Физика элементарных частиц - Particle physics

О других значениях слова "частица" см. Частица (значения).

Физика элементарных частиц (также известный как физика высоких энергий) является ветвью физика который изучает природу частиц, составляющих иметь значение и радиация. Хотя слово частица может относиться к различным типам очень маленьких объектов (например, протоны, частицы газа или даже бытовая пыль), физика элементарных частиц обычно исследует неснижаемо мельчайшие обнаруживаемые частицы и фундаментальные взаимодействия необходимо объяснить их поведение. В нынешнем понимании эти элементарные частицы возбуждения квантовые поля которые также управляют их взаимодействием. Доминирующая в настоящее время теория, объясняющая эти фундаментальные частицы и поля, а также их динамику, называется теорией Стандартная модель. Таким образом, современная физика элементарных частиц обычно исследует Стандартную модель и ее различные возможные расширения, например новейшей "известной" частице бозон Хиггса, или даже к самому старому известному силовому полю, сила тяжести.^[1][2]

Субатомные частицы

Содержание частиц Стандартная модель из Физика

Современные исследования физики элементарных частиц сосредоточены на субатомные частицы, включая атомные составляющие, такие как электроны, протоны, и нейтроны (протоны и нейтроны - составные частицы, называемые барионы, сделано из кварки ), произведено радиоактивный и рассеяние процессы, такие как фотоны, нейтрино, и мюоны, а также широкий выбор экзотические частицы.Динамика частиц также определяется квантовая механика; они выставляют дуальность волна-частица, демонстрируя поведение, подобное частицам, при определенных экспериментальных условиях и волна -подобное поведение в других. С технической точки зрения они описываются квантовое состояние векторов в Гильбертово пространство, который также рассматривается в квантовая теория поля. Следуя соглашению физиков элементарных частиц, термин элементарные частицы применяется к тем частицам, которые, согласно существующему мнению, считаются неделимыми и не состоят из других частиц.^[3]

Элементарные частицы

	Типы	Поколения	Античастица	Цвета	Общий
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, могут быть почти полностью описаны квантовой теорией поля, называемой Стандартная модель.^[4] Стандартная модель в ее нынешней формулировке содержит 61 элементарную частицу.^[3]Эти элементарные частицы могут объединяться в составные частицы, составляющие сотни других видов частиц, которые были обнаружены с 1960-х годов.

Было обнаружено, что Стандартная модель согласуется почти со всеми экспериментальный испытания проведены на сегодняшний день. Однако большинство физиков элементарных частиц считают, что это неполное описание природы и что более фундаментальная теория ждет открытия (см. Теория всего ). В последние годы измерения нейтрино масса предоставили первые экспериментальные отклонения от Стандартной модели, поскольку нейтрино безмассовые в Стандартной модели.^[5]

История

Основная статья: История субатомной физики

Идея, что все иметь значение в основном состоит из элементарные частицы датируется по крайней мере 6 веком до нашей эры.^[6] В 19 веке, Джон Далтон через его работу над стехиометрия, пришел к выводу, что каждый элемент природы состоит из одной частицы уникального типа.^[7] Слово атом, после греческого слова атомос означая "неделимый", с тех пор обозначал самую маленькую частицу химический элемент, но физики вскоре обнаружили, что атомы на самом деле не являются элементарными частицами природы, а представляют собой конгломераты еще более мелких частиц, таких как электрон. Исследования начала 20 века ядерная физика и квантовая физика привело к доказательствам ядерное деление в 1939 г. Лиз Мейтнер (на основе экспериментов Отто Хан ), и термоядерная реакция к Ганс Бете в том же году; оба открытия также привели к развитию ядерное оружие. 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 "зоопарк частиц ". Этот термин устарел.^{[нужна цитата ]} после формулировки Стандартной модели в 1970-х годах, в которой большое количество частиц объяснялось как комбинация (относительно) небольшого числа более фундаментальных частиц.

Стандартная модель

Основная статья: Стандартная модель

Современное состояние классификации всех элементарных частиц объясняется Стандартная модель, который получил широкое распространение в середине 1970-х годов после экспериментальное подтверждение о существовании кварки. Он описывает сильный, слабый, и электромагнитный фундаментальные взаимодействия, используя посредничество калибровочные бозоны. Видов калибровочных бозонов восемь. глюоны,
W⁻
,
W⁺
и
Z
бозоны, а фотон.^[4] Стандартная модель также содержит 24 фундаментальный фермионы (12 частиц и связанные с ними античастицы), которые являются составляющими всех иметь значение.^[8] Наконец, Стандартная модель также предсказывала существование типа бозон известный 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

Основные лаборатории физики элементарных частиц в мире:

• Брукхейвенская национальная лаборатория (Лонг-Айленд, Соединенные Штаты ). Его основным объектом является Релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC), который сталкивается 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 сейчас - электрон-позитронный. коллайдеры ВЭПП-2000,^[12] эксплуатируется с 2006 г., а ВЭПП-4,^[13] начал эксперименты в 1994 году. Более ранние установки включают первый электронно-электронный пучок-пучок коллайдер ВЭП-1, эксперименты на котором проводились с 1964 по 1968 год; электрон-позитрон коллайдеры ВЭПП-2, эксплуатировалась с 1965 по 1974 год; и его преемник ВЭПП-2М,^[14] проводил эксперименты с 1974 по 2000 гг.^[15]
• ЦЕРН (Европейская организация ядерных исследований) (Франко -Швейцарский граница, рядом Женева ). Его основным проектом сейчас является Большой адронный коллайдер (LHC), первая циркуляция пучка которого прошла 10 сентября 2008 г., и сейчас 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., а затем демонтирован, чтобы уступить место LHC; и Супер протонный синхротрон, который повторно используется в качестве предускорителя для LHC и для экспериментов с фиксированной мишенью.^[16]
• DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) (Гамбург, Германия ). Его основным объектом был Адронное электронное кольцо Anlage (HERA), которая столкнула электроны и позитроны с протонами.^[17] Ускорительный комплекс сейчас ориентирован на получение синхротронного излучения с помощью PETRA III, FLASH и Европейский XFEL.
• Национальная ускорительная лаборатория Ферми (Фермилаб) (Батавия, Соединенные Штаты ). Его основным объектом до 2011 года был Теватрон, который сталкивался с протонами и антипротонами 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 объектов физики элементарных частиц, в том числе Пекинский электронно-позитронный коллайдер II (BEPC II), Пекинский спектрометр (BES), Пекинский центр синхротронного излучения (BSRF), Международная обсерватория космических лучей в Янбаджинге в Тибете, Эксперимент с нейтрино в реакторе Daya Bay, то Источник нейтронов расщепления в Китае, то Телескоп с жесткой модуляцией рентгеновского излучения (HXMT), подкритическая система, управляемая ускорителем (ADS), а также Подземная нейтринная обсерватория Цзянмэнь (ЮНОНА).^[19]
• KEK (Цукуба, Япония ). Это дом для ряда экспериментов, таких как K2K эксперимент, а осцилляция нейтрино эксперимент и Belle II, эксперимент по измерению Нарушение CP из B-мезоны.^[20]
• Национальная ускорительная лаборатория SLAC (Menlo Park, Соединенные Штаты ). Его линейный ускоритель длиной 2 мили начал работать в 1962 году и стал основой для множества электрон и позитрон столкновительные эксперименты до 2008 года. С тех пор линейный ускоритель используется для Источник когерентного света линейного ускорителя Рентгеновский лазер а также передовые исследования в области проектирования ускорителей. Персонал SLAC продолжает участвовать в разработке и строительстве многих детекторы частиц во всем мире.^[21]

Много других ускорители частиц тоже существуют.

Методы, необходимые для современной экспериментальной физики элементарных частиц, довольно разнообразны и сложны, составляя почти полностью самостоятельную подспециальность.^{[нужна цитата ]} 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 теоретическая физика ). Сегодня в теоретической физике элементарных частиц предпринимается несколько важных взаимосвязанных усилий.

Одна важная ветвь пытается лучше понять Стандартная модель и его 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 расчета количеств в квантовая хромодинамика. Некоторые теоретики, работающие в этой области, называют себя феноменологи и они могут использовать инструменты квантовая теория поля и эффективная теория поля.^{[нужна цитата ]} Другие используют решеточная теория поля и называют себя теоретики решетки.

