Partikelfysik (PEP), ofta även kallad subnukleär fysik , är en gren av fysiken som studerar strukturen och egenskaperna hos elementarpartiklar och deras interaktioner .
Teoretisk PEF bygger teoretiska modeller för att förklara data från aktuella experiment, för att göra förutsägelser för framtida experiment och för att utveckla matematiska verktyg för att utföra denna typ av forskning. Hittills är det huvudsakliga verktyget i den teoretiska fysiken för elementarpartiklar kvantfältteori . Inom ramen för detta teoretiska schema betraktas vilken elementarpartikel som helst som ett kvant av excitation av ett visst kvantfält. Varje typ av partikel har sitt eget fält. Kvantfält interagerar, i vilket fall deras kvanta kan förvandlas till varandra.
Hittills är det viktigaste verktyget för att skapa nya modeller i FEP konstruktionen av nya Lagrangians . Lagrangian består av en dynamisk del som beskriver dynamiken i ett fritt kvantfält (som inte interagerar med andra fält), och en del som beskriver antingen fältets självverkan eller interaktionen med andra fält. Om den fullständiga Lagrangian för ett dynamiskt system är känd, kan man, enligt den Lagrangian formalism av QFT, skriva ut rörelseekvationerna (evolutionen) för systemet av fält och försöka lösa detta system.
Huvudresultatet av den moderna teoretiska FEF är konstruktionen av standardmodellen för elementarpartikelfysik. Denna modell är baserad på idén om mätfältsinteraktioner och mekanismen för spontan mätsymmetribrytning (Higgs-mekanismen). Under de senaste decennierna har dess förutsägelser upprepade gånger verifierats i experiment, och för närvarande är det den enda fysikaliska teorin som adekvat beskriver vår världs struktur upp till avstånd i storleksordningen 10 −18 m. Totalt är modellen beskriver 61 partiklar [1] .
Fysiker som arbetar inom området teoretisk PEF står inför två huvuduppgifter: att skapa nya modeller för att beskriva experiment och föra förutsägelserna från dessa modeller (inklusive standardmodellen) till experimentellt verifierbara värden. Den andra uppgiften handlar om elementarpartiklars fenomenologi .
Interaktionen mellan partiklar i en PEF skiljer sig fundamentalt från interaktionen mellan objekt inom andra fysikområden. Klassisk mekanik studerar rörelser hos kroppar som i princip kan interagera med varandra. Mekanismerna för denna interaktion i klassisk mekanik är dock inte specificerade. Däremot ägnar PEF lika stor uppmärksamhet åt både partiklarna själva och processen för deras interaktion. Detta beror på det faktum att det i PEF är möjligt att beskriva den elektromagnetiska, starka och svaga interaktionen som ett utbyte av virtuella partiklar . Ett viktigt postulat i denna beskrivning var kravet att vår värld skulle vara symmetrisk med avseende på mätning av transformationer.
Jämlikheten mellan partiklar och deras interaktioner manifesteras vackert i supersymmetriska teorier, där förekomsten av en annan dold symmetri i vår värld postuleras: supersymmetri . Vi kan säga att när man transformerar supersymmetri, förvandlas partiklar till interaktioner och interaktioner till partiklar.
Redan från detta kan man se FEF:s exceptionella grundläggande natur - den försöker förstå många egenskaper hos vår värld, som tidigare (i andra delar av fysiken) endast togs som en given.
Experimentell elementarpartikelfysik är uppdelad i två stora klasser: accelerator och icke-accelerator.
Accelerator PEF är accelerationen av långlivade elementarpartiklar i ( accelerator ) till höga energier och deras kollision med varandra eller med ett fast mål. I processen med en sådan kollision är det möjligt att få en mycket hög koncentration av energi i en mikroskopisk volym, vilket leder till födelsen av nya, vanligtvis instabila, partiklar. Genom att studera egenskaperna hos sådana reaktioner (antalet producerade partiklar av ett eller annat slag, beroendet av denna mängd på energin, typen, polariseringen av de initiala partiklarna, av utgångsvinkeln, etc.), är det möjligt att återställa den inre strukturen hos de ursprungliga partiklarna, deras egenskaper och hur de interagerar med varandra.
