Fizyka cząsteczek - Particle physics
Standardowy model z fizyki cząstki |
---|
Fizyka cząstek (znana również jako fizyka wysokich energii ) to gałąź fizyki, która bada naturę cząstek składających się na materię i promieniowanie . Chociaż słowo „ cząstka” może odnosić się do różnych typów bardzo małych obiektów (np. protonów , cząstek gazu, a nawet domowego kurzu), fizyka cząstek zwykle bada najmniejsze wykrywalne cząstki nieredukowalnie i podstawowe interakcje niezbędne do wyjaśnienia ich zachowania.
W obecnym rozumieniu te cząstki elementarne wzbudzają pola kwantowe, które również rządzą ich interakcjami. Obecnie dominująca teoria wyjaśniająca te fundamentalne cząstki i pola, wraz z ich dynamiką, nosi nazwę Modelu Standardowego . Tak więc współczesna fizyka cząstek elementarnych na ogół bada Model Standardowy i jego różne możliwe rozszerzenia, np. do najnowszej „znanej” cząstki, bozonu Higgsa , czy nawet najstarszego znanego pola siłowego, grawitacji .
Cząstki elementarne
Współczesne badania fizyki cząstek skupiają się na cząstkach subatomowych , w tym na składnikach atomowych, takich jak elektrony , protony i neutrony (protony i neutrony to cząstki kompozytowe zwane barionami , zbudowane z kwarków ), które są wytwarzane w procesach radioaktywnych i rozpraszających , takie cząstki to fotony , neutrina i miony , a także szeroka gama cząstek egzotycznych .
Dynamiką cząstek rządzi również mechanika kwantowa ; wykazują dualizm falowo-cząsteczkowy , wykazując zachowanie podobne do cząstek w pewnych warunkach eksperymentalnych i zachowanie podobne do fal w innych. Mówiąc bardziej technicznie, są one opisane przez kwantowe wektory stanu w przestrzeni Hilberta , która jest również traktowana w kwantowej teorii pola . Zgodnie z konwencją fizyków cząstek elementarnych, termin cząstki elementarne stosuje się do tych cząstek, które zgodnie z obecnym rozumieniem uważa się za niepodzielne i nieskładające się z innych cząstek.
Rodzaje | Pokolenia | Antycząstka | Zabarwienie | Całkowity | |
---|---|---|---|---|---|
Kwarki | 2 | 3 | Para | 3 | 36 |
Leptony | Para | Nic | 12 | ||
Gluony | 1 | Nic | Własny | 8 | 8 |
Foton | Własny | Nic | 1 | ||
Z Bozon | Własny | 1 | |||
W Bozon | Para | 2 | |||
Higgs | Własny | 1 | |||
Całkowita liczba (znanych) cząstek elementarnych: | 61 |
Wszystkie obserwowane do tej pory cząstki i ich interakcje można prawie w całości opisać za pomocą kwantowej teorii pola zwanej Modelem Standardowym . Model Standardowy w obecnej formie zawiera 61 cząstek elementarnych. Te cząstki elementarne mogą się łączyć, tworząc cząstki kompozytowe, co odpowiada setkom innych gatunków cząstek odkrytych od lat 60. XX wieku.
Stwierdzono, że Model Standardowy zgadza się z prawie wszystkimi przeprowadzonymi do tej pory testami eksperymentalnymi . Jednak większość fizyków cząstek uważa, że jest to niepełny opis natury i że bardziej fundamentalna teoria czeka na odkrycie (patrz Teoria wszystkiego ). W ostatnich latach pomiary masy neutrin dostarczyły pierwszych eksperymentalnych odchyleń od Modelu Standardowego, ponieważ neutrina w Modelu Standardowym są bezmasowe.
