Физика элементарных частиц — это раздел физики, изучающий природу частиц, составляющих материю и излучение. Хотя частицы не видны невооруженным глазом, их воздействие на Вселенную действительно колоссально. Эта область исследует мельчайшие составляющие материи и то, как они взаимодействуют друг с другом. Понимание этих частиц и их взаимодействий помогает нам понять Вселенную в широком масштабе.
Стандартная модель физики элементарных частиц — это теория, которая описывает три из четырех известных фундаментальных сил во Вселенной (электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия, но не гравитация) и классифицирует все известные элементарные частицы. Он делит частицы на две основные группы: фермионы и бозоны.
Фермионы являются строительными блоками материи. Они имеют полуцелый спин и подчиняются принципу Паули, который означает, что никакие два фермиона не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии. Фермионы подразделяются на лептоны и кварки.
Бозоны — это частицы, которые переносят силы и имеют целочисленный спин. Они не подчиняются принципу исключения Паули. В Стандартной модели есть четыре типа бозонов:
Во Вселенной существуют четыре фундаментальных взаимодействия, которые управляют поведением всей материи и энергии. Стандартная модель успешно объясняет три из них:
Гравитация, четвертая сила, еще не описана Стандартной моделью. Это объясняется теорией общей теории относительности и, как полагают, опосредовано теоретической частицей, известной как гравитон.
Для изучения физики элементарных частиц ученые используют большие машины, называемые ускорителями частиц , для ускорения и столкновения частиц при высоких энергиях. Эти столкновения производят новые частицы и позволяют исследователям изучать свойства этих частиц.
Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРНе недалеко от Женевы, Швейцария, является крупнейшим и самым мощным в мире ускорителем частиц. Это сыграло важную роль в открытии бозона Хиггса.
Квантовая теория поля — это теоретическая основа физики элементарных частиц. Она сочетает в себе квантовую механику и специальную теорию относительности. КТП описывает частицы как возбужденные состояния лежащих в их основе полей. Например, фотоны являются возбуждениями электромагнитного поля, а электроны — возбуждениями электронного поля.
Для каждой частицы существует античастица с противоположным электрическим зарядом. Когда частица встречает свою античастицу, они аннигилируют друг друга, образуя гамма-лучи. Антиматерия используется в медицинской визуализации и является предметом исследований, направленных на понимание дисбаланса между материей и антиматерией во Вселенной.
Нейтрино — чрезвычайно легкие нейтральные частицы, которые очень слабо взаимодействуют с другим веществом. Каждую секунду через нас проходят миллиарды нейтрино, по большей части незамеченные. Нейтрино исходят от Солнца и других астрономических источников. Они важны для понимания звездных процессов и структуры Вселенной.
Физика элементарных частиц — увлекательная и сложная область, изучающая фундаментальные компоненты и силы Вселенной. Посредством экспериментов с использованием ускорителей частиц, таких как БАК, и теоретических основ, таких как Стандартная модель и квантовая теория поля, ученые продолжают раскрывать тайны Вселенной, по одной частице за раз.
