Částicová fyzika (PEP), často také nazývaná subjaderná fyzika , je odvětví fyziky , které studuje strukturu a vlastnosti elementárních částic a jejich interakce .
Teoretický PEF vytváří teoretické modely pro vysvětlení dat ze současných experimentů, pro předpovědi budoucích experimentů a pro vývoj matematických nástrojů pro provádění tohoto druhu výzkumu. K dnešnímu dni je hlavním nástrojem teoretické fyziky elementárních částic kvantová teorie pole . V rámci tohoto teoretického schématu je jakákoli elementární částice považována za kvantum excitace určitého kvantového pole. Každý typ částice má své vlastní pole. Kvantová pole interagují, v takovém případě se jejich kvanta mohou vzájemně proměnit.
K dnešnímu dni je hlavním nástrojem pro vytváření nových modelů v RVP konstrukce nových Lagrangianů . Lagrangián se skládá z dynamické části, která popisuje dynamiku volného kvantového pole (neinteragujícího s jinými poli), a části, která popisuje buď vlastní působení pole, nebo interakci s jinými poli. Pokud je znám celý Lagrangián dynamického systému, pak lze podle Lagrangiánského formalismu QFT sepsat pohybové rovnice (evoluce) systému polí a pokusit se tento systém vyřešit.
Hlavním výsledkem moderní teoretické FEF je konstrukce Standardního modelu fyziky elementárních částic. Tento model je založen na myšlence interakcí kalibračního pole a mechanismu spontánního narušení kalibrační symetrie (Higgsův mechanismus). V posledních několika desetiletích byly jeho předpovědi opakovaně ověřovány experimenty a v současnosti je jedinou fyzikální teorií, která dostatečně popisuje strukturu našeho světa až do vzdáleností řádově 10 −18 m. Celkově model popisuje 61 částic [1] .
Před fyziky pracujícími v oblasti teoretického PEF stojí dva hlavní úkoly: vytvoření nových modelů pro popis experimentů a uvedení předpovědí těchto modelů (včetně Standardního modelu) na experimentálně ověřitelné hodnoty. Druhý úkol se zabývá fenomenologií elementárních částic .
Interakce částic v PEF se zásadně liší od interakce objektů v jiných oblastech fyziky. Klasická mechanika studuje pohyb těles, která se v principu mohou vzájemně ovlivňovat. Mechanismy této interakce v klasické mechanice však nejsou specifikovány. Naproti tomu PEF věnuje stejnou pozornost jak částicím samotným, tak procesu jejich interakce. To je způsobeno tím, že v PEF je možné popsat elektromagnetickou, silnou a slabou interakci jako výměnu virtuálních částic . Důležitým postulátem v tomto popisu byl požadavek, aby náš svět byl symetrický s ohledem na transformace měřidel.
Rovnost částic a jejich interakce se krásně projevuje v supersymetrických teoriích, ve kterých se postuluje existence další skryté symetrie v našem světě: supersymetrie . Můžeme říci, že při transformaci supersymetrie se částice mění v interakce a interakce v částice.
Již z toho je vidět výjimečná fundamentální povaha FEF - pokouší se pochopit mnoho vlastností našeho světa, které byly dříve (v jiných úsecích fyziky) brány pouze jako dané.
Experimentální fyzika elementárních částic se dělí na dvě velké třídy: urychlovač a neurychlovač.
Urychlovač PEF je urychlení dlouhověkých elementárních částic v ( urychlovač ) na vysoké energie a jejich srážky mezi sebou nebo se stacionárním cílem. V procesu takové srážky je možné získat velmi vysokou koncentraci energie v mikroskopickém objemu, což vede ke zrodu nových, obvykle nestabilních částic. Studiem charakteristik takových reakcí (počet produkovaných částic toho či onoho druhu, závislost tohoto množství na energii, typu, polarizaci výchozích částic, na úhlu odletu atd.) obnovit vnitřní strukturu původních částic, jejich vlastnosti a způsob jejich vzájemné interakce.
