Hiukkasfysiikka (PEP), jota usein kutsutaan myös subydinfysiikaksi, on fysiikan haara, joka tutkii alkuainehiukkasten rakennetta ja ominaisuuksia sekä niiden vuorovaikutusta .
Teoreettinen PEF rakentaa teoreettisia malleja selittämään nykyisiä kokeita koskevia tietoja, ennusteiden tekemiseksi tuleville kokeille ja kehittääkseen matemaattisia välineitä tällaisen tutkimuksen suorittamiseksi. Tähän päivään mennessä päätyökalu elementtien hiukkasten teoreettisessa fysiikassa on kvanttikenttäteoria . Tämän teoreettisen kaavion puitteissa mitä tahansa alkuainepartikkelia pidetään tietyn kvanttikentän herätyksen kvanttina. Jokaisella hiukkastyypillä on oma kenttänsä. Kvanttikentät ovat vuorovaikutuksessa, jolloin niiden kvanti voi muuttua toisiinsa.
Tähän mennessä tärkein työkalu uusien mallien luomiseen FEP:ssä on uusien Lagrangianien rakentaminen . Lagrangian koostuu dynaamisesta osasta, joka kuvaa vapaan kvanttikentän dynamiikkaa (ei vuorovaikutuksessa muiden kenttien kanssa) ja osaa, joka kuvaa joko kentän omatoimintaa tai vuorovaikutusta muiden kenttien kanssa. Jos dynaamisen järjestelmän koko Lagrangian tunnetaan, QFT: n Lagrangian muodollisuuden mukaan voidaan kirjoittaa kenttijärjestelmän liikkeen yhtälöt (evoluutio) ja yrittää ratkaista tämä järjestelmä.
Nykyaikaisen teoreettisen FEF: n päätulos on perushiukkasfysiikan standardimallin rakentaminen . Tämä malli perustuu ajatukseen mittauskentän vuorovaikutuksista ja spontaanin mittarin symmetrian rikkoutumisen mekanismista (Higgs -mekanismi). Parin viime vuosikymmenen aikana sen ennusteita on toistuvasti todennettu kokeissa, ja tällä hetkellä se on ainoa fysikaalinen teoria, joka kuvaa riittävästi maailmamme rakennetta luokkaa 10 −18 m. Kaiken kaikkiaan malli kuvaa 61 hiukkasta [1] .
Teoreettisen PEF: n alalla työskentelevät fyysikot kohtaavat kaksi päätehtävää: uusien mallien luominen kokeiden kuvaamiseksi ja näiden mallien (mukaan lukien vakiomalli) ennusteiden tuomiseksi kokeellisesti todennettavissa oleviin arvoihin. Toinen tehtävä käsittelee alkuainehiukkasten fenomenologiaa .
Hiukkasten vuorovaikutus PEF:ssä eroaa olennaisesti muiden fysiikan alueiden esineiden vuorovaikutuksesta. Klassinen mekaniikka tutkii kappaleiden liikettä, jotka periaatteessa voivat olla vuorovaikutuksessa keskenään. Tämän vuorovaikutuksen mekanismeja klassisessa mekaniikassa ei kuitenkaan ole määritelty. Sitä vastoin PEF kiinnittää yhtä paljon huomiota sekä itse hiukkasiin että niiden vuorovaikutusprosessiin. Tämä johtuu siitä, että PEF:ssä on mahdollista kuvata sähkömagneettista, vahvaa ja heikkoa vuorovaikutusta virtuaalihiukkasten vaihdoksi . Tärkeä postulaatti tässä kuvauksessa oli vaatimus, että maailmamme on oltava symmetrinen mittamuunnosten suhteen.
Hiukkasten ja niiden vuorovaikutusten tasa-arvo ilmenee kauniisti supersymmetrisissä teorioissa, joissa oletetaan toisen piilotetun symmetrian olemassaoloa maailmassamme: supersymmetria . Voimme sanoa, että supersymmetriaa muuttaessa hiukkaset muuttuvat vuorovaikutuksiksi ja vuorovaikutukset hiukkasiksi.
Jo tästä näkee FEF:n poikkeuksellinen perusluonne - se yrittää ymmärtää monia maailmamme ominaisuuksia, jotka ennen (muissa fysiikan osissa) pidettiin vain itsestäänselvyytenä.
Kokeellinen alkeishiukkasfysiikka on jaettu kahteen suureen luokkaan: kiihdytin ja ei-kiihdytin.
Accelerator PEF on pitkäikäisten alkuainehiukkasten kiihdytys ( kiihdytin ) suuriin energioihin ja niiden törmäys toisiinsa tai paikallaan olevan kohteen kanssa. Tällaisen törmäyksen prosessissa on mahdollista saada erittäin korkea energiapitoisuus mikroskooppisessa tilavuudessa, mikä johtaa uusien, yleensä epävakaiden hiukkasten syntymiseen. Tutkimalla tällaisten reaktioiden ominaisuuksia (tuotettujen yhden tai toisen tyyppisten hiukkasten lukumäärä, tämän määrän riippuvuus energiasta, tyypistä, alkuhiukkasten polarisaatiosta, lähtökulmasta jne.) on mahdollista palauttaa alkuperäisten hiukkasten sisäisen rakenteen, niiden ominaisuudet ja miten ne ovat vuorovaikutuksessa keskenään.
Ei- kiihdytin PEF on maailmamme "passiivisen havainnoinnin" prosessi. Ei-kiihdytinkokeissa tutkitaan luonnollista alkuperää olevia alkuainehiukkasia. Tyypillisiä ei-kiihdytinkokeita ovat neutriinojen havainnointi niin kutsutuissa neutrinoteleskoopeissa, protonien hajoamisen etsiminen , neutriiniton kaksinkertainen beetahajoaminen ja muut erittäin harvinaiset tapahtumat suuressa ainemäärässä, kokeet kosmisilla säteillä .
Nykyaikaisessa alkeishiukkasfysiikassa asiantuntijat tunnistavat useita ratkaisemattomia ongelmia [2] .
Kokeellisesti todettu neutriinovärähtelyilmiö viittaa standardimallin epätäydellisyyteen . Lisäksi on olemassa kokeellisia todisteita siitä, että neutrino- ja antineutrinovärähtelyjen amplitudissa on eroja .
Astrofysikaaliset ja kosmologiset tutkimukset viittaavat fysiikan olemassaoloon standardimallin ulkopuolella. Siten maailmankaikkeuden baryoniepäsymmetria on havainnointifakta , kun taas standardimallissa baryoniluku on vakio. Toinen tosiasia on ns. piilomassan läsnäolo avaruudessa , mikä yleensä selittyy pimeän aineen olemassaololla, jota nykyaikainen luonnonfysiikka ei tunne. Ja lopuksi, nykyaikaisen fysiikan puitteissa on selittämätön tosiasia universumin kiihdytetty laajeneminen , joka yleensä liittyy niin kutsuttuun pimeään energiaan .
Erikseen on olemassa ns. mittarihierarkiaongelma , joka koostuu siitä, että voimakkaan (200 MeV) ja sähköheikon (256 GeV) vuorovaikutuksen ominaisenergia-asteikot ovat monta suuruusluokkaa pienempiä kuin gravitaatiovuorovaikutuksen mittakaava ( 10 19 GeV), samoin kuin vuorovaikutusten Grand Unificationin odotettu mittakaava (10 16 GeV) ja CP-säilytykseen liittyvä asteikko vahvoissa vuorovaikutuksissa (10 14 GeV). Ajankohtaisia kysymyksiä ovat tällaisen hierarkian luonne, sen vakauden syyt ja suuren "aavikon" olemassaolo näiden kahden vaakaryhmän välillä.
Toinen hierarkkinen ongelma liittyy fermionisiin massoihin. Standardimallissa kaikki fermioniset kentät ( leptonit ja kvarkit ) muodostavat kolme sukupolvea. Tässä tapauksessa sukupolvien massat eroavat moninkertaisesti, vaikka eri sukupolvien hiukkasten muut ominaisuudet eivät eroa. Sellaisen hierarkian selitys on yksi modernin fysiikan ongelmista .
Hadronien kuvaamisessa on myös teoreettisia vaikeuksia . Erityisesti sulkemisen luonteen ymmärtämiseksi on tarpeen käyttää ei-häiritseviä kvanttikromodynamiikan menetelmiä .
Standardimallin ylittävä fysiikka (toisin sanoen uusi fysiikka ) viittaa teoreettiseen kehitykseen , jota tarvitaan selittämään Standardimallin puutteet , kuten massan alkuperä , vahva CP-ongelma , neutriinovärähtelyt , aineen ja antiaineen epäsymmetria , pimeän aineen ja pimeän energian alkuperä . [3] Toinen ongelma piilee itse standardimallin matemaattisissa perusteissa – standardimalli ei ole yleisen suhteellisuusteorian mukainen siinä mielessä, että toinen tai molemmat teoriat hajoavat kuvauksissaan pienemmiksi tietyissä olosuhteissa (esim. , tunnetuissa aika-avaruussingulariteettien , kuten alkuräjähdyksen ja mustan aukon tapahtumahorisonttien sisällä ).
Standardimallin ulkopuolella olevat teoriat sisältävät standardimallin erilaisia laajennuksia supersymmetrian kautta , kuten Minimal Supersymmetric Standard Modelja Supersymmetrisen minimimallin vieressä, tai täysin uusia selityksiä, kuten merkkijonoteoria , M-teoria ja lisädimensioita . Koska nämä teoriat ovat yleensä täysin sopusoinnussa nykyisten havaittavien ilmiöiden kanssa, tai ne eivät johda konkreettisiin ennusteisiin, kysymys siitä, mikä teoria on oikea (tai ainakin "paras askel" kohti kaiken teoriaa ), voidaan vastata vain kokeilemalla päätetty.. Se on tällä hetkellä yksi aktiivisimmista tutkimusalueista sekä teoreettisessa että kokeellisessa fysiikan alalla.
| Alkuperäisen hiukkasfysiikan leikkeet | |
|---|---|
| Hiukkaset fysiikassa | |||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| perushiukkasia _ |
| ||||||||||||
| Komposiittihiukkaset _ |
| ||||||||||||