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 элементарных 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 . [1] [2]
Субатомные частицы
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 ), производимые радиоактивными процессами и процессами рассеяния , такими как фотоны , нейтрино и т. Д. 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. [3]
Типы | Поколения | Античастица | Цвета | Общее | |
---|---|---|---|---|---|
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, можно почти полностью описать квантовой теорией поля, называемой Стандартной моделью . [4] Стандартная модель в ее нынешней формулировке содержит 61 элементарную частицу. [3] Эти элементарные частицы могут объединяться в составные частицы, что составляет 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 ждет открытия (см. « Теорию всего» ). В последние годы измерения массы нейтрино предоставили первые экспериментальные отклонения от Стандартной модели, поскольку нейтрино безмассовые в Стандартной модели. [5]
История
Идея о том, что вся материя состоит из элементарных частиц, восходит как минимум к VI веку до нашей эры. [6] В 19 веке Джон Дальтон в своей работе по стехиометрии пришел к выводу, что каждый элемент природы состоит из одного уникального типа частиц. [7] 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. даже более мелких частиц, таких 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, совершенное Чиен-Шиунг Ву, поставили новые вопросы к дисбалансу материя-антивещество . [8] Термин «зоопарк частиц» был изменен [ необходима цитата ] после формулировки Стандартной модели в 1970-х годах, в которой большое количество частиц объяснялось как комбинация (относительно) небольшого количества более фундаментальных частиц, которые отмечали начало современной физики элементарных частиц. [ необходима цитата ]
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 Zбозоны и фотон . [4] Стандартная модель также содержит 24 фундаментальных фермиона (12 частиц и связанных с ними античастиц), которые являются составными частями всей материи . [9] 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. [10]
Экспериментальные лаборатории
Основные лаборатории физики элементарных частиц в мире:
- Брукхейвенская национальная лаборатория ( Лонг-Айленд , США ). Его основным объектом является коллайдер релятивистских тяжелых ионов (RHIC), который сталкивает тяжелые ионы, такие как ионы золота и поляризованные протоны. Это первый в мире коллайдер тяжелых ионов и единственный в мире коллайдер поляризованных протонов. [11] [12]
- Институт ядерной физики им. Будкера ( Новосибирск , Россия ). Его основные проекты в настоящее время электрон-позитронных коллайдеров ВЭПП-2000 , [13] эксплуатируемые с 2006 года, и ВЭПП-4, [14] начал эксперименты в 1994 году более ранних объектов включают в себя первый электрон-электронного луча пучка коллайдера ВЭП-1, который проводил эксперименты с 1964 по 1968 год; электрон-позитронные коллайдеры ВЭПП-2, работавшие с 1965 по 1974 год; и его преемник ВЭПП-2М [15] проводил эксперименты с 1974 по 2000 год [16].
- CERN (Европейская организация по ядерным исследованиям) ( франко - швейцарская граница, недалеко от Женевы ). Его основным проектом в настоящее время является Большой адронный коллайдер (LHC), первая циркуляция пучка которого прошла 10 сентября 2008 года, и теперь он является самым мощным в мире коллайдером протонов. Он также стал самым мощным коллайдером тяжелых ионов после того, как начал сталкиваться с ионами свинца. Более ранние объекты включают Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP), который был остановлен 2 ноября 2000 г. и затем демонтирован, чтобы уступить место LHC; и суперпротонный синхротрон , который повторно используется в качестве предварительного ускорителя для LHC и для экспериментов с фиксированной мишенью. [17]
- DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) ( Гамбург , Германия ). Его основным объектом был Hadron Elektron Ring Anlage (HERA), в котором электроны и позитроны сталкивались с протонами. [18] Ускорительный комплекс в настоящее время ориентирован на производство синхротронного излучения с помощью PETRA III, FLASH и европейского XFEL .
- Национальная ускорительная лаборатория Ферми (Фермилаб) ( Батавия , США ). Его основным объектом до 2011 года был Тэватрон , который сталкивал протоны и антипротоны, и был коллайдером частиц с самой высокой энергией на Земле, пока Большой адронный коллайдер не превзошел его 29 ноября 2009 года [19].
