Мир элементарных частиц: Мир элементарных частиц

Содержание

Мир элементарных частиц

Урок 1. Мир элементарных частиц <2>

Продолжительность: 2 академических часа, профильный уровень.

Цель урока: расширить представление учащихся о строении вещества, дать понятие об элементарных частицах и их свойствах.<3>

Тип урока: комбинированный урок.

Использование ИКТ на уроке: компьютерный класс, интерактивное учебное пособие «Наглядная школа. Ядерная физика», интегрированное с интерактивной доской.

I. Организационный этап. Учитель демонстрирует тему и цель урока. Актуализация опорных знаний и способов действий

Перед классом ставится вопрос, подводящий к необходимости изучения темы с кратким обобщением по пройденному материалу:

Какие элементарные частицы были открыты в начале 20-го века? Что вам о них известно? <4,5>

Учащиеся  называют элементарные частицы и сообщают классу о том, что им известно о них (история открытия, характеристика частицы, свойства и др.)

Ответ: до 1932 г. только три частицы:

протон, нейтрон и электрон представляли собой в глазах ученых «полный набор» простейших частиц, из которых состоит вещество. Поэтому эти частицы были названы элементарными. К числу элементарных частиц относили также фотон, являющийся переносчиком электромагнитных взаимодействий.

II. Формирование новых понятий и способов действий

План изложения нового материала:

  1.  Три этапа в развитии физики элементарных частиц
  2.  Классификация элементарных частиц.
  3.  Фундаментальные частицы и взаимодействия.

Изучение нового материала следует в контексте следующей хронологической схемы:

1. Три этапа в развитии физики элементарных частиц.

<6-9>

Этап первый. От электрона до позитрона: 1897 — 1932 гг.

Элементарными мы считаем те частицы, которые с современной точки зрения не состоят из более простых.<10>

Как заметил итальянский физик Энрико Ферми, понятие «элементарный» относится скорее к уровню наших знаний, чем к природе частиц. По мере того, как развивалась наука, многие элементарные частицы переходили в разряд неэлементарные.

Этап второй. От позитрона до кварков: 1932 — 1964 гг.

Все элементарные частицы превращаются друг в друга, и эти взаимные превращения — главный факт их существования.

Этап третий. От гипотезы о кварках (1964 г.) до наших дней.

Большинство элементарных частиц имеет сложную структуру. В 1964 г. М. Гелл-Манном и Дж. Цвейгом была предложена модель, согласно которой все частицы, участвующие в сильных (ядерных) взаимодействиях, построены из более фундаментальных частиц — кварков.

Однако, такое простое представление о первоначалах мироздания продержалось недолго: в 1932 г. была открыта античастица электрона – позитрон, который имеет в точности ту же массу, что и электрон, но отличается от него знаком электрического заряда. <11>

В дальнейшем выяснилось, что кроме электрического заряда, элементарные частицы могут иметь и другие заряды, которые также сохраняются во всех видах взаимодействий. Например, нуклоны обладают «барионным» зарядом. Когда были открыты античастицы протона и нейтрона (антипротон и антинейтрон), было установлено, что они обладают отрицательным барионным зарядом. Антипротон имеет, кроме того, отрицательный электрический заряд. Удалось создать даже «антиатомы» простейших элементов, например, антигелий. Ядро антигелия  состоит из двух антипротонов и двух антинейтронов, а вокруг этого ядра движутся два позитрона.

Согласно современным представлениям, у каждой частицы есть античастица, имеющая такую же массу, но противоположные знаки всех зарядов.<12>

Античастицы некоторых частиц совпадают с самими частицами: например, античастицей фотона является фотон. Такие частицы называют истинно нейтральными, потому что все их заряды равны нулю.

Новые опыты заставили также пересмотреть «очевидное» понятие составного объекта. Долгое время считалось, что сложные микрообъекты состоят из более простых подобно тому, как механизм состоит из деталей. Чтобы выяснить, «из чего состоят» те или иные микрообъекты, физики, начиная с Резерфорда, «прощупывали» или разрушали микрообъекты, подвергая их бомбардировке быстрыми частицами.

Однако, во второй половине 20-го века выяснилось, что частицы с большими энергиями не раскалываются при столкновениях на более простые – вместо этого рождаются новые, в том числе неизвестные частицы, причем массы этих частиц могут быть больше, чем массы сталкивающихся частиц.<13-15>

«Превращение» кинетической энергии сталкивающихся частиц в массу рождающихся частиц возможно согласно формуле Эйнштейна E = mc2, связывающей массу и энергию.<16>

Кроме того оказалось, что частицы могут превращаться друг в друга.<17> Например, частица и античастица при столкновении

аннигилируют, то есть исчезают, превращаясь в другие частицы. При этом, однако, выполняются все законы сохранения, в том числе закон сохранения энергии, импульса и электрического заряда. Например, при столкновении электрона и позитрона происходит их аннигиляция: они превращаются в два фотона.

Во второй половине 20-го века при исследовании космических лучей и в экспериментах на ускорителях частицы стали открывать десятками и сегодня их число составляет несколько сотен! Была открыта группа так называемых странных частиц: К-мезонов и гиперонов с массами, превышающими массу нуклонов. В 70-е годы к ним прибавилась большая группа частиц с еще большими массами, названных

очарованными. Некоторые из вновь открытых частиц (их назвали резонансами) являются очень короткоживущими: они распадаются на другие частицы через 10-22 – 10-23с, то есть эти частицы живут чуть больше времени, которое нужно свету, чтобы пролететь сквозь атомное ядро! Обилие новых элементарных частиц поставило вопрос об их классификации.

2. Классификация элементарных частиц

По величине спина (собственного момента количества движения) все частицы делятся на два класса: фермионы и бозоны.<18,19>

Фермионы – частицы с полуцелым спином:

1/2; 3/2, … . К фермионам относятся, например, электрон e, протон p, нейтрон n, электронное нейтрино νe.<20>

Бозоны – частицы с целым спином: 0; 1, 2, … . К бозонам относятся, например, фотон γ, π+-мезон.

Для распределения фермионов по возможным энергетическим состояниям справедлив принцип Паули.<21>

Принцип Паули

В одном и том же энергетическом состоянии могут находиться не более двух фермионов с противоположными спинами.

Для бозонов принципа Паули не существует, поэтому в одном энергетическом состоянии может находиться любое число бозонов.

Адроны и лептоны

Частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, назвали адронами.<22,23> Например, к числу адронов принадлежат частицы, из которых состоят атомные ядра – протоны и нейтроны. Известных сегодня адронов сотни: именно они и составляют большую часть открытых частиц.

Частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях назвали лептонами.<24,25>

К их числу относится, например, электрон.

К настоящему времени установлено существование шести лептонов, причем один из них (таон) оказался не таким уж «легким»: его масса почти вдвое превышает массу протона! Зато три из шести лептонов (три вида нейтрино) полностью оправдывают свое название: их масса по современным представлениям, равна нулю.

Кварки

В 60-х годах 20-го века американские физики М. Гелл-Манн и Дж. Цвейг произвели систематизацию всех адронов, исходя из предположения, что адроны являются составными объектами, то есть состоят из других частиц, названных кварками. <26>

Все адроны делятся на два вида – барионы и мезоны.<27> Барионы (к их числу принадлежат нуклоны) состоят из трех кварков, а мезоны (к их числу принадлежат, например пи-мезоны, обмен которыми между нуклонами дает существенный вклад в ядерные силы) – из кварка и антикварка.<28>

Эксперименты по рассеянию частиц высоких энергий подтвердили, что внутри нуклона действительно находятся три слабо связанные кварка, однако освободить эти кварки не удалось даже при бомбардировке нуклонов частицами очень большой энергии.

Кварки оказались весьма необычны по своим свойствам.

Во-первых, кварки обладают дробным электрическим зарядом, равным +2/3e и — 1/3e, где eмодуль заряда электрона. Например, протон состоит из двух кварков с зарядом+2/3e и одного кварка с зарядом – 1/3e, поэтому заряд протона равен

e. А нейтрон состоит из одного кварка с зарядом +2/3e и двух кварков с зарядом – 1/3e, поэтому заряд нейтрона равен нулю.

Во-вторых, кварки слабо взаимодействуют друг с другом только на очень малых расстояниях – меньших размеров нуклона. При увеличении же расстояния взаимодействие между кварками не убывает, а становится более сильным. Именно поэтому кварки в свободном виде не существуют. При попытке разорвать связи между кварками рождаются кварки и антикварки, которые тут же объединяются в новые адроны. Это напоминает в некотором смысле невозможность получить магнит с одним полюсом: при разламывании двухполюсного магнита получаются снова два магнита с двумя полюсами каждый.
Взаимодействие кварков обусловлено наличием у них особого заряда, условно называемого «цветом». Сегодня установлено существование шести кварков. Каждый кварк существует в трех «цветовых» вариантах – «красный», «зеленый» и «синий». Массы некоторых кварков намного превышают массы нуклонов.

3. Фундаментальные частицы и фундаментальные взаимодействия

Фундаментальные частицы

По современным представлениям фундаментальными частицами (то есть частицами, не состоящими из других частиц) являются лептоны и кварки. <29>

Фундаментальных частиц на сегодняшний день оказывается не так уж мало: 6 лептонов и 6 антилептонов, 18 кварков (6 кварков 3-х цветов) и 18 антикварков. Всего 48 фундаментальных частиц.

К числу «истинно элементарных» частиц принадлежат также 13 частиц – переносчиков различных видов взаимодействий. Итого — по современным представлениям в основе мироздания лежит 61 вид частиц.

Это не намного меньше, чем число различных химических элементов в Периодической таблице Менделеева, что заставляет думать, что мы находимся еще в «пути», то есть поиск истинных первоначал материи еще не завершен. Так 4 июля 2012 года в недрах ЦЕРНа обнаружен долгожданный бозон Хиггса! <30-33>

Фундаментальные взаимодействия и переносчики взаимодействий

По современным представлениям все взаимодействия в природе являются проявлениями четырех видов фундаментальных взаимодействий между фундаментальными частицами – лептонами и кварками. Каждый вид фундаментальных взаимодействий обусловлен обменами частиц – переносчиков этого взаимодействия.<34>

Сильное взаимодействие

Наиболее интенсивное взаимодействие – это сильное взаимодействие между кварками. Оно осуществляется благодаря обмену глюонами. Существует 8 видов глюонов. Взаимодействие между адронами рассматривается сегодня как взаимодействие сложных составных объектов, состоящих из кварков. Например, взаимодействие между нуклонами в атомном ядре осуществляется благодаря обмену между различными мезонами, состоящими из кварка и антикварка.

Электромагнитное взаимодействие

Следующее по интенсивности взаимодействие – электромагнитное взаимодействие между электрически заряженными частицами. Оно осуществляется благодаря обмену фотонами. Существует всего один вид фотонов.

Слабое взаимодействие

Далее по убыванию интенсивности идет слабое взаимодействие. В слабом взаимодействии участвуют кварки и лептоны. Примером слабого взаимодействия является распад нейтрона на протон, электрон и антинейтрино. Слабое взаимодействие осуществляется благодаря обмену очень массивными частицами, которые называются промежуточными векторными бозонами. В 80-е годы 20-го века были экспериментально открыты три вида векторных бозонов: положительно заряженный, отрицательно заряженный и нейтральный. Масса каждого из них почти в сто раз больше массы нуклона. Выяснилось, что «слабость» слабого взаимодействия по сравнению с электромагнитным обусловлена именно большой массой промежуточных векторных бозонов, благодаря чему слабое и электромагнитное взаимодействия являются «близкими родственниками», представляя собой проявления так называемого электрослабого взаимодействия. Несмотря на свою «слабость», слабое взаимодействие играет огромную роль в природе. Например, только благодаря ему происходит превращение протонов в нейтроны в звездах, — а это необходимо для возможности осуществления термоядерной реакции, являющейся основным источником энергии звезд.

Гравитационное взаимодействие

Наконец, наиболее слабым из известных взаимодействий является гравитационное взаимодействие. В нем участвуют все частицы, обладающие энергией, то есть все без исключения частицы – не только кварки и лептоны, но и переносчики всех видов взаимодействия (например, фотоны). Считается, что гравитационное взаимодействие осуществляется благодаря обмену гравитонами. Гравитон – единственная из «истинно элементарных» частиц, существование которой еще не установлено на опыте (этому мешает слабость гравитационных взаимодействий – они примерно в 1040 раз слабее электромагнитных). Гравитационное взаимодействие уникально в том отношении, что представляет собой только притяжение, и поэтому гравитацию невозможно «экранизировать». Поэтому в космических масштабах именно гравитационное взаимодействие является «главным»: оно управляет движением планет, звезд и галактик.

