Учебная работа. Курсовая работа: Физика элементарных частиц и t-кварк

Учебная работа. Курсовая работа: Физика элементарных частиц и t-кварк

Н.Никитин

Данное вступительное слово расчитано на неспециалистов. В нем коротко обрисоввываются контуры современной физики больших энергий и даются ответы на некие всераспространенные вопросцы, возникающие у любителей науки при первом знакомстве с квантовой теорией. Приготовленный читатель может пропустить вступительное слово и сходу перейти к чтению статьи Дональда Перкинса «Открытие t-кварка». А читатель, знакомый с способами квантовой теории поля, способен осознать и не только лишь все написанное Д.Перкинсом, да и доп вычисления, приведенные в разделе «Комменты переводчика».

История исследования простых частиц и базовых взаимодействий насчитывает наиболее 2-ух с половиной тыщ лет и всходит к идеям древнегреческих натурфилософов о строении Мира. Но суровая научная разработка данного вопросца началась лишь в конце XIX-го века. В 1897 году выдающийся британский физик-экспериментатор Дж.Дж.Томсон обусловил отношение заряда электрона к его массе. Тем, электрон совсем обрел статус настоящего физического объекта и стал первой известной простой частичкой в истории населения земли.

За 100 с маленьким лет физики провели тыщи сложнейших и точнейших тестов, призванных найти остальные простые частички и выявить фундаментальные взаимодействия меж ними. Результаты тестов объяснялись серией поочередно сменявших друг друга теорий. Крайняя в их ряду — Обычная модель взаимодействия простых частиц (СМ), включающая в себя минимальную модель электрослабого взаимодействия Глэшоу-Вайнберга-Салама и Квантовую хромодинамику (КХД). Можно сказать, что на нынешний денек конкретно СМ является настоящим итогом долголетней работы сотен тыщ людей от «высоколобых» теоретиков до обычных инженеров и лаборантов. Схему СМ можно уложить в несколько абзацев.

На нынешний денек считается, что в Мире есть три базовых взаимодействия. Это гравитационное, электрослабое и мощное. При энергиях много наименьших, чем приблизительно 90 ГэВ (1 ГэВ, т.е. 1 Гигаэлектронвольт = 109
электронвольт), электрослабое взаимодействие «расщепляется» на два: отлично всем знакомое электромагнитное и проявляющееся лишь в мире простых частиц слабенькое взаимодействие. Заметим, что мощное взаимодействие, аналогично слабенькому, проявляется только в микромире. Это соединено с тем, что слабенькое и мощное взаимодействия владеют конечными и очень малыми радиусами деяния порядка 10-16
см и 10-13
см, соответственно. Радиусы деяния гравитационного и электромагнитного взаимодействий — нескончаемы, а поэтому гравитация и электромагнетизм проявляют себя на макроскопическом уровне. Но в микромире во всем спектре энергий, доступных для экспериментального исследования, гравитация слаба и ею можно пренебречь.

Возникновение электрослабого взаимодействия не обязано поражать читателей. В течении всей собственной истории физика двигается в направлении объединения взаимодействий. Ньютон — 1-ый, кто начал двигаться по пути отыскания всепригодных базовый физических законов. законглобального тяготения в первый раз показал, что два считавшихся преждевременное принципно разными движения: движение планет по небу и движение тел под действием силы тяжести у поверхности Земли необходимо разглядывать с единых позиций. Приблизительно через 150 лет Д.К.Максвелл показал, что электронные и магнитные явления сущность две стороны всепригодного электромагнитного взаимодействия. Физики XX-го столетия, посреди которых в особенности стоит выделить Ш.Глэшоу, С.Вайнберга, А.Салама и К.Руббиа, на теоретическом уровне и экспериментально обосновали, что взаимодействия настолько разной природы как слабенькое и электромагнитное по сути при довольно больших энергиях имеют единую базу. Неважно какая теоретическая схема объединения взаимодействий привносит в физику новейшие концепции и тянет нетривиальные экспериментальные пророчества. Конкретно доказательство крайних в бессчетных опытах ведет к признанию той либо другой «объединительной теории».

Может быть ли, что с увеличением очень достижимых энергий ускорителей простых частиц ученые найдут, что оставшиеся три взаимодействия сводятся к наименьшему числу еще наиболее базовых взаимодействий? Теоретики абсолюно убеждены в положительном ответе на данный вопросец. Предложен целый ряд сценариев подобного объединения (к примеру, теории величавого объединения и суперсимметричные теории). Но пока нет ясности, на каком масшабе энергий достигается новенькая стадия объединения и будет ли доступен этот масштаб для эксперименальной проверки в XXI-ом веке. Может появиться другой вопросец, а не откроют ли физики новое базовое взаимодействие, принципно хорошее от всех перечисленных выше? С одной стороны, зксперименты по обнаружению так именуемой «пятой силы» (если 4-мя отлично установленными считать гравитационные, электромагнитные, мощные и слабенькие силы) ставятся повсевременно, но пока ни один из их не привел к хорошему результату. С иной — никто не обосновал, что «5-ая сила» принципно не может существовать в природе.

На микроскопичном уровне все фундаменальные взаимодействия передаюся с помощью посредников — полей калибровочных бозонов. Бозоны — поэтому, что ассоциированные с рассматриваемыми полями частички подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна, другими словами имеют целый спин. Переносчик электромагнетизма — фотон () — имеет спин равный единице. Переносчики слабенького взаимодействия электрически нейтральный — бозон и электрически заряженные — бозоны, также переносчики мощного взаимодействия () — глюоны, аналогично фотону имеют спин, равный единице . Эти частички открыты экспериментально, их характеристики отлично исследованы. Считается, что переносчик гравитационного взаимодействия — гравитон — имеет спин, равный двум. Гравитон до сего времени не найден и, быстрее всего, не будет найден еще весьма длительно. слово «калибровочный» показывает на теоретический прием, используя который, переносчики базовых взаимодействий вводятся в теорию. Даже высококачественное обсуждение данного приема далековато выходит за рамки вступления.

Читателя не должен смущать и тот факт, что физики повсевременно молвят о полях и частичках как о кое-чем взаимозаменяемом, наиболее того, эквивалентном. Вправду, в традиционных теориях частички и поля сущность совсем различные физические объекты. к примеру, электромагнитное поле и альфа-частица. В квантовой теории оба понятия получают естественное обобщение, восходящее к принципу корпускулярно-волнового дуализма Луи де Бройля. Неважно какая наночастица описывается волновой функцией (либо полем), которая, в свою очередь, (вторично) квантуется в определениях операторов рождения и поражения квантов этого поля, другими словами в определениях рождения и поражения частиц. Одним из первых схожий подход в 20-х годах XX-го века был предложен российским физиком-теоретиком В.А.Фоком.

У почти всех студентов младших курсов и у «адекватномыслящих» людей, не имеющих дела с микромиром, возникает естественное недопонимание, как это быть может, что одна и таже наночастица в неких экспериментальных ситуациях ведет себя подобно волне, а в неких — подобно частичке? Подсознательно охото иметь некоторую приятную картину настолько необычного поведения. Попытаемся нарисовать один из вероятных вариантов таковой рисунки.

Представим, что обитатели плоскости желают обрисовать результаты исследовательских работ трехмерного куба, половина граней которого — зеленоватые, а половина — красноватые. У плоских ученых в наличии имеются только двумерные приборы, а в качестве понятийного аппарата употребляется двумерная геометрия Евклида. Куб в данном примере играет роль приятного вида наночастицы. Куб не зеленоватый, не красноватый и не тонкий. Он цельный трехмерный объект с шестью гранями различного цвета. Как могут для себя представить куб двумерные ученые? По их воззрению, исследуемый объект есть совокупа квадратов, имеющих то странноватое свойство, что зависимо от постановки опыта квадрат становится то красноватым, то зеленоватым, но никогда не красно-зеленым либо зелено-красным. На базе собственных тестов плоские ученые могут сделать «квантовую механику» трехмерного цветного куба, которая в качестве существенного элемента будет опираться на принцип «красно-зеленого дуализма». Взаимодействие куба с плоскостью двумерные ученые полностью могут обрисовывать с помощью «волновой функции куба», которая редуцируется опосля взаимодействия или к зеленоватому, или к красноватому квадрату. Переходя от кубов и плоскостей к настоящим микрочастицам, можно сказать, что неважно какая наночастица владеет цельным свойством «микрочастичности», для описания которого мы — обитатели чисто макроскопического мира — обязаны некоторым непротиворечивым образом манипулировать только макроскопическим понятием (остальных не имеем и не воспринимаем!) плотности вероятности, последними проявлениями которого в координатном представлении являются макроскопические понятия волны и корпускулы. Разумеется, что представленная приятная картина мучается изъянов. Предлагаю читателям без помощи других придумать наиболее корректный пример.

Кроме калибровочных бозонов существует целый набор базовых фермионов, которые на нынешний денек числятся простыми. Это предположение не противоречит совокупы всех экспериментальных данных. Фундаментальные фермионы имеют полуцелый спин, равный одной 2-ой, и делятся на две группы. К первой группе относятся лептоны. Эти частички не участвуют в сильном содействии. Лептонами являются электрон (), мюон (), тау-лептон () и надлежащие им нейтрино 3-х типов: электрическое нейтрино (), мюонное нейтрино () и тау-лептонное нейтрино ( ). Не вызывает колебаний, что электрон, мюон и тау-лептон имеют массы. Что касается масс нейтрино, то лишь в 2001 году получены определенные подтверждения их существования на Нейтринной обсерватории Садбери (Канада). Вторую группу базовых фермионов образуют кварки. Они участвуют во всех взаимодействиях, включая мощное. Физикам понятно 6 типов либо, по другому, запахов кварков: — верхний (up), — нижний (down), — странноватый (strange), — прелестный (charm), — очаровательный либо опять нижний (beauty либо bottom) и снова верхний — (top). Кварки перечеслены в порядке возрастания их массы. Рисунок1 в приятной форме представляет набор базисных частиц Обычной модели. В истинное время все экспериментально открытые частички, хорошие от лептонов и калибровочных бозонов, состоят из кварков и глюонов. Эти составные частички носят заглавие адронов. Более известные адроны — протон и нейтрон. Протон и нейтрон в рамках доверчивой кварковой модели состоят из и -кварков. Из протона, нейтрона и электрона состоит практически вся

Рис. 1. Кварки, лептоны и калибровочные бозоны. Все частички Обычной модели, исключая бозон Хиггса. Кварки и лептоны разбиты на три поколения, надлежащие первым трем столбцам на рисунке. Конкретно так фундаментальные фермионы входят в лагранжиан Обычной модели.

Домом в мире базовых частиц стоит бозон Хиггса. Эта частичка, по современным теоретическим представлениям, нужна для генерации масс всех кварков, лептонов и 3-х калибровочных бозонов , и . В неких теориях находится не одна частичка Хиггса, а несколько. В простом же случае имеется один электрически нейтральный бозон Хиггса. Бозоны Хиггса экспериментально не обнаружены. Может быть, их совершенно не существует в природе. По последней мере, опосля неудачных поисков бозона Хиггса на электрон-позитронном коллайдере LEP, схожая догадка приобретает все большее и большее число приверженцев. Есть надежда, что с вводом в строй коллайдеров новейшего поколения, таковых как протон-протонный ускоритель LHC в CERNе либо электрон-позитронный линейный ускоритель TESLA в DESY, бозон Хиггса будет экспериментально открыт либо станет понятно, почему он не может существовать. Лишь нужно подождать порядка 10 лет. Есть определенная возможность, что хиггсовскую частичку сумеют открыть на работающем протон-антипротонном коллайдере Tevatron во FNAL-е в наиблежайшие два-три года.

Такой на нынешний денек полный набор самых простых составляющих нашего мира. Может ли он пополниться? Очень возможно. Основным кандидатом является еще пока не открытый бозон Хиггса. Дальше, если в природе реализован хоть какой из вариантов объединения 3-х базовых взаимодействий, то должны появиться новейшие фундаментальные калибровочные бозоны. Если же в природе имеется суперсимметрия, то число базовых частиц как минимум умножается — любому лептону, кварку и калибровочному бозону нужно поставить в соответствие частицу-суперпартнера. Отметим, что открытие гипотетичной «пятой силы» может восполнить перечень базовых калибровочных бозонов.

Убеждены ли физики, что узнаваемый в истинное время уровень материи более фундаментален, а кварки, лептоны и калибровочные бозоны не являются составными? Нет, не убеждены. Есть теоретические модели, в каких вводятся еще наиболее фундаментальные и простые структуры. к примеру, лептокварки, суперструны либо браны. Но ни одна из этих моделей не имеет экспериментального доказательства. Во всяком случае, в истинное время не имеет.

Все произнесенное выше у неискушенного читателя может вызвать вопросец: «А чего же сложного то? 6 лептонов, 6 кварков, двенадцать (восемь глюонов, фотон, , и ) калибровочных бозонов. Такую малость изучают наиболее сотки лет почти все тыщи людей. Не безвозмездно изучают. Современные опыты над простыми частичками обходятся в 10-ки миллионов баксов раз в год… любой. В чем подкол?». Никакого подкола нет. Дело в том, что при исследовании мира простых частиц человеку не посодействуют ни зрение, ни слух, ни чутье, ни осязание. С иной стороны, любопытствующий человек может изучить микромир лишь с помощью макроскопических устройств. Наша означает, изучить микромир с помощью макроприборов? Если призвать на помощь аналогию, то это приблизительно тоже самое, что играться на бильярде с помощью карьерных экскаваторов. Пока сделаешь один успешный удар, раздавишь несметное число шаров и поломаешь большущее число столов! Современные ускорители и современные сенсоры — это «карьерные экскаваторы микроскопичного бильярда». Они перелопачивают миллионы событий, закодированных в сотках миллионов сигналов измерительной аппаратуры, с целью отыскать всего 5 либо 10 событий, способных отдать новейшую информацию о взаимодействиях простых частиц.

Может быть, что человека породит еще целый ряд «острых» вопросцев к физикам-элементарщикам. к примеру, а почему физики совершенно убеждены в действительности существования базовых частиц, в действительности их умопомрачительных квантовых параметров? вдруг это всего только плод нашей фантазии либо следствие грубости тех устройств, которыми ученые пробуют учить настолько тонкие вещи как наночастицы? Наиболее того, может быть физики совершенно некорректно соображают микромир и в итоге подобного неверного осознания появилась квантовая теория с ее математическим аппаратом и интерпретациями?

Подобные вопросцы ставились перед квантовой механикой и квантовой теорией поля с момента сотворения. Отдать исчерпающий и окончательный ответ на их не удалось до сего времени. Но часть ответов найдена. Начнем с обсуждения грубости макроскопических устройств. В 30-х годах XX-го века Альберт Эйнштейн представил, что по сути происхождение квантовомеханической вероятности быть может аналогично происхождению вероятности в традиционной статфизике. Напомним, что в классике вероятностное описание возникает из-за того, что мы в силу неких обстоятельств отказываемся от полной инфы о системе, даваемой точными уравнениями движения, и перебегаем к распределениям (вероятностей) по неведомым нам величинам. Эйнштейн представил, что все наночастицы в дополнение к их известным чертам (массе, спину, зарядам, четностям) владеют набором черт, не доступных для измерения хоть каким макроприбором, к примеру, в силу грубости крайнего. Эти свойства окрестили сокрытыми параметрами квантовой теории. Таковым образом, если б физики могли измерить сокрытые характеристики, то можно было бы предсказать итог хоть какого взаимодействия в микромире не вероятностным, а полностью детерминистичным образом. Наиболее 30-ти лет числилось, что теорию укрытых характеристик не может быть ни подтвердить, ни опровергнуть экспериментально. Вправду, как можно измерить то, что недозволено измерить по определению?

Но в 1965 году Дж.Белл нашел таковой метод! Оказалось, что существует целый ряд экспериментальных ситуаций, в каких для определенных линейных композиций измеряемых на опыте величин все теории со сокрытыми параметрами предвещают итог, наименьший, чем квантовая механика. При всем этом на вероятные сокрытые характеристики как наночастицы, так и макроприбора накладывается только требование локальности, т.е. сопоставимости с теорией относительности. Эти линейные композиции, носящие заглавие неравенств Белла, измерены в нескольких опытах с фотонами и протонами. Результаты опытов стопроцентно совпали с пророчествами квантовой механики. Исключить нелокальные сокрытые характеристики экспериментально не может быть. Но, исходя из убеждений теории, их существование противоречит теории относительности, корректность главных выводов которой доказана в сотках тестов на ускорителях, в галлактических лучах и в атомной индустрии. Другими словами, хоть каким ниспровергателям чисто вероятностной квантовой механики придется «в качестве доп упражнения» переформулировать подходящим образом теорию относительности.

нужно отметить, что в крайние десятилетия схожая переформулировка стала представляеться не настолько неосуществимой. Похоже, что в многомерных местах может быть избрать такую метрику, которая, с одной стороны, не нарушает ньютоновский закон гравитации и теорию относительности Эйнштейна в четырехмерии, а с иной — через доп измерения принципно дозволяет передавать сигналы меж 2-мя точками четырехмерного места резвее скорости света. Можно представить, что при помощи схожих теорий покажется возможность построения «причинной квантовой механики» либо напротив, будет поставлен прошлом абзаце, только догадка, которая может оказаться неверной при наиболее пристальном рассмотрении. Не считая того, не все так гладко с выбором метрики. Как ни жалко, но подробное обсуждение данных вопросцев далековато выходит за рамки пользующегося популярностью введения в физику простых частиц.

Любознательный и, пожалуй, умопомрачительный для неспециалистов факт состоит в том, что пророчества квантовой механики и квантовой теории поля с экспериментальной точки зрения доказаны еще поточнее, чем пророчества традиционной механики и теории относительности. к примеру, согласие меж теоретическими пророчествами и экспериментальным результатом для аномального магнитного момента электрона составляет 11 символов опосля запятой, в то время как соответствующая точность совпадения теории и опыта в традиционной физике 3-4 знака опосля запятой.

В заключение скажем несколько слов о действительности простых частиц. Вправду, простые частички нереально ни потрогать, ни понюхать, ни узреть, ни испытать на вкусвзор, нет полностью никакой гарантии, что в длинноватой цепочке передачи сигнала из микромира к макроскопическому наблюдающему физики-экспериметаторы верно учитывают помехи, ошибки либо преломления первичной инфы. Как следует, простые частички могут оказаться только мороком, неверной интерпретацией искаженных сигналов. Другое дело — макроскопические объекты. человек может выяснить свойства макроскопических объектов без всяких посредников, лишь с помощью органов эмоций. Потому в действительности макроскопического мира вокруг нас, как правило, не колеблется. Но так кажется лишь на 1-ый очень повехностный взор.

Работа ЛЮБОГО органа эмоций человека в макромире принципно не отличима от работы макроприбора для исследования микромира. В качестве примера разглядим зрение. Пусть человек лицезреет стол. Что происходит по сути? солнце испускает большущее число фотонов. Они ведут взаимодействие с атомами стола, переизлучаются во все стороны и малая их часть попадает в глаз. Хрусталик глаза, в свою очередь, фокусирует фотоны на сетчатке, где в итоге хим реакции с палочками и колбочками появляются электронные сигналы. Эти сигналы по нервным волокнам передаются в обычно расположенный в головном отделе тела и представляющий из себя малогабаритное скопление служащий для передачи в нервных (орган животного, служащий для передачи в обычно расположенный в головном отделе тела и представляющий собой компактное скопление нервных клеток и их отростков»> обычно расположенный в головном отделе тела и представляющий собой компактное скопление нервных клеток и их отростков»>мозг (центральный отдел нервной системы животных, обычно расположенный в головном отделе тела и представляющий собой компактное скопление нервных клеток и их отростков), который методом сложного анализа поступившей инфы воспроизводит изображение стола. естественно, что действительность зрительного восприятия можно проверить с помощью других органов эмоций, к примеру, испытать укусить стол зубами либо стукнуть по нему кулаком. В итоге схожих действий в глаз. Но, аналогично рассмотреному выше примеру, действительность простых частиц, универсальность их параметров подтверждается обилием сенсоров принципно разных конструкций (камеры Вильсона, счетчики Гейгера во всех модификациях, пропорциональные камеры, черенковские счетчики, ионизационные калориметры 10-ов разных систем). Этот набор макроприборов еще богаче, чем 5 человечьих эмоций! А результаты независящих измерений черт наночастиц, выполненных этими устройствами, отлично согласуются друг с другом. Конкретно потому физики считают, что, скажем, -бозон, приобретенный на электрон-позитронном коллайдере в CERNе, не наименее реален, чем стол либо табурет в вашей квартире, а кварк снутри протона таковой же элемент Вселенной, как и президент США (Соединённые Штаты Америки — второго средний (русский) ученый заживо не лицезрел.

правда, постоянно можно удариться в солипсизм. Против лома солипсизма нет чисто научного приема. Сторонникам солипсизма остается лишь порекомендовать не представлять, что они читают данную нудную статью, и заняться чем-нибудь наиболее приятным. Читателям, серьезно заинтересовавшимся обсуждаемыми выше вопросцами, для наиболее глубочайшего исследования можно посоветовать книжки [ 1]-[ 5].

На этом короткое пользующееся популярностью введение в физику микромира можно окончить и перейти конкретно к книжке Дональда Перкинса.

Одинадцать лет вспять «Энергоатомиздат» выпустил перевод третьего британского издания прелестной книжки английского ученого, доктора физики Оксфордского института Дональда Перкинса «Введение в физику больших энергий» (тираж 3000 экз). Книжка воистину неповторимая. Во-1-х, в сравнимо маленьком объеме поочередно и очень тщательно изложены результаты всех главных тестов в физике микромира и верно показано, как любой из этих тестов воздействовал на становление теории простых частиц. Во-2-х, не может не поражать уровень изложения. Книжка быть может полезна и третьекурснику, лишь начинающему в рамках курса общей физики учить простые частички, и старшекурснику, и аспиранту и даже сложившемуся ученому, желающему верно, ясно, стремительно и глубоко уяснить для себя определенный вопросец в физике микромира. много увлекательных методических находок отыщут у Д.Перкинса популяризаторы науки. Мне не понятно ни одной настолько же всепригодной книжки!

Но с момента выхода британского издания (1987 год) прошло приличное время. Физика простых частиц шагнула далековато вперед. И вот в 2000-ом году издательство «Cambridge University Press» выпустило в свет 4-ое переработанное и дополненное издание «Введения …». Спустя два года книжка в Рф не переведена, хотя ситуация с выпуском научной литературы за крайние три года у нас в стране очень стала лучше.

Предлагаю сетевым читателям перевод 1-го параграфа из новейшего издания «Введения…». В этом параграфе рассказывается о открытии крайнего и самого томного из кварков -кварка. Из данного параграфа читатель не физик сумеет до некой степени осознать экспериментальные трудности и способы их обхода, соответствующие для современной физики простых частиц. Открытие -кварка вышло относительно не так давно — в 1995 году. На российском языке пока нет ни 1-го глубочайшего, но в тоже время и довольно пользующегося популярностью изложения этого большого заслуги физики частиц.

Переведенный параграф предназначен до этого всего для студентов физичиских специальностей ВУЗов, но может оказаться полезным читателям, интересующимся базовыми научными открытиями. В крайнем российском издании книжки Д.Перкинса переведенный материал должен соответствовать параграфу 5.16.

Данная статья является составной частью сетевого проекта «Студентам о новейших достижениях в физике простых частиц» [ 6]. В 2001 году в рамках данного проекта была размещена заметка Г.Фрейзера «Мелодрама под заглавием «время находить Хиггс» [ 7] о интригующих, но, как досадно бы это не звучало, безрезультативных поисках бозона Хиггса на электрон-позитронном коллайдере LEP в CERN-e.

В заключение нужно отметить, что приведенные в российском издании 1991 года подготовительные экспериментальные данные CERN-а по удачному поиску -кварка в распаде и измерению 40 ГэВ не подтвердились. В истинное время масса самого томного кварка считается равной ГэВ, потому -кварк не быть может продуктом распада -бозона. Напротив, -бозон является одним из товаров распада -кварка.

]]>