- Институт физики высоких энергий (ИФВЭ) ( Пекин , Китай ). ИФВЭ управляет рядом крупных китайских центров физики элементарных частиц, включая Пекинский электронно-позитронный коллайдер II (BEPC II), Пекинский спектрометр (BES), Пекинский центр синхротронного излучения (BSRF), Международную обсерваторию космических лучей в Янбаджинге в Тибете. , то эксперимент Дайя Bay Reactor Neutrino , то Китай расщепления Neutron Source , то жесткий рентгеновский телескоп Modulation (HXMT) и Электроядерная подкритический система (ADS), а также Цзянмэнь метро нейтринной обсерватории (ЮНОНА). [20]
- КЕК ( Цукуба , Япония ). Это дом из ряда экспериментов , таких как K2K эксперимента , в нейтрино колебаний эксперимента и Belle II , эксперимент , измеряющий нарушение CP из В - мезонов . [21]
- Национальная ускорительная лаборатория SLAC ( Менло-Парк , США ). Его линейный ускоритель длиной 2 мили начал работать в 1962 году и был основой для многочисленных экспериментов по столкновению электронов и позитронов до 2008 года. С тех пор линейный ускоритель используется для рентгеновского лазера с когерентным источником света Linac, а также для усовершенствованного ускорителя. дизайнерские исследования. Персонал SLAC продолжает участвовать в разработке и создании многих детекторов частиц по всему миру. [22]
Также существует множество других ускорителей частиц .
Методы , необходимые для современной экспериментальной физики элементарных частиц, весьма разнообразны и сложны, составляющие суб-специальности почти полностью различны [ править ] с теоретической стороны поля.
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 вычисления высокоточных величин в квантовой хромодинамике . Некоторые теоретики, работающие в этой области, используют инструменты пертурбативной квантовой теории поля и эффективной теории поля , называя себя феноменологами . [ необходима цитата ] Другие используют решеточную теорию поля 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. [ необходимая цитата ] 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 считать « Теорией всего » или «TOE».
Есть также другие области работы в теоретической физике элементарных частиц, начиная от космологии частиц и заканчивая петлевой квантовой гравитацией . [ необходима цитата ]
Это разделение усилий в области физики элементарных частиц находит свое отражение в названиях категорий на Arxiv , в препринт архиве: [23] геп-й (теория), геп-фот (феноменология), Нер-ех (эксперименты), Нер-лат ( решеточная калибровочная теория ).
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. [24]
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-коллайдерных 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
- Атомная физика
- Астрономия
- Высокое давление
- Международная конференция по физике высоких энергий
- Введение в квантовую механику
- Список ускорителей в физике элементарных частиц
- Список частиц
- Магнитный монополь
- Микро черная дыра
- Теория чисел
- Резонанс (физика элементарных частиц)
- Принцип самосогласования в физике высоких энергий
- Неэквивалентная самосогласованная термодинамическая теория
- Стандартная модель (математическая формулировка)
- Стэнфордская система поиска информации по физике
- Хронология физики элементарных частиц
- Физика без частиц
- Тетракварк
- Международная конференция по фотонным, электронным и атомным столкновениям
Рекомендации
- ^ "Бозон Хиггса" . ЦЕРН.
- ^ «BEH-механизм, взаимодействие с короткодействующими силами и скалярными частицами» (PDF) . 8 октября 2013 г.
- ^ а б Braibant, S .; Giacomelli, G .; Спурио, М. (2009). Частицы и фундаментальные взаимодействия: Введение в физику элементарных частиц . Springer . С. 313–314. ISBN 978-94-007-2463-1.
- ^ а б "Физика элементарных частиц и астрофизические исследования" . Институт ядерной физики им. Генрика Неводничанского. Архивировано из оригинального 2 -го октября 2013 года . Проверено 31 мая 2012 года .
- ^ «Нейтрино в Стандартной модели» . Сотрудничество T2K . Проверено 15 октября 2019 .
- ^ «Основы физики и ядерной физики» (PDF) . Архивировано 2 октября 2012 года из оригинального (PDF) . Проверено 21 июля 2012 года .
- ^ «Научный исследователь: квазичастицы» . Sciexplorer.blogspot.com. 22 мая 2012 года Архивировано из оригинала 19 апреля 2013 года . Проверено 21 июля 2012 года .
- ^ «Антивещество» . 1 марта 2021 г.
- ^ Накамура, К. (1 июля 2010 г.). «Обзор физики элементарных частиц» . Журнал физики G: Ядерная физика и физика элементарных частиц . 37 (7A): 075021. Bibcode : 2010JPhG ... 37g5021N . DOI : 10.1088 / 0954-3899 / 37 / 7A / 075021 . PMID 10020536 .
- ^ Mann, Adam (28 March 2013). "Newly Discovered Particle Appears to Be Long-Awaited Higgs Boson". Wired Science. Retrieved 6 February 2014.
- ^ Harrison, M.; Ludlam, T.; Ozaki, S. (March 2003). "RHIC project overview". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 499 (2–3): 235–244. Bibcode:2003NIMPA.499..235H. doi:10.1016/S0168-9002(02)01937-X.
- ^ Courant, Ernest D. (December 2003). "Accelerators, Colliders, and Snakes". Annual Review of Nuclear and Particle Science. 53 (1): 1–37. Bibcode:2003ARNPS..53....1C. doi:10.1146/annurev.nucl.53.041002.110450. ISSN 0163-8998.
- ^ "index". Vepp2k.inp.nsk.su. Archived from the original on 29 October 2012. Retrieved 21 July 2012.
- ^ "The VEPP-4 accelerating-storage complex". V4.inp.nsk.su. Archived from the original on 16 July 2011. Retrieved 21 July 2012.
- ^ "VEPP-2M collider complex" (in Russian). Inp.nsk.su. Retrieved 21 July 2012.
- ^ "The Budker Institute of Nuclear Physics". English Russia. 21 January 2012. Retrieved 23 June 2012.
- ^ "Welcome to". Info.cern.ch. Retrieved 23 June 2012.
- ^ "Germany's largest accelerator centre". Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY. Retrieved 23 June 2012.
- ^ "Fermilab | Home". Fnal.gov. Retrieved 23 June 2012.
- ^ "IHEP | Home". ihep.ac.cn. Archived from the original on 1 February 2016. Retrieved 29 November 2015.
- ^ "Kek | High Energy Accelerator Research Organization". Legacy.kek.jp. Archived from the original on 21 June 2012. Retrieved 23 June 2012.
- ^ "SLAC National Accelerator Laboratory Home Page". Retrieved 19 February 2015.
- ^ "arXiv.org e-Print archive".
- ^ "Fermilab | Science at Fermilab | Benefits to Society". Fnal.gov. Retrieved 23 June 2012.
дальнейшее чтение
- Introductory reading
- Close, Frank (2004). Particle Physics: A Very Short Introduction. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-280434-1.
- Close, Frank; Marten, Michael; Sutton, Christine (2004). The Particle Odyssey: A Journey to the Heart of the Matter. The Particle Odyssey : A Journey to the Heart of the Matter. Bibcode:2002pojh.book.....C. ISBN 9780198609438.
- Ford, Kenneth W. (2005). The Quantum World. Harvard University Press.
- Oerter, Robert (2006). The Theory of Almost Everything: The Standard Model, the Unsung Triumph of Modern Physics. Plume.
- Schumm, Bruce A. (2004). Deep Down Things: The Breathtaking Beauty of Particle Physics. Johns Hopkins University Press. ISBN 978-0-8018-7971-5.
- Close, Frank (2006). The New Cosmic Onion. Taylor & Francis. ISBN 978-1-58488-798-0.
- Advanced reading
- Robinson, Matthew B.; Bland, Karen R.; Cleaver, Gerald. B.; Dittmann, Jay R. (2008). "A Simple Introduction to Particle Physics". arXiv:0810.3328 [hep-th].
- Robinson, Matthew B.; Ali, Tibra; Cleaver, Gerald B. (2009). "A Simple Introduction to Particle Physics Part II". arXiv:0908.1395 [hep-th].
- Griffiths, David J. (1987). Introduction to Elementary Particles. Wiley, John & Sons, Inc. ISBN 978-0-471-60386-3.
- Kane, Gordon L. (1987). Modern Elementary Particle Physics. Perseus Books. ISBN 978-0-201-11749-3.
- Perkins, Donald H. (1999). Introduction to High Energy Physics. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-62196-0.
- Povh, Bogdan (1995). Particles and Nuclei: An Introduction to the Physical Concepts. Springer-Verlag. ISBN 978-0-387-59439-2.
- Boyarkin, Oleg (2011). Advanced Particle Physics Two-Volume Set. CRC Press. ISBN 978-1-4398-0412-4.
Внешние ссылки
- Symmetry magazine
- Fermilab
- Particle physics – it matters – the Institute of Physics
- Nobes, Matthew (2002) "Introduction to the Standard Model of Particle Physics" on Kuro5hin: Part 1, Part 2, Part 3a, Part 3b.
- CERN – European Organization for Nuclear Research
- The Particle Adventure – educational project sponsored by the Particle Data Group of the Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL)