Partikelfysik (PEP), ofte også kaldet subnuklear fysik , er en gren af fysikken , der studerer strukturen og egenskaberne af elementarpartikler og deres interaktioner .
Teoretisk PEF bygger teoretiske modeller til at forklare data fra nuværende eksperimenter, til at lave forudsigelser for fremtidige eksperimenter og til at udvikle matematiske værktøjer til at udføre denne form for forskning. Til dato er det vigtigste værktøj i den teoretiske fysik af elementarpartikler kvantefeltteori . Inden for rammerne af dette teoretiske skema betragtes enhver elementær partikel som et kvante excitation af et bestemt kvantefelt. Hver type partikel har sit eget felt. Kvantefelter interagerer, i hvilket tilfælde deres kvanter kan blive til hinanden.
Til dato er det vigtigste værktøj til at skabe nye modeller i FEP konstruktionen af nye Lagrangians . Lagrangian består af en dynamisk del, der beskriver dynamikken i et frit kvantefelt (der ikke interagerer med andre felter), og en del, der beskriver enten feltets selvhandling eller samspillet med andre felter. Hvis den fulde Lagrangian af et dynamisk system er kendt, så kan man ifølge den Lagrangianske formalisme af QFT udskrive bevægelsesligningerne (evolution) af feltsystemet og forsøge at løse dette system.
Hovedresultatet af den moderne teoretiske FEF er konstruktionen af standardmodellen for elementær partikelfysik. Denne model er baseret på ideen om målefeltinteraktioner og mekanismen for spontan målesymmetribrud (Higgs-mekanisme). I løbet af de sidste par årtier er dens forudsigelser gentagne gange blevet verificeret i eksperimenter, og på nuværende tidspunkt er det den eneste fysiske teori, der tilstrækkeligt beskriver vores verdens struktur op til afstande i størrelsesordenen 10 −18 m. I alt er modellen beskriver 61 partikler [1] .
Fysikere, der arbejder inden for teoretisk PEF, står over for to hovedopgaver: at skabe nye modeller til at beskrive eksperimenter og bringe forudsigelserne af disse modeller (inklusive standardmodellen) til eksperimentelt verificerbare værdier. Den anden opgave omhandler elementarpartiklernes fænomenologi .
Samspillet mellem partikler i en PEF er fundamentalt forskelligt fra interaktionen mellem objekter i andre områder af fysikken. Klassisk mekanik studerer bevægelser af legemer, der i princippet kan interagere med hinanden. Imidlertid er mekanismerne for denne interaktion i klassisk mekanik ikke specificeret. I modsætning hertil er PEF lige så opmærksom på både partiklerne selv og processen med deres interaktion. Dette skyldes, at det i PEF er muligt at beskrive den elektromagnetiske, stærke og svage interaktion som en udveksling af virtuelle partikler . Et vigtigt postulat i denne beskrivelse var kravet om, at vores verden skal være symmetrisk med hensyn til måletransformationer.
Partiklernes lighed og deres interaktioner er smukt manifesteret i supersymmetriske teorier, hvor eksistensen af en anden skjult symmetri i vores verden postuleres: supersymmetri . Vi kan sige, at når man transformerer supersymmetri, bliver partikler til interaktioner og interaktioner til partikler.
Allerede ud fra dette kan man se den exceptionelle fundamentale karakter af FEF - den forsøger at forstå mange egenskaber i vores verden, som før (i andre dele af fysikken) kun blev taget som en given.
Eksperimentel elementær partikelfysik er opdelt i to store klasser: accelerator og ikke-accelerator.
Accelerator PEF er accelerationen af langlivede elementarpartikler i ( accelerator ) til høje energier og deres kollision med hinanden eller med et fast mål. I processen med en sådan kollision er det muligt at opnå en meget høj koncentration af energi i et mikroskopisk volumen, hvilket fører til fødslen af nye, normalt ustabile, partikler. Ved at studere karakteristikaene af sådanne reaktioner (antallet af producerede partikler af den ene eller anden art, afhængigheden af denne mængde af energien, typen, polariseringen af de oprindelige partikler, afgangsvinklen osv.), er det muligt at genoprette den indre struktur af de oprindelige partikler, deres egenskaber, og hvordan de interagerer sammen.
Ikke- acceleratoren PEF er en proces med "passiv observation" af vores verden. I ikke-acceleratorforsøg studeres elementære partikler af naturlig oprindelse. Typiske ikke-acceleratoreksperimenter er observation af neutrinoer i de såkaldte neutrinoteleskoper, søgningen efter protonhenfald , neutrinoløst dobbelt beta-henfald og andre ekstremt sjældne hændelser i en stor mængde stof, eksperimenter med kosmiske stråler .
I moderne elementær partikelfysik identificerer eksperter en række uløste problemer [2] .
Det eksperimentelt etablerede fænomen neutrinoscillationer peger på standardmodellens ufuldstændighed . Derudover er der nogle eksperimentelle beviser for, at der er en forskel i amplituden af neutrino- og antineutrino- oscillationer .
Astrofysiske og kosmologiske undersøgelser peger på eksistensen af fysik hinsides standardmodellen. Således er universets baryonsymmetri et observationsfaktum , mens baryontallet i standardmodellen er en konstant. En anden kendsgerning er tilstedeværelsen i rummet af den såkaldte skjulte masse , som normalt forklares ved eksistensen af mørkt stof , ukendt for moderne naturfysik. Og endelig, uforklarlig inden for rammerne af moderne fysik er kendsgerningen om den accelererede udvidelse af universet , som normalt er forbundet med den såkaldte mørke energi .
Separat er der det såkaldte gauge-hierarkiproblem , som består i, at de karakteristiske energiskalaer for de stærke (200 MeV) og elektrosvage (256 GeV) interaktioner er mange størrelsesordener lavere end skalaen for gravitationsinteraktionen ( 10 19 GeV), samt den forventede skala for den store forening af interaktioner (10 16 GeV) og skalaen forbundet med CP-bevaring i stærke interaktioner (10 14 GeV). Aktuelle spørgsmål er karakteren af et sådant hierarki, årsagerne til dets stabilitet og tilstedeværelsen af en stor "ørken" mellem de to grupper af skalaer.
Et andet hierarkisk problem er relateret til fermioniske masser. Inden for standardmodellen danner alle fermioniske felter ( leptoner og kvarker ) tre generationer. I dette tilfælde adskiller masserne af generationer sig mange gange, selvom andre egenskaber af partikler af forskellige generationer ikke adskiller sig. Forklaringen på et sådant hierarki er et af problemerne i moderne fysik.
Der er også teoretiske vanskeligheder med at beskrive hadroner . Især for at forstå arten af indeslutning er det nødvendigt at bruge ikke-perturbative metoder til kvantekromodynamik .
Fysik ud over standardmodellen (ellers kaldet New Physics ) henviser til den teoretiske udvikling , der er nødvendig for at forklare manglerne ved standardmodellen , såsom massens oprindelse , det stærke CP-problem , neutrinoscillationer , asymmetrien af stof og antistof , oprindelsen af mørkt stof og mørk energi . [3] Et andet problem ligger i det matematiske grundlag for selve Standardmodellen - Standardmodellen er ikke i overensstemmelse med den generelle relativitetsteori i den forstand, at en eller begge teorier falder fra hinanden i deres beskrivelser til mindre under visse betingelser (f.eks. , inden for kendte rum-tids- singulariteter såsom Big Bang og sorte huls begivenhedshorisonter ).
Teorier, der ligger uden for standardmodellen inkluderer forskellige udvidelser af standardmodellen via supersymmetri , såsom den minimale supersymmetriske standardmodelog Ved siden af den minimale supersymmetriske standardmodel, eller helt nye forklaringer som strengteori , M-teori og ekstra dimensioner . Fordi disse teorier har en tendens til at være fuldstændig i overensstemmelse med aktuelle observerbare fænomener eller ikke er drevet til punktet af konkrete forudsigelser, kan spørgsmålet om, hvilken teori der er korrekt (eller i det mindste det "bedste skridt" hen imod en Theory of Everything ) kun være afgjort ved eksperiment.. Det er i øjeblikket et af de mest aktive forskningsområder inden for både teoretisk og eksperimentel fysik.
| Afsnit af elementær partikelfysik | |
|---|---|
| Partikler i fysik | |||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| fundamentale partikler |
| ||||||||||||
| Sammensatte partikler |
| ||||||||||||