Den icke- acceleratoriska PEF är en process av "passiv observation" av vår värld. I icke-acceleratorexperiment studeras elementarpartiklar av naturligt ursprung. Typiska icke-acceleratorexperiment är observation av neutriner i de så kallade neutrinoteleskopen, sökandet efter protonsönderfall , neutrinolöst dubbelbeta-sönderfall och andra extremt sällsynta händelser i en stor mängd materia, experiment med kosmisk strålning .
I modern elementarpartikelfysik identifierar experter ett antal olösta problem [2] .
Det experimentellt etablerade fenomenet med neutrinoscillationer pekar på ofullständigheten i standardmodellen . Dessutom finns det några experimentella bevis för att det finns en skillnad i amplituden för neutrino- och antineutrino- svängningar .
Astrofysiska och kosmologiska studier pekar på förekomsten av fysik bortom standardmodellen. Således är universums baryonsymmetri ett observationsfaktum , medan baryontalet i standardmodellen är en konstant. Ett annat faktum är närvaron i rymden av den så kallade dolda massan , som vanligtvis förklaras av förekomsten av mörk materia , okänd för modern naturfysik. Och slutligen, oförklarligt inom ramen för modern fysik är faktumet av den accelererade expansionen av universum , som vanligtvis förknippas med den så kallade mörka energin .
Separat finns det så kallade gaugehierarkiproblemet , som består i det faktum att de karakteristiska energiskalorna för de starka (200 MeV) och elektrosvaga (256 GeV) interaktionerna är många storleksordningar lägre än skalan för gravitationsinteraktionen ( 10 19 GeV), såväl som den förväntade skalan för den stora föreningen av interaktioner (10 16 GeV) och skalan associerad med CP-konservering i starka interaktioner (10 14 GeV). Aktuella frågor är arten av en sådan hierarki, orsakerna till dess stabilitet och närvaron av en stor "öken" mellan de två grupperna av skalor.
Ett annat hierarkiskt problem är relaterat till fermioniska massor. Inom standardmodellen bildar alla fermioniska fält ( leptoner och kvarkar ) tre generationer. I det här fallet skiljer sig generationernas massor många gånger om, även om andra egenskaper hos partiklar av olika generationer inte skiljer sig åt. Förklaringen av en sådan hierarki är ett av problemen med modern fysik.
Det finns också teoretiska svårigheter att beskriva hadroner . I synnerhet för att förstå inneslutningens natur är det nödvändigt att använda icke-perturbativa metoder för kvantkromodynamik .
Fysik bortom standardmodellen (annars kallad New Physics ) hänvisar till den teoretiska utvecklingen som behövs för att förklara bristerna i standardmodellen , såsom massans ursprung , det starka CP-problemet , neutrinoscillationer , materiens och antimaterias asymmetri , ursprunget till mörk materia och mörk energi . [3] Ett annat problem ligger i den matematiska grunden för själva standardmodellen - standardmodellen är inte förenlig med den allmänna relativitetsteorin i den meningen att en eller båda teorierna faller isär i sina beskrivningar till mindre under vissa förhållanden (t.ex. , inom kända rum- tidssingulariteter som Big Bang och svarta håls händelsehorisonter ).
Teorier som ligger utanför standardmodellen inkluderar olika förlängningar av standardmodellen via supersymmetri , såsom den minimala supersymmetriska standardmodellenoch bredvid den minimala supersymmetriska standardmodellen, eller helt nya förklaringar som strängteori , M-teori och extra dimensioner . Eftersom dessa teorier tenderar att vara helt överensstämmande med aktuella observerbara fenomen, eller inte drivs till den punkt av konkreta förutsägelser, kan frågan om vilken teori som är korrekt (eller åtminstone det "bästa steget" mot en Theory of Everything ) bara vara bestämt genom experiment.. Det är för närvarande ett av de mest aktiva forskningsområdena inom både teoretisk och experimentell fysik.
| Avsnitt av elementarpartikelfysik | |
|---|---|
| Partiklar i fysiken | |||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| grundläggande partiklar |
| ||||||||||||
| Kompositpartiklar _ |
| ||||||||||||