Еще одна важная задача - создание модели, где конструкторы моделей развивать идеи о том, что физика может лгать за пределами стандартной модели (при более высоких энергиях или меньших расстояниях). Эта работа часто мотивируется проблема иерархии и ограничивается существующими экспериментальными данными.^{[нужна цитата ]} Это может включать в себя работу над суперсимметрия, альтернативы Механизм Хиггса, дополнительные пространственные измерения (например, Модели Рэндалла – Сундрама ), Преон теория, комбинации этих или других идей.

Третьим крупным достижением теоретической физики элементарных частиц является теория струн. Теоретики струн попытаться построить единое описание квантовая механика и общая теория относительности путем построения теории, основанной на маленьких струнах, и браны а не частицы. Если теория окажется успешной, ее можно будет считать "Теория всего "или" TOE ".

Есть и другие области теоретической физики элементарных частиц, начиная от космология частиц к петля квантовой гравитации.^{[нужна цитата ]}

Такое разделение усилий в физике элементарных частиц отражено в названиях категорий на arXiv, а препринт архив:^[22] hep-th (теория), hep-ph (феноменология), hep-ex (эксперименты), hep-lat (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 медицинские изотопы для исследований и лечения (например, изотопы, используемые в ПЭТ-визуализация ) или используется непосредственно в дистанционная лучевая терапия. Развитие сверхпроводники была продвинута их использованием в физике элементарных частиц. В Всемирная паутина и сенсорный экран технологии были первоначально разработаны в ЦЕРН. 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.^[23]

Будущее

Основная цель, преследуемая разными способами, - найти и понять, что физика может лгать. за пределами стандартной модели. Есть несколько веских экспериментальных причин ожидать новой физики, в том числе: темная материя и масса 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. В Большой адронный коллайдер (LHC) был завершен в 2008 году, чтобы помочь продолжить поиск бозон Хиггса, суперсимметричные частицы, и другая новая физика. Промежуточная цель - построение Международный линейный коллайдер (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, существуют важные эксперименты без коллайдеров, которые также пытаются найти и понять физика за пределами Стандартной модели. Одним из важных усилий, не связанных с коллайдером, является определение нейтрино масс, поскольку эти массы могут возникать в результате смешивания нейтрино с очень тяжелыми частицами. Кроме того, космологический Наблюдения дают много полезных ограничений на темную материю, хотя может быть невозможно определить точную природу темной материи без коллайдеров. Наконец, нижние оценки очень длинных время жизни протона наложить ограничения на Теории Великого Объединения в масштабах энергии, намного превышающих эксперименты на коллайдерах, можно будет исследовать в ближайшее время.

В мае 2014 г. Панель приоритезации проекта физики элементарных частиц опубликовал свой отчет о приоритетах финансирования физики элементарных частиц в США на следующее десятилетие. В этом отчете подчеркивается продолжающееся участие США в LHC и ILC, а также расширение Глубокий подземный эксперимент с нейтрино, среди других рекомендаций.

Физика высоких энергий по сравнению с физикой низких энергий

Период, термин физика высоких энергий требует доработки. Интуитивно может показаться неправильным связывать «высокую энергию» с физикой очень малых, низкий масса объекты, такие как субатомные частицы. Для сравнения, пример макроскопический система, один грамм из водород, имеет ~ 6×10²³ раз^[24] масса отдельного протона. Даже целая луч протонов, циркулирующих в LHC, содержит ~ 3.23×10¹⁴ протоны^[25] каждый с 6.5×10¹² эВ энергии, для полной энергии пучка ~ 2.1×10²⁷ эВ или ~ 336,4 MJ, который все еще ~ 2.7×10⁵ раз меньше, чем масса-энергия одного грамма водорода. Тем не менее, макроскопическая область - это «физика низких энергий»,^{[нужна цитата ]} а для квантовых частиц - «физика высоких энергий».

Взаимодействия, изучаемые в других областях физики и науки, имеют сравнительно очень низкую энергию. Например, энергия фотона из видимый свет составляет примерно от 1,8 до 3,1 эВ. Точно так же энергия диссоциации связи из углерод-углеродная связь составляет около 3,6 эВ. Другой химические реакции обычно требуют аналогичного количества энергии. Даже фотоны с гораздо большей энергией, гамма излучение типа произведенного в радиоактивный распад, в основном имеют энергию фотонов между 10⁵ эВ и 10⁷ эВ - еще два порядки величины меньше массы одиночного протона. Гамма-лучи радиоактивного распада считаются частью ядерная физика, а не физика высоких энергий.

