Fyzika částic - Particle physics - Wikipedia
Standardní model z částicová fyzika |
---|
Vědci Rutherford · Thomson · Chadwick · Bose · Sudarshan · Koshiba · Davis Jr. · Anderson · Fermi · Dirac · Feynman · Rubbia · Gell-Mann · Kendall · Taylor · Friedman · Powell · P. W. Anderson · Glashow · Iliopoulos · Maiani · Meer · Cowan · Nambu · Komorník · Cabibbo · Schwartz · Perl · Majorana · Weinberg · Závětří · Ward · salám · Kobajaši · Maskawa · Yang · Yukawa · 't Hooft · Veltman · Hrubý · Politzer · Wilczek · Cronin · tchoř · Vleck · Higgs · Englert · Brout · Hagen · Guralnik · Granule · Ting · Richter |
Fyzika částic (také známý jako fyzika vysokých energií) je pobočkou fyzika který studuje povahu částic, které tvoří hmota a záření. Ačkoli slovo částice může odkazovat na různé typy velmi malých předmětů (např. protony, částice plynu nebo dokonce prach z domácnosti), částicová fyzika obvykle zkoumá neredukovatelně nejmenší detekovatelné částice a základní interakce nutné vysvětlit jejich chování. V současném chápání tyto elementární částice jsou vzrušení z kvantová pole které také řídí jejich interakce. Současná dominantní teorie vysvětlující tyto základní částice a pole spolu s jejich dynamikou se nazývá Standardní model. Takže moderní fyzika částic obecně zkoumá standardní model a jeho různá možná rozšíření, např. na nejnovější "známou" částici, Higgsův boson, nebo dokonce k nejstaršímu známému silovému poli, gravitace.[1][2]
Subatomární částice
Zaměřuje se na moderní výzkum částicové fyziky subatomární částice, včetně atomových složek, jako je elektrony, protony, a neutrony (protony a neutrony jsou složené částice zvané baryony, vyroben z kvarky ), produkovaný radioaktivní a rozptyl procesy, jako např fotony, neutrina, a miony, stejně jako širokou škálu exotické částice.Dynamika částic se také řídí kvantová mechanika; vystavují dualita vln-částic, zobrazující chování podobné částicím za určitých experimentálních podmínek a mávat -jako chování u ostatních. Z technického hlediska jsou popsány v kvantový stav vektory v a Hilbertův prostor, který je také léčen v kvantová teorie pole. V návaznosti na konvenci částicových fyziků, termín elementární částice se aplikuje na ty částice, u nichž se podle současného chápání předpokládá, že jsou nedělitelné a že nejsou složeny z jiných částic.[3]
Typy | Generace | Antičástice | Barvy | Celkový | |
---|---|---|---|---|---|
Kvarky | 2 | 3 | Pár | 3 | 36 |
Leptony | Pár | Žádný | 12 | ||
Gluony | 1 | Žádný | Vlastní | 8 | 8 |
Foton | Vlastní | Žádný | 1 | ||
Z Boson | Vlastní | 1 | |||
W Bosone | Pár | 2 | |||
Higgs | Vlastní | 1 | |||
Celkový počet (známých) elementárních částic: | 61 |
Všechny dosud pozorované částice a jejich interakce lze téměř úplně popsat pomocí kvantové teorie pole zvané Standardní model.[4] Standardní model, jak je v současné době formulován, má 61 elementárních částic.[3]Tyto elementární částice se mohou spojit a vytvořit kompozitní částice, což odpovídá stovkám dalších druhů částic, které byly objeveny od 60. let.