Historia
Współczesna fizyka |
---|
|
Pomysł, że cała materia składa się zasadniczo z cząstek elementarnych, datuje się co najmniej na VI wiek p.n.e. W XIX wieku John Dalton w swojej pracy o stechiometrii doszedł do wniosku, że każdy element natury składa się z jednego, unikalnego typu cząstki. Słowo atom , po greckim słowie atomos oznaczającym „niepodzielny”, od tego czasu oznacza najmniejszą cząsteczkę pierwiastka chemicznego , ale fizycy wkrótce odkryli, że atomy w rzeczywistości nie są podstawowymi cząstkami przyrody, ale są konglomeratami jeszcze mniejszych cząstki, takie jak elektron . Badania fizyki jądrowej i fizyki kwantowej na początku XX wieku doprowadziły do dowodów rozszczepienia jądrowego w 1939 roku przez Lise Meitner (w oparciu o eksperymenty Otto Hahna ) i syntezy jądrowej przez Hansa Bethe w tym samym roku; oba odkrycia doprowadziły również do rozwoju broni jądrowej . W latach 50. i 60. XX wieku w zderzeniach cząstek z wiązek o coraz wyższych energiach znaleziono oszałamiającą różnorodność cząstek. Nieformalnie nazywano ją „ zoo cząstek ”. Ważne odkrycia, takie jak naruszenie CP przez Jamesa Cronina i Val Fitch, przyniosły nowe pytania dotyczące braku równowagi między materią a antymaterią . Termin zoo cząstek został zmodyfikowany po sformułowaniu Modelu Standardowego w latach 70. XX wieku, w którym dużą liczbę cząstek wyjaśniono jako kombinację (stosunkowo) małej liczby cząstek bardziej fundamentalnych, co zapoczątkowało współczesną fizykę cząstek elementarnych.
Model standardowy
Obecny stan klasyfikacji wszystkich cząstek elementarnych wyjaśnia Model Standardowy , który zyskał szeroką akceptację w połowie lat 70. po eksperymentalnym potwierdzeniu istnienia kwarków . Opisuje silne , słabe i elektromagnetyczne oddziaływania fundamentalne przy użyciu pośredniczących bozonów cechowania . Gatunkiem bozonów cechowania jest osiem gluonów ,
W−
,
W+
oraz
Z
bozony i foton . Model Standardowy zawiera również 24 fundamentalne fermiony (12 cząstek i związane z nimi antycząstki), które są składnikami całej materii . Wreszcie Model Standardowy przewidział również istnienie rodzaju bozonu znanego jako bozon Higgsa . 4 lipca 2012 r. fizycy z Wielkim Zderzaczem Hadronów w CERN ogłosili, że znaleźli nową cząstkę, która zachowuje się podobnie do tego, czego oczekuje się od bozonu Higgsa.
Laboratoria eksperymentalne
Największe światowe laboratoria fizyki cząstek elementarnych to:
- Laboratorium Narodowe Brookhaven ( Long Island , Stany Zjednoczone ). Jego głównym obiektem jest Relatywistyczny Zderzacz Ciężkich Jonów (RHIC), który zderza ciężkie jony, takie jak jony złota i spolaryzowane protony. Jest to pierwszy na świecie zderzacz ciężkich jonów i jedyny na świecie zderzacz spolaryzowanych protonów.
- Instytut Fizyki Jądrowej Budkera ( Nowosybirsk , Rosja ). Jego główne projekty są teraz elektron-pozyton Zderzacze VEPP-2000 , działa od 2006 roku i VEPP-4, rozpoczęty w roku 1994. Wcześniejsze eksperymenty udogodnienia obejmują pierwszy elektron-wiązki elektronów wiązki Collider VEP-1, który prowadził eksperymenty z 1964 1968; zderzacze elektronowo-pozytonowe VEPP-2, eksploatowane od 1965 do 1974; a jego następca VEPP-2M przeprowadzał eksperymenty w latach 1974-2000.
- CERN (Europejska Organizacja Badań Jądrowych) ( granica francusko - szwajcarska , niedaleko Genewy ). Jego głównym projektem jest obecnie Wielki Zderzacz Hadronów (LHC), który po raz pierwszy przeszedł cyrkulację wiązki 10 września 2008 r. i jest obecnie najbardziej energetycznym zderzaczem protonów na świecie. Stał się również najbardziej energetycznym zderzaczem ciężkich jonów po tym, jak zaczął zderzać się z jonami ołowiu. Wcześniejsze obiekty obejmują Wielki Zderzacz Elektronów i Pozytronów (LEP), który został zatrzymany 2 listopada 2000 r., a następnie zdemontowany, aby ustąpić miejsca LHC; oraz Super Proton Synchrotron , który jest ponownie wykorzystywany jako akcelerator wstępny dla LHC i eksperymentów z ustalonym celem.
- DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) ( Hamburg , Niemcy ). Jego głównym obiektem był Hadron Elektron Ring Anlage (HERA), który zderzał elektrony i pozytony z protonami. Kompleks akceleratorów koncentruje się obecnie na produkcji promieniowania synchrotronowego za pomocą PETRA III, FLASH i European XFEL .
- Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) ( Batavia , Stany Zjednoczone ). Jego głównym obiektem do 2011 roku był Tevatron , który zderzał protony i antyprotony i był zderzaczem cząstek o najwyższej energii na Ziemi, dopóki Wielki Zderzacz Hadronów nie przewyższył go 29 listopada 2009 roku.
- Instytut Fizyki Wysokich Energii (IHEP) ( Pekin , Chiny ). IHEP zarządza wieloma głównymi chińskimi ośrodkami fizyki cząstek, w tym Pekińskim Zderzaczem Elektronów i Pozytronów II (BEPC II), Pekińskim Spektrometrem (BES), Pekińskim Ośrodkiem Promieniowania Synchrotronowego (BSRF), Międzynarodowym Obserwatorium Promieni Kosmicznych w Yangbajing w Tybecie , eksperyment Daya Bay Reactor Neutrino Experiment , China Spallation Neutron Source , Hard X-ray Modulation Telescope (HXMT) oraz oparty na akceleratorze system subkrytyczny (ADS) oraz Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO).
- KEK ( Tsukuba , Japonia ). Jest domem dla wielu eksperymentów, takich jak eksperymencie K2K , a oscylacje neutrin eksperymentu i Belle II , eksperymentu mierzącego naruszenie CP z mezonów B .
- Krajowe Laboratorium Akceleratora SLAC ( Menlo Park , Stany Zjednoczone ). Jego dwukilometrowy liniowy akcelerator cząstek zaczął działać w 1962 roku i był podstawą licznych eksperymentów zderzeń elektronów i pozytonów do 2008 roku. Od tego czasu akcelerator liniowy jest używany w laserze rentgenowskim Linac Coherent Light Source oraz w zaawansowanym akceleratorze. badania projektowe. Pracownicy SLAC nadal uczestniczą w opracowywaniu i budowie wielu detektorów cząstek na całym świecie.
Istnieje również wiele innych akceleratorów cząstek .
Techniki wymagane we współczesnej eksperymentalnej fizyce cząstek elementarnych są dość zróżnicowane i złożone, stanowiąc podspecjalizację prawie całkowicie odmienną od teoretycznej strony tej dziedziny.
Teoria
Kwantowa teoria pola |
---|
Historia |
Teoretyczna fizyka cząstek ma na celu opracowanie modeli, ram teoretycznych i narzędzi matematycznych w celu zrozumienia bieżących eksperymentów i przewidywania przyszłych eksperymentów (patrz także fizyka teoretyczna ). W dzisiejszej teoretycznej fizyce cząstek elementarnych podejmuje się kilka głównych, wzajemnie powiązanych wysiłków.
Jedna ważna gałąź próbuje lepiej zrozumieć Model Standardowy i jego testy. Teoretycy dokonują ilościowych prognoz dotyczących obserwacji w zderzaczach i eksperymentach astronomicznych , które wraz z pomiarami eksperymentalnymi są wykorzystywane do wyodrębniania parametrów Modelu Standardowego z mniejszą niepewnością. Ta praca bada ograniczenia Modelu Standardowego, a tym samym poszerza naukowe zrozumienie elementów budulcowych natury. Wysiłki te są trudne ze względu na trudność w obliczeniu wielkości o wysokiej precyzji w chromodynamice kwantowej . Niektórzy teoretycy pracujący w tej dziedzinie posługują się narzędziami perturbacyjnej kwantowej teorii pola i efektywnej teorii pola , nazywając siebie fenomenologami . Inni wykorzystują teorię pola kratowego i nazywają siebie teoretykami kratowymi .
Innym ważnym wysiłkiem jest budowanie modeli, w ramach których konstruktorzy modeli opracowują pomysły na to, jaka fizyka może wykraczać poza Model Standardowy (przy wyższych energiach lub mniejszych odległościach). Praca ta jest często motywowana problemem hierarchii i jest ograniczona istniejącymi danymi eksperymentalnymi. Może on obejmować prace nad supersymetrię , alternatywy dla mechanizmu Higgsa , dodatkowych wymiarów przestrzennych (takich jak modele Randall-Sundrum ) Preon teorii, ich kombinacje lub inne pomysły.
