Просмотр кода страницы Физика элементарных частиц

{{Таблица элементарных частиц|480px}}
'''Фи́зика элемента́рных части́ц''' (ФЭЧ), часто называемая также '''субъядерной физикой''' — раздел [[физика|физики]], изучающий структуру и свойства [[Элементарная частица|элементарных частиц]] и их [[фундаментальные взаимодействия|взаимодействия]].

== Теоретическая ФЭЧ ==
Теоретическая ФЭЧ строит теоретические модели для объяснения данных, полученных в действующих экспериментах, получения предсказаний для будущих экспериментов и разработки математического инструментария для проведения исследований такого рода. На сегодняшний день основным орудием в теоретической физике элементарных частиц является [[квантовая теория поля]]. В рамках этой теоретической схемы любая элементарная частица рассматривается как квант возбуждения определённого квантового поля. Для каждого типа частиц вводится собственное поле. Квантовые поля взаимодействуют, в этом случае их кванты могут превращаться друг в друга.

На сегодняшний день основным инструментом создания новых моделей в ФЭЧ является построение новых [[лагранжиан]]ов. Лагранжиан состоит из динамической части, которая описывает динамику свободного квантового поля (не взаимодействующего с другими полями), и частью, описывающей либо самодействие поля, либо взаимодействие с другими полями. Если полный лагранжиан динамической системы известен, то, согласно лагранжеву формализму КТП, можно выписать уравнения движения (эволюции) системы полей и пытаться решить эту систему.

Главным результатом современной теоретической ФЭЧ является построение [[Стандартная модель|Стандартной модели]] физики элементарных частиц. Данная модель базируется на идее калибровочных взаимодействий полей и механизме спонтанного нарушения калибровочной симметрии (механизм Хиггса). За последние пару десятков лет её предсказания были многократно перепроверены в экспериментах, и в настоящее время она — единственная физическая теория, адекватно описывающая устройство нашего мира вплоть до расстояний порядка 10<sup>−18</sup> м. Всего модель описывает 61 частицу<ref>[http://elementy.ru/lib/432638 Половинка от магнита Владислав Кобычев, Сергей Попов «Популярная механика» № 2, 2015][http://web.archive.org/web/20150607223136/http://elementy.ru/lib/432638 Архив]</ref>.

Перед физиками, работающими в области теоретической ФЭЧ, стоят две основные задачи: создание новых моделей для описания экспериментов и доведение предсказаний этих моделей (в том числе и Стандартной модели) до экспериментально проверяемых величин. Второй задачей занимается [[феноменология элементарных частиц]].

== Концепция взаимодействия в ФЭЧ ==
'''Взаимодействие''' частиц в ФЭЧ принципиально отличается от взаимодействия объектов в других областях физики. Классическая [[механика]] изучает движение тел, которые, в принципе, могут друг с другом взаимодействовать. Однако механизмы этого взаимодействия в классической механике не уточняются. В противоположность этому, ФЭЧ уделяет одинаковое внимание как самим частицам, так и процессу их взаимодействия. Связано это с тем, что в ФЭЧ удаётся описать электромагнитное, сильное и слабое взаимодействие как обмен [[виртуальная частица|виртуальными частицами]]. Важным постулатом в таком описании явилось требование симметрии нашего мира относительно калибровочных преобразований.

Равноправие частиц и их взаимодействий красивым образом проявляется в суперсимметричных теориях, в которых постулируется существование в нашем мире ещё одной скрытой симметрии: [[суперсимметрия|суперсимметрии]]. Можно сказать, что при преобразовании суперсимметрии частицы превращаются во взаимодействия, а взаимодействия — в частицы.

Уже отсюда видна исключительная '''фундаментальность''' ФЭЧ — в ней делается попытка понять многие свойства нашего мира, которые до этого (в других разделах физики) принимались лишь как данность.

== Экспериментальная ФЭЧ ==
Экспериментальная физика элементарных частиц делится на два больших класса: ускорительную и неускорительную.

'''Ускорительная ФЭЧ''' — это разгон долгоживущих элементарных частиц в ([[Ускоритель заряженных частиц|ускорителе]]) до высоких энергий и столкновение их друг с другом или с неподвижной мишенью. В процессе такого столкновения удаётся получить очень высокую концентрацию энергии в микроскопическом объёме, что приводит к рождению новых, обычно нестабильных, частиц. Изучая характеристики таких реакций (количество рождённых частиц того или иного сорта, зависимость этого количества от энергии, типа, поляризации исходных частиц, от угла вылета и т. д.), можно восстановить внутреннюю структуру исходных частиц, их свойства, то, как они взаимодействуют друг с другом.

'''Неускорительная ФЭЧ''' — это процесс «пассивного наблюдения» за нашим миром. В неускорительных экспериментах исследуются элементарные частицы естественного происхождения. Типичные неускорительные эксперименты — наблюдение за [[нейтрино]] в так называемых нейтринных телескопах, поиск [[Распад протона|распада протона]], безнейтринного [[двойной бета-распад|двойного бета-распада]] и прочих крайне редких событий в большом объёме вещества, эксперименты с [[Космическое излучение|космическими лучами]].

== Нерешённые проблемы физики элементарных частиц ==
В современной физике элементарных частиц специалисты выделяют ряд нерешённых проблем<ref>{{статья
 |автор       = [[Троицкий, Сергей Вадимович|С. В. Троицкий]]
 |заглавие = Нерешённые проблемы физики элементарных частиц
 |ссылка     = http://ufn.ru/ru/articles/2012/1/e/
 |издание   = [[УФН]]
 |год           = 2012
 |том           = 182
 |страницы = 77—103
 |archivedate      = 2013-03-28
 |archiveurl       = https://web.archive.org/web/20130328235234/http://ufn.ru/ru/articles/2012/1/e/
}}</ref>.

Экспериментально установленное явление [[Нейтринные осцилляции|нейтринных осцилляций]] указывает на неполноту [[Стандартная модель|Стандартной модели]]. Кроме того, имеются отдельные экспериментальные свидетельства того, что имеется разница в амплитуде осцилляций [[нейтрино]] и [[антинейтрино]].

Астрофизические и космологические исследования указывают на существование физики за пределами Стандартной модели. Так, наблюдательным фактом является [[барионная асимметрия Вселенной]], в то время как в Стандартной модели барионное число является константой. Другим фактом является наличие в космосе так называемой [[Скрытая масса|скрытой массы]], которая обычно объясняется существованием [[Тёмная материя|тёмной материи]] неизвестной современной физике природы. И наконец, необъяснимым в рамках современной физики является факт ускоренного [[Расширение Вселенной|расширения Вселенной]], который обычно связывают с так называемой [[Тёмная энергия|тёмной энергией]].

Отдельно стоит так называемая [[проблема калибровочной иерархии]], заключающаяся в том, что характерные энергетические масштабы сильного (200 МэВ) и электрослабого (256 ГэВ) взаимодействий на много порядков ниже масштаба гравитационного взаимодействия (10<sup>19</sup> ГэВ), а также предполагаемых масштаба Большого объединения взаимодействий (10<sup>16</sup> ГэВ) и масштаба, связанного с CP-сохранением в сильных взаимодействиях (10<sup>14</sup> ГэВ). Актуальными являются вопросы природы такой иерархии, причин её устойчивости и наличия большой «пустыни» между двумя группами масштабов.

Ещё одна иерархическая проблема связана с [[фермион]]ными массами. В рамках Стандартной модели все фермионные поля ([[лептоны]] и [[кварки]]) образуют три поколения. При этом массы поколений отличаются во много раз, хотя остальные свойства частиц разных поколений не отличаются. Объяснение такой иерархии и составляет одну из [[Проблема иерархии фермионных масс|проблем]] современной физики.

Имеются также теоретические трудности в описании [[адрон]]ов. В частности, для понимания природы [[конфайнмент]]а требуется привлечение непертурбативных методов [[Квантовая хромодинамика|квантовой хромодинамики]].

== Физика за пределами Стандартной модели ==
{{Main|Физика за пределами Стандартной модели}}
Физика за пределами Стандартной модели (иначе называемая '''Новая физика''') относится к [[Теоретическая физика|теоретическим разработкам]], которые необходимы, чтобы объяснить недостатки [[Стандартная модель|Стандартной модели]], такие как [[Проблема иерархии фермионных масс|происхождение массы]], [[Нарушение CP-инвариантности#Сильная CP-проблема|сильная CP-проблема]], [[нейтринные осцилляции]], [[Барионная асимметрия Вселенной|асимметрия материи и антиматерии]], происхождение [[Тёмная материя|тёмной материи]] и [[Тёмная энергия|тёмной энергии]].<ref name=sym-v2-feb-05>{{Cite web |url=http://www.symmetrymagazine.org/pdfs/200502/beyond_the_standard_model.pdf |title=J. Womersley. «Beyond the Standard Model». |accessdate=2013-03-26 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20071017160238/http://www.symmetrymagazine.org/pdfs/200502/beyond_the_standard_model.pdf |archivedate=2007-10-17 |deadlink=yes }}</ref> Другая проблема заключается в математических основах самой Стандартной модели — Стандартная модель не согласуется с общей теорией относительности в том смысле, что одна или обе теории распадаются в своих описаниях на более мелкие при определённых условиях (например, в рамках известных сингулярностей [[Пространство-время|пространства-времени]], таких как [[Большой взрыв]] и [[Горизонт событий|горизонты событий]] [[Чёрная дыра|чёрных дыр]]).

Теории, которые лежат за пределами Стандартной модели, включают в себя различные расширения Стандартной модели через [[Суперсимметрия|суперсимметрию]], такие как {{Не переведено 3|MSSM|Минимальная суперсимметричная стандартная модель|en|Minimal Supersymmetric Standard Model}} и {{Не переведено 3|NMSSM|Следующая за минимальной суперсимметричная стандартная модель|en|Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model}}, либо совершенно новые объяснения, такие как [[теория струн]], [[M-теория]] и [[Теория Калуцы — Клейна|дополнительные измерения]]. Поскольку эти теории, как правило, полностью согласуются с текущими наблюдаемыми явлениями или не доведены до состояния конкретных предсказаний, вопрос о том, какая теория является правильной (или по крайней мере «лучшим шагом» к [[Теория всего|Теории всего]]), может быть решён только с помощью экспериментов. В настоящее время это одна из наиболее активных областей исследований как в теоретической, так и в экспериментальной физике.

== См. также ==
* [[Научная картина мира]]

== Примечания ==
{{примечания}}

== Ссылки ==
* [http://nuclphys.sinp.msu.ru/spargalka/hist.htm Хроника открытий в физике ядра и частиц], подготовленная сотрудниками [[Физический факультет МГУ|физического факультета]] [[Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова|МГУ им М. В. Ломоносова]].
* [http://www.scientific.ru/spark/ Физика элементарных частиц на Scientific.ru]
* [http://pdg.lbl.gov/2011/listings/contents_listings.html Полная таблица элементарных частиц], подготовленная Particle Data Group.
* [http://psj.nsu.ru/lector/serednyakov/ Физика элементарных частиц — в мире, в ИЯФ, на кафедре ФЭЧ]

{{BC}}{{clear}}{{Разделы физики элементарных частиц|state=expanded}}{{Частицы}}

{{Разделы физики}}
[[Категория:Физика элементарных частиц|*]]