Физика микромира. Элементарные частицы, их свойств и классификация

Введение

Физика как естественная наука, является базисом всего современного естествознания. Только за последние десятилетия в физике состоялись открытия высшего уровня. Преимущественно они касались физики микромира.
Физика элементарных частиц - электронов, протонов, нейтронов, мезонов и др. - относятся к актуальным проблемам физической науки.
Главной целью физики всегда было исследования простых фундаментальных частиц материи и выяснения законов их движения и взаимодействия вместе с исследованием пространства и времени. Соответственно анализ атомных ядер, имеющих огромное техническое использования, изучаются физикой элементарных частиц.
Вопросы релятивистской квантовой теории связанные с изучением элементарных частиц: мезонов, гиперонов и др., поскольку квантовая механика и квантовая электродинамика, установленные сначала для электронов и электромагнитного поля исчерпали свои возможности.
Наиболее существенные успехи релятивистской квантовой электродинамики, то есть теории электронов, позитронов и фотонов, взаимодействующих друг с другом, были связаны с объяснением лембовського отклонения и магнитного момента электрона с помощью теории вакуума в 1947-1948 гг. [6].
Несмотря на разработку новых методов обучения по физике, разработку современного оборудования, которое внедрялось в учебный процесс, не дало получения новых физических результатов в изучении элементарных частиц. Поэтому изучение теории элементарных частиц всегда есть и будет актуальной проблемой.
Понятие симметрии рассматривали в работах B.С. Готта, мировоззренческие вопросы в контексте теории симметрии рассмотрены Р.М. Ганиевым [3], проблеме симметрии в физике посвящены работы Дж. Элиота, П. Добера [5], Е. Вигнер отмечал в своих работах важнейшие проблемы философского и естественнонаучного характера, связанные с симметрией [2], и др.
Целью реферата является рассмотрение понятия элементарных частиц.
Физика элементарных частиц находится на пороге принципиально новых открытий. Эпоха создания Стандартной модели — которая объясняет все, что сейчас известно,— фактически завершилась, а эпоха Новой физики еще не наступила.
За последние десятилетия была детально разработана так называемая Стандартная модель (СМ), которая позволяет объяснить все известные элементарные частицы и их взаимодействия. Эта модель подтверждена в огромном количестве экспериментов. Как когда-то таблица Менделеева позволила систематизировать известные и предсказать новые химические элементы, так СМ дала возможность систематизировать известные и предсказывать новые частицы. Стандартная модель демонстрирует удивительную симметрию между разными типами элементарных частиц.

1. Стандартная модель

В СМ есть три нейтрино с зарядом ноль, три кварка с зарядом 1/3, три кварка с зарядом 2/3 и три лептона с зарядом 1. Дополнительно в СМ вводятся векторные частицы (частицы со спином 1) — чтобы описать сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия, кроме того, в СМ вводится бозон Хиггса. Все это позволяет получить хорошее согласие теоретических предсказаний с экспериментами.
История создания Стандартной модели — это история удивительных успехов, как в наблюдении новых частиц, так и в построении теории. В 1935-1950 годах, в дополнение к ранее открытым электрону, протону и нейтрону, были обнаружены новые элементарные частицы — нейтрино, мюоны, пионы и каоны.
Разделение частиц на два класса - лептоны и адроны, а позднееВведение

понятия кварков позволило провести первичную классификацию частиц и взаимодействий. Дальнейшее развитие было стимулировано открытием в 1970-х годах новых частиц — с "очарованным" c-кварком, "прелестным" b-кварком и t-лептона.
В 1980-х годах экспериментальное наблюдение переносчиков слабых взаимодействий, W- и Z-бозонов, а в 1990-х годах t-кварка окончательно сформировало сегодняшнюю конфигурацию СМ. Последней частицей, предсказанной в рамках СМ, был бозон Хиггса, открытый в ЦЕРНе в 2012 году, что явилось полным триумфом Стандартной модели.
Построение Стандартной модели в целом завершено, а что будет дальше, никто не знает.
Экспериментаторы стараются найти что-то, что противоречило бы Стандартной модели, теоретики придумывают новые модели, расширяющие ее. Частицы, процессы или модели, возникающие в различных расширениях Стандартной модели, часто называют Новой физикой.
К сожалению, пока результатов в поиске Новой физики добиться не удается. Теоретических концепций много, но пока непонятно, какая лучше. В частности, детально изучена Суперсимметрия, но есть и другие перспективные модели. Чтобы на что-то опереться, теоретики ждут статистически значимых указаний от экспериментаторов, а те пока не могут обнаружить явных проявлений Новой физики.
Тут надо сделать небольшое отступление. Дело в том, что экспериментаторы для поиска новых частиц в основном используют ускорители. Поскольку в современных ускорителях сталкиваются летящие навстречу частицы, их называют коллайдерами, от английского collide — "сталкивать".
В качестве источников элементарных частиц для исследований используются также атомные реакторы и космические лучи, но не так широко. Использование коллайдеров очень удобно, потому что результат всегда можно проверить, набрав больше данных. Можно построить новый, более мощный коллайдер и изучить новую частицу или процесс более детально.
Элементарные частицы — квантовые микрочастицы, которые, по современным представлениям, нельзя расщепить на составные части.
Некоторые элементарные частицы, например, протоны и нейтроны, состоят из кварков (однако их все равно нельзя расщепить, это так называемый конфайнмент). Элементарные частицы, не имеющие внутренней структуры, называются фундаментальными.
Кварки — фундаментальные частицы, обладающие электрическим зарядом, кратным одной трети заряда электрона, и не наблюдающиеся в свободном состоянии, но входящие в состав некоторых элементарных частиц.
Ученые из Калифорнийского университета открыли аномалию в поведении лептонов разных поколений, то есть доказали, что так называемая лептонного универсальность, входит в Стандартную модель, не является догмой.
Открытие было сделано с помощью экспериментов на адронном коллайдере BaBar в Национальной ускорительной лаборатории Стэнфордского университета.
Его также подтвердили независимые аналогичные эксперименты в Японии и Швейцарии. Вероятность того, что отклонение действительно найдено, составляет 99,95%, утверждают ученые.
Следовательно, значит, Стандартная модель получила пробоину. Серьезную, хотя, разумеется, не первую и, вероятно, не последнюю.
Результаты исследования были опубликованы в авторитетном журнале Nature.
Это не удивительно. Стандартная модель физики элементарных частиц - одна из фундаментальных теорий, которая хорошо зарекомендовала себя в XX веке

. Она объединила множество идей о том, как устроена материя, а также предусмотрела существование множества частиц, которые позже действительно были обнаружены экспериментальным путем.
Опровержение лептонного универсальности, которая является частью Стандартной модели, вызвало большой интерес в научном мире.
Лептонного универсальность описывает лептоны (электрон, мюон и тау-лептон), которые отличаются массой и временем жизни, но должны быть одинаковые по свойствам взаимодействия с другими частицами.
Многочисленные эксперименты с электронами и мюонами до сих пор подтверждали положения Стандартной модели [5].
Но эксперименты группы американских физиков на коллайдере BaBar с распадом B-мезонов, в результате которого образуются лептоны, показали, что Стандартная модель неверно описывает то, что происходит с тау-лептонами.
При распаде В-мезона лептонного универсальность не соблюдается - при столкновениях с его участием чаще рождаются тау-лептоны, чем электроны и мюоны. Это противоречит лептонной универсальности и Стандартной модели (Приложение 1).
Ранее это обстоятельство не изучено была из-за того, что с тау-частицами проведено меньше экспериментов, отмечает Франко Севилья, один из авторов исследования. «Тау-лептоны сложнее изучать, потому что они быстрее распадаются».
Тот факт, что наблюдение американских ученых подтвердили лаборатории в японском исследовательском центре Belle и европейском CERN, заставляет исследователей говорить о высокой вероятности того, что в наших существующих представлениях о мире действительно найдена «уязвимость».
В физике элементарных частиц об открытии того или иного эффекта заявляют, если во время экспериментов достигнуто пять стандартных отклонений, то есть вероятность ошибки составляет один к двум миллионам.
В исследовании Севильи и его коллег статистика пока немного не дотягивает до нужных цифр - достигнут показатель четырех стандартных отклонений.
Однако, Севилья убежден, что раз один и тот же эффект был достигнут при трех независимых друг от друга экспериментов, то и дальнейшие подтверждения не заставят себя ждать.
Если предположить, что Севилья прав, и найденная им аномалия будет подтверждена, Стандартную модель придется пересмотреть.
Поведение тау-частиц требует какого объяснения, что повлечет за собой появление откорректированной формы Стандартной модели, или же и вовсе - новой единой теории.
Или, как часто говорят, «теории всего». Собственно, Стандартная модель уже не может считаться «теорией всего», поскольку не описывает темную материю, темную энергию и не включает в себя гравитацию.
Впервые о необходимости переосмысления Стандартной модели и ее расширение заговорили в 2002 году после открытия нейтронных осцилляций - превращения нейтрино на антинейтрино, предполагает наличие у нейтрино массы.
Поиск отклонений от Стандартной модели стал настолько популярной темой для исследований, даже получил название "новая физика".
В рамках новой физики ученые ставят перед собой задачу ответить на вопросы, Стандартная модель не учитывает или не может объяснить. Например, происхождение массы, осцилляции нейтрино, асимметрия материи и антиматерии, происхождение темной энергии.
Отдельной ветвью исследований являются попытки согласовать математический аппарат Стандартной модели с общей теорией относительности.
Если же использовать Стандартную модель по своему назначению, для предсказания результатов столкновений элементарных частиц, то она позволяет, в зависимости от конкретного процесса, выполнять вычисления с разной степенью точности.
Для электромагнитных явлений (рассеяния электронов) точность может достигать миллионных долей и даже лучше [6]. Рекорд здесь держит аномальный магнитный момент электрона, который вычислено с точностью лучше одной миллиардной.

2. Материя, антиматерия и темная материя

Однако для понимания физики микромира, кроме коллайдеров, можно использовать астрофизические наблюдения. Так вот, изучая звезды и галактики, астрофизики сделали вывод, что должны быть еще какие-то частицы, которых нет в СМ. То есть астрофизики могут точно сказать, что Новая физика существует, но не знают, как именно она выглядит. Чтобы ответить на этот вопрос, надо увидеть эти частицы на ускорителях. А этого пока сделать не удается [7].
Мы точно знаем, что звезды состоят из материи, а антиматерии практически нет. В рамках СМ это непонятно.
В момент рождения Вселенной — Большого взрыва — материя и антиматерия должны были рождаться в равной мере, однако затем антиматерия куда-то исчезла. Должен быть процесс, в котором антиматерия исчезает, а материя остается, но в рамках СМ такого нет. Нужны какие-то еще неизвестные частицы Новой физики, которые могут обеспечить исчезновение антиматерии.
В астрофизике наблюдаются явления, прямо указывающие на существование неизвестной — темной — материи, и более того, темной энергии, которые также невозможно объяснить в СМ.
Во Вселенной наблюдаются силы гравитационного притяжения в несколько раз большие, чем те, которые были бы, если бы существовали только видимые звезды и галактики. Это указывает на существование темной материи, которая состоит из каких-то неизвестных частиц Новой физики. Поэтому физики думают, как создать более общую теорию, которая одновременно опишет и элементарные частицы, и астрофизические наблюдения и позволит объяснить саму Стандартную модель.
Фактически в настоящее время завершен большой этап развития физики элементарных частиц. Сегодня мы оказались между двух эпох.
Эпоха создания Стандартной модели закончилась, а эпоха Новой физики еще не наступила. Какие возможности для науки, а может быть, и практического использования, могут открыться, никто не знает. Будет ли открыто что-то такое, что, как электричество, перевернет нашу жизнь? А может быть, мы просто сделаем еще один небольшой шаг вперед.
Новую физику ищут во всевозможных направлениях. Ищут на Большом адронном коллайдере, где огромные энергии столкновений открывают возможность напрямую наблюдать частицы Новой физики.
Строят уникальные подземные детекторы, на которых могут наблюдаться следы темной материи. Строят огромные детекторы для изучения свойств нейтрино, где также можно ожидать проявления Новой физики. Строят коллайдеры с огромной интенсивностью пучков в надежде увидеть редкие процессы, которые запрещены в Стандартной модели.
Одним из направлений исследований на коллайдерах с большой интенсивностью - большим числом ускоренных и собранных в узкий пучок частиц — является изучение тяжелых кварков.
Тяжелыми называют три кварка, имеющие большую массу: с-кварк, b-кварк и t-кварк