Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

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 возбуждениями квантовых полей.которые также управляют их взаимодействием. 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 [ править ]

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 ), 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 частиц в одних экспериментальных условиях и волновое поведение 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]

Все частицы и их взаимодействия, наблюдаемые на сегодняшний день, могут быть почти полностью описаны 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, открытых 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 [ править ]

Идея о том, что вся материя состоит из элементарных частиц, восходит как минимум к 6 веку до нашей эры. [6] В XIX 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 ». Этот термин устарел [ необходима ссылка ] после формулировки Стандартной модели в 1970-х годах, в которой большое количество частиц объяснялось как комбинация (относительно) небольшого количества более фундаментальных частиц.

Стандартная модель [ править ]

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+ и Zбозоны и фотон . [4] Стандартная модель также содержит 24 фундаментальных фермиона (12 частиц и связанных с ними античастиц), которые являются составными частями всей материи . [8] 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. [9]

Экспериментальные лаборатории [ править ]

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. [10] [11]
  • Институт ядерной физики им. Будкера ( Новосибирск , Россия ). Его основные проекты в настоящее время электрон-позитронных коллайдеров ВЭПП-2000 , [12] эксплуатируемые с 2006 года, и ВЭПП-4, [13] 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 [14] проводил эксперименты с 1974 по 2000 год [15].
  • 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 электронно-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. [16]
  • DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) ( Гамбург , Германия ). Его основным объектом был Hadron Elektron Ring Anlage (HERA), который сталкивал электроны и позитроны с протонами. [17] Ускорительный комплекс в настоящее время сосредоточен на производстве синхротронного излучения с помощью PETRA III, FLASH и европейского XFEL .
  • Национальная ускорительная лаборатория Ферми (Фермилаб) ( Батавия , США ). Его основной установкой 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 [18].
  • 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 расщепление Neutron Source , то жесткая рентгеновский телескоп Modulation (HXMT) и Электроядерная подкритический системы (ADS), а также Цзянмэнь метро нейтринной обсерватория (ЮНОНА). [19]
  • 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 . [20]
  • Национальная ускорительная лаборатория SLAC ( Менло-Парк , США ). Его линейный ускоритель длиной 2 мили начал работать в 1962 году и был базой 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. [21]

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 [ править ]

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. Путем извлечения параметров Стандартной модели из экспериментов с меньшей неопределенностью, эта работа исследует пределы Стандартной модели и, следовательно, расширяет научное понимание строительных блоков природы. Эти усилия затруднены из-за сложности вычисления величин в квантовой хромодинамике . Некоторые теоретики, работающие в этой области, называют себя феноменологами и могут использовать инструменты квантовой теории поля и эффективной теории поля . [ необходима цитата ] Другие используют теорию поля на решеткеи называют себя теоретиками решеток .

Еще одно важное усилие - это построение моделей, где разработчики моделей разрабатывают идеи относительно того, что 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 в себя работу над суперсимметрией , альтернативами механизму Хиггса , дополнительными пространственными измерениями (такими как модели Рэндалла – Сундрума ), теорией Преона , комбинациями этих или других идей.

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 « Теорией всего ».

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: [22] геп-й (теория), геп-фот (феноменология), Нер-ех (эксперименты), Нер-лат ( решеточная калибровочная теория ).

Практическое применение [ править ]

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 вЦЕРН . Дополнительные приложения можно найти в медицине, национальной безопасности, промышленности, вычислительной технике, науке и развитии трудовых ресурсов, что иллюстрирует длинный и растущий список полезных практических приложений с участием физики элементарных частиц. [23]

Будущее [ править ]

Основная цель, которую преследуют несколькими различными способами, - найти и понять, что физика может лежать за пределами стандартной модели . Есть несколько веских экспериментальных причин ожидать 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 о технологии строительства ILC, 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 предоставляют множество 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 определению приоритетов 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 .

См. Также [ править ]

  • 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

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Бозон Хиггса" . ЦЕРН.
  2. ^ "BEH-механизм, взаимодействие с короткодействующими силами и скалярными частицами" (PDF) . 8 октября 2013 г.
  3. ^ a b 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.
  4. ^ a b "Исследования в области физики элементарных частиц и астрофизики" . Институт ядерной физики им. Генрика Неводничанского. Архивировано из оригинального 2 -го октября 2013 года . Проверено 31 мая 2012 года .
  5. ^ «Нейтрино в Стандартной модели» . Сотрудничество T2K . Дата обращения 15 октября 2019 .
  6. ^ «Основы физики и ядерной физики» (PDF) . Архивировано 2 октября 2012 года из оригинального (PDF) . Проверено 21 июля 2012 года .
  7. ^ "Научный исследователь: квазичастицы" . Sciexplorer.blogspot.com. 22 мая 2012 года Архивировано из оригинала 19 апреля 2013 года . Проверено 21 июля 2012 года .
  8. 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 . 
  9. Манн, Адам (28 марта 2013 г.). «Недавно обнаруженная частица оказалась долгожданным бозоном Хиггса» . Проводная наука . Проверено 6 февраля 2014 .
  10. ^ Харрисон, М .; Ludlam, T .; Одзаки, С. (март 2003 г.). «Обзор проекта RHIC» . Ядерные инструменты и методы в физических исследованиях Секция A: ускорители, спектрометры, детекторы и связанное с ними оборудование . 499 (2–3): 235–244. Bibcode : 2003NIMPA.499..235H . DOI : 10.1016 / S0168-9002 (02) 01937-X .
  11. ^ Курант, Эрнест Д. (декабрь 2003 г.). «Ускорители, коллайдеры и змейки» . Ежегодный обзор ядерной науки и науки о частицах . 53 (1): 1–37. Bibcode : 2003ARNPS..53 .... 1С . DOI : 10.1146 / annurev.nucl.53.041002.110450 . ISSN 0163-8998 . 
  12. ^ "индекс" . Vepp2k.inp.nsk.su. Архивировано из оригинального 29 октября 2012 года . Проверено 21 июля 2012 года .
  13. ^ «Ускоренно-накопительный комплекс ВЭПП-4» . V4.inp.nsk.su. Архивировано из оригинала 16 июля 2011 года . Проверено 21 июля 2012 года .
  14. ^ "Коллайдерный комплекс ВЭПП-2М" . Inp.nsk.su . Проверено 21 июля 2012 года .
  15. ^ "Институт ядерной физики им . Будкера" . Английский Россия. 21 января 2012 . Проверено 23 июня 2012 года .
  16. ^ "Добро пожаловать" . Info.cern.ch . Проверено 23 июня 2012 года .
  17. ^ "Крупнейший ускорительный центр Германии" . Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY . Проверено 23 июня 2012 года .
  18. ^ "Фермилаб | Дом" . Fnal.gov . Проверено 23 июня 2012 года .
  19. ^ "ИФВЭ | Главная" . ihep.ac.cn. Архивировано из оригинала на 1 февраля 2016 года . Проверено 29 ноября 2015 года .
  20. ^ "Кек | Организация по исследованию ускорителей высоких энергий" . Legacy.kek.jp. Архивировано из оригинального 21 июня 2012 года . Проверено 23 июня 2012 года .
  21. ^ "Домашняя страница Национальной ускорительной лаборатории SLAC" . Дата обращения 19 февраля 2015 .
  22. ^ "Архив электронной печати arXiv.org" .
  23. ^ «Фермилаб | Наука в Фермилабе | Польза для общества» . Fnal.gov . Проверено 23 июня 2012 года .

Дальнейшее чтение [ править ]

Вступительное чтение
  • Близко, Фрэнк (2004). Физика элементарных частиц: очень краткое введение . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-280434-1.
  • Близко, Фрэнк ; Мартен, Майкл; Саттон, Кристин (2004). Одиссея частиц: путешествие в самое сердце материи . Одиссея частиц: путешествие в самое сердце материи . Bibcode : 2002pojh.book ..... C . ISBN 9780198609438.
  • Форд, Кеннет В. (2005). Квантовый мир . Издательство Гарвардского университета.
  • Ортер, Роберт (2006). Теория почти всего: стандартная модель, невоспетый триумф современной физики . Плюм.
  • Шумм, Брюс А. (2004). Вещи в глубине души: захватывающая красота физики элементарных частиц . Издательство Университета Джона Хопкинса. ISBN 978-0-8018-7971-5.
  • Близко, Фрэнк (2006). Новый космический лук . Тейлор и Фрэнсис. ISBN 978-1-58488-798-0.
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 & 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 Advanced Particle Physics . CRC Press. ISBN 978-1-4398-0412-4.

Внешние ссылки [ править ]

  • Журнал Симметрия
  • Фермилаб
  • Физика элементарных частиц - это важно - институт физики
  • Нобс, Мэтью (2002) «Введение в стандартную модель физики элементарных частиц» на Kuro5hin : Часть 1 , Часть 2 , Часть 3a , Часть 3b.
  • ЦЕРН - Европейская организация ядерных исследований
  • Приключение Particle - образовательный проект под эгидой Particle Data Group в Национальной лаборатории Лоренса Беркли (LBNL)