Neakcelerátor PEF je proces „pasivního pozorování“ našeho světa. V neurychlovacích experimentech jsou studovány elementární částice přírodního původu. Typickými neutrinovými experimenty jsou pozorování neutrin v tzv. neutrinových dalekohledech, hledání rozpadu protonů , bezneutrinový dvojitý beta rozpad a další extrémně vzácné jevy ve velkém objemu hmoty, experimenty s kosmickým zářením .
V moderní fyzice elementárních částic odborníci identifikují řadu nevyřešených problémů [2] .
Experimentálně zjištěný fenomén oscilací neutrin poukazuje na neúplnost Standardního modelu . Kromě toho existují určité experimentální důkazy, že existuje rozdíl v amplitudě oscilací neutrin a antineutrin .
Astrofyzikální a kosmologické studie poukazují na existenci fyziky za standardním modelem. Baryonová asymetrie vesmíru je tedy pozorovací fakt , zatímco ve standardním modelu je baryonové číslo konstanta. Dalším faktem je přítomnost tzv. skryté hmoty ve vesmíru , která se obvykle vysvětluje existencí temné hmoty , neznámé moderní fyzice přírody. A konečně nevysvětlitelná v rámci moderní fyziky je skutečnost zrychleného rozpínání Vesmíru , které je obvykle spojováno s tzv. temnou energií .
Samostatně existuje problém tzv. hierarchie měřidel , který spočívá v tom, že charakteristické energetické stupnice silné (200 MeV) a elektroslabé (256 GeV) interakce jsou o mnoho řádů nižší než stupnice gravitační interakce ( 10 19 GeV), stejně jako očekávaný rozsah Velkého sjednocení interakcí (10 16 GeV) a rozsah spojený s konzervací CP v silných interakcích (10 14 GeV). Aktuální otázky jsou povaha takové hierarchie, důvody její stability a přítomnost velké „pouště“ mezi těmito dvěma skupinami vah.
Další hierarchický problém souvisí s fermionickými hmotami. V rámci Standardního modelu tvoří všechna fermionová pole ( leptony a kvarky ) tři generace. V tomto případě se hmotnosti generací mnohonásobně liší, i když ostatní vlastnosti částic různých generací se neliší. Vysvětlení takové hierarchie je jedním z problémů moderní fyziky.
Tam jsou také teoretické potíže v popisování hadronů . Abychom pochopili podstatu omezení , je nutné použít neporuchové metody kvantové chromodynamiky .
Fyzika za standardním modelem (jinak nazývaná Nová fyzika ) odkazuje na teoretický vývoj , který je potřebný k vysvětlení nedostatků Standardního modelu , jako je původ hmoty , silný problém CP , oscilace neutrin , asymetrie hmoty a antihmoty , původ temné hmoty a temné energie . [3] Další problém spočívá v matematických základech samotného Standardního modelu – Standardní model není v souladu s obecnou teorií relativity v tom smyslu, že jedna nebo obě teorie se za určitých podmínek rozpadnou ve svých popisech na menší (např. v rámci známých časoprostorových singularit , jako je Velký třesk a horizonty událostí černé díry ).
Teorie, které leží mimo standardní model, zahrnují různá rozšíření standardního modelu prostřednictvím supersymetrie , jako je minimální supersymetrický standardní modela Vedle minimálního supersymetrického standardního modelunebo zcela nová vysvětlení, jako je teorie strun , M-teorie a další dimenze . Protože tyto teorie bývají v naprosté shodě se současnými pozorovatelnými jevy nebo nejsou vedeny do bodu konkrétních předpovědí, otázka, která teorie je správná (nebo alespoň „nejlepší krok“ k teorii všeho ), může být pouze rozhodnuto experimentem.. V současné době je to jedna z nejaktivnějších oblastí výzkumu v teoretické i experimentální fyzice.
| Sekce fyziky elementárních částic | |
|---|---|
| Částice ve fyzice | |||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| základní částice |
| ||||||||||||
| Kompozitní částice |
| ||||||||||||