Fyzika částic - Particle physics
Standardní model z fyziky částic |
---|
Fyzika částic (také známá jako fyzika vysokých energií ) je obor fyziky, který studuje povahu částic, které tvoří hmotu a záření . Ačkoli se slovo částice může vztahovat na různé typy velmi malých předmětů (např. Protony , částice plynu nebo dokonce prach z domácnosti), fyzika částic obvykle zkoumá neredukovatelně nejmenší detekovatelné částice a základní interakce nezbytné k vysvětlení jejich chování.
V současném chápání jsou tyto elementární částice buzením kvantových polí, která také řídí jejich interakce. V současnosti dominantní teorie vysvětlující tyto základní částice a pole spolu s jejich dynamikou se nazývá standardní model . Moderní částicová fyzika tedy obecně zkoumá standardní model a jeho různá možná rozšíření, např. Na nejnovější „známou“ částici, Higgsův boson , nebo dokonce na nejstarší známé silové pole, gravitaci .
Subatomární částice
Výzkum moderní částicové fyziky se zaměřuje na subatomární částice , včetně atomových složek, jako jsou elektrony , protony a neutrony (protony a neutrony jsou kompozitní částice zvané baryony , vyrobené z kvarků ), které jsou produkovány radioaktivními a rozptylovými procesy, takové částice jsou fotony , neutrina a miony , stejně jako širokou škálu exotických částic .
Dynamika částic je také řízena kvantovou mechanikou ; vykazují vlnovou částicovou dualitu , zobrazují částicovité chování za určitých experimentálních podmínek a vlnovité chování v jiných. Více odborně řečeno, jsou popsány vektory kvantového stavu v Hilbertově prostoru , který je také zpracován v teorii kvantového pole . V souladu s konvencí částicových fyziků je termín elementární částice aplikován na ty částice, u nichž se podle současného chápání předpokládá, že jsou nedělitelné a nejsou složeny z jiných částic.
Typy | Generace | Antičástice | Barvy | Celkový | |
---|---|---|---|---|---|
Kvarky | 2 | 3 | Pár | 3 | 36 |
Leptons | Pár | Žádný | 12 | ||
Gluony | 1 | Žádný | Vlastní | 8 | 8 |
Foton | Vlastní | Žádný | 1 | ||
Z Boson | Vlastní | 1 | |||
W Boson | Pár | 2 | |||
Higgs | Vlastní | 1 | |||
Celkový počet (známých) elementárních částic: | 61 |
Všechny částice a jejich doposud pozorované interakce lze popsat téměř výhradně kvantovou teorií pole nazývanou standardní model . Standardní model, jak je v současné době formulován, má 61 elementárních částic. Tyto elementární částice se mohou spojit a vytvořit kompozitní částice, což představuje stovky dalších druhů částic, které byly objeveny od 60. let minulého století.
Bylo zjištěno, že standardní model souhlasí s téměř všemi dosud provedenými experimentálními testy. Většina částicových fyziků se však domnívá, že se jedná o neúplný popis přírody a že na objev čeká zásadnější teorie (viz Teorie všeho ). V posledních letech měření hmotnosti neutrin poskytlo první experimentální odchylky od standardního modelu, protože neutrina jsou ve standardním modelu bezhmotná.
Dějiny
Moderní fyzika |
---|
|
Myšlenka, že veškerá hmota je zásadně složena z elementárních částic, pochází minimálně z 6. století před naším letopočtem. V 19. století dospěl John Dalton prostřednictvím své práce o stechiometrii k závěru, že každý prvek přírody byl složen z jediného, jedinečného typu částice. Slovo atom , po řeckém slově atomos znamenajícím „nedělitelný“, od té doby označuje nejmenší částici chemického prvku , ale fyzici brzy zjistili, že atomy nejsou ve skutečnosti základními částicemi přírody, ale jsou slepenci ještě menších částice, například elektron . Zkoumání jaderné fyziky a kvantové fyziky na počátku 20. století vedlo k důkazům o jaderném štěpení v roce 1939 Lise Meitnerovou (na základě experimentů Otto Hahna ) a k jaderné fúzi od Hanse Betheho v témže roce; oba objevy také vedly k vývoji jaderných zbraní . V průběhu padesátých a šedesátých let byla při srážkách částic z paprsků stále vyšší energie nalezena ohromující rozmanitost částic. Neformálně se o něm hovořilo jako o „ částicové zoo “. Významné objevy, jako je CP porušení ze strany James Cronin a Val Fitch přináší nové otázky věcně antihmoty nerovnováhy . Pojem částicová zoo byl upraven po formulaci standardního modelu v 70. letech 20. století, ve kterém byl velký počet částic vysvětlen jako kombinace (relativně) malého počtu zásadnějších částic, což znamenalo počátek moderní částicové fyziky.
