Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Субатомдық бөлшектер мен күштерді зерттеу
Study of subatomic particles and forces
Бөлшек физикасы немесе жоғары энергиялық физика – материя мен сәулеленуді құрайтын негізгі бөлшектер мен күштерді зерттеу саласы. Бұл сала элементарлық бөлшектердің протон және нейтрон деңгейіне дейінгі комбинацияларын да зерттейді, ал протон мен нейтрон комбинацияларын зерттеу ядролық физика деп аталады. Әлемдегі негізгі бөлшектер Стандартты модельде фермиондар (материя бөлшектері) және бозондар (күш тасымалдаушы бөлшектер) ретінде жіктеледі. Фермиондардың үш буыны бар, бірақ кәдімгі материя тек бірінші буын фермиондарынан тұрады. Бірінші буынға протон мен нейтрондарды құрайтын жоғары және төмен кварктар, сондай-ақ электрон мен электрон нейтринолары кіреді. Бозондармен жүзеге асылатын үш негізгі өзара әрекеттесу – электромагнетизм, әлсіз өзара әрекеттесу және күшті өзара әрекеттесу. Кварктар өздігінен өмір сүре алмайды, олар адрон құрайды. Кварктардың саны тақ болса, ол барион, ал саны жұп болса, мезон деп аталады. Протон мен нейтрон – екі барион, олар кәдімгі материяның көп бөлігін құрайды. Мезондар тұрақсыз, ең ұзақ өмір сүретіндері тек микросекундтың бірнеше жүзден бір бөлігіне ғана созылады. Олар кварктардан тұратын бөлшектердің, мысалы, ғарыштық сәулелердегі жылдам қозғалатын протон мен нейтрондардың соқтығысуынан кейін пайда болады. Мезондар циклотрондарда немесе басқа да бөлшектерді үдеткіштерде де жасалады. Бөлшектердің бірдей массасы, бірақ қарама-қарсы электр заряды бар антибөлшектері болады. Мысалы, электронның антибөлшегі – позитрон. Электронның теріс электр заряды бар, ал позитронның оң заряды бар. Бұл антибөлшектер теория бойынша антиматерия деп аталатын материяның сәйкес түрін құрауы мүмкін. Кейбір бөлшектер, мысалы, фотон, өздерінің антибөлшектері болып табылады. Бұл элементарлық бөлшектер кванттық өрістердің қоздырылымдары болып табылады, олар олардың өзара әрекеттесуін де анықтайды. Осы негізгі бөлшектер мен өрістерді, сондай-ақ олардың динамикасын түсіндіретін басты теория Стандартты модель деп аталады. Гравитацияны қазіргі бөлшек физикасы теориясымен үйлестіру мәселесі шешілмеген; осы мәселені шешуге көптеген теориялар ұсынылған, мысалы, циклдық кванттық гравитация, ісбасты теория және суперсимметрия теориясы. Практикалық бөлшек физикасы – бұл радиоактивті процестерде және Үлкен адрондық коллайдер сияқты бөлшектерді үдеткіштерде осы бөлшектерді зерттеу. Теориялық бөлшек физикасы – бұл бөлшектерді космология және кванттық теория контекстінде зерттеу. Бұл екеуі тығыз байланысты: Хиггс бозоны теориялық бөлшек физиктерімен болжанған, ал оның бар екендігі тәжірибелік тәжірибелермен расталған.
Particle physics or high energy physics is the study of fundamental particles and forces that constitute matter and radiation. The field also studies combinations of elementary particles up to the scale of protons and neutrons, while the study of combination of protons and neutrons is called nuclear physics. The fundamental particles in the universe are classified in the Standard Model as fermions (matter particles) and bosons (force carrying particles). There are three generations of fermions, although ordinary matter is made only from the first fermion generation. The first generation consists of up and down quarks which form protons and neutrons, and electrons and electron neutrinos. The three fundamental interactions known to be mediated by bosons are electromagnetism, the weak interaction, and the strong interaction. Quarks cannot exist on their own but form hadrons. Hadrons that contain an odd number of quarks are called baryons and those that contain an even number are called mesons. Two baryons, the proton and the neutron, make up most of the mass of ordinary matter. Mesons are unstable and the longest lived last for only a few hundredths of a microsecond. They occur after collisions between particles made of quarks, such as fast moving protons and neutrons in cosmic rays. Mesons are also produced in cyclotrons or other particle accelerators. Particles have corresponding antiparticles with the same mass but with opposite electric charges. For example, the antiparticle of the electron is the positron. The electron has a negative electric charge, the positron has a positive charge. These antiparticles can theoretically form a corresponding form of matter called antimatter. Some particles, such as the photon, are their own antiparticle. These elementary particles are excitations of the quantum fields that also govern their interactions. The dominant theory explaining these fundamental particles and fields, along with their dynamics, is called the Standard Model. The reconciliation of gravity to the current particle physics theory is not solved; many theories have addressed this problem, such as loop quantum gravity, string theory and supersymmetry theory. Practical particle physics is the study of these particles in radioactive processes and in particle accelerators such as the Large Hadron Collider. Theoretical particle physics is the study of these particles in the context of cosmology and quantum theory. The two are closely interrelated: the Higgs boson was postulated by theoretical particle physicists and its presence confirmed by practical experiments.
Тарих
Барлық заттың негізінен элементар бөлшектерден құралатыны туралы идея кем дегенде б.з.д. VI ғасырда пайда болған. XIX ғасырда Джон Дальтон стехиометрия саласындағы жұмысы арқылы табиғаттың әрбір элементі бір ғана, ерекше бөлшектен тұрады деген қорытындыға келді. "Атом" деген сөз грек сөзі "atomos" – "бөлінбейтін" деген мағынаны білдіреді және содан бері химиялық элементтің ең кішкентай бөлшегін атайды. Бірақ кейінірек физиктер атомдардың табиғаттың негізгі бөлшектері емес, электрондар сияқты одан да кішкентай бөлшектердің жиынтығы екенін анықтады. 20 ғасырдың басында ядролық физика мен кванттық физиканы зерттеулер 1939 жылы Лиза Майтнердің (Отто Ханның тәжірибелері негізінде) ядролық бөлінуін, ал сол жылы Ханс Бетенің ядролық синтезін дәлелдеуге әкелді. Екі жаңалықтың да ядролық қару жасауға ықпалы болды. 1950-1960 жылдары жоғары энергиялы сәулелердегі бөлшектердің соқтығысуынан сан алуан бөлшектер табылды. Бұл "бөлшектер бағы" деп аталды. Джеймс Кронин мен Вал Фичтің CP бұзуы сияқты маңызды жаңалықтар материя мен антиматерия арасындағы тепе-теңсіздік туралы жаңа сұрақтар тудырды. 1970 жылдары Стандартты модель қалыптасқаннан кейін физиктер "бөлшектер бағының" пайда болуын түсіндірді. Көптеген бөлшектердің саны (салыстырмалы түрде) аз ғана фундаменталды бөлшектердің комбинациясы ретінде түсіндірілді және кванттық өрістер теориясының аясында қарастырылды. Бұл жіктеу заманауи бөлшектер физикасының бастауын білдірді.
The idea that all matter is fundamentally composed of elementary particles dates from at least the 6th century BC. In the 19th century, John Dalton, through his work on stoichiometry, concluded that each element of nature was composed of a single, unique type of particle. The word atom, after the Greek word atomos meaning "indivisible", has since then denoted the smallest particle of a chemical element, but physicists later discovered that atoms are not, in fact, the fundamental particles of nature, but are conglomerates of even smaller particles, such as the electron. The early 20th century explorations of nuclear physics and quantum physics led to proofs of nuclear fission in 1939 by Lise Meitner (based on experiments by Otto Hahn), and nuclear fusion by Hans Bethe in that same year; both discoveries also led to the development of nuclear weapons. Throughout the 1950s and 1960s, a bewildering variety of particles was found in collisions of particles from beams of increasingly high energy. It was referred to informally as the "particle zoo". Important discoveries such as the CP violation by James Cronin and Val Fitch brought new questions to matter antimatter imbalance. After the formulation of the Standard Model during the 1970s, physicists clarified the origin of the particle zoo. The large number of particles was explained as combinations of a (relatively) small number of more fundamental particles and framed in the context of quantum field theories. This reclassification marked the beginning of modern particle physics.
Стандартты үлгі
Барлық элементар бөлшектердің классификациясының қазіргі күйі Стандартты модельмен түсіндіріледі, ол 1970-жылдардың ортасында кварктардың бар екендігі тәжірибелік түрде расталғаннан кейін кеңінен қабылдалды. Ол күшті, әлсіз және электромагниттік негізгі өзара әрекеттесулерді медиаторлық гаузер бозондары арқылы сипаттайды. Гаузер бозондарының түрлері – сегіз глюон, W және Z бозондары, және фотон. Стандартты модельде сондай-ақ барлық материяның құрамдас бөліктері болып табылатын 24 негізгі фермион (12 бөлшек және оларға сәйкес антибөлшектер) бар. Соңында, Стандартты модель Хиггс бозоны деп аталатын бозонның бар екендігін болжады. 2012 жылдың 4 шілдесінде ЦЕРН-дегі Ұлы адрондық коллайдердегі физиктер Хиггс бозонынан күтілетіндей жаңа бөлшекті тапқандарын жариялады. Стандартты модельдің қазіргі құрамында 61 элементар бөлшек бар. Бұл элементар бөлшектер бірігіп, құрама бөлшектерді құрай алады, бұл 1960 жылдан бері табылған жүздеген басқа бөлшектер түрін білдіреді. Стандартты модельге дейін жүргізілген барлық тәжірибелік тесттердің нәтижелерімен келіседі. Дегенмен, көптеген бөлшек физиктері бұл табиғаттың толық сипаттамасы емес және одан да негізгі теорияның ашылуын күтуде деп санайды (Барлық теорияны қараңыз). Соңғы жылдары нейтрино массасын өлшеулер Стандартты модельден алғашқы тәжірибелік ауытқуларды көрсетті, себебі нейтриноның Стандартты модельде массасы жоқ.
The current state of the classification of all elementary particles is explained by the Standard Model, which gained widespread acceptance in the mid 1970s after experimental confirmation of the existence of quarks. It describes the strong, weak, and electromagnetic fundamental interactions, using mediating gauge bosons. The species of gauge bosons are eight gluons, , and bosons, and the photon. The Standard Model also contains 24 fundamental fermions (12 particles and their associated anti particles), which are the constituents of all matter. Finally, the Standard Model also predicted the existence of a type of boson known as the Higgs boson. On 4 July 2012, physicists with the Large Hadron Collider at CERN announced they had found a new particle that behaves similarly to what is expected from the Higgs boson. The Standard Model, as currently formulated, has 61 elementary particles. Those elementary particles can combine to form composite particles, accounting for the hundreds of other species of particles that have been discovered since the 1960s. The Standard Model has been found to agree with almost all the experimental tests conducted to date. However, most particle physicists believe that it is an incomplete description of nature and that a more fundamental theory awaits discovery (See Theory of Everything). In recent years, measurements of neutrino mass have provided the first experimental deviations from the Standard Model, since neutrinos do not have mass in the Standard Model.
Бозондар
Бозондар – электромагниттік, әлсіз және күшті өзара әрекеттесулер сияқты негізгі өзара әрекеттесулердің медиаторлары немесе тасымалдаушылары. Электромагниттік күш фотон арқылы таратылады, ол жарық кванты. Әлсіз өзара әрекеттесу W және Z бозондары арқылы жүзеге асырылады. Күшті өзара әрекеттесуді глюон арқылы жүзеге асырады, ол кварктарды біріктіріп, құрама бөлшектер құрауына мүмкіндік береді. Жоғарыда айтылғандай түс тұтқындалуының салдарынан глюондар жеке-жеке байқалмайды. Хиггс бозоны Хиггс механизмі арқылы W және Z бозондарына масса береді, ал глюон мен фотонның массасыз болуы күтіледі. Антибөлшектер мен бөлшектердің көптеген қасиеттері бірдей, бірақ кейбіреулері кері болады; электронның антибөлшегі – позитрон, қарама-қарсы зарядқа ие. Антибөлшектерді бөлшектерден ажырату үшін үстіңгі индексте плюс немесе минус таңбасы қосылады. Мысалы, электрон мен позитрон былай белгіленеді және . Бөлшек пен антибөлшек өзара әрекеттескенде, олар жойылып, басқа бөлшектерге айналады. Фотондар мен глюондар сияқты кейбір бөлшектерде антибөлшектер болмайды. Кварктар мен глюондар күшті өзара әрекеттесуге әсер ететін түс зарядына ие. Кварктардың түс заряды қызыл, жасыл және көк деп аталады (бөлшектің өзі физикалық түске ие болмаса да), ал антикварктарда антиқызыл, антижасыл және антикөк деп аталады.
Bosons are the mediators or carriers of fundamental interactions, such as electromagnetism, the weak interaction, and the strong interaction. Electromagnetism is mediated by the photon, the quanta of light. The weak interaction is mediated by the W and Z bosons. The strong interaction is mediated by the gluon, which can link quarks together to form composite particles. Due to the aforementioned color confinement, gluons are never observed independently. The Higgs boson gives mass to the W and Z bosons via the Higgs mechanism – the gluon and photon are expected to be massless. Most properties of corresponding antiparticles and particles are the same, with a few gets reversed; the electron's antiparticle, positron, has an opposite charge. To differentiate between antiparticles and particles, a plus or negative sign is added in superscript. For example, the electron and the positron are denoted and When a particle and an antiparticle interact with each other, they are annihilated and convert to other particles. Some particles, such as the photon or gluon, have no antiparticles. Quarks and gluons additionally have color charges, which influences the strong interaction. Quark's color charges are called red, green and blue (though the particle itself have no physical color), and in antiquarks are called antired, antigreen and antiblue.
Құрама
Атом ядросындағы нейтрондар мен протондар бариондар болып табылады. Нейтрон екі төмен кварктан және бір жоғары кварктан, ал протон екі жоғары кварктан және бір төмен кварктан тұрады. Барион үш кварктан, ал мезон екі кварктан (бір нормал, бір антикварк) құралады. Бариондар мен мезондар жиынтығы адрон деп аталады. Адрондар ішіндегі кварктар күшті өзара әрекеттесуге бағынады, демек кванттық хромодинамиканың (түсті зарядтар) әсеріне ұшырайды. Байланысқан кварктардың түсті заряды нейтралды немесе бастапқы түстерді араластыруға ұқсас "ақ" болуы керек. Көбірек экзотикалық адрон кварктардың басқа түрлерін, орналасуын немесе санын (тетракварк, пентакварк) қамтуы мүмкін. Қалыпты атом протоннан, нейтроннан және электроннан тұрады. Қалыпты атомның ішіндегі бөлшектерді өзгерту арқылы экзотикалық атомдар жасауға болады. Мысалы, сутек 4.1, ондағы бір электроны мюонмен алмастырылған.
The neutrons and protons in the atomic nuclei are baryons – the neutron is composed of two down quarks and one up quark, and the proton is composed of two up quarks and one down quark. A baryon is composed of three quarks, and a meson is composed of two quarks (one normal, one anti). Baryons and mesons are collectively called hadrons. Quarks inside hadrons are governed by the strong interaction, thus are subjected to quantum chromodynamics (color charges). The bounded quarks must have their color charge to be neutral, or "white" for analogy with mixing the primary colors. More exotic hadrons can have other types, arrangement or number of quarks (tetraquark, pentaquark). A normal atom is made from protons, neutrons and electrons. By modifying the particles inside a normal atom, exotic atoms can be formed. A simple example would be the hydrogen 4.1, which has one of its electrons replaced with a muon.
Гипотетикалық
Гравитон – гравитациялық өзара әрекеттесуді тасымалдайтын болжамдық бөлшек, бірақ ол әлі анықталған жоқ және қазіргі теориялармен толықтай келісімге келмеген.
The graviton is a hypothetical particle that can mediate the gravitational interaction, but it has not been detected or completely reconciled with current theories.
Теория
Теориялық бөлшектер физикасы қазіргі эксперименттерді түсіну және болашақ эксперименттер үшін болжамдар жасау үшін модельдерді, теориялық негіздемелерді және математикалық құралдарды әзірлеуге тырысады (теориялық физиканы да қараңыз). Қазіргі таңда теориялық бөлшектер физикасында бірнеше үлкен, өзара байланысты күш-жігер жұмсалуда. Бір маңызды сала Стандартты модельді және оның сынақтарын жақсырақ түсінуге бағытталған. Теориялық зерттеушілер коллайдерлер мен астрономиялық эксперименттерде байқалатын шамалардың сандық болжамдарын жасайды, олар тәжірибелік өлшемдермен бірге Стандартты модельдің параметрлерін азайтылған белгісіздікпен анықтау үшін қолданылады. Бұл жұмыс Стандартты модельдің шектерін зерттейді және осылайша табиғаттың құрылыс блоктары туралы ғылыми түсінікті кеңейтеді. Бұл күш-жігер кванттық хромодинамикада жоғары дәлдіктегі шамаларды есептеу қиындығымен күрделенеді. Бұл салада жұмыс істейтін кейбір теоретиктер өздерін феноменологтар деп атайды және дүрбелеңді кванттық өріс теориясы мен тиімді өріс теориясының құралдарын пайдаланады. Басқалары торлы өріс теориясын қолданады және өздерін торлы теоретиктер деп атайды. Тағы бір маңызды күш-жігер – модель құрастыру, онда модель жасаушылар физиканың Стандартты модельден тыс жатуы мүмкін (жоғары энергияларда немесе кішірек қашықтықтарда) екендігі туралы идеяларды әзірлейді. Бұл жұмыс көбінесе иерархиялық проблемамен байланысты және қолданыстағы эксперименттік деректермен шектеледі. Ол суперсимметрия, Хиггс механизміне баламалар, қосымша кеңістіктік өлшемдер (мысалы, Рэндалл-Сандрум модельдері), преон теориясы, олардың комбинациялары немесе басқа да идеяларды қамтуы мүмкін. Теориялық бөлшектер физикасының үшінші негізгі бағыты – бұл ісбаспа теориясы. Ісбаспа теориясының зерттеушілері кванттық механика мен жалпы салыстырмалылықтың біртұтас сипаттамасын құруға тырысады, бұл үшін бөлшектердің орнына кішкентай ісбаспалар мен брандарға негізделген теорияны құрады. Егер теория сәтті болса, оны «Барлық нәрсенің теориясы» немесе «TOE» деп қарастыруға болады. Теориялық бөлшектер физикасының басқа да салалары бар, олар бөлшектер космологиясынан циклдік кванттық гравитацияға дейін жетеді.
Theoretical particle physics attempts to develop the models, theoretical framework, and mathematical tools to understand current experiments and make predictions for future experiments (see also theoretical physics). There are several major interrelated efforts being made in theoretical particle physics today. One important branch attempts to better understand the Standard Model and its tests. Theorists make quantitative predictions of observables at collider and astronomical experiments, which along with experimental measurements is used to extract the parameters of the Standard Model with less uncertainty. This work probes the limits of the Standard Model and therefore expands scientific understanding of nature's building blocks. Those efforts are made challenging by the difficulty of calculating high precision quantities in quantum chromodynamics. Some theorists working in this area use the tools of perturbative quantum field theory and effective field theory, referring to themselves as phenomenologists. Others make use of lattice field theory and call themselves lattice theorists. Another major effort is in model building where model builders develop ideas for what physics may lie beyond the Standard Model (at higher energies or smaller distances). This work is often motivated by the hierarchy problem and is constrained by existing experimental data. It may involve work on supersymmetry, alternatives to the Higgs mechanism, extra spatial dimensions (such as the Randall–Sundrum models), Preon theory, combinations of these, or other ideas. A third major effort in theoretical particle physics is string theory. String theorists attempt to construct a unified description of quantum mechanics and general relativity by building a theory based on small strings, and branes rather than particles. If the theory is successful, it may be considered a "Theory of Everything", or "TOE". There are also other areas of work in theoretical particle physics ranging from particle cosmology to loop quantum gravity.
Практикалық қолдану
Принцип бойынша, барлық физика (және одан туындаған практикалық қолданбалар) негізгі бөлшектерді зерттеу арқылы түсіндіріледі. Іс жүзінде, тіпті егер "бөлшектер физикасы" термині тек "жоғары энергиялы бөлшектерді шашырату" дегенді білдірсе де, осы пионерлік зерттеулер барысында көптеген технологиялар жасалды, олар кейіннен қоғамда кеңінен қолданыс тапты. Бөлшектерді үдеткіштері зерттеу және емдеу үшін медициналық изотоптарды өндіруге қолданылады (мысалы, ПЭТ-томографияда қолданылатын изотоптар), немесе тікелей сыртқы сәулелік терапияда пайдаланылады. Суперөткішгіштерді дамыту олардың бөлшектер физикасында қолданылуының нәтижесінде жеделдеді. Әлемдік желі және сенсорлық экран технологиясы алғаш рет CERN-де жасалды. Медицина, ұлттық қауіпсіздік, өнеркәсіп, есептеу техникасы, ғылым және кадрларды дамыту салаларында да қосымша қолданыстар табылды, бұл бөлшектер физикасының үлесімен пайдалы практикалық қолданыстардың ұзақ және толықсып келе жатқан тізімін көрсетеді.
In principle, all physics (and practical applications developed therefrom) can be derived from the study of fundamental particles. In practice, even if "particle physics" is taken to mean only "high energy atom smashers", many technologies have been developed during these pioneering investigations that later find wide uses in society. Particle accelerators are used to produce medical isotopes for research and treatment (for example, isotopes used in PET imaging), or used directly in external beam radiotherapy. The development of superconductors has been pushed forward by their use in particle physics. The World Wide Web and touchscreen technology were initially developed at CERN. Additional applications are found in medicine, national security, industry, computing, science, and workforce development, illustrating a long and growing list of beneficial practical applications with contributions from particle physics.
Болашақ
Стандартты модельден тыс физиканы іздеуге бағытталған маңызды күш-жігерлерге CERN үшін ұсынылған Болашақ айналмалы коллайдері және АҚШ-тағы Бөлшектер физикасы жобаларын басымдықпен қарау тобы (P5) кіреді. Бұл топ, басқа эксперименттермен қатар, Жер астындағы терең нейтрино экспериментін ұсынған 2014 жылғы P5 зерттеуін жаңартуды жоспарлап отыр.
Major efforts to look for physics beyond the Standard Model include the Future Circular Collider proposed for CERN and the Particle Physics Project Prioritization Panel (P5) in the US that will update the 2014 P5 study that recommended the Deep Underground Neutrino Experiment, among other experiments.