Физика элементарных 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 , а изучение комбинаций протонов и нейтронов называется ядерной физикой .
Фундаментальные частицы во Вселенной классифицируются в Стандартной модели как фермионы (частицы материи) и бозоны (частицы, несущие силу). Существует три поколения фермионов, хотя обычная материя состоит только из первого поколения фермионов. Первое поколение состоит из верхних и нижних кварков , которые образуют протоны и нейтроны , а также электроны и электронные нейтрино . Три фундаментальных взаимодействия, которые, как известно, опосредуются бозонами, — это электромагнетизм , слабое взаимодействие и сильное взаимодействие .
Кварки не могут существовать сами по себе, а образуют адроны . Адроны, содержащие нечетное число кварков, называются барионами , а те, которые содержат четное число, — мезонами . Два бариона, протон и нейтрон , составляют большую часть массы обычного вещества. Мезоны нестабильны, и самые долгоживущие из них живут всего несколько сотых микросекунды . Они происходят после столкновений частиц, состоящих из кварков, таких как быстродвижущиеся протоны и нейтроны в космических лучах . Мезоны также производятся в циклотронах или других ускорителях частиц .
Частицам соответствуют античастицы той же массы , но с противоположными электрическими зарядами . Например, античастицей электрона является позитрон . Электрон имеет отрицательный электрический заряд, позитрон – положительный. Эти античастицы теоретически могут образовывать соответствующую форму материи, называемую антиматерией . Некоторые частицы, например фотон , являются собственными античастицами.
Эти элементарные частицы являются возбуждениями квантовых полей , которые также управляют их взаимодействиями. Доминирующая теория, объясняющая эти фундаментальные частицы и поля, а также их динамику, называется Стандартной моделью . Согласование гравитации с современной теорией физики элементарных частиц не решено; Многие теории решают эту проблему, такие как петлевая квантовая гравитация , теория струн и теория суперсимметрии .
Практическая физика элементарных частиц — это изучение этих частиц в радиоактивных процессах и в ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер . Теоретическая физика элементарных частиц — это изучение этих частиц в контексте космологии и квантовой теории . Эти два явления тесно взаимосвязаны: бозон Хиггса был постулирован физиками-теоретиками элементарных частиц, а его наличие подтверждено практическими экспериментами.
Идея о том, что вся материя состоит из элементарных частиц, датируется как минимум VI веком до нашей эры. [1] В 19 веке Джон Дальтон в своих работах по стехиометрии пришел к выводу, что каждый элемент природы состоит из одного уникального типа частиц. [2] Слово атом , от греческого слова атомос , означающего «неделимый», с тех пор обозначает мельчайшую частицу химического элемента , но позже физики обнаружили, что атомы на самом деле не являются фундаментальными частицами природы, а представляют собой конгломераты. еще более мелких частиц, таких как электрон . Исследования ядерной и квантовой физики в начале 20-го века привели к доказательству ядерного деления в 1939 году Лизой Мейтнер (на основе экспериментов Отто Хана ) и ядерного синтеза Ганса Бете в том же году; оба открытия также привели к разработке ядерного оружия .
На протяжении 1950-х и 1960-х годов в результате столкновений частиц с пучками все более высоких энергий было обнаружено ошеломляющее разнообразие частиц. Его неофициально называли « зоопарком частиц ». Важные открытия, такие как нарушение CP, сделанное Джеймсом Кронином и Вэлом Фитчем, поставили новые вопросы к дисбалансу материи и антивещества . [3] После разработки 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 оформлено в контексте квантовых теорий поля . Эта реклассификация положила начало современной физике элементарных частиц. [4] [5]
Современное состояние классификации всех элементарных частиц объясняется Стандартной моделью , получившей широкое признание в середине 1970-х годов после экспериментального подтверждения существования кварков . Он описывает сильные , слабые и электромагнитные фундаментальные взаимодействия с использованием калибровочных бозонов . Разновидностями калибровочных бозонов являются восемь глюонов .
