная модель
Основная статья: Стандартная модель

Современное состояние классификации всех элементарных частиц объясняется Стандартной моделью, которая получила широкое распространение в середине 1970-х годов после экспериментального подтверждения существования кварков. Он описывает сильные, слабые и фундаментальные электромагнитные взаимодействия с использованием калибровочных бозонов- посредников. Виды калибровочных бозонов - восемь глюонов, W- , W+ а также Z бозоны и фотон. Стандартная модель также содержит 24 фундаментальных фермиона (12 частиц и связанных с ними античастиц), которые являются составными частями всей материи. Наконец, Стандартная модель также предсказала существование типа бозона, известного как бозон Хиггса. 4 июля 2012 года физики с Большого адронного коллайдера в ЦЕРН объявили, что они обнаружили новую частицу, которая ведет себя аналогично тому, что ожидается от бозона Хиггса.

Экспериментальные лаборатории
Национальная ускорительная лаборатория Ферми, США

Основные лаборатории физики элементарных частиц в мире:

Также существует множество других ускорителей частиц.

Методы, необходимые для современной экспериментальной физики элементарных частиц, весьма разнообразны и сложны, составляя подспециальность, почти полностью отличную от теоретической стороны этой области.

Теория

Теоретическая физика элементарных частиц пытается разработать модели, теоретические основы и математические инструменты, чтобы понять текущие эксперименты и сделать прогнозы для будущих экспериментов (см. Также теоретическую физику ). Сегодня в теоретической физике элементарных частиц предпринимается несколько важных взаимосвязанных усилий.

Одна важная ветвь пытается лучше понять Стандартную модель и ее тесты. Теоретики делают количественные прогнозы наблюдаемых на коллайдере и в астрономических экспериментах, которые наряду с экспериментальными измерениями используются для извлечения параметров Стандартной модели с меньшей неопределенностью. Эта работа исследует пределы Стандартной модели и, следовательно, расширяет научное понимание строительных блоков природы. Эти усилия затруднены из-за сложности расчета высокоточных величин в квантовой хромодинамике. Некоторые теоретики, работающие в этой области, используют инструменты пертурбативной квантовой теории поля и эффективной теории поля, называя себя феноменологами. Другие используют теорию поля на решетке и называют себя теоретиками решетки.

Еще одно важное усилие - это построение моделей, где разработчики моделей разрабатывают идеи о том, что физика может лежать за пределами Стандартной модели (при более высоких энергиях или меньших расстояниях). Эта работа часто мотивируется проблемой иерархии и ограничивается существующими экспериментальными данными. Это может включать работу над суперсимметрией, альтернативами механизму Хиггса, дополнительными пространственными измерениями (такими как модели Рэндалла – Сундрама ), теорией Преона, их комбинациями или другими идеями.

Третьим крупным достижением теоретической физики элементарных частиц является теория струн. Теоретики струн пытаются построить единое описание квантовой механики и общей теории относительности, построив теорию, основанную на небольших струнах и бранах, а не на частицах. Если теория успешна, ее можно рассматривать как « Теорию всего » или «TOE».

Есть также другие области работы в теоретической физике элементарных частиц, начиная от космологии частиц и заканчивая петлевой квантовой гравитацией.

Это разделение усилий в области физики элементарных частиц находит свое отражение в названиях категорий на Arxiv, препринт архив: Нер-й (теория), геп-фот (феноменология), геп-экс (опыты), геп однолатового ( решетка калибровочной теории ).

Практическое применение

В принципе, вся физика (и разработанные на ее основе практические приложения) могут быть выведены из изучения элементарных частиц. На практике, даже если «физика элементарных частиц» означает только «разрушители атомов высокой энергии», в ходе этих новаторских исследований было разработано множество технологий, которые позже нашли широкое применение в обществе. Ускорители частиц используются для производства медицинских изотопов для исследований и лечения (например, изотопов, используемых в ПЭТ-визуализации ) или непосредственно в лучевой терапии с использованием внешнего луча. Развитие сверхпроводников подтолкнуло их использование в физике элементарных частиц. World Wide Web и сенсорный экран технология была первоначально разработана в CERN. Дополнительные приложения можно найти в медицине, национальной безопасности, промышленности, вычислительной технике, науке и развитии трудовых ресурсов, что иллюстрирует длинный и постоянно растущий список полезных практических приложений с участием физики элементарных частиц.

Будущее

Основная цель, которая преследуется несколькими различными способами, - найти и понять, что физика может лежать за пределами стандартной модели. Есть несколько веских экспериментальных причин для ожидания новой физики, включая темную материю и массу нейтрино. Есть также теоретические намеки на то, что эту новую физику следует искать в доступных энергетических масштабах.

Большая часть усилий по поиску этой новой физики сосредоточена на новых экспериментах на коллайдерах. Большой адронный коллайдер (БАК) был завершен в 2008 году, чтобы помочь продолжить поиски бозона Хиггса, суперсимметричных частиц и другой новой физики. Промежуточная цель - создание Международного линейного коллайдера (ILC), который дополнит LHC, позволяя более точно измерять свойства вновь обнаруженных частиц. В августе 2004 года было принято решение по технологии МЛЦ, но место еще не согласовано.

Кроме того, есть важные эксперименты без коллайдеров, которые также пытаются найти и понять физику за пределами Стандартной модели. Одним из важных не связанных с коллайдером усилий является определение масс нейтрино, поскольку эти массы могут возникать в результате смешивания нейтрино с очень тяжелыми частицами. Кроме того, космологические наблюдения дают много полезных ограничений для темной материи, хотя может быть невозможно определить точную природу темной материи без коллайдеров. Наконец, нижние границы очень долгого времени жизни протона накладывают ограничения на теории Великого Объединения на энергетические масштабы, намного превышающие те, которые эксперименты на коллайдерах смогут проверить в ближайшее время.

В мае 2014 года Группа по приоритизации проекта физики элементарных частиц опубликовала свой отчет о приоритетах финансирования физики элементарных частиц для Соединенных Штатов на следующее десятилетие. В этом отчете, помимо других рекомендаций, подчеркивается продолжающееся участие США в LHC и ILC, а также расширение эксперимента Deep Underground Neutrino.

Смотрите также
использованная литература
дальнейшее чтение
Вступительное чтение
Расширенное чтение
  • Робинсон, Мэтью Б.; Блэнд, Карен Р.; Тесак, Джеральд. B.; Диттманн, Джей Р. (2008). «Простое введение в физику элементарных частиц». arXiv : 0810.3328 [ hep-th ].
  • Робинсон, Мэтью Б.; Али, Тибра; Кливер, Джеральд Б. (2009). «Простое введение в физику элементарных частиц, часть II». arXiv : 0908.1395 [ hep-th ].
  • Гриффитс, Дэвид Дж. (1987). Введение в элементарные частицы. ISBN Wiley, John amp; Sons, Inc.   978-0-471-60386-3.
  • Кейн, Гордон Л. (1987). Современная физика элементарных частиц. Книги Персея. ISBN   978-0-201-11749-3.
  • Перкинс, Дональд Х. (1999). Введение в физику высоких энергий. Издательство Кембриджского университета. ISBN   978-0-521-62196-0.
  • Повх, Богдан (1995). Частицы и ядра: введение в физические концепции. Springer-Verlag. ISBN   978-0-387-59439-2.
  • Бояркин, Олег (2011). Двухтомный набор по продвинутой физике элементарных частиц. CRC Press. ISBN   978-1-4398-0412-4.
внешние ссылки
Последняя правка сделана 2023-03-21 11:33:19
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте