Физика элементарных частиц и фундаментальные взаимодействия.

Введение

Изучение субатомных частиц и сил

Физика частиц, или физика высоких энергий, – это изучение фундаментальных частиц и сил, составляющих материю и излучение. Эта область также изучает комбинации элементарных частиц вплоть до масштаба протонов и нейтронов, в то время как изучение комбинаций протонов и нейтронов называется ядерной физикой. Фундаментальные частицы во Вселенной классифицируются в Стандартной модели как фермионы (частицы материи) и бозоны (частицы-переносчики сил). Существует три поколения фермионов, хотя обычная материя состоит только из частиц первого поколения фермионов. Первое поколение состоит из верхних и нижних кварков, которые формируют протоны и нейтроны, а также электроны и электронные нейтрино. Три фундаментальных взаимодействия, опосредованных бозонами, – это электромагнетизм, слабое и сильное взаимодействия. Кварки не могут существовать самостоятельно, а образуют адроны. Адроны, содержащие нечетное число кварков, называются барионами, а содержащие четное число кварков – мезонами. Два бариона, протон и нейтрон, составляют большую часть массы обычной материи. Мезоны нестабильны, и самые долгоживущие из них существуют лишь несколько сотых микросекунды. Они возникают в результате столкновений частиц, состоящих из кварков, таких как быстродвижущиеся протоны и нейтроны в космических лучах. Мезоны также производятся в циклотронах или других ускорителях частиц. Частицы имеют соответствующие античастицы с той же массой, но с противоположным электрическим зарядом. Например, античастицей электрона является позитрон. Электрон имеет отрицательный электрический заряд, а позитрон – положительный. Эти античастицы теоретически могут образовывать соответствующую форму материи, называемую антиматерией. Некоторые частицы, такие как фотон, являются собственными античастицами. Эти элементарные частицы – возбуждения квантовых полей, которые также определяют их взаимодействия. Доминирующая теория, объясняющая эти фундаментальные частицы и поля, вместе с их динамикой, называется Стандартной моделью. Проблема согласования гравитации с современной теорией физики частиц остается нерешенной; многие теории пытаются решить эту проблему, такие как петлевая квантовая гравитация, теория струн и теория суперсимметрии. Практическая физика частиц – это изучение этих частиц в радиоактивных процессах и в ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер. Теоретическая физика частиц – это изучение этих частиц в контексте космологии и квантовой теории. Эти две области тесно взаимосвязаны: бозон Хиггса был предсказан теоретиками-физиками частиц, а его существование подтверждено практическими экспериментами.

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.

История

Идея о том, что вся материя в своей основе состоит из элементарных частиц, восходит как минимум к VI веку до нашей эры. В XIX веке Джон Далтон, благодаря своим работам по стехиометрии, пришел к выводу, что каждый элемент природы состоит из единственного, уникального типа частиц. Слово "атом", происходящее от греческого слова atomos, означающего "неделимый", с тех пор обозначает наименьшую частицу химического элемента, но физики позже обнаружили, что атомы на самом деле не являются фундаментальными частицами природы, а представляют собой конгломераты еще более мелких частиц, таких как электрон. Исследования в области ядерной и квантовой физики в начале XX века привели к доказательству ядерного деления в 1939 году Лизой Майтнер (на основе экспериментов Отто Хана) и ядерного синтеза Хансом Бете в том же году; оба открытия также способствовали разработке ядерного оружия. На протяжении 1950-х и 1960-х годов в результате столкновений частиц из пучков всё возрастающей энергии было обнаружено огромное разнообразие частиц. Это разнообразие неформально называли "зоопарком частиц". Важные открытия, такие как нарушение CP-инвариантности Джеймсом Кронином и Валом Фитчем, поставили новые вопросы о дисбалансе между материей и антиматерией. После формулирования Стандартной модели в 1970-х годах физики прояснили происхождение "зоопарка частиц". Большое количество частиц было объяснено как комбинации (относительно) небольшого числа более фундаментальных частиц и представлено в контексте квантовых теорий поля. Эта переклассификация ознаменовала начало современной физики частиц.

Стандартная модель

Современное состояние классификации всех элементарных частиц объясняется Стандартной моделью, которая получила широкое признание в середине 1970-х годов после экспериментального подтверждения существования кварков. Она описывает сильные, слабые и электромагнитные фундаментальные взаимодействия, используя посредничающие калибровочные бозоны. Виды калибровочных бозонов – это 8 глюонов, W и Z бозоны, и фотон. Стандартная модель также содержит 24 фундаментальных фермиона (12 частиц и их соответствующих античастиц), которые являются составляющими всей материи. Наконец, Стандартная модель также предсказала существование типа бозона, известного как бозон Хиггса. 4 июля 2012 года физики из Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе объявили, что они обнаружили новую частицу, поведение которой аналогично ожидаемому от бозона Хиггса. Стандартная модель, в ее современной формулировке, включает 61 элементарную частицу. Эти элементарные частицы могут объединяться, образуя составные частицы, что объясняет сотни других видов частиц, обнаруженных с 1960-х годов. Было установлено, что Стандартная модель согласуется практически со всеми экспериментальными проверками, проведенными на сегодняшний день. Однако большинство физиков-частиц считают, что это неполное описание природы и что более фундаментальная теория ждет своего открытия (см. Теория всего). В последние годы измерения массы нейтрино предоставили первые экспериментальные отклонения от Стандартной модели, поскольку нейтрино не имеют массы согласно Стандартной модели.

Бозоны

Бозоны являются посредниками или носителями фундаментальных взаимодействий, таких как электромагнетизм, слабое взаимодействие и сильное взаимодействие. Электромагнетизм опосредован фотоном, квантом света. Слабое взаимодействие опосредовано W и Z-бозонами. Сильное взаимодействие опосредовано глюоном, который может связывать кварки вместе, образуя составные частицы. Из-за вышеупомянутого удержания цвета, глюоны никогда не наблюдаются независимо. Бозон Хиггса придает массу W и Z-бозонам посредством механизма Хиггса – ожидается, что глюон и фотон будут безмассовыми. Большинство свойств соответствующих античастиц и частиц одинаковы, но некоторые свойства изменяются на противоположные; античастица электрона, позитрон, имеет противоположный заряд. Для различения античастиц и частиц используется знак плюс или минус в верхнем индексе. Например, электрон и позитрон обозначаются и . Когда частица и античастица взаимодействуют друг с другом, они аннигилируют и превращаются в другие частицы. Некоторые частицы, такие как фотон или глюон, не имеют античастиц. Кварки и глюоны также обладают цветовыми зарядами, которые влияют на сильное взаимодействие. Цветовые заряды кварков называются красным, зеленым и синим (хотя сама частица не имеет физического цвета), а в антикварках – антикрасным, антизеленым и антисиним.

Композитные

Нейтроны и протоны в атомных ядрах — это барионы: нейтрон состоит из двух u-кварков вниз и одного u-кварка вверх, а протон — из двух u-кварков вверх и одного u-кварка вниз. Барион состоит из трех кварков, а мезон — из двух кварков (один кварк и один антикварк). Барионы и мезоны вместе называются адронами. Кварки внутри адронов взаимодействуют посредством сильного взаимодействия и подчиняются квантовой хромодинамике (цветным зарядам). Связанные кварки должны иметь нейтральный, или "белый" (по аналогии со смешением основных цветов) суммарный цветовой заряд. Более экзотические адроны могут содержать другие типы, комбинации или количество кварков (тетракварки, пентакварки). Обычный атом состоит из протонов, нейтронов и электронов. Модифицируя частицы внутри обычного атома, можно получить экзотические атомы. Простым примером является водород-4.1, в котором один из электронов заменен мюоном.

Гипотетический

Гравитон — гипотетическая частица, которая может передавать гравитационное взаимодействие, но до сих пор не обнаружена и не полностью согласуется с современными теориями.

Теория

Теоретическая физика частиц стремится разработать модели, теоретическую базу и математические инструменты для понимания текущих экспериментов и предсказания будущих экспериментов (см. также теоретическую физику). В настоящее время в теоретической физике частиц ведется несколько крупных взаимосвязанных направлений работы. Одно из важных направлений – это попытки углубить понимание Стандартной модели и ее экспериментальной проверки. Теоретики делают количественные предсказания наблюдаемых величин в экспериментах на коллайдерах и в астрономических наблюдениях, которые, вместе с экспериментальными измерениями, используются для более точного определения параметров Стандартной модели. Эта работа исследует границы применимости Стандартной модели и, следовательно, расширяет научное понимание фундаментальных строительных блоков природы. Эти усилия осложняются сложностью вычисления величин с высокой точностью в квантовой хромодинамике. Некоторые теоретики, работающие в этой области, используют инструменты теории возмущений в квантовой теории поля и эффективной теории поля, называя себя феноменологами. Другие применяют теорию решетчатого поля и называют себя специалистами по решетчатым вычислениям. Другое важное направление – построение моделей, в рамках которого исследователи разрабатывают гипотезы о физике, лежащей за пределами Стандартной модели (при более высоких энергиях или меньших расстояниях). Эта работа часто мотивирована проблемой иерархии и ограничена существующими экспериментальными данными. Она может включать исследования в области суперсимметрии, альтернатив механизму Хиггса, дополнительных пространственных измерений (таких как модели Рэндалла-Сандрума), теории преонов, их комбинаций или других идей. Третьим крупным направлением в теоретической физике частиц является теория струн. Специалисты по теории струн стремятся создать единое описание квантовой механики и общей теории относительности, построив теорию, основанную на струнах и бранах, а не на частицах. В случае успеха, эта теория может быть признана «Теорией всего», или «ТОЭ». Существуют также другие области исследований в теоретической физике частиц, охватывающие широкий спектр тем – от космологии частиц до петлевой квантовой гравитации.

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.

Практическое применение

В принципе, вся физика (и практические приложения, вытекающие из неё) может быть выведена из изучения фундаментальных частиц. На практике, даже если под "физикой частиц" понимать только "ускорители частиц высоких энергий", многие технологии были разработаны в ходе этих пионерских исследований и впоследствии получили широкое применение в обществе. Ускорители частиц используются для производства медицинских изотопов для исследований и лечения (например, изотопов, применяемых в ПЭТ-сканировании), или непосредственно в дистанционной лучевой терапии. Разработка сверхпроводников была значительно ускорена благодаря их использованию в физике частиц. Всемирная паутина и технология сенсорных экранов были изначально разработаны в ЦЕРНе. Дополнительные области применения включают медицину, национальную безопасность, промышленность, вычислительную технику, науку и подготовку кадров, что демонстрирует постоянно расширяющийся список полезных практических приложений, в которые вносит вклад физика частиц.

Будущее

Основные усилия по поиску физики за пределами Стандартной модели включают в себя будущий круговой коллайдер, предложенный для ЦЕРН, и Панель по приоритетам проектов физики частиц (P5) в США, которая обновит исследование P5 2014 года, рекомендовавшее, в частности, эксперимент Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE).