Физика частиц
Фи́зика элемента́рных части́ц (ФЭЧ), часто называемая также субъядерной физикой — раздел физики, изучающий структуру и свойства элементарных частиц и их взаимодействия.
Теоретическая ФЭЧ
Теоретическая ФЭЧ строит теоретические модели для объяснения данных, полученных в действующих экспериментах, получения предсказаний для будущих экспериментов и разработки математического инструментария для проведения исследований такого рода. На сегодняшний день основным орудием в теоретической физике элементарных частиц является квантовая теория поля. В рамках этой теоретической схемы любая элементарная частица рассматривается как квант возбуждения определённого квантового поля. Для каждого типа частиц вводится собственное поле. Квантовые поля взаимодействуют, в этом случае их кванты могут превращаться друг в друга.
На сегодняшний день основным инструментом создания новых моделей в ФЭЧ является построение новых лагранжианов. Лагранжиан состоит из динамической части, которая описывает динамику свободного квантового поля (не взаимодействующего с другими полями), и частью, описывающей либо самодействие поля, либо взаимодействие с другими полями. Если полный лагранжиан динамической системы известен, то, согласно лагранжеву формализму КТП, можно выписать уравнения движения (эволюции) системы полей и пытаться решить эту систему.
Главным результатом современной теоретической ФЭЧ является построение Стандартной модели физики элементарных частиц. Данная модель базируется на идее калибровочных взаимодействий полей и механизме спонтанного нарушения калибровочной симметрии (механизм Хиггса). За последние пару десятков лет её предсказания были многократно перепроверены в экспериментах, и в настоящее время она — единственная физическая теория, адекватно описывающая устройство нашего мира вплоть до расстояний порядка 10−18 м. Всего модель описывает 61 частицу.
Перед физиками, работающими в области теоретической ФЭЧ, стоят две основные задачи: создание новых моделей для описания экспериментов и доведение предсказаний этих моделей (в том числе и Стандартной модели) до экспериментально проверяемых величин. Второй задачей занимается феноменология элементарных частиц.
Концепция взаимодействия в ФЭЧ
Взаимодействие частиц в ФЭЧ принципиально отличается от взаимодействия объектов в других областях физики. Классическая механика изучает движение тел, которые, в принципе, могут друг с другом взаимодействовать. Однако механизмы этого взаимодействия в классической механике не уточняются. В противоположность этому, ФЭЧ уделяет одинаковое внимание как самим частицам, так и процессу их взаимодействия. Связано это с тем, что в ФЭЧ удаётся описать электромагнитное, сильное и слабое взаимодействие как обмен виртуальными частицами. Важным постулатом в таком описании явилось требование симметрии нашего мира относительно калибровочных преобразований.
Равноправие частиц и их взаимодействий красивым образом проявляется в суперсимметричных теориях, в которых постулируется существование в нашем мире ещё одной скрытой симметрии: суперсимметрии. Можно сказать, что при преобразовании суперсимметрии частицы превращаются во взаимодействия, а взаимодействия — в частицы.
Уже отсюда видна исключительная фундаментальность ФЭЧ — в ней делается попытка понять многие свойства нашего мира, которые до этого (в других разделах физики) принимались лишь как данность.
Экспериментальная ФЭЧ
Экспериментальная физика элементарных частиц делится на два больших класса: ускорительную и неускорительную.
Ускорительная ФЭЧ — это разгон долгоживущих элементарных частиц в (ускорителе) до высоких энергий и столкновение их друг с другом или с неподвижной мишенью. В процессе такого столкновения удаётся получить очень высокую концентрацию энергии в микроскопическом объёме, что приводит к рождению новых, обычно нестабильных, частиц. Изучая характеристики таких реакций (количество рождённых частиц того или иного сорта, зависимость этого количества от энергии, типа, поляризации исходных частиц, от угла вылета и т. д.), можно восстановить внутреннюю структуру исходных частиц, их свойства, то, как они взаимодействуют друг с другом.
Неускорительная ФЭЧ — это процесс «пассивного наблюдения» за нашим миром. В неускорительных экспериментах исследуются элементарные частицы естественного происхождения. Типичные неускорительные эксперименты — наблюдение за нейтрино в так называемых нейтринных телескопах, поиск распада протона, безнейтринного двойного бета-распада и прочих крайне редких событий в большом объёме вещества, эксперименты с космическими лучами.
Нерешённые проблемы физики элементарных частиц
В современной физике элементарных частиц специалисты выделяют ряд нерешённых проблем.
Экспериментально установленное явление нейтринных осцилляций указывает на неполноту Стандартной модели. Кроме того, имеются отдельные экспериментальные свидетельства того, что имеется разница в амплитуде осцилляций нейтрино и антинейтрино.
Астрофизические и космологические исследования указывают на существование физики за пределами Стандартной модели. Так, наблюдательным фактом является барионная асимметрия Вселенной, в то время как в Стандартной модели барионное число является константой. Другим фактом является наличие в космосе так называемой скрытой массы, которая обычно объясняется существованием тёмной материи неизвестной современной физике природы. И наконец, необъяснимым в рамках современной физики является факт ускоренного расширения Вселенной, который обычно связывают с так называемой тёмной энергией.
Отдельно стоит так называемая проблема калибровочной иерархии, заключающаяся в том, что характерные энергетические масштабы сильного (200 МэВ) и электрослабого (256 ГэВ) взаимодействий на много порядков ниже масштаба гравитационного взаимодействия (1019 ГэВ), а также предполагаемых масштаба Большого объединения взаимодействий (1016 ГэВ) и масштаба, связанного с CP-сохранением в сильных взаимодействиях (1014 ГэВ). Актуальными являются вопросы природы такой иерархии, причин её устойчивости и наличия большой «пустыни» между двумя группами масштабов.
Ещё одна иерархическая проблема связана с фермионными массами. В рамках Стандартной модели все фермионные поля (лептоны и кварки) образуют три поколения. При этом массы поколений отличаются во много раз, хотя остальные свойства частиц разных поколений не отличаются. Объяснение такой иерархии и составляет одну из проблем современной физики.
Имеются также теоретические трудности в описании адронов. В частности, для понимания природы конфайнмента требуется привлечение непертурбативных методов квантовой хромодинамики.
Физика за пределами Стандартной модели
Физика за пределами Стандартной модели (иначе называемая Новая физика) относится к теоретическим разработкам, которые необходимы, чтобы объяснить недостатки Стандартной модели, такие как происхождение массы, сильная CP-проблема, нейтринные осцилляции, асимметрия материи и антиматерии, происхождение тёмной материи и тёмной энергии. Другая проблема заключается в математических основах самой Стандартной модели — Стандартная модель не согласуется с общей теорией относительности в том смысле, что одна или обе теории распадаются в своих описаниях на более мелкие при определённых условиях (например, в рамках известных сингулярностей пространства-времени, таких как Большой взрыв и горизонты событий чёрных дыр).
Теории, которые лежат за пределами Стандартной модели, включают в себя различные расширения Стандартной модели через суперсимметрию, такие как [англ.] и [англ.], либо совершенно новые объяснения, такие как теория струн, M-теория и дополнительные измерения. Поскольку эти теории, как правило, полностью согласуются с текущими наблюдаемыми явлениями или не доведены до состояния конкретных предсказаний, вопрос о том, какая теория является правильной (или по крайней мере «лучшим шагом» к Теории всего), может быть решён только с помощью экспериментов. В настоящее время это одна из наиболее активных областей исследований как в теоретической, так и в экспериментальной физике.
См. также
- Научная картина мира
Примечания
- Половинка от магнита Владислав Кобычев, Сергей Попов «Популярная механика» № 2, 2015Архив
- С. В. Троицкий. Нерешённые проблемы физики элементарных частиц // УФН. — 2012. — Т. 182. — С. 77—103. Архивировано 28 марта 2013 года.
- J. Womersley. «Beyond the Standard Model». Дата обращения: 26 марта 2013. Архивировано из оригинала 17 октября 2007 года.
Ссылки
- Хроника открытий в физике ядра и частиц, подготовленная сотрудниками физического факультета МГУ им М. В. Ломоносова.
- Физика элементарных частиц на Scientific.ru
- Полная таблица элементарных частиц, подготовленная Particle Data Group.
- Физика элементарных частиц — в мире, в ИЯФ, на кафедре ФЭЧ
Википедия, чтение, книга, библиотека, поиск, нажмите, истории, книги, статьи, wikipedia, учить, информация, история, скачать, скачать бесплатно, mp3, видео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, картинка, музыка, песня, фильм, игра, игры, мобильный, телефон, Android, iOS, apple, мобильный телефон, Samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Сеть, компьютер, Информация о Физика частиц, Что такое Физика частиц? Что означает Физика частиц?
Fi zika elementa rnyh chasti c FECh chasto nazyvaemaya takzhe subyadernoj fizikoj razdel fiziki izuchayushij strukturu i svojstva elementarnyh chastic i ih vzaimodejstviya Kratkij obzor razlichnyh semejstv elementarnyh i sostavnyh chastic i teorii opisyvayushie ih vzaimodejstviya Elementarnye chasticy sleva fermiony sprava bozony Terminy giperssylki na stati Vikipedii Teoreticheskaya FEChTeoreticheskaya FECh stroit teoreticheskie modeli dlya obyasneniya dannyh poluchennyh v dejstvuyushih eksperimentah polucheniya predskazanij dlya budushih eksperimentov i razrabotki matematicheskogo instrumentariya dlya provedeniya issledovanij takogo roda Na segodnyashnij den osnovnym orudiem v teoreticheskoj fizike elementarnyh chastic yavlyaetsya kvantovaya teoriya polya V ramkah etoj teoreticheskoj shemy lyubaya elementarnaya chastica rassmatrivaetsya kak kvant vozbuzhdeniya opredelyonnogo kvantovogo polya Dlya kazhdogo tipa chastic vvoditsya sobstvennoe pole Kvantovye polya vzaimodejstvuyut v etom sluchae ih kvanty mogut prevrashatsya drug v druga Na segodnyashnij den osnovnym instrumentom sozdaniya novyh modelej v FECh yavlyaetsya postroenie novyh lagranzhianov Lagranzhian sostoit iz dinamicheskoj chasti kotoraya opisyvaet dinamiku svobodnogo kvantovogo polya ne vzaimodejstvuyushego s drugimi polyami i chastyu opisyvayushej libo samodejstvie polya libo vzaimodejstvie s drugimi polyami Esli polnyj lagranzhian dinamicheskoj sistemy izvesten to soglasno lagranzhevu formalizmu KTP mozhno vypisat uravneniya dvizheniya evolyucii sistemy polej i pytatsya reshit etu sistemu Glavnym rezultatom sovremennoj teoreticheskoj FECh yavlyaetsya postroenie Standartnoj modeli fiziki elementarnyh chastic Dannaya model baziruetsya na idee kalibrovochnyh vzaimodejstvij polej i mehanizme spontannogo narusheniya kalibrovochnoj simmetrii mehanizm Higgsa Za poslednie paru desyatkov let eyo predskazaniya byli mnogokratno pereprovereny v eksperimentah i v nastoyashee vremya ona edinstvennaya fizicheskaya teoriya adekvatno opisyvayushaya ustrojstvo nashego mira vplot do rasstoyanij poryadka 10 18 m Vsego model opisyvaet 61 chasticu Pered fizikami rabotayushimi v oblasti teoreticheskoj FECh stoyat dve osnovnye zadachi sozdanie novyh modelej dlya opisaniya eksperimentov i dovedenie predskazanij etih modelej v tom chisle i Standartnoj modeli do eksperimentalno proveryaemyh velichin Vtoroj zadachej zanimaetsya fenomenologiya elementarnyh chastic Koncepciya vzaimodejstviya v FEChVzaimodejstvie chastic v FECh principialno otlichaetsya ot vzaimodejstviya obektov v drugih oblastyah fiziki Klassicheskaya mehanika izuchaet dvizhenie tel kotorye v principe mogut drug s drugom vzaimodejstvovat Odnako mehanizmy etogo vzaimodejstviya v klassicheskoj mehanike ne utochnyayutsya V protivopolozhnost etomu FECh udelyaet odinakovoe vnimanie kak samim chasticam tak i processu ih vzaimodejstviya Svyazano eto s tem chto v FECh udayotsya opisat elektromagnitnoe silnoe i slaboe vzaimodejstvie kak obmen virtualnymi chasticami Vazhnym postulatom v takom opisanii yavilos trebovanie simmetrii nashego mira otnositelno kalibrovochnyh preobrazovanij Ravnopravie chastic i ih vzaimodejstvij krasivym obrazom proyavlyaetsya v supersimmetrichnyh teoriyah v kotoryh postuliruetsya sushestvovanie v nashem mire eshyo odnoj skrytoj simmetrii supersimmetrii Mozhno skazat chto pri preobrazovanii supersimmetrii chasticy prevrashayutsya vo vzaimodejstviya a vzaimodejstviya v chasticy Uzhe otsyuda vidna isklyuchitelnaya fundamentalnost FECh v nej delaetsya popytka ponyat mnogie svojstva nashego mira kotorye do etogo v drugih razdelah fiziki prinimalis lish kak dannost Eksperimentalnaya FEChEksperimentalnaya fizika elementarnyh chastic delitsya na dva bolshih klassa uskoritelnuyu i neuskoritelnuyu Uskoritelnaya FECh eto razgon dolgozhivushih elementarnyh chastic v uskoritele do vysokih energij i stolknovenie ih drug s drugom ili s nepodvizhnoj mishenyu V processe takogo stolknoveniya udayotsya poluchit ochen vysokuyu koncentraciyu energii v mikroskopicheskom obyome chto privodit k rozhdeniyu novyh obychno nestabilnyh chastic Izuchaya harakteristiki takih reakcij kolichestvo rozhdyonnyh chastic togo ili inogo sorta zavisimost etogo kolichestva ot energii tipa polyarizacii ishodnyh chastic ot ugla vyleta i t d mozhno vosstanovit vnutrennyuyu strukturu ishodnyh chastic ih svojstva to kak oni vzaimodejstvuyut drug s drugom Neuskoritelnaya FECh eto process passivnogo nablyudeniya za nashim mirom V neuskoritelnyh eksperimentah issleduyutsya elementarnye chasticy estestvennogo proishozhdeniya Tipichnye neuskoritelnye eksperimenty nablyudenie za nejtrino v tak nazyvaemyh nejtrinnyh teleskopah poisk raspada protona beznejtrinnogo dvojnogo beta raspada i prochih krajne redkih sobytij v bolshom obyome veshestva eksperimenty s kosmicheskimi luchami Nereshyonnye problemy fiziki elementarnyh chasticV sovremennoj fizike elementarnyh chastic specialisty vydelyayut ryad nereshyonnyh problem Eksperimentalno ustanovlennoe yavlenie nejtrinnyh oscillyacij ukazyvaet na nepolnotu Standartnoj modeli Krome togo imeyutsya otdelnye eksperimentalnye svidetelstva togo chto imeetsya raznica v amplitude oscillyacij nejtrino i antinejtrino Astrofizicheskie i kosmologicheskie issledovaniya ukazyvayut na sushestvovanie fiziki za predelami Standartnoj modeli Tak nablyudatelnym faktom yavlyaetsya barionnaya asimmetriya Vselennoj v to vremya kak v Standartnoj modeli barionnoe chislo yavlyaetsya konstantoj Drugim faktom yavlyaetsya nalichie v kosmose tak nazyvaemoj skrytoj massy kotoraya obychno obyasnyaetsya sushestvovaniem tyomnoj materii neizvestnoj sovremennoj fizike prirody I nakonec neobyasnimym v ramkah sovremennoj fiziki yavlyaetsya fakt uskorennogo rasshireniya Vselennoj kotoryj obychno svyazyvayut s tak