Элементарные частицы

Мир элементарных частиц

• Ученые продолжают поиск ответа на вопрос:
• из каких частиц состоит вся материя?
• Путь «вглубь материи» не завершен…

Как обнаружить элементарную частицу?

• Обычно изучают и анализируют следы (траектории или треки), оставленные частицами.

Этапы в развитии физики элементарных частиц

Элементарные частицы – «кирпичики мироздания», из которых состоит атом

1911г. Эрнест Резерфорд предложил планетарную модель атома.

1913г. Нильс Бор объяснил излучение и поглощение энергии атомом водорода.

1931г. П. Дирак предсказал существование позитрона и аннигиляции электрона и позитрона при их взаимодействии.

• Все частицы делятся на два класса:

• Фермионы , которые составляют вещество;

Фермионы подразделяются на лептоны и кварки.

• Бозоны , через которые осуществляется взаимодействие.

Элементарные частицы

Электрон Фотон Нейтрон Протон

Элементарная частица -- микрообъект, который невозможно разделить на части, но он может иметь внутреннюю структуру. Элементарные частицы существуют в 2х разновидностях: частицы и античастицы

АНТИЧАСТИЦЫ

• – это элементарные частицы, отличающиеся от соответствующих им частиц знаком электрического, барионного и лептонного зарядов, а также некоторых других характеристик. Массы частицы и античастицы строго одинаковы. Античастица чаще всего обозначается тем же символом, что и частица, но с тильдой наверху, например: « n ~» – антинейтрон, но антиэлектрон (позитрон) обозначается « е +». Существует несколько частиц, которые в точности совпадают со своими античастицами (например, фотон). При взаимодействии аннигилируют (исчезают)

Открытие античастиц

Аннигиляция

– процесс взаимодействия элементарной частицы с ее античастицей, в результате которой они превращаются в γ -кванты (фотоны) или другие частицы.

е - + е + → 2 γ

Один γ-квант не образуется т.к. одновременно должны быть выполнены законы сохранения импульса и энергии .

Структура атома

Элементарные частицы имеют сложную структуру

• 1963г. Мюррей Геллман и Джордж Цвейг предположили, что нуклоны состоят из кварков.
• 1969г. Кварки были обнаружены экспериментально

Кварки - это точечные, бесструктурные образования, относящиеся к истинно элементарным частицам, которые были введены для систематизации многочисленных элементарных частиц, имеют дробный электрический заряд

u – кварк +2/3 е, d – кварк -1/3 е, протон uud, нейтрон udd.

Характерной особенностью кварков, не встречающейся у других частиц, является дробный электрический заряд, кратный 1/3 элементарного. Попытки обнаружить кварки в свободном состоянии к успеху не привели. При увеличении расстояния между ними сила притяжения неограниченно возрастает, при разрыве связи рождаются новые кварки и антикварки, которые могут объединиться в новые адроны.

Кварки

Кварки (цвет)

Каждый аромат (тип) кварков может иметь три цветовых заряда: КРАСНЫЙ, ЗЕЛЕНЫЙ, СИНИЙ.

Антикварки имеют антицвета, как бы нейтрализующие цвета: АНТИ КРАСНЫЙ -ФИОЛЕТОВЫЙ, АНТИ ЗЕЛЕНЫЙ -КРАСНЫЙ, АНТИ СИНИЙ -ЖЕЛТЫЙ.

Цветные кварки образуют бесцветные комплексы

Существуют 6 кварков и 6 антикварков, каждый из которых может иметь три цвета. Свободные кварки не наблюдаемы.

Характеристики (виды) кварков

В 2003 году в физике элементарных частиц произошло событие, всколыхнувшее научную общественность. Экспериментаторы сумели обнаружить невиданную ранее частицу - пентакварк.

В 1997 году трое петербургских физиков, Дмитрий Дьяконов, Виктор Петров и Максим Поляков выступили со статьей, в которой утверждалось, что частицы из пяти кварков все-таки могут существовать. Неудачи поисков ученые объясняли тем, что пентакварк следует искать по очень узкому резонансу в области гораздо меньших по массе элементарных частиц, чем предполагалось ранее. В начале 2003 года практически одновременно две независимые научные группы заявили об обнаружении пентакварка. Первыми оказались участники эксперимента LEPS на японском ускорителе SPring-8. Они обнаружили четкий пик, который неопровержимо свидетельствовал о рождении частицы, состоящей из пяти кварков. Тем более что характеристики новой частицы (масса покоя, ширина резонанса) точно соответствовали предсказанию российских ученых. Вторыми стали исследователи из московского Института теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ), проанализировавшие снимки, полученные еще в 1986 году с помощью ксеноновой пузырьковой камеры DIANA. Анатолию Долголенко и его коллегам удалось определить массу пентакварка и ширину его резонанса с большей точностью, чем японцам и группам экспериментаторов, занимавшимся тем же вопросом позже.