Протон имеет массу около 9.4×10⁸ эВ; некоторые другие массивные квантовые частицы, как элементарные, так и адронный, имеют еще более высокие массы. Из-за этих очень высоких энергий на уровне одиночных частиц, физика элементарных частиц - это, по сути, физика высоких энергий.

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

1. "Бозон Хиггса". ЦЕРН.
2. «BEH-механизм, взаимодействие с короткодействующими силами и скалярными частицами» (PDF). 8 октября 2013 г.
3. 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. "Физика элементарных частиц и астрофизические исследования". Институт ядерной физики им. Генрика Неводничанского. Архивировано из оригинал 2 октября 2013 г.. Получено 31 мая 2012.
5. «Нейтрино в Стандартной модели». Сотрудничество T2K. Получено 15 октября 2019.
6. «Основы физики и ядерной физики» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) 2 октября 2012 г.. Получено 21 июля 2012.
7. «Научный исследователь: квазичастицы». Sciexplorer.blogspot.com. 22 мая 2012. Архивировано с оригинал 19 апреля 2013 г.. Получено 21 июля 2012.
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. Дои: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. Получено 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:2003НИМПА.499..235Х. Дои:10.1016 / S0168-9002 (02) 01937-X.
11. Курант, Эрнест Д. (декабрь 2003 г.). «Ускорители, коллайдеры и змеи». Ежегодный обзор ядерной науки и физики элементарных частиц. 53 (1): 1–37. Bibcode:2003АРНПС..53 .... 1С. Дои:10.1146 / annurev.nucl.53.041002.110450. ISSN  0163-8998.
12. "индекс". Vepp2k.inp.nsk.su. Архивировано из оригинал 29 октября 2012 г.. Получено 21 июля 2012.
13. «Ускоренно-накопительный комплекс ВЭПП-4». V4.inp.nsk.su. Архивировано из оригинал 16 июля 2011 г.. Получено 21 июля 2012.
14. «Коллайдерный комплекс ВЭПП-2М» (на русском). Inp.nsk.su. Получено 21 июля 2012.
15. «Институт ядерной физики им. Будкера». Английский Россия. 21 января 2012 г.. Получено 23 июн 2012.
16. "Добро пожаловать в". Info.cern.ch. Получено 23 июн 2012.
17. «Крупнейший ускорительный центр Германии». Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY. Получено 23 июн 2012.
18. "Фермилаб | Главная". Fnal.gov. Получено 23 июн 2012.
19. "ИФВЭ | Главная". ihep.ac.cn. Архивировано из оригинал 1 февраля 2016 г.. Получено 29 ноябрь 2015.
20. "Кек | Организация по исследованию ускорителей высоких энергий". Legacy.kek.jp. Архивировано из оригинал 21 июня 2012 г.. Получено 23 июн 2012.
21. "Домашняя страница Национальной ускорительной лаборатории SLAC". Получено 19 февраля 2015.
22. "Архив электронной печати arXiv.org".
23. «Фермилаб | Наука в Фермилабе | Польза для общества». Fnal.gov. Получено 23 июн 2012.
24. «Значение CODATA: постоянная Авогадро». Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности. Национальный институт стандартов и технологий США. Июнь 2015. Проверено 10 декабря 2016.
25. «Требования к лучу и основные варианты» (PDF). CERN Engineering & Equipment Data Management Service (EDMS). Получено 10 декабря 2016.

дальнейшее чтение

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:2002пойх.книга ..... 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. Wiley, John & Sons, Inc. ISBN  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 для продвинутой физики элементарных частиц. CRC Press. ISBN  978-1-4398-0412-4.

внешняя ссылка

• Симметрия журнал
• Фермилаб
• Физика элементарных частиц - это важно - в Институт Физики
• Нобс, Мэтью (2002) "Введение в стандартную модель физики элементарных частиц" на Kuro5hin: Часть 1, Часть 2, Часть 3а, Часть 3б.
• ЦЕРН - Европейская организация ядерных исследований
• Приключение частиц - образовательный проект при финансовой поддержке Группа данных о частицах из Национальная лаборатория Лоуренса Беркли (LBNL)