Таким образом, общее число частиц – переносчиков взаимодействия равно 13 (8 глюонов, фотон, три векторных бозона и гравитон).<35,36>

III. Применение знаний, формирование умений. Контроль и учет знаний

В зависимости от уровня подготовленности и профиля класса, учитель организует дифференцированный контроль с помощью средств ИКТ. Класс разбивается на группы и учащимся предлагается выполнить задания по вариантам в интерактивном режиме. Подбор заданий можно осуществлять для каждой группы индивидуально. Таким образом, учащиеся могут самостоятельно оценить свои знания.<37-56>

IV. Информация учащихся о домашнем задании, инструктаж по его выполнению

У: §114, 115, подготовиться к тематическому оцениванию знаний.<57>

Использованная литература и интернет-ресурсы
  1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. Физика. 11 класс: учеб. Для общеобразоват. Учреждений: базовый и профильный уровни. – М.: Просвещение, 2012.
  2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика-11. Квантовая физика (Второе полугодие). – М.: Илекса, 2005.
  3. Интерактивное учебное пособие «НАГЛЯДНАЯ ФИЗИКА. Ядерная физика»© ООО «Экзамен-Медиа», 2011.www.examen-media.ru
  4. http://teachers.jinr.ru/categories/128-cern2015
  5. http://teachers.jinr.ru/media-gallery/415-bednyakov?category_id=128; Vadim Bednyakov, «Higgs Boson, Science and JINR».
  6. http://teachers.jinr.ru/media-gallery/402-zimine-introduction-cern?category_id=128; Nikolai Zimine, «Introduction to CERN».
  7. http://teachers.jinr.ru/media-gallery/405-klygina?category_id=128;
    Kseniya Klygina, «Virtual laboratories in schools and universities».
  8. http://cdsweb.cern.ch/record/1165534. <58>

Физика элементарных частиц (д.ф.-м.н., проф. С.С. Афонин)

Физика элементарных частиц (д.ф.-м.н., проф. С.С. Афонин)

 

  1. Классификация элементарных частиц и их взаимодействий. Естественные единицы. Иерархия времён взаимодействий.
  2. Сильные взаимодействия: происхождение и качественные проявления. Бегущая константа связи: экранировка и антиэкранировка. Природа резонанса, ширина Брейта-Вигнера.
  3. Понятие изоспина. Его приложения к вычислению отношений сечений реакций.
  4. P-чётность. C-чётность. CPT-инвариантность.
  5. G-чётность. Изоспин античастиц.
  6. Лёгкие нестранные мезоны: схема систематизации и известные типы.
  7. Странные мезоны и унитарная симметрия. Массы в унитарных мультиплетах, формула Гелл-Манна-Окубо для псевдоскаляров.
  8. Известные типы странных мезонов. Система нейтральных каонов и нарушение CP-инвариантности. Распад φ-мезона и правило Цвейга.
  9. Мезоны с c-кварком: открытие, особенности физики, спектр, распады D-мезонов. Мезоны с b-кварком.
  10. Барионы: кварковые диаграммы и волновые функции в кварковой модели (на примере волновой функции протона).
  11. Орбитальные возбуждения барионов: схема систематизации, примеры. Барионы с c-кварком.
  12. Соотношения между массами адронов в SU(3)-мультиплетах. Понятие конституэнтной массы кварка. Нарушение изоспиновой симметрии.
  13. Магнитный момент кварка. Вычисление магнитных моментов основных барионов в рамках кварковой модели. Массы конституэнтных кварков из магнитных моментов барионов.
  14. Вычисление амплитуды распада .
  15. Динамическая модель расщепления масс основных состояний адронов на основе спин-спинового взаимодействия.
  16. Основы кинематики: простейшие процессы с поглощением фотона и распадом фотона, сравнение кинематики ускорителей на встречных пучках и с неподвижной мишенью, прямое рождение -бозонов в протон-антипротонных столкновениях.
  17. Сечение рассеяния. Пример вычисления для электромагнитного рассеяния скалярных частиц в системе центра масс.
  18. Ширина распада. Пример: распад на две частицы в системе центра масс. Понятие фазового объёма. Вычисление двухчастичного фазового объёма. Качественное обобщение на трёхчастичный фазовый объём.
  19. Слабые взаимодействия: происхождение, физика слабых распадов, теория Ферми, открытие несохранения чётности, понятия спиральности и киральности, структура слабого тока, амплитуды слабых процессов в фермиевском приближении.
  20. Сохранение спиральности при высоких энергиях. Оценка массы промежуточных векторных бозонов. Качественный анализ распада мюона, τ-лептона и ядерных β-распадов.
  21. Вычисление амплитуды слабого распада пиона.
  22. Качественный анализ рассеяния нейтрино на электроне. Нейтральные слабые токи. Угол Кабиббо.
  23. Механизм Глэшоу-Иллиопулоса-Майани. Нелептонные распады D-мезонов. Матрица Кабиббо-Кобаяши-Маскава. Причина нарушения CP-инвариантности.

 

Литература

  1. Ф. Хелзен, А. Мартин “Кварки и лептоны: введение в физику частиц” – М.: Мир, 1987.
  2. Ф. Клоуз “Кварки и партоны: введение в теорию” – М.: Мир, 1982.
  3. Л.Б. Окунь “Лептоны и кварки” – М.: Наука, 1990.
  4. Н.Ф. Нелипа “Физика элементарных частиц” – М.: Высшая школа, 1977.
  5. С.С. Афонин “Задачи по физике элементарных частиц” (учебно-методическое пособие) –
  6. : СПбГУ, 2015.
  7. Ю.П. Никитин и др. “Сборник задач по физике элементарных частиц” – М.: Энергоатомиздат, 1992.
  8. Ю.В. Новожилов “Введение в теорию элементарных частиц” – М.: Наука, 1972.
  9. К. Хуанг “Кварки, лептоны и калибровочные поля” – М.: Мир, 1985.

Открытие физиков из РФ может изменить понимание устройства Вселенной

Российским физикам вместе с учеными из других стран удалось в 2013 году в ходе эксперимента Т2К подтвердить уникальное открытие — превращение одного сорта элементарных частиц нейтрино в другой (нейтринные осцилляции). Это открытие может привести к пересмотру понимания устройства Вселенной. О значении данного открытия для мира науки и о его возможном практическом применении РИА Новости рассказал один из участников исследований, заведующий отделом физики высоких энергий Института ядерных исследования РАН Юрий Куденко.

— Мир физики элементарных частиц сложен для понимания, поэтому давайте начнем нашу беседу с некоторого ликбеза — рассказа о том, как все устроено.
— Мы живем в макромире, это мир больших расстояний и предметов. А современная физика высоких энергий имеет дело с микромиром, с масштабами меньше атома, с расстояниями менее 10-13 см. Эти масштабы трудно себе представить. Мы работаем, например, с протонами, обладающими массой около 1 Гигаэлектронвольт (ГЭВ), что соответствуют 10-24 г – это трудно перевести на обычный язык. Но протон это еще большая частица, которая состоит из более мелких частиц — трех кварков. Из кварков также состоит значительная часть и других элементарных частиц. Эти мелкие частицы в свою очередь обмениваются между собой еще более мелкими частицами – глюонами. Три кварка не могу вылететь из протона, т.е. не могут находиться в свободном состоянии, и скрепляются сильным взаимодействием, переносчиком которого являются глюоны. Следующее взаимодействие — электромагнитное, мы все его хорошо знаем — это электромагнитные волны, свет, оно осуществляется за счет обмена элементарными частицами — фотонами. Третий тип взаимодействия, с которым имеет дело физика микромира, так называемое слабое взаимодействие, в них участвует нейтрино. Нейтрино, нейтральная фундаментальная частица, которая участвует только в слабом и гравитационном взаимодействиях. Слабое взаимодействие называется так, потому что сила его на несколько порядков меньше, чем у других, и обмен между частицами осуществляется с помощью заряженных бозонов W+ и W и нейтрального бозона Z0, которые были открыты в 1980-е годы. Все взаимодействия нейтрино и любые слабые процессы, в которых участвует нейтрино, происходят за счет обмена этими тяжелыми частицами, масса которых около 80 ГЭВ, то есть они тяжелее протона в 80 раз. 
Слабое взаимодействие частиц интересно тем, что в нем были обнаружены нарушения инвариантности, то есть нарушения независимости (неизменности) физических законов при переходе из нашего мира в зеркальный мир (изменение направления пространственных координат), при изменении направления времени и при замене частиц на античастицы. Другие взаимодействия (сильное, электромагнитное) демонстрируют постоянство физических законов при этих преобразованиях. Процессы, идущие через сильное взаимодействие, ведут себя одинаково и в нашем мире, и в зеркальном мире. Если мы хотим повернуть время, в реальности это трудно представить. Однако в эксперименте полная имитация этого возможна. При этом сильное и электромагнитное взаимодействия будут вести себя одинаково, а процессы с участием слабого взаимодействия будут отличаться. Это уникальная особенность слабого взаимодействия и связана она как раз с нейтрино. Впервые нарушение пространственной четности в слабом взаимодействии наблюдалось в 1956 году в эксперименте по изучению бета-распада поляризованного ядра кобальта-60. С этого фундаментального открытия, кстати, и началась, по моему мнению, современная физика элементарных частиц.

— Каковы особенности нейтрино, что необходимо ученым для изучения столь малых частиц?
— Нейтрино имеет очень маленькое сечение взаимодействия с веществом (нуклоны, электроны, ядра), т.е. вероятность взаимодействия нейтрино, которое налетает на ядро, нуклон, чрезвычайно мала из-за того, что этот процесс идет только через слабое взаимодействие. Таким образом, для регистрации нейтрино необходимы огромные массивные детекторы. Лучше всего помещать такие детекторы под землю, чтобы улучшить фоновые условия эксперимента и отсечь лишние частицы, которые «мешают» регистрации нейтрино. В этом направлении начала развиваться нейтринная физика и ее важнейшая часть, так называемая подземная физика. По этому принципу у нас в стране была в свое время построена Баксанская нейтринная обсерватория, где российские ученые совершили ряд важных открытий в нейтринной физике. Постепенно фронт нейтринных исследований расширялся, и сформировалась «нейтринная индустрия» — большое количество разных экспериментов по всему миру, изучающих свойства нейтрино.

Стандартная модель • Физика элементарных частиц • LHC на «Элементах»

Стандартная модель — это современная теория строения и взаимодействий элементарных частиц, многократно проверенная экспериментально. Эта теория базируется на очень небольшом количестве постулатов и позволяет теоретически предсказывать свойства тысяч различных процессов в мире элементарных частиц. В подавляющем большинстве случаев эти предсказания подтверждаются экспериментом, иногда с исключительно высокой точностью, а те редкие случаи, когда предсказания Стандартной модели расходятся с опытом, становятся предметом жарких споров.

Стандартная модель — это та граница, которая отделяет достоверно известное от гипотетического в мире элементарных частиц. Несмотря на впечатляющий успех в описании экспериментов, Стандартная модель не может считаться окончательной теорией элементарных частиц. Физики уверены, что она должна быть частью некоторой более глубокой теории строения микромира. Что это за теория — достоверно пока неизвестно. Теоретики разработали большое число кандидатов на такую теорию, но только эксперимент должен показать, что из них отвечает реальной ситуации, сложившейся в нашей Вселенной. Именно поэтому физики настойчиво ищут любые отклонения от Стандартной модели, любые частицы, силы или эффекты, которые Стандартной моделью не предсказываются. Все эти явления ученые обобщенно называют «Новая физика»; именно поиск Новой физики и составляет главную задачу Большого адронного коллайдера.

(Подробнее про физику за пределами Стандартной модели)

Основные компоненты Стандартной модели

Рабочим инструментом Стандартной модели является квантовая теория поля — теория, приходящая на смену квантовой механике при скоростях, близких к скорости света. Ключевые объекты в ней не частицы, как в классической механике, и не «частицы-волны», как в квантовой механике, а квантовые поля: электронное, мюонное, электромагнитное, кварковое и т. д. — по одному для каждого сорта «сущностей микромира».

И вакуум, и то, что мы воспринимаем как отдельные частицы, и более сложные образования, которые нельзя свести к отдельным частицам, — всё это описывается как разные состояния полей. Когда физики употребляют слово «частица», они на самом деле имеют в виду именно эти состояния полей, а не отдельные точечные объекты.

Стандартная модель включает в себя следующие основные ингредиенты:

  • Набор фундаментальных «кирпичиков» материи — шесть сортов лептонов и шесть сортов кварков. Все эти частицы являются фермионами со спином 1/2 и очень естественным образом организуются в три поколения. Многочисленные адроны — составные частицы, участвующие в сильном взаимодействии, — составлены из кварков в разных комбинациях.
     
  • Три типа сил, действующих между фундаментальными фермионами, — электромагнитные, слабые и сильные. Слабое и электромагнитное взаимодействия являются двумя сторонами единого электрослабого взаимодействия. Сильное взаимодействие стоит отдельно, и именно оно связывает кварки в адроны.
     
  • Все эти силы описываются на основе калибровочного принципа — они не вводятся в теорию «насильно», а словно возникают сами собой в результате требования симметричности теории относительно определенных преобразований. Отдельные виды симметричности порождают сильное и электрослабое взаимодействия.
     
  • Несмотря на то что в самой теории имеется электрослабая симметрия, в нашем мире она самопроизвольно нарушается. Спонтанное нарушение электрослабой симметрии — необходимый элемент теории, и в рамках Стандартной модели нарушение происходит за счет хиггсовского механизма.
     
  • Численные значения для примерно двух десятков констант: это массы фундаментальных фермионов, численные значения констант связи взаимодействий, которые характеризуют их силу, и некоторые другие величины. Все они раз и навсегда извлекаются из сравнения с опытом и при дальнейших вычислениях уже не подгоняются.

Кроме того, Стандартная модель — перенормируемая теория, то есть все эти элементы вводятся в нее таким самосогласованным способом, который, в принципе, позволяет проводить вычисления с нужной степенью точности. Впрочем, зачастую вычисления с желаемой степенью точностью оказываются неподъемно сложными, но это проблема не самой теории, а, скорее, наших вычислительных способностей.

Что может и чего не может Стандартная модель

Стандартная модель — это, во многом, описательная теория. Она не дает ответы на многие вопросы, начинающиеся с «почему»: почему частиц именно столько и именно таких? откуда взялись именно эти взаимодействия и именно с такими свойствами? зачем природе понадобилось создавать три поколения фермионов? почему численные значения параметров именно такие? Кроме того, Стандартная модель не способна описать некоторые явления, наблюдаемые в природе. В частности, в ней нет места массам нейтрино и частицам темной материи. Стандартная модель не учитывает гравитацию и неизвестно, что с этой теорией происходит на планковском масштабе энергий, когда гравитация становится чрезвычайно важной.

(Подробнее про трудности Стандартной модели)

Если же использовать Стандартную модель по своему назначению, для предсказания результатов столкновений элементарных частиц, то она позволяет, в зависимости от конкретного процесса, выполнять вычисления с разной степенью точности.

  • Для электромагнитных явлений (рассеяние электронов, энергетические уровни) точность может достигать миллионных долей и даже лучше. Рекорд тут держит аномальный магнитный момент электрона, который вычислен с точностью лучше одной миллиардной.
     
  • Многие высокоэнергетические процессы, которые протекают за счет электрослабых взаимодействий, вычисляются с точностью лучше процента.
     
  • Хуже всего поддается расчету сильное взаимодействие при не слишком высоких энергиях. Точность расчета таких процессов сильно варьируется: в одних случаях она может достигать процентов, в других случаях разные теоретические подходы могут давать ответы, различающиеся в несколько раз.

Стоит подчеркнуть, что тот факт, что некоторые процессы тяжело рассчитать с нужной точностью, не означает, что «теория плохая». Просто она очень сложная, и нынешних математических приемов пока не хватает, чтоб проследить все ее следствия. В частности, одна из знаменитых математических Задач тысячелетия касается проблемы конфайнмента в квантовой теории с неабелевым калибровочным взаимодействием.

Дополнительная литература:

  • Базовые сведения о хиггсовском механизме можно найти в книге Л. Б. Окуня «Физика элементарных частиц» (на уровне слов и картинок) и «Лептоны и кварки» (на серьезном, но доступном уровне).