Виды взаимодействий

• ГРАВИТАЦИОННОЕ

• ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ
• СИЛЬНОЕ
• СЛАБОЕ

• Теория, которая дает единое объяснение сильному, слабому и электромагнитному взаимодействию, называют «Великое объединение». Ученые работают над созданием единой теории взаимодействий

Сильное - взаимодействие между кварками (глюоны).

Электромагнитное- взаимодействие между электрически заряженными телами.

Слабое – взаимодействие между лептонами , а также между лептонами и кварками (бозоны).

Гравитационное – взаимодействие между всеми частицами (гравитоны)

Лептоны

Стандартная модель элементарных частиц

Всего открыто более 364 элементарных частиц

Фундаментальные частицы

• 6лептонов и 6 антилептонов
• 18 кварков( 6 кварков 3 цветов) и 18 антикварков
• 13 переносчиков различных видов взаимодействий

Многие физики еще «в пути»!

Фундаментальные частицы – кварки и лептоны.

Кварки (в сильном взаимодействии),

лептоны (не участвующие в сильном взаимодействии) образуют начальный уровень материи

• Вселенная состоит из 48 фундаментальных частиц

(Minimal Supersymmetric Standard Model, MSSM), была предложена Говардом Джорджи и Савасом Димопулосом в 1981 году. Фактически это та же Стандартная модель со всеми ее симметриями, но к каждой частице добавлен партнер, чей спин отличается от ее спина на 1/2, — бозон к фермиону и фермион к бозону

Слева — Стандартная модель (СМ) элементарных частиц: фермионы (кварки, лептоны) и бозоны (переносчики взаимодействий). Справа — их суперпартнеры в Минимальной суперсимметричной стандартной модели, MSSM: бозоны (скварки, слептоны) и фермионы (суперпартнеры переносчиков взаимодействий). Пять бозонов Хиггса (на схеме обозначены одним синим символом) также имеют своих суперпартнеров — пятерку хиггсино.

Адронный коллайдер

БАК – Большой Адронный Коллайдер. Это огромный кольцеобразный тоннель, похожий на трубу для разгона частиц. Находится он на глубине около 100 метров под территорией Франции и Швейцарии. В его постройке участвовали учёные со всего мира .

Что такое БАК?

• БАК был построен для того, чтобы найти бозон Хиггса – механизм, наделяющий частицы массой. Второстепенной целью также является изучение кварков – фундаментальных частиц, из которых состоят адроны (отсюда и название «адронный» коллайдер). БАК считается самым большим – его длина 25,5 км. К тому же в его структуру входит ещё один, меньший по диаметру, ускоритель.
• БАК сталкивает на больших скоростях пучки частиц и следит за последующим их поведением и взаимодействием. Как правило, один пучок частиц разгоняется сначала на вспомогательном кольце, а потом уже отправляется в основное кольцо. Множество сильнейших магнитов удерживают частицы внутри коллайдера. А высокоточные приборы фиксируют перемещения частиц, так как столкновение происходит за доли секунды.

Организацией работы коллайдера занимается ЦЕРН (организация по ядерным исследованиям).

Зачем нужен БАК?

Чем же полезен БАК для обычных людей? Научные открытия, связанные с открытием бозона Хиггса и изучением кварков, в перспективе могут привести к новой научно-технической революции.

Во-первых , так как масса – это энергия в состоянии покоя (грубо говоря), есть возможность в будущем преобразовывать материю в энергию. Тогда проблем с энергией не будет, а значит, появится возможность путешествовать к далёким планетам. А это шаг к межзвёздным путешествиям…

Во-вторых, изучение квантовой гравитации позволит, в будущем, управлять гравитацией. Однако это случится ещё не скоро, так как гравитоны пока ещё не очень хорошо изучены, а потому устройство, контролирующее гравитацию, может быть непредсказуемым.

В-третьих , есть возможность подробнее понять М-теорию . Данная теория утверждает, что мироздание состоит из 11 измерений. М-теория претендует на звание «теории всего», а значит, её изучение позволит нам гораздо лучше понять строение Вселенной. Кто знает, быть может, в будущем человек научится перемещаться и воздействовать на другие измерения.