Вт−
,
Вт+
и
З
бозоны и фотоны . [6] Стандартная модель также содержит 24 фундаментальных фермиона (12 частиц и связанных с ними античастиц), которые являются составляющими всей материи . [7] Наконец, Стандартная модель также предсказала существование типа бозона , известного как бозон Хиггса . 4 июля 2012 года физики Большого адронного коллайдера в ЦЕРН объявили, что нашли новую частицу, которая ведет себя аналогично тому, что ожидается от бозона Хиггса. [8]
Стандартная модель в ее нынешнем виде содержит 61 элементарную частицу. [9] Эти элементарные частицы могут объединяться, образуя сложные частицы, что составляет сотни других видов частиц, которые были открыты с 1960-х годов. Было обнаружено, что Стандартная модель согласуется почти со всеми экспериментальными испытаниями, проведенными на сегодняшний день. Однако большинство физиков элементарных частиц считают, что это неполное описание природы и что еще предстоит открыть более фундаментальную теорию (см. « Теория всего» ). В последние годы измерения массы нейтрино обеспечили первые экспериментальные отклонения от Стандартной модели, поскольку нейтрино не имеют массы в Стандартной модели. [10]
Современные исследования физики элементарных частиц сосредоточены на субатомных частицах , включая атомные составляющие, такие как электроны , протоны и нейтроны (протоны и нейтроны — это составные частицы, называемые барионами , состоящие из кварков ), которые производятся в результате радиоактивных процессов и процессов рассеяния ; такими частицами являются фотоны , нейтрино и мюоны , а также широкий спектр экзотических частиц . [11] Все частицы и их взаимодействия, наблюдаемые на сегодняшний день, могут быть почти полностью описаны Стандартной моделью. [6]
Динамика частиц также регулируется квантовой механикой ; они демонстрируют корпускулярно-волновой дуализм , демонстрируя поведение частиц в определенных экспериментальных условиях и волновое поведение в других. В более технических терминах они описываются векторами квантового состояния в гильбертовом пространстве , которое также рассматривается в квантовой теории поля . Следуя соглашению физиков элементарных частиц, термин « элементарные частицы» применяется к тем частицам, которые, согласно современному пониманию, считаются неделимыми и не состоят из других частиц. [9]
Обычная материя состоит из кварков первого поколения ( вверх , вниз ) и лептонов ( электрон , электронное нейтрино ). [12] В совокупности кварки и лептоны называются фермионами , потому что их квантовый спин равен полуцелым числам (-1/2, 1/2, 3/2 и т. д.). Это заставляет фермионы подчиняться принципу Паули , согласно которому никакие две частицы не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии . [13] Кварки имеют дробный элементарный электрический заряд (-1/3 или 2/3) [14] , а лептоны имеют целочисленный электрический заряд (0 или 1). [15] Кварки также имеют цветовой заряд , который обозначается произвольно, без всякой связи с фактическим цветом света , как красный, зеленый и синий. [16] Поскольку взаимодействия между кварками накапливают энергию, которая может преобразоваться в другие частицы, когда кварки находятся достаточно далеко друг от друга, кварки невозможно наблюдать независимо. Это называется ограничением цвета . [16]
Известны три поколения кварков (верхнее и нижнее, странное и очаровательное , верхнее и нижнее ) и лептонов (электрон и его нейтрино, мюон и его нейтрино , тау и его нейтрино ), причем есть убедительные косвенные доказательства того, что четвертое поколение фермионов действительно существует. не существует. [17]
Бозоны являются посредниками или переносчиками фундаментальных взаимодействий, таких как электромагнетизм , слабое взаимодействие и сильное взаимодействие . [18] Электромагнетизм передается фотонами , квантами света . [19] : 29–30 Слабое взаимодействие осуществляется через W- и Z-бозоны . [20] Сильное взаимодействие осуществляется глюоном , который может связывать кварки вместе, образуя составные частицы. [21] Из-за вышеупомянутого ограничения цвета глюоны никогда не наблюдаются независимо. [22] Бозон Хиггса придает массу W- и Z-бозонам посредством механизма Хиггса [23] – ожидается, что глюон и фотон будут безмассовыми . [22] Все бозоны имеют целочисленный квантовый спин (0 и 1) и могут иметь одно и то же квантовое состояние . [18]
Большинству вышеупомянутых частиц соответствуют античастицы , составляющие антиматерию . Обычные частицы имеют положительное лептонное или барионное число , а античастицы — отрицательное. [24] Большинство свойств соответствующих античастиц и частиц одинаковы, но некоторые из них меняются местами; античастица электрона, позитрон, имеет противоположный заряд. Чтобы отличить античастицы от частиц, к верхнему индексу добавляется знак плюс или минус . Например, электрон и позитрон обозначаются
е−
и
е+
. [25] Когда частица и античастица взаимодействуют друг с другом, они аннигилируют и превращаются в другие частицы. [26] Некоторые частицы не имеют античастиц, например фотон или глюон. [ нужна цитата ]
Кварки и глюоны дополнительно имеют цветные заряды, что влияет на сильное взаимодействие. Цветные заряды кварка называются красным, зеленым и синим (хотя сама частица не имеет физического цвета), а у антикварков называются антикрасным, антизеленым и антисиним. [16] Глюон может иметь восемь цветных зарядов , которые являются результатом взаимодействия кварков с образованием составных частиц (калибровочная симметрия SU(3) ). [27]
Нейтроны и протоны в атомных ядрах являются барионами : нейтрон состоит из двух нижних кварков и одного верхнего кварка, а протон состоит из двух верхних кварков и одного нижнего кварка . [28] Барион состоит из трёх кварков, а мезон — из двух кварков (нормального и анти). Барионы и мезоны вместе называются адронами . Кварки внутри адронов подчиняются сильному взаимодействию, поэтому подвергаются квантовой хромодинамике (цветовые заряды). Цветной заряд ограниченных кварков должен быть нейтральным или «белым» по аналогии со смешиванием основных цветов . [29] Более экзотические адроны могут иметь другие типы, расположение или количество кварков ( тетракварк , пентакварк ). [30]
Обычный атом состоит из протонов, нейтронов и электронов. [ нужна цитата ] Модифицируя частицы внутри обычного атома, можно сформировать экзотические атомы . [31] Простым примером может служить водород-4.1 , у которого один из электронов заменен мюоном. [32]
Гравитон — это гипотетическая частица, которая может опосредовать гравитационное взаимодействие, но она не обнаружена и не полностью согласована с современными теориями . [33]
Крупнейшие в мире лаборатории физики элементарных частиц:
Теоретическая физика элементарных частиц пытается разработать модели, теоретическую основу и математические инструменты для понимания текущих экспериментов и прогнозирования будущих экспериментов (см. Также теоретическую физику ). Сегодня в теоретической физике частиц предпринимается несколько крупных взаимосвязанных усилий.
Одна важная ветвь пытается лучше понять Стандартную модель и ее тесты. Теоретики делают количественные предсказания наблюдаемых на коллайдерах и в астрономических экспериментах, что наряду с экспериментальными измерениями используется для извлечения параметров Стандартной модели с меньшей неопределенностью. Эта работа исследует пределы Стандартной модели и, следовательно, расширяет научное понимание строительных блоков природы. Эти усилия осложняются сложностью 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 . [ нужна цитата ] Другие используют теорию решетчатого поля и называют себя теоретиками решетки .
Еще одним важным усилием является построение моделей, где создатели моделей разрабатывают идеи о том, какая физика может лежать за пределами Стандартной модели (при более высоких энергиях или меньших расстояниях). Эта работа часто мотивирована проблемой иерархии и ограничена существующими экспериментальными данными. [46] [47] Это может включать в себя работу над суперсимметрией , альтернативами механизму Хиггса , дополнительными пространственными измерениями (такими как модели Рэндалла-Сундрама ), теорией преонов , комбинациями этих или других идей.
Третьим крупным достижением в теоретической физике элементарных частиц является теория струн . Теоретики струн пытаются построить единое описание квантовой механики и общей теории относительности , строя теорию, основанную на маленьких струнах и бранах , а не на частицах. Если теория окажется успешной, ее можно будет считать « Теорией всего » или «ТОЭ». [48]
Существуют и другие области работы в теоретической физике элементарных частиц, начиная от космологии частиц и заканчивая петлевой квантовой гравитацией . [ нужна цитата ]
В принципе, вся физика (и разработанные на ее основе практические приложения) может быть выведена из изучения фундаментальных частиц. На практике, даже если под «физикой элементарных частиц» понимать только «ускорители атомов высоких энергий», в ходе этих новаторских исследований было разработано множество технологий, которые позже находят широкое применение в обществе. Ускорители частиц используются для производства медицинских изотопов для исследований и лечения (например, изотопы, используемые в ПЭТ-визуализации ) или используются непосредственно в дистанционной лучевой терапии . Развитию сверхпроводников способствовало их использование в физике элементарных частиц. Всемирная паутина и технология сенсорных экранов изначально были разработаны в ЦЕРНе . Дополнительные применения можно найти в медицине, национальной безопасности, промышленности, вычислительной технике, науке и развитии рабочей силы, что иллюстрирует длинный и растущий список полезных практических применений с вкладом физики элементарных частиц. [49]
Основные усилия по поиску физики за пределами Стандартной модели включают в себя будущий круговой коллайдер , предложенный для ЦЕРН [50] и Группу по определению приоритетов проекта физики элементарных частиц (P5) в США, которая обновит исследование P5 2014 года, в котором , среди прочего, рекомендовался глубокий подземный эксперимент с нейтрино. другие эксперименты.
{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)Обычная материя полностью состоит из частиц первого поколения, а именно u- и d-кварков, а также электрона и его нейтрино.
... бозон: частица, несущая силу, в отличие от частицы материи (фермиона). Бозоны можно наслаивать друг на друга без ограничений. Примерами являются фотоны, глюоны, гравитоны, слабые бозоны и бозон Хиггса. Спин бозона всегда является целым числом: 0, 1, 2 и так далее…
Сохранение материи означает сохранение барионного числа
A
и лептонного числа
L
, причем
A
и
L
являются алгебраическими числами.
Положительные
A
и
L
связаны с частицами материи, отрицательные
A
и
L
связаны с частицами антивещества.
Все известные взаимодействия сохраняют материю.