nazyvaemoj tyomnoj energiej Otdelno stoit tak nazyvaemaya problema kalibrovochnoj ierarhii zaklyuchayushayasya v tom chto harakternye energeticheskie masshtaby silnogo 200 MeV i elektroslabogo 256 GeV vzaimodejstvij na mnogo poryadkov nizhe masshtaba gravitacionnogo vzaimodejstviya 1019 GeV a takzhe predpolagaemyh masshtaba Bolshogo obedineniya vzaimodejstvij 1016 GeV i masshtaba svyazannogo s CP sohraneniem v silnyh vzaimodejstviyah 1014 GeV Aktualnymi yavlyayutsya voprosy prirody takoj ierarhii prichin eyo ustojchivosti i nalichiya bolshoj pustyni mezhdu dvumya gruppami masshtabov Eshyo odna ierarhicheskaya problema svyazana s fermionnymi massami V ramkah Standartnoj modeli vse fermionnye polya leptony i kvarki obrazuyut tri pokoleniya Pri etom massy pokolenij otlichayutsya vo mnogo raz hotya ostalnye svojstva chastic raznyh pokolenij ne otlichayutsya Obyasnenie takoj ierarhii i sostavlyaet odnu iz problem sovremennoj fiziki Imeyutsya takzhe teoreticheskie trudnosti v opisanii adronov V chastnosti dlya ponimaniya prirody konfajnmenta trebuetsya privlechenie neperturbativnyh metodov kvantovoj hromodinamiki Fizika za predelami Standartnoj modeliOsnovnaya statya Fizika za predelami Standartnoj modeli Fizika za predelami Standartnoj modeli inache nazyvaemaya Novaya fizika otnositsya k teoreticheskim razrabotkam kotorye neobhodimy chtoby obyasnit nedostatki Standartnoj modeli takie kak proishozhdenie massy silnaya CP problema nejtrinnye oscillyacii asimmetriya materii i antimaterii proishozhdenie tyomnoj materii i tyomnoj energii Drugaya problema zaklyuchaetsya v matematicheskih osnovah samoj Standartnoj modeli Standartnaya model ne soglasuetsya s obshej teoriej otnositelnosti v tom smysle chto odna ili obe teorii raspadayutsya v svoih opisaniyah na bolee melkie pri opredelyonnyh usloviyah naprimer v ramkah izvestnyh singulyarnostej prostranstva vremeni takih kak Bolshoj vzryv i gorizonty sobytij chyornyh dyr Teorii kotorye lezhat za predelami Standartnoj modeli vklyuchayut v sebya razlichnye rasshireniya Standartnoj modeli cherez supersimmetriyu takie kak angl i angl libo sovershenno novye obyasneniya takie kak teoriya strun M teoriya i dopolnitelnye izmereniya Poskolku eti teorii kak pravilo polnostyu soglasuyutsya s tekushimi nablyudaemymi yavleniyami ili ne dovedeny do sostoyaniya konkretnyh predskazanij vopros o tom kakaya teoriya yavlyaetsya pravilnoj ili po krajnej mere luchshim shagom k Teorii vsego mozhet byt reshyon tolko s pomoshyu eksperimentov V nastoyashee vremya eto odna iz naibolee aktivnyh oblastej issledovanij kak v teoreticheskoj tak i v eksperimentalnoj fizike Sm takzheNauchnaya kartina miraPrimechaniyaPolovinka ot magnita Vladislav Kobychev Sergej Popov Populyarnaya mehanika 2 2015Arhiv S V Troickij Nereshyonnye problemy fiziki elementarnyh chastic UFN 2012 T 182 S 77 103 Arhivirovano 28 marta 2013 goda J Womersley Beyond the Standard Model neopr Data obrasheniya 26 marta 2013 Arhivirovano iz originala 17 oktyabrya 2007 goda SsylkiHronika otkrytij v fizike yadra i chastic podgotovlennaya sotrudnikami fizicheskogo fakulteta MGU im M V Lomonosova Fizika elementarnyh chastic na Scientific ru Polnaya tablica elementarnyh chastic podgotovlennaya Particle Data Group Fizika elementarnyh chastic v mire v IYaF na kafedre FECh
