Физика ядра и элементарных частиц

Результат столкновения ионов золота с энергией 100 ГэВ, зарегистрированный детектором STAR на коллайдере тяжелых релятивистских ионов RHIC. Тысячи линий обозначают пути частиц, родившихся в одном столкновении.

Фи́зика элемента́рных части́ц (ФЭЧ), часто называемая также фи́зикой высо́ких эне́ргий — раздел физики, изучающий структуру и свойства элементарных частиц и их взаимодействия.

Теоретическая ФЭЧ

Теоретическая ФЭЧ строит теоретические модели для объяснения данных, полученных в действующих экспериментах, получения предсказаний для будущих экспериментов и разработки математического инструментария для проведения исследований такого рода. На сегодняшний день основным орудием в теоретической физике элементарных частиц является квантовая теория поля. В рамках этой теоретической схемы любая элементарная частица рассматривается, как квант возбуждения определенного квантового поля. Для каждого типа частиц вводится собственное поле. Квантовые поля взаимодействуют, в этом случае, их кванты могут превращаться друг в друга.

На сегодняшний день основным инструментом создания новых моделей в ФЭЧ является построение новых лагранжианов. Лагранжиан состоит из динамической части, которая описывает динамику свободного квантового поля (не взаимодействующего с другими полями), и частью, описывающей либо самодействие поля, либо взаимодействие с другими полями. Если полный лагранжиан динамической системы известен, то, согласно лагранжеву формализму КТП, можно выписать уравнения движения (эволюции) системы полей и пытаться решить эту систему.

Главным результатом современной теоретической ФЭЧ является построение Стандартной Модели физики элементарных частиц. Данная модель базируется на идее калибровочных взаимодействий полей и механизме спонтанного нарушения калибровочной симметрии (механизм Хиггса). За последние пару десятков лет её предсказания были многократно перепроверены в экспериментах, и в настоящее время она — единственная физическая теория, адекватно описывающая устройство нашего мира вплоть до расстояний порядка 10⁻¹⁸м.

Перед физиками, работающими в области теоретической ФЭЧ, стоят две основные задачи: создание новых моделей для описания экспериментов и доведение предсказаний этих моделей (в том числе и Стандартной Модели) до экспериментально проверяемых величин. Второй задачей занимается феноменология элементарных частиц.

Концепция взаимодействия в ФЭЧ

Взаимодействие частиц в ФЭЧ принципиально отличается от взаимодействия объектов в других областях физики. Например, классическая механика изучает движение тел, которые, в принципе, могут друг с другом взаимодействовать. Однако механизмы этого взаимодействия в классической механике не уточняются. В противоположность этому, ФЭЧ уделяет одинаковое внимание, как самим частицам, так и процессу их взаимодействия. Связано это с тем, что в ФЭЧ удается описать электромагнитное, сильное и слабое взаимодействие как обмен виртуальными частицами. Важным постулатом в таком описании явилось требование симметрии нашего мира относительно калибровочных преобразований.

Равноправие частиц и их взаимодействий красивым образом проявляется в суперсимметричных теориях, в которых постулируется существование в нашем мире ещё одной скрытой симметрии: суперсимметрии. Можно сказать, что при преобразовании суперсимметрии частицы превращаются во взаимодействия, а взаимодействия — в частицы.

Уже отсюда видна исключительная фундаментальность ФЭЧ — в ней делается попытка понять многие свойства нашего мира, которые до этого (в других разделах физики) принимались лишь как данность.

Экспериментальная ФЭЧ

Экспериментальная физика элементарных частиц делится на два больших класса: ускорительную и неускорительную.

Ускорительная ФЭЧ — это разгон долгоживущих элементарных частиц в ускорителе (коллайдере) до высоких энергий и столкновение их друг с другом или с неподвижной мишенью. В процессе такого столкновения удается получить очень высокую концентрацию энергии в микроскопическом объёме, что приводит к рождению новых, обычно нестабильных, частиц. Изучая характеристики таких реакций (количество рождённых частиц того или иного сорта, зависимость этого количества от энергии, типа, поляризации исходных частиц, от угла вылета и т. д.), можно восстановить внутреннюю структуру исходных частиц, их свойства, то, как они взаимодействуют друг с другом.

Неускорительная ФЭЧ — это процесс «пассивного наблюдения» за нашим миром. В неускорительных экспериментах поставщиком элементарных частиц является Природа, а от исследователя требуется лишь внимательно следить за происходящим. Типичные неускорительные эксперименты — наблюдение за нейтрино в так называемых нейтринных телескопах, поиск распада протона, безнейтринного двойного бета-распада и прочих крайне редких событий в большом объеме вещества, эксперименты с космическими лучами.

Ссылки

• Хроника открытий в физики ядра и частиц, подготовленная сотрудниками физического факультета МГУ им М. В. Ломоносова.
• Последние достижения в физике элементарных частиц
• Физика элементарных частиц на Scientific.ru
• Полная таблица элементарных частиц, подготовленная Particle Data Group.
• Физика элементарных частиц — в мире, в ИЯФ, на кафедре ФЭЧ

Разделы физики
Экспериментальная физика | Теоретическая физика
Механика | Специальная теория относительности | Общая теория относительности | Космология | Молекулярная физика | Термодинамика | Статистическая физика | Физическая кинетика | Электродинамика | Оптика | Акустика | Физика плазмы | Физика конденсированного состояния | Атомная физика | Квантовая физика | Квантовая механика | Квантовая теория поля | Ядерная физика | Физика элементарных частиц | Теория колебаний | Нелинейная динамика | Метрология | Астрофизика | Геофизика | Биофизика | Радиофизика | Материаловедение | Физика атмосферы | Химическая физика | Физическая химия | Математическая физика