Бозон Хиггса: поэзия элементарных частиц

Автор фото, na

Подпись к фото,

Питер Хиггс присутствовал на торжественном объявлении в ЦЕРН об обнаружении его частицы

Бозон Хиггса, открытый учеными из европейского центра ядерных исследований ЦЕРН в Швейцарии после 45 лет поисков, назван по имени британского физика Питера Хиггса, который одним из первых предсказал его существование.

Но откуда взялось другое слово в этом обозначении – бозон? Оказывается, оно также связано с именем физика и современника Эйнштейна – Шатьендраната Бозе.

Физики всего мира часто давали в прошлом столетии странные и иногда поэтические названия открытым ими элементарным частицам. Вот 10 из них.

1. Бозон Хиггса

Эта частица, если существование ее подтвердится, была предсказана Питером Хиггсом в 1964 году; она объясняет наличие такого явления как масса. Американский физик Леон Ледерман назвал ее также «божественной частицей».

2. Кварк

Фундаментальная частица, из которой состоят протоны и нейтроны, образующие ядро атома.

Автор фото, na

Подпись к фото,

Джеймс Джойс придумал это слово в романе «Поминки по Финнегану»

Этот термин был позаимствован американским физиком Мюрреем Гелл-Манном в 1962 году из романа «Поминки по Финнегану» Джеймса Джойса, где в одном из эпизодов звучит фраза «Three quarks for Muster Mark!» (обычно переводится как «Три кварка для Мастера Марка!»). Само слово «quark» в этой фразе предположительно является звукоподражанием крику морских птиц. Есть другая версия, выдвинутая Романом Якобсоном, согласно которой Джойс усвоил это слово из немецкого во время своего пребывания в Вене.

3. Адрон

Частица, состоящая из кварков. Это название было предложено советским физиком-теоретиком Львом Окунем в 1962 году. Он писал: «В этой статье я буду называть частицы с сильным взаимодействием адронами – по-гречески слово ἁδρός означает «крупный», «массивный».

Автор фото, na

Подпись к фото,

БАК был введен в строй в 2009 году

В Большом адронном коллайдере (БАК), который расположен в Женеве, адроны разгоняются до околосветовых скоростей и сталкиваются; в результате образуются новые частицы. Именно так были обнаружены следы бозона Хиггса.

4. Бозон

Класс частиц, которые подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна и названы в честь индийского физика Шатьендраната Бозе (1894-1974).

5. Фермион

Класс частиц, которые подчиняются статистике Ферми-Дирака. Они обычно ассоциируются с веществом, а не с взаимодействием. Они названы в честь итальянского физика Энрико Ферми (1901-1954), который наряду с Робертом Оппенгеймером считается одним из создателей атомной бомбы.

6. Глюон

Автор фото, na

Подпись к фото,

Физик Гелл-Манн открыл кварки и глюоны

Элементарные частицы, являющиеся причиной взаимодействия кварков, а также косвенно ответственные за соединение протонов и нейтронов в атомном ядре. Этот термин происходит от английского слова glue (клей). Он был предложен в 1962 году Мюрреем Гелл-Манном.

7. Нейтрино

Нейтральная элементарная частица, возникающая в результате радиоактивного распада определенных типов, с крайне малой массой. Эта частица была первоначально названа «нейтроном» физиком Вольфгангом Паули (1900-1958) в 1930 году, но спустя три года переименована Энрико Ферми, потому что термин «нейтрон» стал к тому времени употребляться для обозначения нейтральной частицы в атомном ядре.

8. Электрон

Автор фото, na

Подпись к фото,

Энрико Ферми предложил переименовать нейтрон

Стабильная, отрицательно заряженная элементарная частица, одна из основных структурных единиц вещества. Термин предложен в 1894 году ирландским физиком Джорджем Дж. Стони (1826-1911). Название «электрон» происходит от греческого слова ἤλεκτρον, означающего «янтарь».

9. Мезон

Составная частица, состоящая из кварка и антикварка. Ее название происходит от греческого слова «мезо», означающего середину. При открытии мезоны считались обладающими массой между массами электрона и нуклеонов, т.е. протонов и нейтроном, составляющих атомное ядро.

10. Мюон

Мюо́н (от греческой буквы μ) — неустойчивая элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом. Сначала считалась определенным типом мезона (мю-мезон), но затем была переименована. Ученые ЦЕРНа обнаружили частицу, похожую на бозон Хиггса, используя компактный мюоновый соленоид, который измеряет энергию и скорость вращения мюонов, фотонов, электронов и других частиц, образующихся при столкновении адронов в БАК.

Кирпичики Вселенной. Почему в последнее время физики стали открывать так много новых частиц

В Стандартной модели — основной теории, которая объясняет устройство Вселенной, есть три типа частиц: кварки, лептоны и калибровочные бозоны. Последние — это так называемые частицы-переносчики четырех типов фундаментальных физических взаимодействий (например, фотон отвечает за электромагнитные силы), а остальные составляют привычную, осязаемую материю. Лептоны (тип частиц, к которым относятся электроны или нейтрино) обладают сравнительно малыми массами и могут существовать в свободной форме, а кварки навсегда связаны друг с другом цепями сильного взаимодействия.

Сейчас считается, что они могут существовать только парами — тогда кварки формируют частицы, называемые мезонами, или тройками — такие частицы называются барионами (например, протон и нейтрон — это как раз адроны, каждый из них составлен из трех кварков). Но после того, как на коллайдерах были открыты частицы, составленные из четырех и пяти кварков, классические представления Стандартной модели уже кажутся неполными.

— Как и когда были открыты сами кварки?

— В середине 60-х годов прошлого века знали уже много элементарных частиц, но совершенно не понимали, как они устроены. Были протоны, были нейтроны, на ускорителях и в космических лучах нашли пи-мезоны, K-мезоны, и вот в 1964 году американский физик Мари Гелл-Ман предложил простую теорию, в которой все эти элементарные частицы можно было составить всего из трех разных кварков. Постепенно их число увеличили до шести, внутри тех же протонов, действительно, нашли «неоднородности», которые отождествили с кварками, но их самих в свободном состоянии никто до сих пор не видел. Это называется конфайнментом: выбить одиночный кварк из мезона или адрона, по современным представлениям, просто невозможно.

— Почему кварки невозможно разделить?

— Кварки сцеплены между собой сильным взаимодействием, и, когда мы пытаемся их растащить, они начинают притягиваться друг к другу все больше. Такое сложно представить, но это свойство природы. Когда мы разводим два электрических заряда, они взаимодействуют все слабее, когда ракета выходит в космос, она все меньше притягивается к Земле — это свойства гравитационного и электромагнитного взаимодействий, а вот с сильным все наоборот. Чтобы развести кварки, нам нужно вложить в систему столько энергии, что ее уже хватит на появление новых кварков, которые мгновенно опять соберутся в пары и тройки с первоначальными кварками. Поэтому в физике элементарных частиц введена особая величина, называемая цветовым зарядом. Сами кварки могут быть красными, синими, зелеными или антикрасными, антисиними и антизелеными, а в природе они могут наблюдаться только в составе бесцветных комбинаций: парами, тройками или даже четверками, как в случае нашей новой частицы. Например, протон состоит из двух верхних кварков — одного синего и одного красного – и одного нижнего кварка зеленого цвета. В результате из трех цветов получается бесцветная комбинация.

— Получается, кварки могут в буквальном смысле появляться из ниоткуда? Просто рождаться из сгустков энергии?

— Да. Каждая элементарная частица — это в некотором смысле просто масса или, что то же самое, энергия. При этом многие из них по меркам макроскопического мира живут очень мало, исчезающие доли секунды. После этого они распадаются, и из этой же самой энергии образуются другие частицы. Например, пи-мезон распадается на мюон и нейтрино, нейтрон в свободном состоянии — на протон, электрон и нейтрино, а бозон Хиггса умеет распадаться даже разными способами: он может развалиться на пару прелестных кварков, на пару фотонов, на пару Z-бозонов и т.д. Так что элементарные частицы постоянно распадаются, превращаясь в небольшое количество стабильных, долгоживущих частиц, таких как электрон, фотон, нейтрино и протон.

Ускоритель «Тэватрон», на котором была открыта новая частица. Фото: Reidar Hahn/Fermilab

— Как открыли новый тетракварк?

— Это произошло на коллайдере «Тэватрон», который расположен в США неподалеку от Чикаго. Правда, сам ускоритель закончил работу еще в 2011 году, но экспериментальные данные с него до сих пор до конца не обработаны, и именно в них увидели следы рождения тетракварка. В экспериментах на «Тэватроне» протоны и антипротоны разгоняли до колоссальных скоростей, сталкивали их и смотрели, что будет происходить. После столкновения всегда рождаются сотни частиц, которые разлетаются во все стороны и затем начинают распадаться. В результате на расположенные в разных точках ускорителя детекторы приходят потоки частиц с разными энергиями, и именно в этих данных ученые ищут историю развития событий. Например, можно накладывать различные кинетические ограничения: «отсматривать» частицы, летящие только в определенном направлении или с определенной массой. Здесь очень важно понимать, что ты ищешь, потому что просто перебрать все варианты невозможно. Поэтому мы, экспериментаторы, цепляемся за какие-то наводки теоретиков или других экспериментаторов и ищем, уже исходя из них. В случае тетракварка мы увидели в конечном спектре масс частиц характерный пик, соответствующий распаду одной изначальной частицы на пять заряженных частиц с общей энергией примерно в 5,5 ГэВ. Это и есть наш тетракварк, который в несколько этапов распадается на пять заряженных частиц: два мюона, два K-мезона и один пи-мезон.

— Насколько вы уверены, что это действительно тетракварк, а не шумы?

— Сначала мы тоже сомневались в результатах и думали, что это не сигнал, а фон, но после полугода исследований мы уверены в результате настолько, что решили его опубликовать. Например, мы знаем, что на первом этапе наша частица превратилась в пи-мезон и B-мезон. При этом распад шел так быстро, что за него может отвечать только сильное взаимодействие, а оно не меняет типы кварков. Поэтому мы уверены, что первоначальная частица состояла из точно тех же четырех кварков, что и два образовавшихся из нее мезона. Мы проанализировали около 10 миллиардов событий и нашли 130 случаев, когда образовался тетракварк. Вероятность того, что фоновые события сымитируют увиденный нами пик составляет всего один шанс из шести миллионов. Такая малая вероятность считается в научной среде достаточной, чтобы сделать «заявку» на открытие новой частицы.

— А может так оказаться, что это не тетракварк, а, например, своеобразный атом из двух близкорасположенных мезонов?

— Здесь нам немного помогают теоретики. Они могут посчитать энергию связи в таком атоме, и, оказывается, она относительно маленькая — на уровне 5—10 МэВ. То есть такой гипотетический объект легко разорвать на два мезона, а в нашем случае энергия связи составляет около 100 МэВ — это жесткий, сильно связанный объект. Таких устойчивых молекул скорее всего не бывает. Так что, скорее всего, это именно четыре кварка, плотно связанных между собой в одну частицу.

— На других ускорителях уже тоже открывали тетракварки и пентакварки. Новая частица похожа на них?

— Да, на Большом адронном коллайдере (БАК) нашли пентакварк , на ускорителе KEKB в Японии — тетракварк Z(4430), в других экспериментах тоже находили похожие частицы. Кстати, изначально мы тоже охотились за тем самым пентакварком, который нашли на БАК, но нам не хватило статистики, и мы стали искать частицы с немного другими энергиями — применили экспериментальную интуицию. Z(4430) же немного легче нашего и состоит из других кварков: очарованного кварка, очарованного антикварка, верхнего и нижнего. Это все кварки первого и второго поколения, то есть сравнительно легкие и распространенные. А в нашей частице вместо очарованных кварка и антикварка есть странный кварк из второго поколения и тяжелый прелестный кварк из третьего.

— Такой состав стал неожиданностью?

Знаете, сейчас вообще не существует хорошей модели, которая бы объясняла, как образуются или распадаются частицы из более чем трех кварков. Поэтому каждое новое открытие становится сюрпризом и несет очень много полезной информации.

Экспериментаторы ищут как можно больше новых частиц с новым строением, а теоретики думают над моделью, которая может объяснить такую многокварковую конфигурацию. Теперь мы показали, что единичную частицу могут образовывать кварки сразу трех поколений и четырех разных типов — такого раньше не было.

— Раньше думали, что возможны только двухкварковые и трехкварковые частицы. Теперь открыли тетракварки и пентакварки. Что дальше: ждать ли частиц из шести или, скажем, 10 кварков?

— Теоретически никаких запретов на частицы более чем из трех кварков нет. Но интуиция подсказывает, что если и есть частица, скажем, из шести кварков, то ее масса настолько большая, а время жизни настолько маленькое, что зарегистрировать ее практически невозможно. Это как с химическими элементами в таблице Менделеева. Можно все больше и больше набирать протонов и нейтронов, но в какой-то момент их суммарная масса станет настолько большой, что ядро станет неустойчивым. Такие элементы очень быстро распадаются. Конечно, новые ядра постоянно создают в Дубне, но это становится все сложнее. Подозреваю, что нечто подобное может произойти и с кварками, но только их критическое количество гораздо меньше.

— Почему сейчас стали открывать так много новых частиц?

— Сильно увеличилось количество экспериментов на ускорителях и их возможности. Поэтому за последние 10—12 лет открыли уже несколько десятков новых частиц, и я не исключаю, что дальше будет еще больше. Работает БАК, скоро переоткрывается KEKB в Японии — теперь интенсивность потоков позитронов и электронов, которые там сталкивают, станет выше в 40 раз. Кстати, в 60-е годы прошлого века, по моим оценкам, было найдено несколько десятков частиц, которые до появления кварковой модели безуспешно пытались классифицировать. Так что количественные измерения физиков-экспериментаторов в какой-то момент должны перерасти в качественное понимание, новую теорию. Когда мы только послали нашу статью в журнал и выложили ее препринт, за несколько следующих суток появилось сразу шесть теоретических работ по нашим результатам. Но когда создадут единую модель для новых многокварковых частиц, пока непонятно. Это может занять и несколько лет, и несколько десятков лет.

— Новая теория сможет вписаться в Стандартную модель?

— Скорее всего, это будет расширение Стандартной модели, какая-то новая классификация частиц в ее рамках. Все-таки мы говорим, что тетракварки и пентакварки состоят из тех же самых кварков и скрепляются тем же самым сильным взаимодействием — надо только понять, как это происходит. Правда, может быть, я несколько утрирую: мы же с вами в конечном счете тоже состоим из протонов, нейтронов и электронов, но вряд ли когда-нибудь сможем до конца понять, как из элементарных частиц складывается человек. Так и с новой классификацией: возможно, здесь нужно принципиально новое понимание сил, действующих между кварками.