Эксперименты

• В БАК ускорялись тяжёлые заряженные частицы – протоны. Каждый протон состоит из трёх других фундаментальных частиц – кварков. При обычных условиях три кварка (uud) удерживаются вместе за счёт сильного ядерного взаимодействия и ведут себя как одна элементарная частица с положительным зарядом. При столкновении протонов друг с другом и с ионами металлов на скоростях, близких к световым, кварки высвобождаются и порождают новые частицы.
• Подбирая условия экспериментов, предпринимались попытки зарегистрировать появление теоретически предсказанных ранее частиц и измерить их энергию-массу. Так был открыт и бозон Хиггса – квант поля с нулевым спином, необходимый для понимания природы массы. Его существование постулировал Питер Хиггс ещё в 1964 году, но подтвердить это предположение удалось лишь спустя сорок восемь лет, используя самый совершенный на сегодня ускоритель элементарных частиц .

Схема Международного линейного коллайдера

Стоимость ILC превышает 8 млрд. долларов. Половину этой суммы готово предоставить правительство Японии, на территории которой и намечается строительство ускорителя. Строящийся ускоритель можно назвать «Большим лептонным коллайдером», так как в нём будут взаимодействовать лептоны первого поколения: электроны и их античастицы – позитроны. В отличие от протонов, они не имеют внутреннего состава. То есть результаты их столкновения должны быть менее вариабельными и более однозначными в интерпретации. Одной из ключевых задач ILC на первом этапе будет уточнение результатов, полученных на БАК. Внутри тоннеля будет поддерживаться температура вблизи абсолютного нуля. В ILC будет установлен фотокатод, испускающий электроны под воздействием импульсов лазера длительностью 2 нс. На первичном этапе электроны будут достигать энергии 5 ГэВ. Их дальнейшее ускорение будет выполняться за счёт сверхпроводящих радиочастотных резонаторов, работающих на частоте 1,3 ГГц.

Фрагмент линии компактного линейного ускорителя CLIC

Помимо ILC той же группой параллельно ведётся работа над другим проектом компактного линейного ускорителя – CLIC. Возглавляет работу над ними бывший руководитель проекта БАК Лин Эванс . Младший брат ILC позволит более эффективно распределить задачи и проверить результаты, выполняя часть намеченных исследований.

• Создание Новосибирского электрон-позитронного коллайдера проспонсирует правительство страны в рамках программы поддержки мегапроектов. Об этом на церемонии открытия года науки Россия — ЕС заявил министр образования и науки РФ Дмитрий Ливанов,

Помимо данного ускорителя российские власти выделят деньги на три других мегапроекта — строительство термоядерного реактора «Игнитор» в Москве, нейтронного реактора ПИК в Гатчине под Санкт-Петербургом и коллайдера тяжелых ионов NICA в подмосковной Дубне.

В Объединенном институте ядерных исследований в Дубне уже в 2017 году начнет работу уникальный коллайдер тяжелых ионов NICA, который позволит ученым исследовать свойства сверхплотной ядерной материи, существовавшей на начальных стадиях развития Вселенной.

Протвино был основан как рабочий посёлок одновременно с началом строительства протонного ускорителя в 1960 году. Сейчас там живут около 37 тысяч человек.

18 августа 2008 г. постановлением Правительства РФ №624 городу Протвино присвоен статус наукограда Российской Федерации. Строительство ускорительно–накопительного комплекса с проектной энергией пучка 3000 ГэВ (протон — протонного коллайдера на сверхпроводящих магнитах) началось в 1983 году. В течение 11 лет в стабильных и сухих породах на глубине от 20 до 60 метров (в зависимости от рельефа местности) был построен 21–километровый туннель, внутренний диаметр которого равнялся 5 километрам. На протяжении всего тоннеля каждые полтора километра были построены подземные залы для размещения крупногабаритного оборудования, которые были связаны с поверхностью вертикальными шахтами. Проходка была завершена в декабре 1994 года. В том же году был введен в строй первый участок нового ускорителя — подземный канал длиной 2,7 км, соединяющий У–70 и УНК.

В канале были смонтированы электромагнитная система, вакуумная система, приборы наблюдения за пучком. После настройки всех элементов канала протоны с энергией 70 ГэВ пролетели по проектной траектории вплоть до будущей точки ввода