Физика высоких энергий

Кафедра Физики Высоких Энергий и Элементарных Частиц — О кафедре

Физика высоких энергий
Кафедра физики высоких энергий и элементарных частиц существует более 40 лет. Она создана профессором Ю.В.Новожиловым под непосредственным руководством академика Владимира Александровича Фока — основоположника Петербургской-Ленинградской школы теоретической физики.

Эта школа известна во всем мире такими именами как А.А.Фридман, Г.А.Гамов, Л.Д.Ландау, В.Н.Грибов и др.

Человека всегда интересовали два вопроса: каковы те мельчайшие частицы, из которых образуется все вещество, включая самого человека, и как устроена Вселенная, частью которой является он сам.

Двигаясь в своем познании в двух этих противоположных направлениях, человек, с одной стороны, двигаясь по ступеням вниз (молекула — атом — ядро — протоны, нейтроны — кварки, глюоны), пришел к пониманию процессов, происходящих на сверхмалых расстояниях, а с другой стороны, двигаясь по ступеням вверх (планета — солнечная система — галактика), подошел к пониманию устройства Вселенной в целом.

При этом оказалось, что Вселенная не может быть стабильной, и были получены экспериментальные факты, подтверждающие, что около 10 млрд. лет назад вся Вселенная, в момент возникновения в результате «Большого взрыва», сама имела микроскопические размеры.

При этом для анализа процесса ее развития на этом раннем этапе необходимы знания о микромире, получаемые в экспериментах на современных ускорителях элементарных частиц.

Причем, чем больше энергия сталкиваемых на ускорителе частиц, тем меньше расстояния, на которых может быть изучено поведение материи, и тем раньше тот момент, начиная с которого мы можем проследить эволюцию Вселенной. Так произошло смыкание исследований микро- и макро-космоса.

Еще 50 лет назад считалось, что вся материя состоит из атомов, а те, в свою очередь, построены из трех фундаментальных частиц — положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов, формирующих центральное ядро, и отрицательно заряженных электронов, вращающихся по орбитам вокруг ядра.

В настоящее время установлено, что протоны и нейтроны построены из еще более «фундаментальных» объектов — кварков. Шесть типов кварков наряду с шестью лептонами (электрон, мюон, тау и три соответствующих нейтрино) и четырьмя промежуточными векторными бозонами и служат теми строительными блоками, из которых построено все вещество во Вселенной.

Физика высоких энергий и элементарных частиц и изучает свойства и поведение этих фундаментальных составляющих материи. Их свойства проявляются в четырех известных взаимодействиях — гравитационном, слабом ядерном, электромагнитном, сильном ядерном.

По современным представлениям слабое ядерное и электромагнитное взаимодействия — это два различных проявления одного типа взаимодействия — электрослабого.

Физики надеются, что в ближайшем будущем это взаимодействие будет вместе с сильным ядерным включено в Теорию Большого Объединения, а возможно и вместе с гравитационным в Единую Теорию Взаимодействия.

Для изучение фундаментальных частиц и их взаимодействий необходимо строить гигантские ускорители (устройства, в которых элементарные частицы разгоняются до скоростей, близких к скорости света, а затем сталкиваются друг с другом).

Из-за своих огромных размеров (десятки километров) ускорители строятся в подземных туннелях.

Самые мощные ускорители работают или строятся в лабораториях CERN (Женева, Швейцария), Fermilab (Чикаго, США), DESY (Гамбург, Германия), SLAC (Калифорния, США).

В настоящее время в Европейском Центре Ядерных Исследований (CERN) в Женеве в Швейцарии полным ходом идет строительство самого мощного ускорителя элементарных частиц LHC (Большого Адронного Коллайдера), способного ускорять не только элементарные частицы (протоны), но и атомные ядра.

Ожидается, что при столкновении ядер свинца, разогнанных до сверх- высоких энергий, на этом ускорителе удастся получить новое состояние вещества — кварк-глюонную плазму, при котором кварки и глюоны — составные элементы протонов и нейтронов сталкиваемых ядер — объединятся вместе.

С точки зрения анализа развития Вселенной, такое состояние вещества было на стадии, существовавшей примерно через 10 микросекунд после «Большого взрыва».

Для регистрации признаков формирования кварк-глюонной плазмы при столкновении ядер свинца на ускорителе LHC строится огромная экспериментальная установка и планируется проведение на ней специального эксперимента — ALICE (A Large Ion Collision Experiment). Кафедра физики высоких энергий и элементарных частиц принимает участие в подготовке эксперимента ALICE в ЦЕРНе и разработке программы физических исследований для него.

Физика высоких энергий и элементарных частиц не только дает человеку возможность познать окружающий его мир, но и способствует развитию и внедрению самых современных технологий. В постановке и проведении экспериментов по физике высоких энергий участвуют обычно сотни ученых, инженеров, специалистов в области электроники, материаловедения и, особенно, компьютерных технологий.

Необходимая скорость сбора и обработки информации в процессе столкновения частиц при высоких энергиях превышает все мыслимые пределы. Практически все современные компьютерные технологии развивались прежде всего из-за потребностей физики высоких энергий.

Наиболее значительным достижением в этой области за последние годы стало создание Всемирной Паутины — World Wide Web, всеобще принятый формат для представления информации в Интернете, изобретенный в CERN около 10 лет назад для мгновенного доступа к информации для сотен ученых из десятков лабораторий в различных странах, работающих в области физики элементарных частиц.

Первые WWW серверы в Санкт-Петербурге заработали на физическом факультете СПбГУ, в НИИ Физики СПбГУ и в Петербургском институте ядерной физики в Гатчине.

По мере развития методов квантовой теории поля, основного математического аппарата теории элементарных частиц, стало ясно, что их с большим успехом можно использовать и в других областях теоретической физики.

В результате, наряду с продолжающимися исследованиями в области современной теории элементарных частиц, которые являются приоритетными на кафедре, возникли и новые направления. Разрабатываются новые математические методы — теория квантовой симметрии и некоммутативных пространств.

Методы функционального интегрирования, диаграмм Фейнмана и теория перенормировок активно используются в последнее время в теории критических явлений (теории фазовых переходов) и теории гидродинамической турбулентности.

Методам квантовой теории поля в последние годы найдены и совсем неожиданные применения, которые, на первый взгляд, довольно далеки от теоретической физики в ее традиционном понимании.

В частности, возникли и бурно развиваются (в том числе, на кафедре) теория самоорганизующейся критичности, экономическая физика, теория нейронных сетей, в которых моделируются наиболее универсальные механизмы самоорганизации сложных систем на основе элементарных представлений о характере взаимодействия их компонент.

Опыт изучения моделей такого типа, накопленный в области квантовой теории поля и статистической физике, а также использование компьютерных экспериментов, позволяет получать интересные количественные результаты в экономике, нейрофизиологии и биологии.

Кафедра физики высоких энергий и элементарных частиц ежегодно выпускает до 10 специалистов по Программе «Теория взаимодействия элементарных частиц и квантовая теория поля».

Преподавательский и научный состав кафедры состоит из 14 докторов и 7 кандидатов наук (на кафедре нет сотрудников без научных степеней). Основатель кафедры Ю.В.Новожилов и заведующий кафедрой М.А.

Браун имеют почетные звания Заслуженный деятель науки, несколько сотрудников в разные годы были удостоены Университетских премий, а также званий Соросовского профессора.

Все члены кафедры имеют широкие связи с зарубежными коллегами из университетов Германии, Франции, Италии, Испании, Швейцарии, США и др., регулярно выезжают в командировки для проведения совместных исследований.

Работы сотрудников кафедры имеют приоритетный характер и активно цитируются в мировой научной периодике.

Практически все сотрудники кафедры работают при поддержке грантов Российского фонда фундаментальных исследований, часть сотрудников имеют финансирование от зарубежных фондов INTAS, NATO, DAAD, CRDF, INFN и др.

Выпускники кафедры получают широкое образование по теоретической и математической физике, соответствующее самым высоким мировым стандартам. Часть студентов получают наряду со степенью магистра СПбГУ и степени зарубежных высших научных заведений (например, Ecole Politechnique).

После окончания обучения выпускники имеют широкие возможности для продолжения своего образования и научной деятельности как в России, так и за рубежом.

Не менее половины выпускников, как правило, остаются в аспирантуре на кафедре, часть выпускников принимается в институты РАН (Петербургский институт ядерной физики, Петербургское отделение математического института), часть выпускников принимается в аспирантуру зарубежных университетов.

Источник: http://hep.phys.spbu.ru/about/about_dep_r.htm

Физика высоких энергий

Физика высоких энергий

Определение 1

Физика элементарных частиц (также известная как физика высоких энергий) — это раздел физики, изучающий природу частиц, которые составляют вещество.

Хотя слово «частица» может относиться к разным типам очень маленьких объектов (например, протонам, частицам газа или даже домашней пыли), физика элементарных частиц чаще всего исследует наименьшие обнаруживаемые частицы и фундаментальные взаимодействия, необходимые для объяснения их поведения. По нашему пониманию на сегодняшний день, эти элементарные частицы являются возбуждениями квантовых полей, которые также регулируют их взаимодействие.

В настоящее время доминирующая теория, объясняющая эти фундаментальные частицы и поля, а также их динамику, называется стандартной моделью.

Таким образом, современная физика элементарных частиц обычно исследует Стандартную модель и ее различные возможные расширения, к примеру, для самой новой «известной» частицы, бозона Хиггса или даже для самого старого известного силового поля, гравитации.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

История становления и развития

Сама идея, что вся материя состоит из элементарных частиц, датируется как минимум 6-м веком до нашей эры. В 19 веке Джон Далтон в своей научной работе по стехиометрии пришел к выводу, что каждый элемент природы состоит из одного уникального типа частиц.

Слово «атом» от греческого слова atomos, означающего «неделимый», с тех пор обозначало мельчайшую частицу химического элемента, но вскоре физики обнаружили, что атомы на самом деле не являются фундаментальными частицами природы, а представляют собой конгломераты более мелких частиц, таких как электрон.

Первые изыскания 20-го века по ядерной физике и квантовой физике привели к доказательству ядерного деления в $1939$ г. Л. Мейтнера (на основе опытов Отто Ган) и ядерного синтеза Ханса Бете в том же году; данные открытия способствовали к разработке ядерного оружия.

В течение 1950-х и 1960-х годов было обнаружено удивительное разнообразие частиц при их столкновениях с пучками более высоких энергий.

Стандартная модель

Замечание 1

Классификация всех элементарных частиц объясняется Стандартной моделью.

Она описывает сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия, используя посредственные калибровочные бозоны. Калибровочные бозоны представляют собой – восемь глюонов, бозоны и фотон.

Стандартная модель также содержит 24 фундаментальных фермиона, которые являются составными частями всего вещества. Именно стандартная модель предсказала существование бозона, который известен как бозон Хиггса.

Рано утром 4 июля 2012 года физики, работающие на Большом адронном коллайдере объявили, что они обнаружили новую частицу, которая ведет себя так же, как бозон Хиггса.

Согласно стандартной модели, существует:

  • Шесть типов кварков;
  • Шесть типов лептонов;
  • Четыре типа бозонов.

Замечание 2

Эти частицы делятся на две основные категории по принципу Паули: т.е., те, которые не подпадают под этот принцип, являются бозонами, а другие соответственно называются фермионами.

Рисунок 1. Стандартная модель элементарных частиц. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Практические применения

В принципе, вся физика может быть объяснена благодаря изучению фундаментальных частиц. На практике, даже если под «физикой элементарных частиц» подразумеваются только «высокоэнергетические атомы», в ходе ее новаторских исследований было разработано много технологий, которые впоследствии нашли широкое практическое применение.

Ускорители частиц используются для производства медицинских изотопов, предназначенных для точной диагностики (например, изотопы используются в ПЭТ-визуализации), или непосредственно для проведения лучевой терапии. Совершенствование сверхпроводников было осуществлено благодаря изучению элементарных частиц.

Также частицы нашли свое применение в медицине, промышленности, вычислительной технике и науке.

Экспериментальные лаборатории

Основные лаборатории физики элементарных частиц в мире:

  • Брукхейвенская национальная лаборатория (Лонг-Айленд, США). Главным направлением ее деятельности является релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC), который сталкивает тяжелые ионы, такие как ионы золота и поляризованные протоны
  • Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера (Новосибирск, Россия). Его основными проектами в настоящее время являются электронно-позитронные коллайдеры ВЭПП-2000, эксплуатируемые с 2006 года, а ВЭПП-4 начали выпускать в 1994 году.
  • CERN (Европейская организация по ядерным исследованиям). В настоящее время ее основным проектом является Большой адронный коллайдер (LHC), первый поток луча в котором прошел 10 сентября 2008 года, и по настоящее время он является самым мощным в мире коллайдером протонов.
  • DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) (Гамбург, Германия). Кольцевой тоннель HERA, который сталкивает электроны и позитроны с протонами.
  • Институт физики высоких энергий (ИФВЭ) (Пекин, Китай). ИФВЭ управляет рядом крупных объектов физики частиц в Китае, включая Пекинский электронный позитронный коллайдер (BEPC), Пекинский спектрометр (BES).

Методы исследований, применяемые в современной экспериментальной физике элементарных частиц, довольно разнообразны и сложны.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/fizika_vysokih_energiy/

Booksm
Добавить комментарий