Trzecim ważnym przedsięwzięciem w teoretycznej fizyce cząstek elementarnych jest teoria strun . Teoretycy strun próbują stworzyć ujednolicony opis mechaniki kwantowej i ogólnej teorii względności , budując teorię opartą na małych strunach i branach, a nie na cząstkach. Jeśli teoria się powiedzie, można ją uznać za „ Teorię wszystkiego ” lub „TOE”.
Istnieją również inne obszary pracy w teoretycznej fizyce cząstek elementarnych, od kosmologii cząstek po pętlę grawitacji kwantowej .
Ten podział wysiłków w fizyce cząstek elementarnych znajduje odzwierciedlenie w nazwach kategorii na arXiv , archiwum preprintów : hep-th (teoria), hep-ph (fenomenologia), hep-ex (eksperymenty), hep-lat ( teoria cechowania kratowego). ).
Praktyczne zastosowania
W zasadzie całą fizykę (i wynikające z niej zastosowania praktyczne) można wyprowadzić z badania cząstek elementarnych. W praktyce, nawet jeśli „fizyka cząstek” oznacza jedynie „rozbijacze atomów o wysokiej energii”, podczas tych pionierskich badań opracowano wiele technologii, które później znajdują szerokie zastosowanie w społeczeństwie. Akceleratory cząstek są wykorzystywane do produkcji izotopów medycznych do badań i leczenia (np. izotopy stosowane w obrazowaniu PET ) lub wykorzystywane bezpośrednio w radioterapii wiązką zewnętrzną . Rozwój nadprzewodników został przyspieszony dzięki ich zastosowaniu w fizyce cząstek elementarnych. Sieć WWW i ekrany dotykowe zostały początkowo opracowane w CERN . Dodatkowe zastosowania znajdują się w medycynie, bezpieczeństwie narodowym, przemyśle, informatyce, nauce i rozwoju siły roboczej, co ilustruje długą i rosnącą listę korzystnych praktycznych zastosowań z udziałem fizyki cząstek.
Przyszły
Podstawowym celem, do którego dążymy na kilka różnych sposobów, jest odnalezienie i zrozumienie, czym fizyka może leżeć poza modelem standardowym . Istnieje kilka ważnych powodów eksperymentalnych, aby oczekiwać nowej fizyki, w tym ciemna materia i masa neutrin . Istnieją również teoretyczne wskazówki, że tę nową fizykę należy znaleźć w dostępnych skalach energetycznych.
Wiele wysiłków, aby znaleźć tę nową fizykę, koncentruje się na nowych eksperymentach ze zderzaczami. Large Hadron Collider (LHC) został ukończony w 2008 roku, aby pomóc kontynuować poszukiwania bozonu Higgsa , cząstek supersymetrycznych i inne nowej fizyki. Celem pośrednim jest budowa Międzynarodowego Zderzacza Liniowego (ILC), który uzupełni LHC, umożliwiając bardziej precyzyjne pomiary właściwości nowo odkrytych cząstek. W sierpniu 2004 r. podjęto decyzję o technologii ILC, ale miejsce nie zostało jeszcze uzgodnione.
Ponadto istnieją ważne eksperymenty bez zderzacza, które również próbują znaleźć i zrozumieć fizykę poza Modelem Standardowym . Ważnym zadaniem niezderzającym jest wyznaczenie mas neutrin , ponieważ masy te mogą powstawać w wyniku mieszania się neutrin z bardzo ciężkimi cząstkami. Ponadto obserwacje kosmologiczne dostarczają wielu użytecznych ograniczeń dotyczących ciemnej materii, chociaż określenie dokładnej natury ciemnej materii bez zderzaczy może być niemożliwe. Wreszcie, dolne granice bardzo długiego czasu życia protonu nakładają ograniczenia na teorie Wielkiej Jedności w skalach energetycznych znacznie wyższych niż eksperymenty zderzacza będą w stanie zbadać w najbliższym czasie.
