Физика элементарных частиц: сущность и предметная область
Физика элементарных частиц (также известная как физика высоких энергий) - это раздел физики, изучающий природу частиц, которые составляют вещество.
Хотя слово «частица» может относиться к разным типам очень маленьких объектов (например, протонам, частицам газа или даже домашней пыли), физика элементарных частиц чаще всего исследует наименьшие обнаруживаемые частицы и фундаментальные взаимодействия, необходимые для объяснения их поведения. По нашему пониманию на сегодняшний день, эти элементарные частицы являются возбуждениями квантовых полей, которые также регулируют их взаимодействие.
В настоящее время доминирующая теория, объясняющая эти фундаментальные частицы и поля, а также их динамику, называется стандартной моделью. Таким образом, современная физика элементарных частиц обычно исследует Стандартную модель и ее различные возможные расширения, к примеру, для самой новой «известной» частицы, бозона Хиггса или даже для самого старого известного силового поля, гравитации.
История становления и развития
Сама идея, что вся материя состоит из элементарных частиц, датируется как минимум 6-м веком до нашей эры. В 19 веке Джон Далтон в своей научной работе по стехиометрии пришел к выводу, что каждый элемент природы состоит из одного уникального типа частиц. Слово «атом» от греческого слова atomos, означающего «неделимый», с тех пор обозначало мельчайшую частицу химического элемента, но вскоре физики обнаружили, что атомы на самом деле не являются фундаментальными частицами природы, а представляют собой конгломераты более мелких частиц, таких как электрон. Первые изыскания 20-го века по ядерной физике и квантовой физике привели к доказательству ядерного деления в $1939$ г. Л. Мейтнера (на основе опытов Отто Ган) и ядерного синтеза Ханса Бете в том же году; данные открытия способствовали к разработке ядерного оружия. В течение 1950-х и 1960-х годов было обнаружено удивительное разнообразие частиц при их столкновениях с пучками более высоких энергий.
Стандартная модель
Классификация всех элементарных частиц объясняется Стандартной моделью.
Она описывает сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия, используя посредственные калибровочные бозоны. Калибровочные бозоны представляют собой – восемь глюонов, бозоны и фотон. Стандартная модель также содержит 24 фундаментальных фермиона, которые являются составными частями всего вещества. Именно стандартная модель предсказала существование бозона, который известен как бозон Хиггса. Рано утром 4 июля 2012 года физики, работающие на Большом адронном коллайдере объявили, что они обнаружили новую частицу, которая ведет себя так же, как бозон Хиггса.
Согласно стандартной модели, существует:
- Шесть типов кварков;
- Шесть типов лептонов;
- Четыре типа бозонов.
Эти частицы делятся на две основные категории по принципу Паули: т.е., те, которые не подпадают под этот принцип, являются бозонами, а другие соответственно называются фермионами.
Рисунок 1. Стандартная модель элементарных частиц. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Практические применения
В принципе, вся физика может быть объяснена благодаря изучению фундаментальных частиц. На практике, даже если под «физикой элементарных частиц» подразумеваются только «высокоэнергетические атомы», в ходе ее новаторских исследований было разработано много технологий, которые впоследствии нашли широкое практическое применение. Ускорители частиц используются для производства медицинских изотопов, предназначенных для точной диагностики (например, изотопы используются в ПЭТ-визуализации), или непосредственно для проведения лучевой терапии. Совершенствование сверхпроводников было осуществлено благодаря изучению элементарных частиц. Также частицы нашли свое применение в медицине, промышленности, вычислительной технике и науке.
Экспериментальные лаборатории
Основные лаборатории физики элементарных частиц в мире:
- Брукхейвенская национальная лаборатория (Лонг-Айленд, США). Главным направлением ее деятельности является релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC), который сталкивает тяжелые ионы, такие как ионы золота и поляризованные протоны
- Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера (Новосибирск, Россия). Его основными проектами в настоящее время являются электронно-позитронные коллайдеры ВЭПП-2000, эксплуатируемые с 2006 года, а ВЭПП-4 начали выпускать в 1994 году.
- CERN (Европейская организация по ядерным исследованиям). В настоящее время ее основным проектом является Большой адронный коллайдер (LHC), первый поток луча в котором прошел 10 сентября 2008 года, и по настоящее время он является самым мощным в мире коллайдером протонов.
- DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) (Гамбург, Германия). Кольцевой тоннель HERA, который сталкивает электроны и позитроны с протонами.
- Институт физики высоких энергий (ИФВЭ) (Пекин, Китай). ИФВЭ управляет рядом крупных объектов физики частиц в Китае, включая Пекинский электронный позитронный коллайдер (BEPC), Пекинский спектрометр (BES).
Методы исследований, применяемые в современной экспериментальной физике элементарных частиц, довольно разнообразны и сложны.