Bylo zjištěno, že standardní model souhlasí téměř se všemi experimentální dosud provedené testy. Většina fyziků částic se však domnívá, že jde o neúplný popis přírody a že na objev čeká zásadnější teorie (viz Teorie všeho ). V posledních letech byla měření neutrino Hmotnost poskytly první experimentální odchylky od standardního modelu, protože neutrina jsou ve standardním modelu nehmotná.[5]
Dějiny
Myšlenka, že všechno hmota se v zásadě skládá z elementární částice pochází nejméně ze 6. století před naším letopočtem.[6] V 19. století John Dalton, prostřednictvím své práce na stechiometrie dospěli k závěru, že každý přírodní prvek se skládá z jednoho jedinečného typu částice.[7] Slovo atom, po řeckém slově atomos což znamená „nedělitelný“, od té doby označuje nejmenší částice a chemický prvek, ale fyzici brzy zjistili, že atomy nejsou ve skutečnosti základní částice přírody, ale jsou to konglomeráty ještě menších částic, jako je elektron. Průzkumy počátku 20. Století nukleární fyzika a kvantová fyzika vedlo k důkazům o jaderné štěpení v roce 1939 Lise Meitner (na základě experimentů od Otto Hahn ), a jaderná fůze podle Hans Bethe v témže roce; oba objevy také vedly k vývoji nukleární zbraně. V průběhu padesátých a šedesátých let 20. století byla při srážkách částic paprsků se stále vyšší energií nalezena matoucí paleta částic. Neformálně byl označován jako „částicová zoo Tento termín byl zastaralý[Citace je zapotřebí ] po formulaci standardního modelu v 70. letech, kdy byl velký počet částic vysvětlen jako kombinace (relativně) malého počtu zásadnějších částic.
Standardní model
Současný stav klasifikace všech elementárních částic vysvětluje Standardní model, který si získal široké přijetí v polovině 70. let experimentální potvrzení existence kvarky. Popisuje to silný, slabý, a elektromagnetické základní interakce pomocí zprostředkování měřicí bosony. Druhů rozchodových bosonů je osm gluony,
Ž−
,
Ž+
a
Z
bosony a foton.[4] Standardní model také obsahuje 24 základní fermiony (12 částic a jejich přidružené anti-částice), které jsou složkami všech hmota.[8] Nakonec standardní model také předpověděl existenci typu boson známý jako Higgsův boson. Dne 4. července 2012 oznámili fyzici s velkým hadronovým urychlovačem v CERNu, že našli novou částici, která se chová podobně, jak se očekává od Higgsova bosonu.[9]
Experimentální laboratoře
Hlavní světové laboratoře fyziky částic jsou:
- Brookhaven National Laboratory (Dlouhý ostrov, Spojené státy ). Jeho hlavním zařízením je Relativistický těžký iontový urychlovač (RHIC), který se srazí těžké ionty jako jsou ionty zlata a polarizované protony. Je to první urychlovač těžkých iontů na světě a jediný polarizovaný protonový urychlovač na světě.[10][11]
- Budker Institute of Nuclear Physics (Novosibirsk, Rusko ). Jeho hlavními projekty jsou nyní elektron-pozitron urychlovače VEPP-2000,[12] provozován od roku 2006 a VEPP-4,[13] zahájené experimenty v roce 1994. Dřívější zařízení zahrnují první elektron-elektronový paprsek-paprsek urychlovač VEP-1, která prováděla experimenty od roku 1964 do roku 1968; elektron-pozitron urychlovače VEPP-2, provozovaný od roku 1965 do roku 1974; a jeho nástupce VEPP-2M,[14] prováděly experimenty v letech 1974 až 2000.[15]
- CERN (Evropská organizace pro jaderný výzkum) (Franco -švýcarský hranice, blízko Ženeva ). Jeho hlavním projektem je nyní Velký hadronový urychlovač (LHC), jehož první oběh paprsků proběhl 10. září 2008, a který je nyní nejenergetičtějším urychlovačem protonů na světě. Poté, co se začalo srážet s olověnými ionty, se také stalo nejaktivnějším urychlovačem těžkých iontů. Dřívější zařízení zahrnují Velký elektron-pozitronový urychlovač (LEP), která byla zastavena dne 2. listopadu 2000 a poté demontována, aby uvolnila místo pro LHC; a Super protonový synchrotron, který se znovu používá jako předrychlovač pro LHC a pro experimenty s pevným cílem.[16]
- DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) (Hamburg, Německo ). Jeho hlavním zařízením byla Hadron Elektron Ring Anlage (HERA), který srazil elektrony a pozitrony s protony.[17] Komplex urychlovače je nyní zaměřen na produkci synchrotronového záření s PETRA III, FLASH a Evropský XFEL.
- Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) (Batavia, Spojené státy ). Jeho hlavním zařízením do roku 2011 byla Tevatron, který se srazil s protony a antiprotony a byl urychlovačem částic s nejvyšší energií na Zemi, dokud jej 29. listopadu 2009 nepřekonal Large Hadron Collider.[18]
- Ústav fyziky vysokých energií (IHEP) (Peking, Čína ). IHEP spravuje řadu hlavních čínských zařízení pro fyziku částic, včetně Peking Electron – Positron Collider II (BEPC II), Pekingský spektrometr (BES), Pekingský synchrotronový radiační objekt (BSRF), Mezinárodní kosmická paprsková observatoř v Yangbajingu v Tibetu, Experiment neutronového reaktoru Daya Bay, China Spallation Neutron Source, Tvrdý rentgenový modulační dalekohled (HXMT) a podkritický systém poháněný akcelerátorem (ADS) a také Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO).[19]
- KEK (Tsukuba, Japonsko ). Je domovem řady experimentů, jako je Experiment K2K, a kmitání neutrin experimentovat a Belle II, experiment měřící Porušení CP z B mezony.[20]
- SLAC National Accelerator Laboratory (Menlo Park, Spojené státy ). Jeho 2 míle dlouhý lineární urychlovač částic začal fungovat v roce 1962 a byl základem mnoha elektron a pozitron kolizní experimenty do roku 2008. Od té doby se lineární urychlovač používá pro Koherentní světelný zdroj Linac Rentgenový laser stejně jako pokročilý výzkum designu urychlovače. Zaměstnanci SLAC se nadále podílejí na vývoji a budování mnoha detektory částic okolo světa.[21]
Mnoho jiných urychlovače částic také existují.
Techniky potřebné pro moderní experimentální fyziku částic jsou velmi rozmanité a složité a tvoří subšpecialitu téměř úplně odlišnou[Citace je zapotřebí ] z teoretické stránky oboru.
Teorie
Teoretická částicová fyzika pokusy vyvinout modely, teoretický rámec a matematické nástroje k pochopení současných experimentů a vytváření předpovědí pro budoucí experimenty (viz také teoretická fyzika ). V současné době existuje v teoretické fyzice částic několik významných vzájemně provázaných snah.
Jedna důležitá větev se pokouší lépe porozumět Standardní model a jeho testy. Extrakcí parametrů standardního modelu z experimentů s menší nejistotou tato práce zkoumá limity standardního modelu, a proto rozšiřuje vědecké porozumění stavebním kamenům přírody. Tato snaha je zpochybněna obtížností výpočtu množství v kvantová chromodynamika. Někteří teoretici pracující v této oblasti se označují jako fenomenologové a mohou používat nástroje kvantová teorie pole a efektivní teorie pole.[Citace je zapotřebí ] Jiní využívají teorie mřížového pole a říkají si teoretici mřížky.
Dalším velkým úsilím je modelářství kde stavitelé modelů rozvíjet nápady, co může fyzika ležet nad rámec standardního modelu (při vyšších energiích nebo menších vzdálenostech). Tato práce je často motivována problém hierarchie a je omezen existujícími experimentálními daty.[Citace je zapotřebí ] Může to zahrnovat práci na supersymetrie, alternativy k Higgsův mechanismus, extra prostorové rozměry (např Modely Randall – Sundrum ), Preon teorie, jejich kombinace nebo jiné myšlenky.
Třetí hlavní úsilí v teoretické fyzice částic je teorie strun. Strunní teoretici pokus o vytvoření jednotného popisu kvantová mechanika a obecná relativita vytvořením teorie založené na malých řetězcích a otruby spíše než částice. Pokud bude teorie úspěšná, lze ji považovat za „Teorie všeho "nebo" TOE ".
V teoretické částicové fyzice existují také další oblasti práce, od částicová kosmologie na smyčková kvantová gravitace.[Citace je zapotřebí ]
Toto rozdělení úsilí ve fyzice částic se odráží ve jménech kategorií na arXiv, a předtisk archiv:[22] hep-th (teorie), hep-ph (fenomenologie), hep-ex (experimenty), hep-lat (teorie mřížky ).
Praktické aplikace
V zásadě lze veškerou fyziku (a z ní vyvinuté praktické aplikace) odvodit ze studia základních částic. V praxi, i když se pod pojmem „fyzika částic“ rozumí pouze „drtiče atomů s vysokou energií“, bylo během těchto průkopnických výzkumů vyvinuto mnoho technologií, které později ve společnosti naleznou široké využití. K výrobě se používají urychlovače částic lékařské izotopy pro výzkum a léčbu (například izotopy používané v Zobrazování PET ), nebo použít přímo v radioterapie vnějším paprskem. Vývoj supravodiče bylo posunuto vpřed jejich použitím ve fyzice částic. The Celosvětová Síť a Dotyková obrazovka technologie byly původně vyvinuty v CERN. Mezi další aplikace patří medicína, národní bezpečnost, průmysl, výpočetní technika, věda a vývoj pracovních sil, což ilustruje dlouhý a rostoucí seznam užitečných praktických aplikací s příspěvky z částicové fyziky.[23]
Budoucnost
Primárním cílem, který je sledován několika odlišnými způsoby, je najít a pochopit, co může fyzika spočívat nad rámec standardního modelu. Existuje několik silných experimentálních důvodů, proč očekávat novou fyziku, včetně temná hmota a hmota neutrin. Existují také teoretické náznaky, že tato nová fyzika by měla být nalezena v přístupných energetických stupnicích.
Velká část úsilí najít tuto novou fyziku se zaměřuje na nové experimenty s urychlovačem. The Velký hadronový urychlovač (LHC) byla dokončena v roce 2008, aby pomohla pokračovat v hledání Higgsův boson, supersymetrické částice a další nová fyzika. Mezilehlým cílem je výstavba Mezinárodní lineární urychlovač (ILC), který doplní LHC tím, že umožní přesnější měření vlastností nově nalezených částic. V srpnu 2004 bylo přijato rozhodnutí o technologii ILC, ale na webu je ještě třeba se dohodnout.
Kromě toho existují důležité experimenty bez urychlovače, které se také snaží najít a porozumět fyzika nad rámec standardního modelu. Jedním z důležitých non-collider úsilí je stanovení neutrino masy, protože tyto hmoty mohou vznikat mícháním neutrin s velmi těžkými částicemi. Navíc, kosmologický pozorování poskytují mnoho užitečných omezení pro temnou hmotu, i když může být nemožné určit přesnou povahu temné hmoty bez srážek. Nakonec spodní hranice velmi dlouho životnost protonu uvalit omezení Velké sjednocené teorie v energetických stupnicích mnohem vyšších, než budou experimenty urychlovače schopny v dohledné době sondovat.
V květnu 2014 Panel pro stanovení priorit projektu Fyzika částic vydala zprávu o prioritách financování částicové fyziky pro USA v příštím desetiletí. Tato zpráva zdůraznila pokračující účast USA v LHC a ILC a rozšíření EU Experiment Deep Underground Neutrino, mimo jiné doporučení.