— А может так оказаться, что сами кварки состоят из других, еще более мелких частиц?

— Это проверяется на каждом новом ускорителе: первым делом физики пытаются «разбить» кварк и заглянуть к нему внутрь. Но пока ничего такого не видно. Кварк остается абсолютно точечной частицей во всех экспериментах. Но лично я уверен, что наверняка есть что-то более глубокое и фундаментальное.

— Каких экспериментальных открытий в области физики элементарных частиц вы ждете больше всего?

— Мне бы очень хотелось увидеть частицу, которая отвечает за темную материю. Это очень интересная загадка, в которой соприкасается астрофизика и физика элементарных частиц. Наблюдения косвенно указывают, что мы можем найти такую частицу на ускорителях или в космических лучах. Кстати, я сейчас в CERN оцениваю проекты будущих экспериментов на БАК и вижу, что все самые современные результаты физики элементарных частиц отлично согласуются со Стандартной моделью. Так что принципиально новую физику нужно искать именно в темной материи — сложно пока представить, чтобы ее можно было описать в рамках Стандартной модели.

 Михаил Петров

Физика фундаментальных взаимодействий и элементарных частиц — Школа фундаментальной физики МФТИ

Программа готовит специалистов в области физики элементарных частиц — одного из ключевых направлений современной фундаментальной науки.

Особенностью программы служит уникальная для студентов возможность участвовать в реальной научной деятельности уже с младших курсов и начать работать под руководством ведущих ученых мира в современных международных экспериментах, в частности, на установках Большого адронного коллайдера (ATLAS, CMS), (супер-)B-фабриках Belle и Belle II, детекторе нейтрино DANSS, в экспериментах по поиску безнейтринного распада мюона COMET, принять участие в создании установок для будущего Международного линейного коллайдера.

Для студентов, проходящих обучение по программе, обязательными являются как экспериментальные, так и теоретические курсы, вне зависимости от того, какую специализацию они выбрали. В программе — квантовая теория поля, теория сильных и электрослабых взаимодействий, экспериментальная физика субатомных частиц, физика нейтрино, текущие и проектируемые эксперименты в физике элементарных частиц.

Лекции, в том числе о современных научных достижениях, еще не успевших войти в вузовские учебники, читают пять членов Российской академии наук, доктора и кандидаты наук.

Все студенческие исследования, бакалаврские и магистерские работы, основываются на актуальных данных работающих экспериментов. Студенты принимают участие в престижных международных конференциях, публикуют статьи в ведущих международных научных журналах.

Для студентов, демонстрирующих высокие результаты, имеется возможность трудоустройства. Участие преподавателей кафедры в международных проектах позволяет организовывать стажировки в ведущих мировых научных центрах для наиболее активных студентов.

Программу возглавляет действительный член РАН доктор физико-математических наук лауреат престижных международных премий им М.Планка и А.П.Карпинского профессор Михаил Владимирович Данилов.

Фермилаб | Наука | Вопросы для Вселенной | Мир частиц

Мы открыли три семейства кварков и лептонов, семейства элементарных частиц, которые различаются только массами, которые варьируются от менее одной миллионной массы электрона до массы атома золота. Так же, как квантовая механика привела к пониманию организации периодической таблицы, мы ищем новые теории, чтобы объяснить структуру элементарных частиц. Почему существуют три семейства частиц и почему их массы так сильно различаются?

Текущие исследования сосредоточены на создании детальной картины существующих паттернов в мире частиц.Был достигнут значительный прогресс, особенно в характеристике кварков. Но почему паттерны для лептонов и кварков совершенно разные? Подробные исследования кварков и лептонов в экспериментах на ускорителях дадут самое ясное представление об этих проблемах.

Инструменты для научной революции

Физики определили 57 видов элементарных частиц. В частности, Стандартная модель содержит кварки и лептоны, сгруппированные в три семейства, которые различаются только массой.Почему структура частиц повторяется трижды с огромными вариациями массы, но с другими, казалось бы, идентичными свойствами, остается открытым вопросом. Квантовая физика показала, что три семейства — это минимум, необходимый для учета CP-нарушения в Стандартной модели. Такое CP-нарушение необходимо для преобладания материи над антивеществом во Вселенной, но его эффекты, наблюдаемые до сих пор, недостаточны для объяснения этого преобладания. Текущая программа экспериментов направлена ​​на развитие детального понимания существующих паттернов и поиск признаков того, что паттерны трех семейств не идентичны.

Даже после того, как Тэватрон был выключен, эксперименты CDF и DZero на Тэватроне, которые регистрировали столкновения до сентября 2011 года, продолжают предоставлять информацию о топ-кварке и проверять, придает ли его огромная масса особую роль в мире частиц. В экспериментах BaBar и Belle в SLAC и KEK использовались их выборки данных, содержащие миллионы b- и c-кварков, а также τ-лептоны, для проведения точных измерений масс и мод распада всех этих объектов с целью поиска тонких отклонения от предсказанных закономерностей их распада.Частицы третьего поколения — верхние, нижние и тау-частицы — дают лучшую надежду на открытие, потому что их большие массы позволяют им наиболее эффективно взаимодействовать с неизведанной физикой.

BaBar и Belle могли изучать только два типа B-мезонов, связанные состояния нижнего кварка с верхним или нижним кварком. Однако многие теории предполагают значительные эффекты в связанном состоянии со странным кварком B s . Физики на Тэватроне провели важные измерения свойств мезона B s и обнаружили самые быстрые из когда-либо наблюдавшихся колебаний материя-антивещество.Эксперимент LHCb исследует мезон B s с гораздо большей точностью.

Свойства отдельных кварков экспериментально трудно изучать, потому что они всегда связаны с другими кварками. Вычислительные средства на решетке открывают большие перспективы для расчета эффектов сильных взаимодействий. Например, расчеты решетки обеспечат достаточную точность для извлечения параметров кварков, таких как те, которые описывают смешивание ароматов, из экспериментальных данных.

Нейтрино открыли удивительное новое окно в физике генераций лептонов, поскольку массы нейтрино не нужны в Стандартной модели. Присутствие масс нейтрино может говорить нам кое-что о физике, выходящей за рамки Стандартной модели. Свойства распада легких лептонов, электрона и мюона также могут преподнести сюрпризы. Фермилаб проводит амбициозную исследовательскую программу для более подробного изучения секретов этих частиц.

DOE Объясняет…Стандартная модель физики элементарных частиц

Стандартная модель физики элементарных частиц — лучшая в настоящее время теория ученых для описания самых основных строительных блоков Вселенной. Это объясняет, как частицы, называемые кварками, (которые составляют протоны и нейтроны) и лептоны (включая электроны), составляют всю известную материю. Это также объясняет, как частицы, несущие силу, которые принадлежат к более широкой группе из бозонов , влияют на кварки и лептоны.

Стандартная модель объясняет три из четырех фундаментальных сил, управляющих Вселенной: электромагнетизм, сильное взаимодействие и слабое взаимодействие. Электромагнетизм переносится фотонами и включает взаимодействие электрических и магнитных полей. Сильная сила, которую переносят глюоны, связывает атомные ядра, делая их стабильными. Слабое взаимодействие, переносимое бозонами W и Z, вызывает ядерные реакции, которые приводили в действие наше Солнце и другие звезды на протяжении миллиардов лет. Четвертая фундаментальная сила — это гравитация, которую Стандартная модель не дает адекватного объяснения.

Несмотря на успех в объяснении Вселенной, Стандартная модель имеет ограничения. Например, бозон Хиггса придает массу кваркам, заряженным лептонам (например, электронам) и бозонам W и Z. Однако мы еще не знаем, придает ли бозон Хиггса массу нейтрино — призрачные частицы, которые очень редко взаимодействуют с другим веществом во Вселенной. Кроме того, физики понимают, что около 95 процентов Вселенной состоит не из обычной материи, как мы ее знаем.Вместо этого большая часть Вселенной состоит из темной материи, и темной энергии, , которые не вписываются в Стандартную модель.

Департамент науки Министерства энергетики: вклад в стандартную модель физики элементарных частиц

Министерство энергетики имеет долгую историю поддержки исследований фундаментальных частиц. Пять из шести типов кварков, один тип лептона и все три нейтрино были обнаружены в национальных лабораториях Министерства энергетики США. Исследователи, поддерживаемые Управлением науки Министерства энергетики США, часто в сотрудничестве с учеными со всего мира, внесли свой вклад в открытия и измерения, получившие Нобелевскую премию, которые уточнили Стандартную модель.Эти усилия продолжаются и сегодня, с экспериментами, которые позволяют проводить прецизионные испытания Стандартной модели и улучшать измерения свойств частиц и их взаимодействия. Теоретики работают с учеными-экспериментаторами, чтобы найти новые пути исследования Стандартной модели. Это исследование может также дать представление о том, какие неизвестные частицы и силы могут объяснить темную материю и темную энергию, а также объяснить, что случилось с антивеществом после большого взрыва.

Стандартная модель физики элементарных частиц

  • Вся обычная материя, включая каждый атом периодической таблицы элементов, состоит только из трех типов частиц материи: верхних и нижних кварков, которые составляют протоны и нейтроны в ядре, и электроны, окружающие ядро.
  • Создание полной стандартной модели заняло много времени. Физик Дж. Дж. Томсон открыл электрон в 1897 году, а ученые на Большом адронном коллайдере нашли последний кусок головоломки, бозон Хиггса, в 2012 году.

Ресурсы и связанные термины

Благодарности

Авторы: Hitoshi Murayama (Калифорнийский университет в Беркли и США). LBNL) и Курта Рисельмана (Fermilab)

Научные термины могут сбивать с толку. DOE Explains предлагает простые объяснения ключевых слов и концепций фундаментальной науки.В нем также описывается, как эти концепции применяются к работе, которую проводит Управление науки Министерства энергетики США, поскольку это помогает Соединенным Штатам преуспевать в исследованиях по всему научному спектру.

Элементарная частица — Энциклопедия Нового Мира

«Фундаментальная частица» перенаправляется сюда.
Стандартная модель элементарных частиц.

В физике элементарных частиц элементарная частица или элементарная частица — это частица, не имеющая субструктуры, насколько известно; то есть неизвестно, состоит ли он из более мелких частиц.Частицы, не имеющие субструктуры, можно рассматривать как основные строительные блоки Вселенной, из которых состоят все другие частицы.

Исторически адроны (мезоны и барионы, такие как протон и нейтрон) и даже целые атомы когда-то считались элементарными частицами. В Стандартной модели кварки, лептоны и калибровочные бозоны являются элементарными частицами.

Центральное место в теории элементарных частиц занимают концепции «квантов» и «дуальности волна-частица», которые произвели революцию в понимании частиц и электромагнитного излучения и привели к возникновению квантовой механики.

Обзор

Все элементарные частицы являются либо бозонами, либо фермионами (в зависимости от их спина). [1] [2] Теорема спиновой статистики определяет результирующую квантовую статистику, которая отличает фермионы от бозонов. Согласно этой методологии: частицы, обычно связанные с материей, являются фермионами с полуцелым спином; они разделены на 12 вкусов. Частицы, связанные с фундаментальными силами, являются бозонами с целым спином. [3]

Кварки — вверх, вниз, очарование, странное, вверху, внизу
Лептоны — электронное нейтрино, электронное, мюонное нейтрино, мюон, тауонное нейтрино, тауон
Калибровка бозоны — глюон, W- и Z-бозоны, фотон
Другие бозоны — бозон Хиггса, гравитон

Стандартная модель

Стандартная модель физики частиц содержит 12 разновидностей элементарных фермионов плюс соответствующие им античастицы, как а также элементарные бозоны, которые являются посредниками сил, и еще не обнаруженный бозон Хиггса.Однако Стандартная модель считается скорее временной теорией, чем действительно фундаментальной, поскольку она принципиально несовместима с общей теорией относительности Эйнштейна. Вероятно, существуют гипотетические элементарные частицы, не описываемые Стандартной моделью, такие как гравитон, частица, несущая гравитационную силу, или частицы, суперсимметричные партнеры обычных частиц.

Основные фермионы

12 основных фермионных ароматов разделены на три поколения по четыре частицы в каждом.Шесть частиц — кварки. Остальные шесть — лептоны, три из которых являются нейтрино, а остальные три имеют электрический заряд -1: электрон и два его кузена, мюон и тауон.

9015 9015 нейтрино
Поколения частиц
Лептоны
Первое поколение Второе поколение Третье поколение
82 Имя
82 Символ Имя Символ
электрон e мюон μ tauon — νe мюонное нейтрино νμ тауонное нейтрино ντ
Кварки
9016 Второе поколение q uark u очаровательный кварк c верхний кварк t
нижний кварк d странный кварк s нижний кварк

Есть также 12 фундаментальных фермионных античастиц, которые соответствуют этим 12 частицам.Антиэлектрон (позитрон) e + является античастицей электрона и имеет электрический заряд +1 и так далее:

90 151
Поколения частиц
Антилептоны
Первое поколение Второе поколение Третье поколение
Имя Символ Имя Символ Имя Символ 901 ) e + мюон μ + тауон τ +
электронный антинейтрино νe мюон 16 9016ν1 антинейтрино 50
Антикварки
Первое поколение Второе поколение Третье поколение
up antiquark u charm antiquark c top antiquark 50 t d странный антикварк s нижний антикварк b
кварки

Кварки и антикварки никогда не обнаруживались изолированными, что объясняется ограничением.Каждый кварк несет один из трех цветовых зарядов сильного взаимодействия; антикварки также несут антицвет. Цветные заряженные частицы взаимодействуют посредством обмена глюонами так же, как заряженные частицы взаимодействуют посредством обмена фотонами. Однако глюоны сами по себе имеют цветной заряд, что приводит к усилению сильной силы по мере разделения цветных заряженных частиц. В отличие от электромагнитной силы, которая уменьшается по мере разделения заряженных частиц, цветные заряженные частицы ощущают возрастающую силу.

Однако цветные заряженные частицы могут объединяться с образованием композитных частиц нейтрального цвета, называемых адронами.Кварк может образовывать пары с антикварком: кварк имеет цвет, а антикварк имеет соответствующий антицвет. Цвет и антицвет уравновешиваются, образуя нейтральный по цвету мезон. В качестве альтернативы, три кварка могут существовать вместе: один кварк является «красным», другой — «синим», а третий — «зеленым». Эти трехцветные кварки вместе образуют барион нейтрального цвета. Симметрично, три антикварка с цветами «антикрасный», «антисиний» и «антизеленый» могут образовывать антибарион с нейтральным цветом.

Кварки также несут дробные электрические заряды, но поскольку они заключены в адронах, все заряды которых являются целыми, дробные заряды никогда не выделялись.Обратите внимание, что кварки имеют электрические заряды либо +2/3, либо -1/3, тогда как антикварки имеют соответствующие электрические заряды -2/3 или +1/3.

Свидетельства существования кварков дает глубоконеупругое рассеяние: запуск электронов в ядра для определения распределения заряда внутри нуклонов (которые являются барионами). Если заряд однороден, электрическое поле вокруг протона должно быть однородным и электрон должен упруго рассеиваться. Электроны с низкой энергией рассеиваются таким образом, но выше определенной энергии протоны отклоняют некоторые электроны на большие углы.Отдающийся электрон имеет гораздо меньшую энергию и испускается струя частиц. Это неупругое рассеяние предполагает, что заряд протона не однороден, а разделен между более мелкими заряженными частицами: кварками.

Фундаментальные бозоны

В Стандартной модели векторные (спин-1) бозоны (глюоны, фотоны и бозоны W и Z) являются посредниками сил, в то время как бозон Хиггса (спин-0) отвечает за частицы, имеющие собственная масса.

Глюоны

Глюоны являются медиаторами сильного взаимодействия и несут как цвет, так и антицвет.Хотя глюоны безмассовые, они никогда не наблюдаются в детекторах из-за ограничения цвета; скорее, они производят струи адронов, подобные одиночным кваркам. Первое свидетельство существования глюонов было получено в результате аннигиляции электронов и антиэлектронов при высоких энергиях, которая иногда приводила к образованию трех струй — кварка, антикварка и глюона.

Электрослабые бозоны

Есть три слабых калибровочных бозона: W + , W и Z 0 ; они опосредуют слабое взаимодействие.Безмассовый фотон опосредует электромагнитное взаимодействие.

Бозон Хиггса

Хотя слабые и электромагнитные силы кажутся нам совершенно разными при обычных энергиях, предполагается, что эти две силы объединяются в одну электрослабую силу при высоких энергиях. Это предсказание было четко подтверждено измерениями сечений рассеяния электрон-протонов высоких энергий на коллайдере HERA в DESY. Различия при низких энергиях являются следствием больших масс бозонов W и Z , которые, в свою очередь, являются следствием механизма Хиггса.В процессе спонтанного нарушения симметрии Хиггс выбирает особое направление в электрослабом пространстве, в результате чего три электрослабые частицы становятся очень тяжелыми (слабые бозоны), а одна остается безмассовой (фотон). Хотя механизм Хиггса стал принятой частью Стандартной модели, сам бозон Хиггса еще не наблюдался в детекторах. Косвенные доказательства существования бозона Хиггса предполагают, что его масса может составлять около 117 ГэВ или даже достигать 251 ГэВ. [4] В этом случае эксперименты на Большом адронном коллайдере (LHC) могут обнаружить этот последний недостающий элемент Стандартной модели.

За пределами Стандартной модели

Хотя все экспериментальные данные подтверждают предсказания Стандартной модели, многие физики считают эту модель неудовлетворительной из-за ее множества неопределенных параметров, большого количества фундаментальных частиц, отсутствия наблюдения бозона Хиггса и других факторов. теоретические соображения, такие как проблема иерархии. За пределами Стандартной модели существует множество спекулятивных теорий, которые пытаются исправить эти недостатки.

Великое объединение

Одно из расширений Стандартной модели пытается объединить электрослабое взаимодействие с сильным взаимодействием в единую «теорию великого объединения» (GUT).Такая сила будет спонтанно разделена на три силы механизмом, подобным Хиггсу. Самым драматичным предсказанием великого объединения является существование бозонов X и Y, которые вызывают распад протона. Однако отсутствие наблюдения за распадом протона в Супер-Камиоканде исключает простейшие GUT, включая SU (5) и SO (10).

Суперсимметрия

Суперсимметрия расширяет Стандартную модель, добавляя дополнительный класс симметрии к лагранжиану. Эти симметрии обменивают фермионные частицы на бозонные.Такая симметрия предсказывает существование суперсимметричных частиц , сокращенно sparticles , которые включают слептоны, скварки, нейтралино и чарджино. Каждая частица в Стандартной модели будет иметь суперпартнера, чей спин отличается на 1/2 от обычной частицы. Из-за нарушения суперсимметрии частицы намного тяжелее своих обычных аналогов; они настолько тяжелы, что существующие коллайдеры частиц не будут достаточно мощными, чтобы их произвести.Однако некоторые физики считают, что частицы будут обнаружены, когда Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе начнет работать.

Теория струн

Теория струн — это физическая теория, в которой все «частицы», составляющие материю, состоят из струн (измеряемых по длине Планка), которые существуют в 11-мерном пространстве (согласно М-теории, ведущей версии ) Вселенная. Эти струны колеблются с разными частотами, которые определяют массу, электрический заряд, цветовой заряд и вращение. Струна может быть открытой (линия) или замкнутой в петлю (одномерная сфера, например круг).Когда струна движется в пространстве, она сметает нечто, называемое мировым листом . Теория струн предсказывает от 1 до 10-бран (1-брана — это струна, а 10-брана — 10-мерный объект), которые предотвращают разрывы в «ткани» пространства, используя принцип неопределенности (например, электрон, вращающийся вокруг водорода у атома есть вероятность, хотя и малая, что он может быть где угодно во Вселенной в любой момент).

Теория струн утверждает, что наша Вселенная представляет собой всего лишь 4-брану, внутри которых существуют 3 пространственных измерения и 1 временное измерение, которые мы наблюдаем.Остальные 6 теоретических измерений либо очень крошечные и свернуты (и слишком малы, чтобы каким-либо образом повлиять на нашу Вселенную), либо просто не существуют / не могут существовать в нашей Вселенной (потому что они существуют в более грандиозной схеме, называемой «мультивселенная», за пределами нашей известной Вселенная).

Некоторые предсказания теории струн включают существование чрезвычайно массивных аналогов обычных частиц из-за колебательных возбуждений фундаментальной струны и существование безмассовой частицы со спином 2, ведущей себя как гравитон.

Теория Преонов

Согласно теории Преонов, существует один или несколько порядков частиц более фундаментальных, чем те (или большинство из них), найденные в Стандартной модели. Наиболее фундаментальные из них обычно называются преонами, которые происходят от «докварков». По сути, теория преонов пытается сделать для Стандартной модели то, что Стандартная модель сделала для существовавшего до нее зоопарка частиц. Большинство моделей предполагают, что почти все в Стандартной модели можно объяснить с помощью трех-полудюжины более фундаментальных частиц и правил, управляющих их взаимодействиями.Интерес к преонам снизился с тех пор, как в 1980-х годах были экспериментально исключены простейшие модели.

См. Также

Примечания

  1. ↑ Джон Р. Гриббин, Мэри Гриббин и Джонатан Гриббин, 2000, Q Is for Quantum: Encyclopedia of Particle Physics. Нью-Йорк: Пробный камень. ISBN 0684863154.
  2. ↑ Джон Кларк, Оуэн Эдвард, 2004, The Essential Dictionary of Science. Нью-Йорк: Barnes & Noble Books. ISBN 0760746168
  3. ↑ Мартинус Дж.Г. Велтман, Мартинус, 2003. Факты и тайны физики элементарных частиц. Ривер Эдж, Нью-Джерси: World Scientific. ISBN 981238149X.
  4. ↑ E.S. Райх и Дж. Хоган, июнь 2004 г., эксперимент Quark предсказывает более тяжелый Хиггс. Новый ученый. Проверено 16 декабря 2008 г.

Ссылки

  • Кларк, Джон Оуэн Эдвард. 2004. Основной научный словарь. Нью-Йорк: Barnes & Noble Books. ISBN 0760746168
  • Фейнман, Ричард Филлипс и Стивен Вайнберг.1987. Элементарные частицы и законы физики: Лекции памяти Дирака 1986 года. Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета. ISBN 0521340004
  • Грин, Брайан. 2003. Элегантная вселенная: суперструны, скрытые измерения и поиски окончательной теории. Нью-Йорк: Нортон. ISBN 0393058581
  • Гриббин, Джон Р., Мэри Гриббин и Джонатан Гриббин. 2000. Q для кванта: энциклопедия физики элементарных частиц. Нью-Йорк: Пробный камень. ISBN 0684863154
  • Шумм, Брюс А.2004. Глубокие вещи: захватывающая красота физики элементарных частиц. Балтимор, Мэриленд: Издательство Университета Джона Хопкинса. ISBN 080187971X
  • Seiden, A. 2005. Физика элементарных частиц: всестороннее введение. Сан-Франциско: Эддисон Уэсли. ISBN 9780805387360

Внешние ссылки

Все ссылки получены 14 сентября 2017 г.


6 солитон · Экситон · Магнон · Фонон · Плазмон · Поляритон · Поларон
Частицы в физике
элементарные частицы Элементарные фермионы: Кварки · d · s · : u · B · t • лептонов : e · μ · τ · ν e · ν μ · ν τ
Элементарные бозоны: Калибровочные бозоны : γ · g · W ± · Z 0 Призраки
Составные частицы Адроны: Барионы (список) / Гипероны / Нуклоны : p · n · Δ · Λ · Σ · · Ω · Ξ b Мезоны (список) / Quarkonia : π · K · ρ · J / ψ ·
Другое: Атомное ядро ​​ Атомы Молекулы Позитроний
Гипотетический элементарный p статьи Суперпартнеры: Аксино · Дилатино · Чарджино · Глюино · Гравитино · Хиггсино · Нейтралино · Сфермион · Слептон · Скварк
Другое: Аксион · Дилатон · Бозон Голдстоуна · Гравитон · бозон Хиггса · Тахион · X · X ‘· Z’
Гипотетические составные частицы Экзотические адроны: Экзотические барионы : Пентакварк • Экзотические мезоны : Глюбол · Тетракварк
Другое: Мезонная молекула

Кредиты

Энциклопедия Нового Света Писатели и редакторы переписали и завершили статью Википедии в соответствии со стандартами New World Encyclopedia .Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с указанием авторства. Кредит предоставляется в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на участников Энциклопедии Нового Света, участников, так и на самоотверженных добровольцев Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних вкладов википедистов доступна исследователям здесь:

История этой статьи с момента ее импорта в энциклопедию Нового Света :

Примечание. могут применяться ограничения на использование отдельных изображений, на которые распространяется отдельная лицензия.

Почему важна физика элементарных частиц | Simry Magazine

Когда загорелся свет и начала вращаться камера, Хайди Шеллман глубоко вздохнула, собралась с мыслями и начала: «Здравствуйте, я Хайди Шеллман, и я физик высоких энергий, работающий в Северо-Западном университете. . Какое влияние на вас оказывают мои исследования? »

Исследования физики элементарных частиц произвели революцию в нашем понимании окружающего мира, объяснила она. Но научные исследования — это больше, чем просто награда.

«Когда физики начинают что-то измерять, нет каталога, из которого можно было бы заказать оборудование. Мы делаем это сами », — сказала она.

«Можно провести аналогию с экспедицией на Эверест. Кто-то из восхождений на Эверест пригодится вам в повседневной жизни? Не на первый взгляд, как бы интересно это ни было само по себе. Но флисовые куртки и дышащие водонепроницаемые ткани были сначала разработаны для серьезных альпинистских экспедиций, а теперь они дешевы и незаменимы.

«Это то, что замечательно в человечестве.Нам нравятся вызовы … и новые инструменты, которые мы создаем для них, имеют долгосрочную ценность ».

В объяснении Шеллмана, записанном в рамках видеопроекта «Почему физика элементарных частиц» на встрече летних исследований сообщества Сноумасс в 2013 году в Миннеаполисе, были изложены некоторые из многих причин важности физики элементарных частиц.

Преимущества этой области охватывают все: от более глубокого понимания человечеством вселенной вокруг нас до приложений в других областях науки, а также в повседневной жизни и до подготовки следующего поколения ученых.

Во многих отношениях воздействие физики элементарных частиц выходит далеко за рамки лаборатории и учебника.

Применение в повседневной жизни

Сегодня инструменты физики элементарных частиц — сложные ускорители, чувствительные детекторы, сетевые вычисления, хранение и анализ больших объемов данных — оказывают значительное и продолжительное влияние на качество жизни людей во всем мире.

«Поскольку физика элементарных частиц задает большие вопросы — я бы сказал, самые большие в науке, — нам нужно новое, уникальное и часто очень крупное оборудование», — говорит Гарри Вертс, физик элементарных частиц из Аргоннской национальной лаборатории.

Многие люди взаимодействуют с технологиями, разработанными или улучшенными физикой элементарных частиц. Возьмем, к примеру, Хизер Броснан, студентку первого курса медицинского факультета Орегонского университета здравоохранения и науки. Большую часть времени в классе Броснан тратит на изучение диагностических инструментов, доступных врачам.

За десятилетия физика элементарных частиц разработала технологии, необходимые для очень точного отслеживания частиц, когда они сталкиваются и трансформируются в сотни других частиц. Этот же тип отслеживания теперь необходим для компьютерной томографии, МРТ и ПЭТ-сканирования, которые позволяют врачу заглянуть внутрь человеческого тела, чтобы увидеть, что не так.

Броснан знает, что после того, как болезнь диагностирована, врач должен определить, как ее лучше лечить. Лекарства, отпускаемые по рецепту, часто являются первым выбором, и многие лекарства разрабатываются на ускорителях частиц, называемых синхротронами, которые возникли в результате исследований физики элементарных частиц. Эти машины на основе ускорителей производят исключительно интенсивные пучки рентгеновских лучей, которые могут определять точную структуру вирусов и мутаций, вызывающих болезнь, и проверять потенциальных кандидатов на лекарства, чтобы найти те, которые с наибольшей вероятностью будут работать.Лекарства, разработанные таким образом, включают Калетру, одно из наиболее назначаемых лекарств от СПИДа, и Тамифлю, противовирусное лечение, замедляющее распространение гриппа.

Физика элементарных частиц также сделала возможными и усовершенствовала другие варианты лечения, включая терапию на основе ускорителей. Ежегодно десятки миллионов пациентов получают рентгеновскую, протонную и ионную терапию для лечения рака в более чем 10 000 больниц и медицинских учреждений по всему миру.

В среднем почти каждый использует продукты или технологии, которые основаны на физике элементарных частиц или были улучшены с ее помощью.

В ноутбуке Броснана есть полупроводники, которые стали меньше и быстрее благодаря производству с использованием ускорителей. В ЦЕРНе разработана технология сенсорного экрана, которая с тех пор была заново изобретена во многих приложениях, включая iPad, который Броснан использует для ввода конспектов лекций. И еще есть Всемирная паутина, изначально разработанная как способ более удобного обмена результатами физики элементарных частиц по всему миру. С момента своего изобретения почти два десятилетия назад Интернет вырос до такой степени, что теперь он стимулирует ежегодный коммерческий трафик почти на 2 триллиона долларов.

«Это не всегда очевидно, но физика элементарных частиц улучшила нашу жизнь, часто в том смысле, который мы считаем само собой разумеющимся», — говорит Броснан.

Технология отслеживания, разработанная для физики элементарных частиц, сделала возможным сканирование МРТ (слева) и ПЭТ (справа).

Фермилаб и Брукхейвенская национальная лаборатория

Заявки в других сферах

Приложения не останавливаются на достигнутом. Знания и инструменты, разработанные в физике элементарных частиц, также позволяют продвигаться в других областях науки, стимулируя развитие биологии, химии, материаловедения и информатики.

Одним из таких инструментов является Scientific Linux, операционная система, используемая для управления ресурсами компьютера и предоставления общих услуг для компьютерных программ. Его основная цель — предоставить исследователям стабильную, безопасную и легко настраиваемую вычислительную платформу.

Управляется и распространяется Fermilab в сотрудничестве с другими лабораториями и университетами, Scientific Linux был загружен более 10 миллионов раз бесплатно. Основанный на открытом исходном коде, предоставленном компанией RedHat, Scientific Linux используется исследователями в лабораториях и университетских группах по всему миру, в том числе под руководством Акеми Мацуно-Яги, биолога из Исследовательского института Скриппса в Калифорнии.Мацуно-Яги зависит от Scientific Linux в своих исследованиях в одной из самых горячих областей биологии: молекулярной медицине.

«Наши исследования не имеют ничего общего с физикой элементарных частиц», — говорит она. «Мы работаем, чтобы понять, как энергия вырабатывается в наших клетках». Для этого ее группа изучает один из важнейших ферментов, известный как Комплекс I, который запускает процесс дыхания клеток. Когда этот процесс идет не так, он может привести к ряду распространенных, но неизлечимых заболеваний, включая нейродегенеративные заболевания, слепоту и спорадическую болезнь Паркинсона.

Мацуно-Яги говорит, что использование ее оборудования и баз данных в Scientific Linux делает ее исследования более эффективными и рентабельными. По словам Мацуно-Яги, если бы она вместо этого использовала проприетарное программное обеспечение, ей пришлось бы обновляться до новейшей версии каждые год или два, что потребовало бы каждый раз переписывать ее собственное программное обеспечение — серьезное мероприятие. Поскольку она использует более стабильный Scientific Linux, она говорит, что ее исследования продвигаются быстрее и плавнее, что в конечном итоге приведет к более быстрому лечению заболеваний, вызванных недостатками Комплекса I.

«Несмотря на то, что то, что мы делаем, не имеет ничего общего с физикой элементарных частиц, мы благодарны этой области за то, что они облегчили нашу работу», — говорит она.

Иллюстрация от Sandbox Studio, Чикаго

Scientific Linux — не единственный инструмент физики элементарных частиц, помогающий в этом направлении исследований. По другую сторону Атлантики группа исследователей из Совета медицинских исследований Соединенного Королевства Леонида Сазанова потратила годы на определение атомной и молекулярной структуры Комплекса I с помощью синхротронов — тех же инструментов физики элементарных частиц, которые использовались при разработке Калетры и Тамифлю.

Поместив Комплекс I в пучок интенсивного рентгеновского излучения синхротрона, Сазанов и его коллеги впервые смогли увидеть его трехмерную структуру.

«Это было бы невозможно без синхротронов», — говорит он. «Другие источники рентгеновского излучения недостаточно сфокусированы или недостаточно интенсивны, чтобы разрешить структуру».

С помощью этого трехмерного изображения Сазанов, как и Мацуно-Яги, теперь работает над тем, чтобы лучше понять деятельность Комплекса I и разработать эффективные методы лечения болезней.

«Инновации рождаются в исследованиях фундаментальной физики, потому что мы стремимся решать« невозможные »проблемы, решения которых выходят за рамки современного уровня техники, — говорит Майкл Пескин, профессор Национальной ускорительной лаборатории SLAC. «Страсть к поиску этих решений проистекает из нашего стремления противостоять наиболее важным проблемам в науке, и эти решения в конечном итоге применяются и в других местах».

Образ мышления

Люди, обученные физике элементарных частиц, развивают уникальный образ мышления.Они знают, как подходить к неизвестному, как решать проблемы, как проектировать собственное оборудование и никогда не сдаваться. Они научились работать с огромными массивами данных и работать в тесном сотрудничестве с людьми со всего мира. И, обладая этими навыками, они продолжают делать великие дела в физике элементарных частиц и не только.

Возьмите Джерома Фридмана. По образованию физик элементарных частиц в лаборатории Беркли, Фридман руководил исследовательской группой по вычислениям в SLAC и, в конечном итоге, стал профессором статистики в Стэнфордском университете.

На этой последней должности Фридман консультировал более 25 компаний, включая eBay, Yahoo, IBM и Ford, помогая им добывать полезную информацию.

«Если у вас огромная база данных, вам часто нужно обучить алгоритм, чтобы узнать, что связывает различные части данных, чтобы при поступлении новых данных вы могли делать различные прогнозы», — говорит он. «Например, если у вас есть база данных медицинских симптомов и диагнозов, вы пытаетесь предсказать болезнь на основе симптомов.”

По словам Фридмана, на протяжении десятилетий физика элементарных частиц была в авангарде больших данных.

«Еще в 1970-х я не мог бы выполнять такого рода работу в неклассифицированной среде где-либо, кроме физики элементарных частиц», — говорит он. «Мы всегда работали над самым большим и самым быстрым».

Этот опыт в сочетании со способностью, которую он научился в физике очень аналитически мыслить о проблемах, изменил его карьеру, говорит Фридман.

Он не одинок.Другие физики элементарных частиц сделали весьма успешную карьеру в Google, Nielsen, NASA, Shell и многих других компаниях. Навыки, приобретенные в области физики элементарных частиц, включая компьютерное программирование, анализ данных, статистический анализ, коммуникацию в разных областях знаний и на разных континентах, техническое письмо и управление, сделали их ценными бумагами в новых областях.

«Навыки, полученные в области физики элементарных частиц, особенно хорошо учат людей решать проблемы, — говорит Микеланджело Д’Агостино, бывший физик элементарных частиц, который сейчас работает в компании Braintree, занимающейся обработкой платежей по кредитным картам.

«В мире, который постоянно меняется, способность решать сложные количественные задачи и никогда не предполагать, что что-либо невозможно, действительно отличает физиков элементарных частиц».

Иллюстрация от Sandbox Studio, Чикаго

Открытие науки

Конечно, главная цель физики элементарных частиц — узнать о Вселенной вокруг нас. За последние полвека физики, работающие с частицами, сформулировали Стандартную модель, красивую основу, которая объясняет видимую Вселенную от мельчайших до самых больших масштабов.Эта модель с ее элементарными частицами и силами, действующими между ними, успешно описывает почти всю видимую материю, которую физики элементарных частиц видели в своих экспериментах до сих пор — огромное достижение.

Но это еще не все. Как выразился теоретик Хитоши Мураяма из Калифорнийского университета в Беркли, «Вселенная — это более глубокая загадка, чем Стандартная модель».

Темная материя и темная энергия составляют колоссальные 95 процентов Вселенной, но ученые все еще пытаются выяснить их происхождение и то, из чего они сделаны.

Физики элементарных частиц разрушают эту тьму, используя множество инструментов и экспериментов, как больших, так и малых. Другие члены сообщества исследуют секреты нейтрино, чрезвычайно крошечной распространенной частицы, которая, как считается, сыграла важную роль в эволюции Вселенной. Другие углубляются в изучение поля Хиггса, которое предположительно дает элементарным частицам их массу, или в поисках неоткрытых принципов природы. Третьи ищут доказательства наличия дополнительных измерений пространства, открытие, которое изменило бы наше понимание как рождения, так и эволюции Вселенной.

И это только верхушка айсберга.

Благодаря этим и другим направлениям исследований физики элементарных частиц изучают, как работают и взаимодействуют самые основные строительные блоки природы. Это не только позволяет нам понять, как и почему возникает Вселенная вокруг нас, но также дает нам возможность контролировать эти строительные блоки и разрабатывать новые материалы, новые приложения и новые отрасли.

«Это особенное время, чтобы стать физиком», — говорит Кристофер Хилл, профессор физики в Университете штата Огайо.«Есть очень веские причины ожидать открытия — или открытий — в будущих исследованиях».

Иллюстрация от Sandbox Studio, Чикаго

Еще впереди

Физики элементарных частиц задают самые большие научные вопросы, которые только можно вообразить, а затем придумывают способы ответить на эти вопросы. И если инструментов, необходимых для ответа на эти вопросы, еще не существует, что ж, физики элементарных частиц разработают то, что необходимо.

Это упорство, а также знания и инструменты, проистекающие из него, показали, как устроена Вселенная, оказали существенное влияние на другие области науки, улучшили повседневную жизнь людей во всем мире и подготовили новое поколение ученых и специалистов в области вычислительной техники.

Будущие проекты потребуют новых знаний и новых технологических решений, решающих проблемы, которые мы еще не можем себе представить. Вернувшись в Snowmass на встрече в Миссисипи, физик Фермилаборатории Герман Уайт, который также записал видео для проекта «Почему физика элементарных частиц имеет значение», довел до конца эту мысль.

«Открытия в физике элементарных частиц составляют большую часть фундаментальной базы знаний, необходимой для работы многих систем в нашем сложном мире», — сказал он. «Это дает нам возможность решать проблемы, о которых мы даже не подозреваем.”


Чтобы посмотреть, как Хайди Шеллман, Герман Уайт и 27 других физиков элементарных частиц рассказывают, почему физика элементарных частиц имеет значение для них и всего мира, посетите канал YouTube Simmetry .

Предоставлено Fermilab

Элементарная частица — обзор

7.1 Колебания нейтрино на Солнце

Солнце сыграло центральную роль в подтверждении экзотического процесса в физике элементарных частиц, а именно изменений в идентификации нейтрино по мере его распространения.

В 1931 году Вольфганг Паули, немецкий физик-теоретик, постулировал существование неизвестной элементарной частицы для объяснения недостающего импульса в событиях радиоактивного бета-распада.Эта гипотетическая частица не имела ни массы, ни заряда, но двигалась со скоростью света. Он будет настолько слабо взаимодействовать с плотной материей, что сможет пройти сквозь Землю, не отклоняясь. Его итальянский американский коллега Энрико Ферми назвал его «нейтрино», или маленький нейтрон.

Нейтрино также использовалось в поисках объяснения источника излучаемой энергии Солнца. В 1938 году Ганс Бете и Чарльз Критчфилд построили цепочку ядерных реакций, которая превращает четыре протона в ядро ​​гелия с испусканием одного нейтрино и 26.7 МэВ энергии в гамма-лучах. Их работа принесла им Нобелевскую премию по физике 1967 года только после того, как существование нейтрино было доказано.

Пройдет двадцать пять лет, прежде чем эта неуловимая частица будет обнаружена. Клайд Коуэн и Фредерик Райнс (Лос-Аламосская национальная лаборатория) в 1951 году осознали, что ядерный реактор будет испускать интенсивные потоки антинейтрино, которые отличаются от обычных нейтрино только направлением своего рода спина. (У каждой элементарной частицы есть двойник с одинаковой массой, но разным электрическим зарядом или спином.) Если бы они могли улавливать антинейтрино, они бы доказали существование нейтрино. Их эксперимент в 1956 году на реакторе в Саванне, штат Джорджия, оказался успешным: электронные нейтрино — настоящие частицы.

Это подтверждение открыло путь к проверке справедливости теории Бете – Кричфилда о производстве солнечной энергии. В 1963 году Рэй Дэвис и Джон Бахколл (Брукхейвенская национальная лаборатория) составили план критического эксперимента. Дэвис был экспериментатором, а Бахколл — теоретиком. Они планировали подсчитать солнечные антинейтрино и сравнить теорию с наблюдениями.

Дэвис использовал резервуар на 100 000 галлонов с тетрахлорэтиленом (обычная жидкость для химической чистки) в качестве детектора антинейтрино. Чтобы избежать ложных сигналов от космических лучей, Дэвис установил свой резервуар на глубине 1500 м в Золотом руднике Хоумстейк в Южной Дакоте. Проходящее нейтрино могло превратить атом хлора-37 в радиоактивный атом аргона-37 с исчезающе малой вероятностью. Дэвис изобрел чрезвычайно чувствительную технику сбора атомов аргона-37 примерно каждые 2 месяца путем промывки своего резервуара гелием.Ему удалось обнаружить отдельные атомы аргона. Используя лучшую модель недр Солнца и объединив ее с теорией BC, Бахколл вычислил скорость захвата нейтрино, которую Дэвис должен проверить, верна ли теория BC. Он предсказал около двух поимок в неделю.

Дэвис проводил свой эксперимент в течение 5 лет, пока у него не было достаточно уловов, чтобы сравнить с теорией. Его предварительные результаты в 1968 году показали, что показатель в три раза меньше, чем предсказывала теория. Где пропавшие нейтрино? Его результат спровоцировал серьезный кризис в звездной и ядерной физике.

В течение следующих двух десятилетий Дэвис тщательно изучил свои процедуры и уточнил свои оценки возможной экспериментальной ошибки. Бахколл исследовал возможные источники ошибок в своих расчетах. К ним относятся неопределенности в сечениях ядерных реакций и в теоретических моделях недр Солнца. Ничто не могло объяснить трехкратное расхождение. Дэвис продолжал свой эксперимент до 1984 года.

Тем временем в других местах было сделано несколько открытий, связанных с проблемой солнечных нейтрино.Второй тип нейтрино, связанный с мюонной частицей, был открыт в 1962 году тремя учеными из ЦЕРНа. Они обстреляли цель мощным пучком протонов, чтобы произвести измеримые мюонные нейтрино. Третий тип частиц с малой массой, тау-частица, был обнаружен в 1978 году Стэнфордским центром линейных ускорителей, а нейтрино — в 2000 году в ЦЕРНе.

Когда были опубликованы первые результаты эксперимента Хоумстейк, Бруно Понтокорво и Владимир Грибов предложили радикальное решение проблемы солнечных нейтрино: нейтрино могут колебаться между тремя «ароматами»: электроном, мюоном и тауоном.(Это было возможно в странном мире квантовой механики.) Если солнечные нейтрино прибудут на Землю в виде мюонных или тауонных нейтрино, бак Дэвиса их не обнаружит. Физики элементарных частиц были настроены скептически, и проверить эту идею было невозможно.

В любом случае следовало найти более правдоподобное решение. Производство электронных нейтрино чрезвычайно чувствительно к распределению температуры внутри Солнца. Может ли неопределенность в температуре объяснить недостающие нейтрино?

Гелиосейсмология — это метод использования наблюдаемых колебаний солнечной поверхности для определения свойств солнечной недр.Есть два способа сделать это. В прямом методе вычисляется солнечная модель температур и плотностей и предсказываются частоты колебаний многих различных мод. Затем сравнивают предсказанные и наблюдаемые частоты и модифицируют модель, пока они не совпадут. В обратном методе используется тот факт, что акустические моды разной частоты преломляются (внутренне отражаются) на разных расстояниях от центра Солнца. Следовательно, можно комбинировать режимы для измерения скорости звука (и, следовательно, температуры) на выбранной глубине Солнца.Если эмпирические и модельные температуры не совпадают, модель необходимо изменить.

Поскольку качество и продолжительность наблюдений неуклонно улучшались в течение последних двух десятилетий, согласие между эмпирическим и расчетным распределениями скорости звука совпадало с точностью до 0,1% на большей части глубины Солнца. Такая точность исключает возможность того, что неопределенность температуры является причиной проблемы солнечных нейтрино.

Этот вывод подтвердил идею Понтокорво о том, что нейтрино колеблются между тремя типами, когда они распространяются от центра Солнца к Земле.Единственный способ проверить идею — это подсчитать разные типы. Именно это и сделали две нейтринные обсерватории: одна в Садбери, Канада, а другая в Камиоке, Япония. Нейтринная обсерватория Садбери считает только электронные нейтрино, тогда как японская нейтринная обсерватория считает сумму всех трех типов. По разнице в счетах можно было определить долю мюонных и тауонных нейтрино. Оказалось, что только треть всех нейтрино, приходящих с Солнца, являются электронными нейтрино; остальные две трети поступают в виде мюонных или тауонных нейтрино.Физики вздохнули с облегчением. Обнаружены недостающие нейтрино; Теория производства энергии Бете-Критчфилда верна!

Однако возникла новая проблема. Стандартная теория физики элементарных частиц предполагала, что нейтрино не имеют массы покоя, тогда как наблюдаемые колебания ароматов требуют, чтобы они действительно имели массу. Задача состоит в том, чтобы определить их массу. Сложность в том, что каждый аромат не имеет постоянной массы, поскольку он движется через материальное тело, такое как Солнце.Вместо этого каждый аромат имеет суперпозицию трех абсолютных масс с разными вероятностями. По состоянию на 2016 год было известно, что сумма трех масс меньше 10 −6 массы электрона.

Факты и тайны физики элементарных частиц в Apple Books

Описание издателя

Эта книга представляет собой исчерпывающий обзор современной физики элементарных частиц, доступный любому, кто искренне желает знать, как устроена Вселенная.Нас знакомят с известными частицами мира, в котором мы живем. Элегантное объяснение квантовой механики и теории относительности открывает путь к пониманию законов, управляющих физикой элементарных частиц. Эти законы применяются в мире ускорителей, коллайдеров и детекторов, которые используются в таких учреждениях, как CERN и Fermilab, которые находятся в авангарде технических инноваций. Реальный мир и теория встречаются с использованием диаграмм Фейнмана для решения проблем бесконечностей и вывода о необходимости бозона Хиггса.Факты и тайны физики элементарных частиц предлагают невероятное понимание от очевидца и участника некоторых из величайших открытий в науке 20-го века. От теории относительности Эйнштейна до впечатляющего открытия частицы Хиггса — эта книга увлечет и обучит всех, кто интересуется миром кварков, лептонов и калибровочных теорий. Эта книга также содержит множество эскизов личностей физиков элементарных частиц, в том числе современников, увиденных глазами автора.Эти откровенные наброски, проиллюстрированные картинками, представляют редкие проницательные взгляды на персонажей, населяющих поле. Глава по теории элементарных частиц в предварительной публикации была названа Дэвидом Миллером в журнале Nature «чрезвычайно ясным» (том 396, 17 декабря 1998 г., стр. 642). Содержание: Введение Предварительные сведения Стандартная модель квантовой механики. Смешивание энергии, импульса и ускорителей обнаружения массовой оболочки и накопительных колец Эксперимент ЦЕРН с нейтрино Теория частиц Зоопарк частиц Обнаружение эпилога квантовой хромодинамики Хиггса Читатели: студенты, непрофессионалы и все, кто интересуется миром элементарных частиц.Ключевые слова: физика элементарных частиц; квантовая механика; относительность; кварки; лептоны; калибровочные теории; обзор частиц Хиггса: обзоры первого издания: «Жизнь Велтмана охватывает историю физики элементарных частиц, от античастиц до Z-бозонов. То же самое и с его кристально чистой книгой, которая рассказывает все, что вы хотите знать о странном субъядерном мире и незнакомых ученых, которые его изучают … захватывающий рассказ о мельчайших вещах в мире «. Шелдон Глэшоу, лауреат Нобелевской премии Бостонского университета «Я должен поздравить вас! Написанная вами книга поистине шедевр.Вы не только объяснили физику мира элементарных частиц молодому начинающему студенту, но и сделали ее доступной для умного неспециалиста. Вдобавок к этому вы проявили человечность, которой она заслуживает; чтение этой книги вернуло меня к самому волнующему периоду моей жизни, когда каждый день приносил новые открытия, и все мы боролись за признание. Я действительно могу сказать, что такой книги не существует ». Мелвин Шварц, лауреат Нобелевской премии Колумбийского университета« Прозрачные объяснения Велтмана абстрактных теорий квантовой механики и специальной теории относительности, его ясное изложение эзотерических вопросов физики элементарных частиц, таких как масштабирование , Частица Хиггса и перенормируемость… очень впечатляют. Книга заинтересует всех, кто интересуется взглядом на физический мир, которого придерживаются современные фундаментальные физики. «TY Cao Boston University» Я получил огромное удовольствие, наконец, прочитав книгу, в которой подробно описаны детали, которые я всегда хотел … Велтман набрался храбрости, чтобы попробуйте глубже понять, что мы понимаем и что является просто фактом … Даже если вы раньше читали книги, популяризирующие физику, вы должны прочитать эту … «Курьер ЦЕРН» Велтман органично сочетает исторические и тематические описания физики элементарных частиц, подход, который позволяет читателю понять, как взаимосвязаны эксперимент и теория…. Мне эта книга показалась чрезвычайно интересной, и я настоятельно рекомендую ее всем, кто хочет понять природу физики элементарных частиц. «Американский ученый» Велтман дает прекрасное представление о том, как работает наука и как желание проникнуть в суть физики элементарных частиц. неизвестно …

Другие книги Мартинуса Дж. Велтмана

Элементарных частиц

Краткая история частиц

Атомы, электроны и протоны

Английский химик, физик и метеоролог Джон Далтон считается отцом современной теории атома.В 1805 году Дальтон опубликовал статью, в которой были изложены следующие основные положения теории атома:

  • Элементы состоят из очень маленьких частиц, называемых атомами.
  • Атомы данного элемента идентичны по размеру, массе и другим свойствам.
  • Атомы разных элементов различаются по размеру, массе и другим свойствам.
  • Атомы нельзя разделить на части. (конечно, мы можем сделать это сегодня).
  • Атомы различных элементов объединяются в простых целочисленных отношениях с образованием химических соединений.
  • В химических реакциях атомы объединяются, разделяются или перегруппировываются.

(Джон Далтон был также известен как метеоролог, и период похолодания с 1790 по 1830 год назван в его честь — Минимум Далтона. Считается, что этот период похолодания связан с более низкой, чем обычно, солнечной активностью, на что указывают меньшие циклы солнечных пятен. )

Физик Дж. Дж. Томсон в своей работе над катодными лучами в 1897 году открыл электрон и пришел к выводу, что они являются составной частью каждого атома.Томсон предположил, что отрицательно заряженные электроны очень малой массы были распределены по всему атому. Он объяснил, что их отрицательный заряд уравновешивается наличием однородного моря положительного заряда. Он также предположил, что они могут вращаться кольцами.

В 1909 году физик Эрнест Резерфорд и его сотрудники обстреляли лист золотой фольги альфа-лучами, которые к тому времени были известны как положительно заряженные атомы гелия. Они обнаружили, что небольшой процент этих частиц отклонялся на гораздо большие углы, чем предполагалось.Резерфорд интерпретировал результаты эксперимента как положительный заряд атома золота, и большая часть его массы была сосредоточена в ядре в центре атома.

В 1913 году физик Нильс Бор продемонстрировал, что электроны удерживаются на четко определенных квантованных орбитах и ​​могут прыгать между этими орбитами, но не могут вращаться по спирали внутрь или наружу в промежуточных состояниях. Электрон должен поглощать или излучать определенное количество энергии для перехода между этими фиксированными орбитами.В том же году Эрнест Резерфорд и Антониус Ван ден Брук представили модель, в которой предполагалось, что каждый атом содержит количество положительных ядерных зарядов в своем ядре, равное его атомному номеру в химической периодической таблице. Топ

Квантовая теория

В 1924 году Луи де Бройль предположил, что частицы ведут себя как волны. В 1926 году Эрвин Шредингер использовал эту идею для разработки математической модели атома, которая описывала электроны как трехмерные волновые формы, а не как «точечные» частицы.Это было началом квантовой механики (или квантовой теории). Следствием использования форм волны для описания частиц является невозможность получения точных значений как положения, так и скорости частицы одновременно. Это стало известно как «принцип неопределенности », сформулированный Вернером Гейзенбергом в 1926 году. Эта модель была способна объяснить наблюдения за поведением атомов, которые не могли объяснить предыдущие модели. Впоследствии от планетарной модели атома отказались в пользу той, которая описывала орбитальные зоны атома вокруг ядра, где с наибольшей вероятностью будет наблюдаться данный электрон.См. Рисунок слева.

В 1932 году нейтрон, нейтрально заряженная частица с массой, подобной протону, был открыт физиком Джеймсом Чедвиком в Кембридже, Англия, получившим Нобелевскую премию за свою работу. Затем было объяснено, что изотопы элементов имеют такое же количество «протонов», что и исходный элемент, но другое количество «нейтронов» в ядре.

В 1938 году немецкий ученый Отто Хан, проводя эксперименты по радиоактивности, направил нейтроны на атомы урана, что привело к первой реакции ядерного деления.В ноябре 1945 года Шведская академия присудила Хану Нобелевскую премию по химии с обратной силой 1944 года. Ближе к концу Второй мировой войны в начале 1945 года Хан сдался британским властям и в то время находился в Англии. Отто Хан, которого считают «отцом» ядерной химии, не имел никакого отношения к военным усилиям Германии и решительно выступал против преследования евреев. Топ

Кварки и лептоны

В 1950-х годах разработка усовершенствованных ускорителей частиц и детекторов частиц позволила ученым изучать столкновения атомов, движущихся с очень высокими энергиями.В 1958 году ученые Стэнфордского центра линейных ускорителей (SLAC) обнаружили, что нейтроны и протоны содержат больше элементарных частиц — кварков и . Кварки были названы Мюрреем Гелл-Манном из Калифорнийского технологического института, который получил Нобелевскую премию в 1969 году за свою работу над ними. Нейтроны и протоны теперь попадают в семейство частиц, называемых « адронов ». которые представляют собой частицы, состоящие из более мелких и элементарных « кварков, ». Адроны состоят из кварков, и образуют два других семейства: барионов, , нормальная стабильная материя, состоящая из трех кварков, и мезонов, , короткоживущие нестабильные частицы, состоящие из одного кварка и одного антикварка.См. Диаграмму слева. Протоны и нейтроны — это барионов . Различные комбинации протонов и нейтронов составляют ядра атомов. Полный атом также содержит электроны, которые являются лептонами , в дополнение к ядру. Наконец, молекулы составляют разные комбинации атомов.

На протяжении 1950-х и 1960-х годов в ходе экспериментов по рассеянию с использованием современных ускорителей частиц было обнаружено ошеломляющее разнообразие частиц. В то время этот набор частиц назывался «зоопарком частиц», и новые частицы находили примерно раз в месяц.В течение 1970-х годов было обнаружено, что большое количество этих частиц представляет собой комбинации относительно небольшого числа элементарных частиц. Затем были разработаны модели, которые успешно объяснили свойства атомных ядер с точки зрения элементарных частиц и сил, управляющих их взаимодействиями. Эти наблюдения и теории были тщательно проверены и объединены в то, что теперь известно как Стандартная модель . Физики определили 12 элементарных частиц, названных Фермионами , которые являются фундаментальными элементами «материи».В настоящее время считается, что эти 12 элементарных частиц не могут быть далее подразделены. Топ

Фермионы — Поколение I

Наш повседневный мир состоит всего из «трех» строительных блоков Fermion : верхний кварк, нижний кварк и электрон . Это «стабильные» первичные элементы, и эти три частицы — все, что нужно для образования атомов, а затем и гораздо более крупных молекул. Электронное нейтрино , наблюдаемое при распаде других частиц, завершает «Первое поколение» трех семейств строительных блоков Фермионов .См. Диаграмму Fermion слева.

Протон состоит из двух восходящих кварков и одного нижних кварков . Нейтрон состоит из одного ап-кварка и двух нижних кварков . Нейтрино , предсказанные в 1930-х годах, были обнаружены в середине 1950-х годов. Нейтрино было очень трудно найти, потому что они редко взаимодействуют с другими веществами. Миллиарды нейтрино и , выброшенные Солнцем, проходят прямо сейчас через наши тела и Землю. электронных и электронных нейтрино называются « лептонов ». Характеристика, которая отделяет кварков от лептонов , является свойством, называемым «цветовой заряд ». Это не имеет абсолютно никакого отношения к цвету в его обычном понимании. (кварки намного меньше длины волны видимого света, поэтому они не имеют цвета сами по себе.) «Цветовой заряд » указывает, взаимодействует ли частица с «сильной ядерной силой ».См. Раздел «Цветовой заряд» ниже. Кварки «действительно» взаимодействуют с сильным ядерным взаимодействием, а лептонов, «не взаимодействуют». Подробнее о «сильной ядерной силе» на странице Force.

Все элементарные частицы обладают некоторой формой «электрического заряда ». Электрический заряд описывается в долях «заряда протона» (то есть 0, 1/3, 2/3, 1). Группа электронов имеет заряд -1. У атома водорода есть протон с зарядом +1 и электронов, с зарядом -1, и, следовательно, водород электрически нейтрален и очень стабилен.Группа нейтрино имеет нулевой заряд, а кварки имеют +2/3 или -1/3 заряда протона. Нейтрон состоит из одного верхнего кварка (заряд +2/3) и двух нижних кварков (2 раза -1/3 = -2/3), поэтому он также электрически нейтрален.

Для каждой частицы физики открыли соответствующую античастицу, которая выглядит и ведет себя почти одинаково. Однако античастицы обладают противоположными свойствами по сравнению с соответствующими им частицами.Например, антипротон имеет отрицательный электрический заряд, а протон — положительно. Как только античастица и частица встречаются, они аннигилируют, исчезая во вспышке энергии. Однако антивещество так же реально, как и обычная материя, и это название несколько сбивает с толку. Топ

Фермионы — поколения II и III

Мюоны, в 200 раз тяжелее электронов, были открыты Карлом Д. Андерсоном и Сетом Неддермейером в Калифорнийском технологическом институте в 1936 году при изучении космических лучей из космоса.Андерсон заметил, что некоторые частицы изгибаются иначе, чем электроны, когда они проходят через магнитное поле. Они были заряжены отрицательно, но изогнуты менее резко, чем электроны. Мюон — это элементарная частица, подобная электрону, с электрическим зарядом -1 и спином 1/2 (см. Следующий раздел о спине). Мюон — нестабильная субатомная частица со средним временем жизни 2,2 микросекунды. Мюоны быстро распадаются на три другие частицы, электрон и два разных типа нейтрино.

Мюон был первой частицей, обнаруженной в семействе частиц II поколения. Используя все более мощные ускорители, ученые открывали все больше и больше элементарных частиц в мусоре в результате столкновений частиц. Физики определили закономерность среди частиц и организовали их в три семейства, которые мы теперь называем поколениями I, II и III. См. Диаграмму трех поколений материи выше. Каждое семейство состоит из двух кварков, нейтрино и электрона или одного из его кузенов.Частицы поколений II и III намного тяжелее частиц поколения I и очень нестабильны. Частицы поколений II и III существуют всего несколько микросекунд, прежде чем они распадаются на частицы поколения I. Исключение составляют нейтрино, которые вообще не распадаются. Топ

Таинственное нейтрино

Все три нейтрино — лептоны, семейство частиц, в которое входят электроны. Нейтрино не чувствуют сильной силы, которая удерживает вместе протоны и нейтроны в атомном ядре.Поскольку нейтрино не имеют электрического заряда, они также не чувствуют электромагнитной силы. Почти все нейтрино проходят прямо через Землю, никогда не взаимодействуя с земным атомом. Только сила тяжести и слабое ядерное взаимодействие (сила, ответственная за радиоактивный распад) взаимодействуют с тремя известными версиями нейтрино.

нейтрино были впервые предсказаны Вольфгангом Паули в 1930 году, который сказал: «Я постулировал частицу, которую нельзя обнаружить». Нейтрино не были обнаружены до 1956 г. Клайдом Коуэном и др.al. которые были удостоены Нобелевской премии в 1995 г. (да, 1995 г., 49 лет спустя). Подземные лаборатории идеально подходят для детекторов нейтрино. Толстые слои породы являются идеальным щитом, блокирующим другие типы частиц, которые не могут проникнуть глубоко. Большинство нейтринных установок находится в старых переоборудованных шахтах. Глубоко под землей, в бездействующем железном руднике Судан в Миннесоте, находится восьмиугольный детектор MINOS массой 5400 тонн, показанный в верхнем левом углу на фотографии выше. (Справа от детектора находится фреска художника Джозефа Джаннетти, вдохновленная нейтрино.Для получения дополнительной информации о нейтрино посетите страницу Neutrino. Топ

Отжим

Все элементарные изделия обладают внутренним свойством, называемым « spin », которое нелегко визуализировать. Концептуально вращение похоже на вращающуюся вокруг своей оси планету. Как следует из названия, spin изначально задумывались как быстрое вращение частицы вокруг оси. Однако, как со временем выяснили ученые, элементарные частицы сами по себе не имеют оси. Например, электрон — это , а не — частица в космосе, которая вращается и вращается вокруг ядра.Они больше похожи на трехмерные стоячие волны в облаке. Они действительно демонстрируют крошечное магнитное поле, как если бы они вращались чрезвычайно быстро, независимо от их орбитального вращения вокруг ядра. См. Распределение вероятности «электронного облака» слева. Их конкретное местоположение никогда не может быть известно, известна только вероятность нахождения в любом данном месте — принцип неопределенности .

В нашем «нормальном» мире вращающиеся заряженные объекты обладают определенными магнитными свойствами.В микромире элементарные частицы проявляют те же магнитные свойства, отсюда и аналогия со спином и . Однако spin — это всего лишь аналогия, и ее не следует принимать строго. Связь со спином и также верна, поскольку со спином и подчиняются математические законы углового момента. Хотя направление вращения частицы можно изменить, частицу нельзя заставить вращаться быстрее или медленнее. Все элементы определенной группы имеют одинаковые спина , это часть их внутренней структуры.Кроме того, вращение квантуется — это означает, что разрешены только определенные дискретные вращения . Например, все фермионы имеют спин , равный 1/2. Многие физические процессы, в пределах от мельчайших ядерных размеров до самых больших астрофизических расстояний, сильно зависят от взаимодействий субатомных частиц и спина этих частиц.

Все известные частицы во Вселенной можно разделить на две группы: частицы со спином , , равным 1/2 — вся материя ( Фермионы, ) во Вселенной, и частицы со спином , , равным 0, 1, 2 — все силы (бозоны), которые взаимодействуют с частицами материи.(Для получения дополнительной информации о силах см. Страницу Силы.) Все частицы материи ( спин 1/2) подчиняются принципу исключения Паули . Это было обнаружено в 1925 году австрийским физиком Вольфгангом Паули, получившим в 1945 году Нобелевскую премию за свою работу. Принцип исключения Паули гласит, что никакие два Фермиона (частицы материи) не могут находиться в одном и том же состоянии, т.е. они оба не могут иметь одинаковое положение и скорость. Это принцип исключения Паули , который разделяет все элементы на разные категории, составляющие Периодическую таблицу в химии.Топ

Color Charge

«Цветовой заряд », обнаруживаемый только в кварках и глюонах, совершенно не связан с человеческим восприятием цвета. Цветовой заряд является неотъемлемым свойством кварков и глюонов, относящимся к «сильной ядерной силе ». Термин «цвет» был выбран потому, что свойство, к которому он относится, имеет три аспекта. Они аналогичны трем основным цветам: красному, зеленому и синему, которые при объединении дают белый цвет.Цвет кварка может принимать одно из трех значений, также называемых красным, зеленым и синим. Анти-кварк может принимать один из трех антицветов , называемых анти-красным, анти-зеленым и анти-синим (представленным как голубой, пурпурный и желтый). Глюоны имеют два цвета, такие как красный и анти-зеленый, которые составляют их цветовой заряд . Цветовой заряд имеет очень маленький диапазон, только размер атомного ядра.

Ограничение цвета — это явление, которое проявляют частицы типа « цветных заряженных » (кварки и глюоны).Это означает, что их нельзя изолировать или непосредственно наблюдать индивидуально. Кварки и антикварки объединяются в группы по два или три и образуют «адронов». Два типа адронов — это барионы (три кварка) и мезоны (один кварк и один антикварк). Индивидуальные кварки никогда не встречаются в одиночку и не могут быть отделены от их родительского адрона. Вот почему кварки можно наблюдать только на адронном уровне.

«Цветной заряд» похож на электромагнитный заряд, за исключением того, что он бывает трех типов вместо двух, и это другой тип силы с другими правилами поведения.(Эти правила объясняются теорией квантовой хромодинамики (КХД), которая представляет собой теорию кварк-глюонных взаимодействий.) Подобно аддитивной цветовой модели в базовой оптике, комбинация трех кварков или трех антикварков, каждый из которых имеет свой цвет. зарядов », всегда будет иметь общий заряд« белого »цвета в размере штук. Все адроны имеют «нулевой общий» цветной заряд, то есть «белый».

« сильное ядерное взаимодействие » между кварками опосредуется (активируется) глюонами.Как упоминалось выше, каждый глюон несет один цветовой заряд и один антицветный заряд . Поскольку глюоны несут цветовой заряд , они сами могут испускать и поглощать другие глюоны. Между кварками постоянно происходит обмен глюонами. Когда глюон переносится между двумя кварками, происходит «изменение» цвета двух кварков, а также глюона. В то время как цвет каждого кварка постоянно меняется, общий цветовой заряд адрона остается « ноль » (или белый), а « сильное ядерное взаимодействие » сохраняется.Топ

Частица Хиггса

Новой частицей, о которой было объявлено в июле 2012 года, был бозон Хиггса, частица, поле которой объясняет, как другие частицы получают свою массу. В начале 2012 года физики ЦЕРН объявили с вероятностью 99%, что они обнаружили новую элементарную частицу, которая весит примерно в 126 раз больше массы протона. Собрав в два с половиной раза больше данных, физики заявили, что частица определенно была бозоном Хиггса. Считается, что изображение CMS слева представляет собой столкновение, в результате которого частица Хиггса временно формируется, а затем почти мгновенно распадается на четыре электрона.

«Для меня очевидно, что мы имеем дело с бозоном Хиггса, хотя нам еще предстоит пройти долгий путь, чтобы узнать, что это за бозон Хиггса», — сказал представитель CMS Джо Инкандела. Ученые не уверены, является ли этот конкретный бозон Хиггса тем, который предсказывает Стандартная модель, или, возможно, самым легким из нескольких бозонов, существование которых предсказывают другие теории. Частица Хиггса должна иметь нулевой спин, ее четность должна быть положительной, а ее масса должна составлять от 120 до 130 ГэВ. Все эти атрибуты были подтверждены данными экспериментов ATLAS и CMS.

Наблюдение за тем, как эта конкретная частица распадается на другие частицы, позволит физикам узнать, является ли эта частица Хиггса «простой ванилью» Стандартной модели Хиггса. Обнаружение бозона Хиггса — редкое явление. Только один наблюдается на каждый триллион протон-протонных столкновений. Поэтому физики ЦЕРН говорят, что им нужно гораздо больше данных, чтобы понять все способы распада Хиггса. Это произойдет не раньше 2015 года или позже, когда Большой адронный коллайдер (LHC) снова начнет работать и команды ATLAS и CMS соберут больше данных на более высоких скоростях столкновения.Для получения дополнительной информации о частице Хиггса см. «Охота на частицу Хиггса». Топ

Может ли пузырь лопнуть нашу Вселенную?

Космологическая стандартная модель, современная теория Вселенной, имеет уравнения, которые частично зависят от значений масс как «бозона Хиггса», так и «верхнего кварка». Масса топ-кварка оценивается в 171 ГэВ, а масса бозона Хиггса — в 126 ГэВ. Когда эти значения вводятся в уравнения, теоретическая вселенная оказывается стабильной только временно и становится «нестабильной» в течение миллиардов лет.Что в этом контексте означает «нестабильный»?

Согласно квантовой теории, состояние с самой низкой энергией в нашей нынешней Вселенной не является самым низким из возможных состояний. В этой теории существует еще более низкое энергетическое состояние, в которое наша Вселенная, скорее всего, перейдет в случае нарушения. Это может показаться не слишком зловещим, пока не станет понятно, что в этом новом более низком энергетическом состоянии все протоны во всей материи Вселенной распадутся со скоростью света на более элементарные частицы.Прискорбный побочный эффект этого нового состояния состоит в том, что все звезды, планеты, солнце, земля и мы, люди, больше не будут существовать.

Если бы произошел фазовый переход такого рода, пузырь новой фазы внезапно появился бы внутри старой фазы (нашей Вселенной) и расширился бы со скоростью, близкой к скорости света. См. Иллюстрацию художника слева. Новый пузырь будет очень быстро расти и со временем поглотит текущую вселенную, превращая все в новую фазу. Это был бы конец Вселенной, какой мы ее знаем сегодня.

Эта идея судного дня получила немало огласки в научных СМИ. Итак, давайте рассмотрим вероятность того, что это событие осуществится (а не произведет фурор в СМИ). Фурор в СМИ привел к пересмотру уравнений стандартной космологической модели. В результате, чтобы Вселенная была стабильной, масса Хиггса должна быть больше 129,4 ± 5,6 ГэВ (от 123,8 до 135,0 ГэВ). Следовательно, при 126 ГэВ масса Хиггса укладывается в статистические пределы стабильности Вселенной.Кроме того, почти все физики считают Стандартную модель очень неполной. Например, он не включает гравитацию, экспериментально наблюдаемую массу нейтрино, темную материю или темную энергию. Поэтому большинство физиков полагают, что Стандартная модель в будущем подвергнется серьезным изменениям, и ее последствия наверняка будут пересмотрены.

Даже если бы где-то во Вселенной образовался разрушительный пузырь и полетел бы со скоростью света, наша Вселенная имела бы в поперечнике многие миллиарды световых лет.Помните, что «наблюдаемая» Вселенная имеет ширину примерно 90 миллиардов световых лет, а «полная вселенная» считается как минимум в 1000 раз шире наблюдаемой Вселенной. Так что, если бы разрушительный пузырь внезапно где-то появился и разлетелся во всех направлениях со скоростью света, то, вероятно, до нас потребовалось бы много миллиардов лет. Имейте в виду, что наше Солнце и Земля самоуничтожатся примерно через 5 миллиардов лет.

Наконец, данные, собранные на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН, указывают на то, что очень маловероятно, что мы живем в нестабильной Вселенной.Это означает, что человечество находится в безопасности очень и очень долго, скорее всего, пока выживают солнце и земля.

Верх

.