Standardní model
Současný stav klasifikace všech elementárních částic vysvětluje standardní model , který získal široké přijetí v polovině 70. let po experimentálním potvrzení existence kvarků . Popisuje silné , slabé a elektromagnetické základní interakce pomocí zprostředkujících měřicích bosonů . Druhem měřených bosonů je osm gluonů ,
W-
,
W+
a
Z
bosony a foton . Standardní model také obsahuje 24 základních fermionů (12 částic a s nimi spojených antičástic), které jsou složkami veškeré hmoty . A konečně, standardní model také předpovídal existenci typu bosonu známého jako Higgsův boson . Dne 4. července 2012 fyzici s velkým hadronovým urychlovačem v CERNu oznámili, že našli novou částici, která se chová podobně, jako se očekává od Higgsova bosonu.
Experimentální laboratoře
Mezi hlavní světové laboratoře částicové fyziky patří:
- Brookhaven National Laboratory ( Long Island , Spojené státy americké ). Jeho hlavním zařízením je relativistický těžký iontový urychlovač (RHIC), který sráží těžké ionty, jako jsou ionty zlata a polarizované protony. Jedná se o první těžký iontový urychlovač na světě a jediný polarizovaný protonový urychlovač na světě.
- Budkerův institut jaderné fyziky ( Novosibirsk , Rusko ). Jeho hlavními projekty jsou nyní elektronově-pozitronové srážky VEPP-2000 , provozované od roku 2006, a VEPP-4, zahájené experimenty v roce 1994. K dřívějším zařízením patří první urychlovač elektron-paprsek-paprsek VEP-1, který prováděl experimenty od roku 1964 do 1968; srážky elektronů a pozitronů VEPP-2, provozované v letech 1965 až 1974; a jeho nástupce VEPP-2M prováděl experimenty od roku 1974 do roku 2000.
- CERN (Evropská organizace pro jaderný výzkum) ( Franco - švýcarský hranic, nedaleko Ženevy ). Jeho hlavním projektem je nyní Large Hadron Collider (LHC), který měl svou první cirkulaci paprsků 10. září 2008 a nyní je nejenergičtějším sběračem protonů na světě. Poté, co začal kolidovat olovnaté ionty, se také stal nejenergičtějším srážedlem těžkých iontů. Dřívější zařízení zahrnují Large Electron – Positron Collider (LEP), který byl zastaven 2. listopadu 2000 a poté rozebrán, aby ustoupil LHC; a Super Proton Synchrotron , který je znovu použit jako předrychlovač pro LHC a pro experimenty s pevným cílem.
- DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) ( Hamburk , Německo ). Jeho hlavním zařízením byl Hadron Elektron Ring Anlage (HERA), který srazil elektrony a pozitrony s protony. Akcelerátorový komplex je nyní zaměřen na produkci synchrotronového záření s PETRA III, FLASH a evropským XFEL .
- Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) ( Batavia , Spojené státy ). Jeho hlavním zařízením do roku 2011 byl Tevatron , který srazil protony a antiprotony a byl nejvýše energetickým urychlovačem částic na Zemi, dokud jej 29. listopadu 2009 nepřekonal Velký hadronový urychlovač.
- Ústav fyziky vysokých energií (IHEP) ( Peking , Čína ). IHEP spravuje řadu hlavních čínských zařízení pro částicovou fyziku, včetně pekingského elektronově-pozitronového srážeče II (BEPC II), pekingského spektrometru (BES), pekingského synchrotronového radiačního zařízení (BSRF), mezinárodní observatoře kosmického záření v Yangbajingu v Tibetu , experiment Neutrino reaktoru v Daya Bay , zdroj neutronů China Spallation , tvrdý rentgenový modulační dalekohled (HXMT) a subkritický systém poháněný akcelerátorem (ADS) a podzemní observatoř Jiangmen (JUNO).
- KEK ( Tsukuba , Japonsko ). To je domov množství experimentů, jako je K2K experimentu , a neutrin kmitání experimentu a Belle II , experiment měří CP porušení v mezonů B .
- SLAC National Accelerator Laboratory ( Menlo Park , Spojené státy americké ). Jeho 2 míle dlouhý lineární urychlovač částic začal fungovat v roce 1962 a byl základem mnoha experimentů s kolizemi elektronů a pozitronů do roku 2008. Od té doby se lineární urychlovač používá pro rentgenový laser Linac Coherent Light Source a pokročilý urychlovač výzkum designu. Zaměstnanci SLAC se nadále podílejí na vývoji a stavbě mnoha detektorů částic po celém světě.
Existuje také mnoho dalších urychlovačů částic .
Techniky vyžadované pro moderní experimentální fyziku částic jsou velmi rozmanité a složité a představují dílčí specializaci téměř zcela odlišnou od teoretické stránky oboru.
Teorie
Teorie kvantového pole |
---|
Dějiny |
Teoretická fyzika částic se pokouší vyvinout modely, teoretický rámec a matematické nástroje pro pochopení současných experimentů a předpovědi pro budoucí experimenty (viz také teoretická fyzika ). V teoretické částicové fyzice se dnes vyvíjí několik hlavních vzájemně propojených úsilí.
Jedna důležitá větev se pokouší lépe porozumět standardnímu modelu a jeho testům. Teoretici dělají kvantitativní předpovědi pozorovatelných na urychlovačích a astronomických experimentech, které spolu s experimentálními měřeními slouží k extrahování parametrů standardního modelu s menší nejistotou. Tato práce zkoumá limity standardního modelu, a proto rozšiřuje vědecké porozumění stavebním kamenům přírody. Tyto snahy jsou náročné kvůli obtížnosti výpočtu vysoce přesných veličin v kvantové chromodynamice . Někteří teoretici pracující v této oblasti používají nástroje perturbativní kvantové teorie pole a efektivní teorie pole , označují se jako fenomenologové . Jiní využívají teorii mřížového pole a říkají si teoretici mřížky .
Další hlavní úsilí je v budování modelu, kde stavitelé modelů rozvíjejí nápady na to, co fyzika může ležet za standardním modelem (při vyšších energiích nebo menších vzdálenostech). Tato práce je často motivována problémem hierarchie a je omezena existujícími experimentálními daty. Může to zahrnovat práci na supersymetrii , alternativách k Higgsovu mechanismu , extra prostorové dimenze (jako jsou modely Randall – Sundrum ), Preonova teorie, jejich kombinace nebo jiné myšlenky.
Třetím velkým počinem v teoretické fyzice částic je teorie strun . Teoretici strun se pokoušejí sestavit jednotný popis kvantové mechaniky a obecné relativity budováním teorie založené na malých řetězcích a branách spíše než na částicích. Pokud je teorie úspěšná, může být považována za „ Teorii všeho “ nebo „TOE“.
Existuje také další oblast práce v teoretické fyzice částic od kosmologie částic po smyčkovou kvantovou gravitaci .
Toto rozdělení úsilí ve fyzice částic se odráží v názvech kategorií na arXiv , předtiskovém archivu: hep-th (teorie), hep-ph (fenomenologie), hep-ex (experimenty), hep-lat ( teorie mřížkových měřidel) ).
Praktické aplikace
V zásadě lze ze studia základních částic odvodit veškerou fyziku (a z ní vyvinuté praktické aplikace). V praxi, i když se „částicovou fyzikou“ rozumí pouze „vysokoenergetické rozbíječe atomů“, bylo během těchto průkopnických zkoumání vyvinuto mnoho technologií, které později nacházejí široké využití ve společnosti. Urychlovače částic se používají k výrobě lékařských izotopů pro výzkum a léčbu (například izotopy používané při zobrazování PET ), nebo se používají přímo při externí radioterapii . Vývoj supravodičů posunul kupředu jejich použití ve fyzice částic. Wide Web World a dotyková obrazovka technologie byla původně vyvinuta v CERNu . Další aplikace se nacházejí v medicíně, národní bezpečnosti, průmyslu, výpočetní technice, vědě a rozvoji pracovní síly, což dokládá dlouhý a rostoucí seznam užitečných praktických aplikací s přispěním částicové fyziky.
Budoucnost
Primárním cílem, který je sledován několika odlišnými způsoby, je najít a pochopit, co fyzika může ležet mimo standardní model . Existuje několik silných experimentálních důvodů, proč očekávat novou fyziku, včetně temné hmoty a neutrinové hmoty . Existují také teoretické rady, že tato nová fyzika by měla být nalezena v přístupných energetických měřítcích.
Velká část úsilí o nalezení této nové fyziky je zaměřena na nové experimenty s urychlovačem. Large Hadron Collider (LHC) byla dokončena v roce 2008 na pomoc pokračovat v pátrání po Higgsův boson , supersymmetric částice a jiné nové fyziky. Mezilehlým cílem je konstrukce mezinárodního lineárního urychlovače (ILC), který doplní LHC tím, že umožní přesnější měření vlastností nově nalezených částic. V srpnu 2004 bylo přijato rozhodnutí o technologii ILC, ale místo musí být ještě dohodnuto.
Kromě toho existují důležité nekolidové experimenty, které se také pokoušejí najít a porozumět fyzice nad rámec standardního modelu . Jedním z důležitých nekolidujících úsilí je stanovení hmot neutrin , protože tyto hmotnosti mohou pocházet z míchání neutrin s velmi těžkými částicemi. Navíc kosmologická pozorování poskytují mnoho užitečných omezení temné hmoty, i když bez kolidérů může být nemožné určit přesnou povahu temné hmoty. A konečně, spodní hranice velmi dlouhé životnosti protonů kladou omezení na Velké sjednocené teorie v energetických měřítcích mnohem vyšších, než budou experimenty s urychlovačem moci v dohledné době prozkoumat.
V květnu 2014 vydal panel pro stanovení priorit projektu částicové fyziky zprávu o prioritách financování částicové fyziky pro Spojené státy v průběhu příštího desetiletí. Tato zpráva mimo jiné zdůraznila pokračující účast USA na LHC a ILC a rozšíření experimentu Deep Underground Neutrino .
Viz také
- Fyzika částic a teorie reprezentace
- Atomová fyzika
- Astronomie
- Vysoký tlak
- Mezinárodní konference o fyzice vysokých energií
- Úvod do kvantové mechaniky
- Seznam urychlovačů ve fyzice částic
- Seznam částic
- Magnetický monopole
- Mikro černá díra
- Teorie čísel
- Rezonance (částicová fyzika)
- Princip vlastní konzistence ve fyzice vysokých energií
- Nerozsáhlá autokonzistentní termodynamická teorie
- Standardní model (matematická formulace)
- Stanford Physics Information Retrieval System
- Časová osa částicové fyziky
- Fyzika bez částic
- Tetraquark
- Mezinárodní konference o fotonických, elektronických a atomových srážkách
Reference
Další čtení
- Úvodní čtení
- Zavřít, Frank (2004). Fyzika částic: Velmi krátký úvod . Oxford University Press. ISBN 978-0-19-280434-1.
- Zavřít, Franku ; Marten, Michael; Sutton, Christine (2004). The Particle Odyssey: A Journey to the Heart of the Matter . The Particle Odyssey: A Journey to the Heart of the Matter . Bibcode : 2002pojh.book ..... C . ISBN 9780198609438.
- Ford, Kenneth W. (2005). Kvantový svět . Harvard University Press.
- Oerter, Robert (2006). Teorie téměř všeho: Standardní model, neopěvovaný triumf moderní fyziky . Chochol.
- Schumm, Bruce A. (2004). Hluboké věci: Úchvatná krása částicové fyziky . Johns Hopkins University Press. ISBN 978-0-8018-7971-5.
- Zavřít, Frank (2006). Nová kosmická cibule . Taylor & Francis. ISBN 978-1-58488-798-0.
- Pokročilé čtení
- Robinson, Matthew B .; Bland, Karen R .; Cleaver, Gerald. B .; Dittmann, Jay R. (2008). „Jednoduchý úvod do fyziky částic“. arXiv : 0810.3328 [ hep-th ].
- Robinson, Matthew B .; Ali, Tibra; Cleaver, Gerald B. (2009). „Jednoduchý úvod do částicové fyziky, část II“. arXiv : 0908.1395 [ hep-th ].
- Griffiths, David J. (1987). Úvod do elementárních částic . Wiley, John & Sons, Inc. ISBN 978-0-471-60386-3.
- Kane, Gordon L. (1987). Moderní fyzika elementárních částic . Knihy Perseus. ISBN 978-0-201-11749-3.
- Perkins, Donald H. (1999). Úvod do fyziky vysokých energií . Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-62196-0.
- Povh, Bogdan (1995). Částice a jádra: Úvod do fyzikálních pojmů . Springer-Verlag. ISBN 978-0-387-59439-2.
- Boyarkin, Oleg (2011). Dvoudílná sada pokročilé fyziky částic . Stiskněte CRC. ISBN 978-1-4398-0412-4.
externí odkazy
- Časopis symetrie
- Fermilab
- Fyzika částic - na tom záleží - Fyzikální ústav
- Nobes, Matthew (2002) „Úvod do standardního modelu fyziky částic“ na Kuro5hin : Část 1 , Část 2 , Část 3a , Část 3b.
- CERN - Evropská organizace pro jaderný výzkum
- The Particle Adventure - vzdělávací projekt sponzorovaný Particle Data Group z Národní laboratoře Lawrence Berkeley (LBNL)