W maju 2014 roku Panel Priorytetów Projektu Fizyki Cząstek opublikował raport na temat priorytetów finansowania fizyki cząstek w Stanach Zjednoczonych w ciągu następnej dekady. Raport ten podkreślał między innymi dalszy udział USA w LHC i ILC oraz rozszerzenie Deep Underground Neutrino Experiment .
Zobacz też
- Fizyka cząstek i teoria reprezentacji
- Fizyka atomowa
- Astronomia
- Wysokie ciśnienie
- Międzynarodowa Konferencja Fizyki Wysokich Energii
- Wprowadzenie do mechaniki kwantowej
- Lista akceleratorów w fizyce cząstek elementarnych
- Lista cząstek
- Monopole magnetyczne
- Mikro czarna dziura
- Teoria liczb
- Rezonans (fizyka cząstek)
- Zasada samospójności w fizyce wysokich energii
- Nierozległa, samospójna teoria termodynamiczna
- Model Standardowy (sformułowanie matematyczne)
- System wyszukiwania informacji Stanford Physics
- Oś czasu fizyki cząstek
- Fizyka niecząstkowa
- Tetrakwark
- Międzynarodowa Konferencja Zderzenia Fotoniczne, Elektroniczne i Atomowe
Bibliografia
Dalsza lektura
- Czytanie wstępne
- Zamknij, Frank (2004). Fizyka cząstek: bardzo krótkie wprowadzenie . Oxford University Press. Numer ISBN 978-0-19-280434-1.
- Zamknij, Frank ; Kuna, Michał; Sutton, Krystyna (2004). Odyseja cząstek: podróż do sedna sprawy . Odyseja cząstek : Podróż do sedna sprawy . Kod Bibcode : 2002pojh.book.......C . Numer ISBN 9780198609438.
- Ford, Kenneth W. (2005). Świat kwantowy . Wydawnictwo Uniwersytetu Harvarda.
- Oertera, Roberta (2006). Teoria prawie wszystkiego: model standardowy, niedoceniany triumf współczesnej fizyki . Pióropusz.
- Schumm, Bruce A. (2004). Głębokie rzeczy: zapierające dech w piersiach piękno fizyki cząstek . Wydawnictwo Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa. Numer ISBN 978-0-8018-7971-5.
- Zamknij, Frank (2006). Nowa Kosmiczna Cebula . Taylora i Francisa. Numer ISBN 978-1-58488-798-0.
- Zaawansowane czytanie
- Robinson, Mateusz B.; Bland, Karen R.; Tasak, Geraldzie. B.; Dittmann, Jay R. (2008). „Proste wprowadzenie do fizyki cząstek”. arXiv : 0810.3328 [ hep-th ].
- Robinson, Mateusz B.; Ali, Tibra; Tasak, Gerald B. (2009). „Proste wprowadzenie do fizyki cząstek II część”. arXiv : 0908.1395 [ hep-th ].
- Griffiths, David J. (1987). Wprowadzenie do cząstek elementarnych . Wiley, John & Sons, Inc. ISBN 978-0-471-60386-3.
- Kane, Gordon L. (1987). Współczesna fizyka cząstek elementarnych . Księgi Perseusza. Numer ISBN 978-0-201-11749-3.
- Perkins, Donald H. (1999). Wprowadzenie do fizyki wysokich energii . Wydawnictwo Uniwersytetu Cambridge. Numer ISBN 978-0-521-62196-0.
- Povh, Bogdan (1995). Cząstki i jądra: wprowadzenie do pojęć fizycznych . Springer-Verlag. Numer ISBN 978-0-387-59439-2.
- Bojarkin, Oleg (2011). Zaawansowany zestaw dwóch tomów do fizyki cząstek . CRC Prasa. Numer ISBN 978-1-4398-0412-4.
Zewnętrzne linki
- Magazyn Symetria
- Fermilab
- Fizyka cząstek – to ma znaczenie – Instytut Fizyki
- Nobes, Matthew (2002) "Wprowadzenie do Standardowego Modelu Fizyki Cząstek" na Kuro5hin : Część 1 , Część 2 , Część 3a , Część 3b.
- CERN – Europejska Organizacja Badań Jądrowych
- The Particle Adventure – projekt edukacyjny sponsorowany przez Particle Data Group z Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL)