Физика элементарных частиц

Физика элементарных частиц — это раздел физики, изучающий фундаментальные, далее неразложимые составляющие материи (элементарные частицы) и основные взаимодействия между ними. Она является основой современного понимания структуры материи на самых малых масштабах, объединяя квантовую механику и специальную теорию относительности. Основной теоретической рамкой физики элементарных частиц является Стандартная модель, которая описывает три из четырёх известных фундаментальных взаимодействий (электромагнитное, сильное и слабое) и все известные элементарные частицы.

История

Зарождение и ранние представления

Идея о существовании мельчайших неделимых частиц — атомов — восходит к античной философии (Левкипп, Демокрит). Однако научное обоснование атомизм получил лишь в XIX веке, с развитием химии и термодинамики. Открытие электрона Джозефом Джоном Томсоном в 1897 году считается началом физики элементарных частиц как экспериментальной науки. Электрон оказался первой обнаруженной частицей, меньшей, чем атом. В 1911 году Эрнест Резерфорд, исследуя рассеяние альфа-частиц, открыл атомное ядро, а в 1919 году — протон. В 1932 году Джеймс Чедвик открыл нейтрон.

Эра квантовой теории и космических лучей

Развитие квантовой механики в 1920-х годах привело к созданию квантовой теории поля. Поль Дирак в 1928 году предсказал существование античастиц, а в 1932 году был открыт позитрон (античастица электрона) в космических лучах. Изучение космических лучей в 1930-1950-х годах привело к открытию множества новых частиц, включая мюон (1936), пионы (1947) и странные частицы (каоны, гипероны). Количество обнаруженных частиц быстро росло, что привело к концепции «зоопарка частиц».

Стандартная модель и ускорители

В 1960-х годах была предложена теория кварков (Мюррей Гелл-Манн, Джордж Цвейг), согласно которой адроны (протоны, нейтроны, мезоны) состоят из более фундаментальных частиц — кварков. Экспериментальные подтверждения кварковой структуры были получены в 1970-х годах на ускорителях (например, в опытах по глубоко неупругому рассеянию на SLAC и в ЦЕРНе). К 1970-м годам была сформулирована Стандартная модель, объединившая квантовую хромодинамику (сильное взаимодействие) и теорию электрослабого взаимодействия (Глэшоу, Вайнберг, Салам). В 1974 году открыт J/ψ-мезон, подтвердивший существование очарованного кварка, а в 1977 году — ипсилон-мезон (прелестный кварк). В 1983 году на ускорителе SPS в ЦЕРНе открыты W- и Z-бозоны — переносчики слабого взаимодействия. Вершиной на данный момент стало открытие бозона Хиггса в 2012 году на Большом адронном коллайдере (БАК), предсказанного в 1964 году Питером Хиггсом и другими физиками.

Классификация элементарных частиц

Все известные элементарные частицы делятся на два основных класса по значению спина: фермионы (полуцелый спин) и бозоны (целый спин). Фермионы подчиняются принципу запрета Паули и являются «строительными блоками» материи. Бозоны являются переносчиками фундаментальных взаимодействий.

Фермионы

Фермионы делятся на кварки и лептоны.

Кварки обладают цветовым зарядом и участвуют в сильном взаимодействии. Их шесть «ароматов» (типов):

• Верхний (u) и Нижний (d) — составляют протоны (uud) и нейтроны (udd). Массы: ~2.2 МэВ/c² (u) и ~4.7 МэВ/c² (d).
• Странный (s) и Очарованный (c) — имеют массу ~96 МэВ/c² и ~1.27 ГэВ/c² соответственно. Обнаружены в 1947 и 1974 годах.
• Прелестный (b) и Истинный (t) — самые тяжёлые, с массами ~4.18 ГэВ/c² и ~173 ГэВ/c². Истинный кварк был открыт в 1995 году на коллайдере Tevatron.

Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии. Их также шесть:

• Электрон (e⁻) — стабильная частица, основа атомов. Масса ~0.511 МэВ/c².
• Мюон (μ⁻) — нестабилен, время жизни ~2.2 микросекунды. Масса ~105.7 МэВ/c².
• Тау-лептон (τ⁻) — самый тяжёлый, масса ~1.777 ГэВ/c², время жизни ~2.9×10⁻¹³ секунды.
• Нейтрино (электронное νₑ, мюонное νμ, тау-ное ντ) — чрезвычайно лёгкие, почти безмассовые частицы, участвующие только в слабом взаимодействии. Долго считались безмассовыми, но открытие осцилляций нейтрино (2001-2002) доказало наличие у них ненулевой массы. Массы нейтрино чрезвычайно малы (менее 0.1 эВ/c²).

Бозоны

Бозоны переносят фундаментальные взаимодействия.

Третья строка таблицы скрыта. Вот её содержимое: | Слабое | W⁺, W⁻, Z⁰ | ~80.4 (W), ~91.2 (Z) | 1 | ±1 или 0 | Массивны, короткодействующий. Открыты в 1983 году. |

Фундаментальные взаимодействия

Электромагнитное взаимодействие

Описывается квантовой электродинамикой (КЭД). Переносится фотонами. Объединяет электрические и магнитные явления. Участвуют все частицы, имеющие электрический заряд. Дальнодействующее (обратно пропорционально квадрату расстояния).

Сильное (ядерное) взаимодействие

Описывается квантовой хромодинамикой (КХД). Переносится глюонами. Удерживает кварки внутри протонов, нейтронов и других адронов. Является самым сильным из всех взаимодействий, но очень короткодействующим (эффективный радиус ~10⁻¹⁵ м). Связывает протоны и нейтроны в атомных ядрах.

Слабое взаимодействие

Отвечает за радиоактивный бета-распад и другие процессы, в которых меняется аромат кварка (например, превращение нейтрона в протон). Переносится массивными W- и Z-бозонами. Короткодействующее (радиус ~10⁻¹⁸ м). Важно для процессов термоядерного синтеза в звёздах.

Гравитационное взаимодействие

Самое слабое из всех, но дальнодействующее. Описывается общей теорией относительности (ОТО). Переносчиком считается гипотетический гравитон. Гравитационные эффекты макроскопически значимы, но на уровне элементарных частиц чрезвычайно малы. Включение гравитации в Стандартную модель остаётся нерешённой задачей (квантовая гравитация).

Экспериментальные методы

Ускорители частиц

Основной инструмент физики элементарных частиц — ускорители заряженных частиц до высоких энергий. Они бывают:

• Линейные (например, SLAC) — разгоняют частицы по прямой.
• Циклические (синхротроны, коллайдеры) — разгоняют частицы по окружности, накапливают энергию и сталкивают встречные пучки. Крупнейший — Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРНе (Женева, Швейцария), длина кольца 27 км.

Детекторы

Продукты столкновений регистрируются многокомпонентными детекторами, такими как ATLAS, CMS, ALICE, LHCb. Они содержат:

• Трекеры — регистрируют траектории заряженных частиц.
• Калориметры — измеряют энергию частиц (электромагнитные и адронные).
• Мюонные камеры — выделяют мюоны, проходящие через вещество.
• Идентификация частиц основана на измерении импульса (в магнитном поле), времени пролёта, потери энергии и дисперсии Черенкова.

Космические лучи

До создания ускорителей частицы с энергией, превышающей несколько МэВ, были доступны только в космических лучах. И сегодня они используются для изучения частиц сверхвысоких энергий (напр., нейтринных обсерваторий, например, IceCube).

Нерешённые проблемы и теории за пределами Стандартной модели

Несмотря на колоссальный успех, Стандартная модель не является полной теорией. Основные нерешённые проблемы:

• Тёмная материя — по данным космологии, около 85% материи во Вселенной невидимо. Стандартная модель не содержит подходящих частиц-кандидатов. Кандидатами считаются WIMPs (слабо взаимодействующие массивные частицы), аксионы, стерильные нейтрино.
• Тёмная энергия — неизвестная форма энергии, вызывающая ускоренное расширение Вселенной. Не описана Стандартной моделью.
• Барионная асимметрия Вселенной — почему во Вселенной намного больше материи, чем антиматерии? В Стандартной модели этого недостаточно.
• Проблема иерархии — почему масса бозона Хиггса (125 ГэВ) так мала по сравнению с планковской шкалой (10¹⁹ ГэВ)?
• Гравитация — не включена в Стандартную модель.

Для решения этих проблем разрабатываются теории «за пределами Стандартной модели» (BSM):

• Суперсимметрия (SUSY) — постулирует, что у каждой частицы есть суперпартнёр с отличающимся на 1/2 спином. Решает проблему иерархии и даёт кандидата на тёмную материю (нейтралино).
• Теория струн — предполагает, что элементарные частицы — это одномерные объекты (струны), вибрирующие в 10 или 11 измерениях. Теория претендует на объединение всех взаимодействий, включая гравитацию.
• Техниколор — модель, где бозон Хиггса не элементарен, а состоит из других частиц.
• Теория дополнительных измерений — пространство может иметь более 3 измерений, свёрнутых в малые масштабы (модели Калуцы-Клейна, ADD, RS).

Экспериментальные поиски этих явлений активно ведутся на БАК и в других экспериментах.

Источники

• М. Е. Перельман, «Физика элементарных частиц» (учебник для вузов).
• Д. Гриффитс, «Введение в элементарные частицы».
• Ю. А. Смирнов, «Стандартная модель и её расширения».
• Сайт ЦЕРНа: home.cern.
• Сайт Нобелевского комитета: nobelprize.org (разделы по физике).
• «Открытие бозона Хиггса» — научные публикации коллабораций ATLAS и CMS (Physics Letters B, 2012).