Fyzika vysokých energií ve srovnání s fyzikou nízkých energií
Termín fyzika vysokých energií vyžaduje zpracování. Intuitivně by se mohlo zdát nesprávné spojovat „vysokou energii“ s fyzikou velmi malých, nízký Hmotnost objekty, jako subatomární částice. Pro srovnání, příklad a makroskopické systém, jeden gram z vodík, má ~ 6×1023 krát[24] hmotnost jediného protonu. Dokonce i celý paprsek protonů cirkulujících v LHC obsahuje ~ 3.23×1014 protony,[25] každý s 6.5×1012 eV energie, pro celkovou energii paprsku ~ 2.1×1027 eV nebo ~ 336,4 MJ, což je stále ~ 2.7×105 krát nižší než hmotnostní energie jednoho gramu vodíku. Makroskopická oblast je přesto „nízkoenergetická fyzika“,[Citace je zapotřebí ] zatímco u kvantových částic jde o „fyziku vysokých energií“.
Interakce studované v jiných oblastech fyziky a vědy mají poměrně nízkou energii. Například fotonová energie z viditelné světlo je asi 1,8 až 3,1 eV. Podobně energie disociace vazby a vazba uhlík-uhlík je asi 3,6 eV. jiný chemické reakce obvykle zahrnují podobné množství energie. Dokonce i fotony s mnohem vyšší energií, gama paprsky druhu vyrobeného v radioaktivní rozpad, většinou mají fotonovou energii mezi 105 eV a 107 eV - pořád dva řádově nižší než hmotnost jediného protonu. Radioaktivní rozpad gama paprsky jsou považovány za součást nukleární fyzika, spíše než fyzika vysokých energií.
Proton má hmotu kolem 9.4×108 eV; některé další masivní kvantové částice, elementární i hadronic, mají ještě vyšší masy. Díky těmto velmi vysokým energiím na úrovni jednotlivých částic, částicová fyzika je ve skutečnosti fyzika vysokých energií.
Viz také
- Atomová fyzika
- Astronomie
- Vysoký tlak
- Mezinárodní konference o fyzice vysokých energií
- Úvod do kvantové mechaniky
- Seznam urychlovačů ve fyzice částic
- Seznam částic
- Magnetický monopol
- Mikro černá díra
- Teorie čísel
- Rezonance (částicová fyzika)
- Princip konzistence ve fyzice vysokých energií
- Nerozsáhlá samonosná termodynamická teorie
- Standardní model (matematická formulace)
- Stanfordský fyzikální informační systém
- Časová osa částicové fyziky
- Fyzika částic
- Tetraquark
- Mezinárodní konference o fotonických, elektronických a atomových srážkách
Reference
- ^ „Higgsův boson“. CERN.
- ^ „Mechanismus BEH, interakce se silami krátkého dosahu a skalárními částicemi“ (PDF). 8. října 2013.
- ^ A b Braibant, S .; Giacomelli, G .; Spurio, M. (2009). Částice a základní interakce: Úvod do fyziky částic. Springer. 313–314. ISBN 978-94-007-2463-1.
- ^ A b „Výzkum částicové fyziky a astrofyziky“. Ústav jaderné fyziky Henryka Niewodniczanského. Archivovány od originál dne 2. října 2013. Citováno 31. května 2012.
- ^ „Neutrina ve standardním modelu“. Spolupráce T2K. Citováno 15. října 2019.
- ^ "Základy fyziky a jaderné fyziky" (PDF). Archivovány od originál (PDF) dne 2. října 2012. Citováno 21. července 2012.
- ^ "Vědecký průzkumník: Kvazičástice". Sciexplorer.blogspot.com. 22. května 2012. Archivovány od originál dne 19. dubna 2013. Citováno 21. července 2012.
- ^ Nakamura, K (1. července 2010). "Recenze částicové fyziky". Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics. 37 (7A): 075021. Bibcode:2010JPhG ... 37g5021N. doi:10.1088 / 0954-3899 / 37 / 7A / 075021. PMID 10020536.
- ^ Mann, Adam (28. března 2013). „Nově objevená částice se zdá být dlouho očekávaným Higgsovým bosonem“. Drátová věda. Citováno 6. února 2014.
- ^ Harrison, M .; Ludlam, T .; Ozaki, S. (březen 2003). "Přehled projektu RHIC". Jaderné přístroje a metody ve fyzice Výzkum sekce A: Urychlovače, spektrometry, detektory a související zařízení. 499 (2–3): 235–244. Bibcode:2003 NIMPA.499..235H. doi:10.1016 / S0168-9002 (02) 01937-X.
- ^ Courant, Ernest D. (prosinec 2003). „Akcelerátory, urychlovače a hadi“. Výroční přehled jaderné a částicové vědy. 53 (1): 1–37. Bibcode:2003ARNPS..53 .... 1C. doi:10.1146 / annurev.nucl.53.041002.110450. ISSN 0163-8998.
- ^ "index". Vepp2k.inp.nsk.su. Archivovány od originál dne 29. října 2012. Citováno 21. července 2012.
- ^ „Komplex akcelerace a ukládání VEPP-4“. V4.inp.nsk.su. Archivovány od originál dne 16. července 2011. Citováno 21. července 2012.
- ^ „Komplex urychlovačů VEPP-2M“ (v Rusku). Inp.nsk.su. Citováno 21. července 2012.
- ^ „Budkerův institut jaderné fyziky“. Angličtina Rusko. 21. ledna 2012. Citováno 23. června 2012.
- ^ "Vítejte v". Info.cern.ch. Citováno 23. června 2012.
- ^ „Největší německé centrum akcelerátoru“. Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY. Citováno 23. června 2012.
- ^ "Fermilab | Domů". Fnal.gov. Citováno 23. června 2012.
- ^ „IHEP | Domů“. ihep.ac.cn. Archivovány od originál dne 1. února 2016. Citováno 29. listopadu 2015.
- ^ "Kek | Organizace pro výzkum urychlovače vysokých energií". Legacy.kek.jp. Archivovány od originál dne 21. června 2012. Citováno 23. června 2012.
- ^ „Domovská stránka laboratoře národní urychlovače SLAC“. Citováno 19. února 2015.
- ^ „archiv e-tisku arXiv.org“.
- ^ "Fermilab | Věda ve Fermilab | Výhody pro společnost". Fnal.gov. Citováno 23. června 2012.
- ^ „Hodnota CODATA: Avogadrova konstanta“. Reference NIST o konstantách, jednotkách a nejistotě. US National Institute of Standards and Technology. Červen 2015. Citováno 2016-12-10.
- ^ „Požadavky na paprsek a základní volby“ (PDF). CERN Engineering & Equipment Data Management Service (EDMS). Citováno 10. prosince 2016.
Další čtení
- Úvodní čtení
- Zavřít, Franku (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, Franku (2006). Nová kosmická cibule. Taylor & Francis. ISBN 978-1-58488-798-0.
- Pokročilé čtení
- Robinson, Matthew B .; Bland, Karen R .; Sekáček, Geralde. B .; Dittmann, Jay R. (2008). "Jednoduchý úvod do částicové fyziky". 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 elementární fyzika 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 koncepcí. Springer-Verlag. ISBN 978-0-387-59439-2.
- Boyarkin, Oleg (2011). Pokročilá dvoudílná sada fyziky částic. CRC Press. ISBN 978-1-4398-0412-4.
externí odkazy
- Symetrie časopis
- Fermilab
- Fyzika částic - to je důležité - Fyzikální ústav
- Nobes, Matthew (2002) "Úvod do standardního modelu částicové fyziky" na Kuro5hin: Část 1, Část 2, Část 3a, Část 3b.
- CERN - Evropská organizace pro jaderný výzkum
- Částicové dobrodružství - vzdělávací projekt sponzorovaný Skupina dat o částicích z Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL)