Последние открытия физики элементарных частиц

ВВЕДЕНИЕ 3
1. Единство мира и универсальность физической теории 6
2. Мир элементарных частиц 9
3. Классификация элементарных частиц 12
3.1. Характеристики субатомных частиц 12
3.2. Свойства основных типов частиц 14
3.3. Андроны 16
4. Теории элементарных частиц 18
4.1. Квантовая электродинамика 18
4.2. Теория кварков 19
5. Нобелевская премия по физике 2013 года 28
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 31
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 34

Из полученных, что стали крайне важными, данных распада урановых ядер исследователям быстро стала понятной принципиальная возможность ядерных взрывных процессов, которые, будучи сверхмощными, в неуправляемом режиме легли в основу созданного вскоре ядерного оружия, а в управляемом – определяют полезную работу ядерной техники, наиболее известным рядовым гражданам творением которой являются атомные электростанции. Наличие ядерного оружия или ядерной энергетики является теперь одним из самых главных факторов, за которыми можно оценивать военный или промышленный потенциал того или другого государства. Не стоит оставлять вне поля зрения молодые и такие научно исторические факты, что первая в мире атомная бомба была подорвана американцами летом в 1945 году, а первая работающая атомная станция была построена в Советском Союзе в 1955 году. Достаточно скоро атомное оружия стало так много, что это стало угрозой мира, потому разные страны с ее избытком пришли к выводу об ограничении проектирования и производствах новых атомных изделий военного направления. Что касается атомных станций, то, напротив, они стали широко использоваться в электроэнергетике и здесь наблюдается постоянный рост их количества. В настоящий момент есть страны, где ядерная составляющая в производстве электроэнергии достигла или преувеличивает тепло- и гидроэлектрическую составляющие, а тем более взнос от так называемого альтернативного электричества (например, ветровой или солнечной) [12, c. 174].
Абсолютное большинство (в том числе, отечественных) физиков-ядерщиков и энергетиков не сомневаются, что в ближайшей перспективе человечеству не удастся отойти от интенсивного развития этой отрасли, поскольку традиционные и самое широкое используемые источники энергии – уголь, нефть и газ – в целом, хотя и по-разному во времени, ограниченные. Из этого однозначно выплывает, что ядерная физика и ядерная техника должны оставаться среди приоритетов научной отрасли, если люди собираются увеличивать потребление энергии. А на это указывают и история, и настоящее, и имеются тенденции развития всех сфер жизнедеятельности человечества. Что же касается термоядерного способа производства энергии, или, как говорят популяризаторы и фантасты, создание искусственного Солнца на Земле, то эта проблема в полном объеме еще не развязана и даже приблизительно назвать срок, за который это произойдет, не осмеливается никто. Невзирая на научные и прикладные успехи в этом направлении, специалисты из разных стран, будучи уверенными в принципиальной осуществимости искусственного, или управляемого, термоядерного синтеза в промышленных масштабах, тем не менее считают, что запуск экономически выгодного термоядерного реактора состоится не раньше середины ХХІ столетия. Поэтому и по этой причине можно допустить, что на “обычный” ядерный способ получения энергии остается еще достаточно много времени [12, c. 189].
Осуществляются интенсивные поиски и других вариантов. Да, не исключено, что будут созданы материалы, благодаря которым откроется путь к дешевому использованию самой солнечной энергии, хотя в настоящий момент ни один серьезный специалист также не станет прогнозировать, когда и как физики и химики справятся со сложной материаловедческой проблемой накопления энергии Солнца, которая бесперебойно и в значительных количествах поступает на Землю, к тому же экономически приемлемого уровня. Учитывая такое состояние проблемы утилизации и превращения солнечной энергии в электрическую опять можно с уверенностью предусматривать, что фундаментальные ядерные исследования в аспекте последующего совершенствования и увеличения безопасности производства электроэнергии будут оставаться одними из самых актуальных на протяжении, как минимум, первой половины ХХІ века, а может и дальше. Поэтому физики, технологи и инженеры будут уделять этим проблемам первостепенное внимание. Важным обещает быть и медицинское применение ядерных процессов на потребность людям, поскольку составляет одно из эффективных средств борьбы со многими неизлечимыми болезнями.
Изобретение ХХ века – лазер относят к одним из самых вечомых научных достижений. И на его основе было проведено усовершенствование – лазер на так называемых квантовых полупроводниковых точках. Каждая из них может состоять из нескольких сотен атомов, изменением количества или формой заключения которых можно изменять частоту излучения, а следовательно микроскопический за размерами объект будет иметь многоцветной спектр свечения. В целом же строительство подобных нанообъектов являет собой, образно говоря, “квантовую алхимию”. Не вызывает сомнений, что ее развитие составляет первоочередное задание для национальных лабораторий, академий, университетов. Квантовые точки – очень нестандартные образования: их можно конструировать атом-к-атому или выращивать путем молекулярно-пучковой эпитаксии. Именно точки, по мнению некоторых экспертов, являются прообразом новых типов транзисторов. В коллективе квантовых точек состояний больше, а энергетические барьеры между ними ниже. Это значит, что соответствующие переходы могут инициировать считанными электронами. Создание таких транзисторов, безусловно, требует нового уровня технологий, которые и будут определять развитие полупроводниковой электроники, которая все больше приближается к пределу, установленному самой Природой [12, c. 254].
При этом работу любого устройства, которым может быть и одиночная молекула, будут определять одноэлектронные процессы, а следовательно – исключительно квантовые закономерности. Они же заставят работать лазерные и компьютерные компоненты, энергопотребление которых также станет мизерным, что тождественно предельно расчетливым.
5. Нобелевская премия по физике 2013 года
Франсуа Англер и Питер Гиггз получили Нобелевскую премию по физики в 2013 г. через 50 лет после того, как начался поиск бозона Гиггза. 
В поисках бозона Гиггза приложили усилия тысячи научных работников. Без преувеличения, «Гиггз» стал наибольшим открытием в физике элементарных частиц за несколько десятков лет, и это открытие стало возможным исключительно за счет объединения усилий многих ученых. Однако Нобелевский комитет особенно выделил два имени, которые, по мнению комитета, сделали в открытии  наибольший взнос. Нынешнюю премию присудили двум физикам - Питеру Гиггзу из Эдинбургского университета (Соединенное Королевство) и Франсуа Англеру из Свободного университета в Брюсселе, которые исследовали так называемый «механизм Гиггза»: процесс, с помощью которого поле, наполняющее пространство, предоставляет другим элементарным частицам массу, и квантом которого выступает бозон Гиггза [13, c. 24; 14, с. 567].
Как прокомментировал решение Нобелевского комитета Джон Еллис, ведущий физик-теоретик Европейской лаборатории элементарных частиц CERN около Женевы, «это абсолютно справедливое решение. Я бы сделал точно такой же выбор».  
О существовании бозона Гиггза физики CERN объявили 4 июля в 2012 г. после того, как частицу обнаружили в Большом адронном колайдере в процессе высокоэнергетических столкновений. Как утверждает Еллис, который возглавлял прошлогодний эксперимент, «заслуга физиков-практиков, безусловно, большая, однако первенство принадлежит все-таки тем, кто 50 лет тому назад разрабатывал теорию, - Англеру и Гиггзу». 
Бозон Гиггза долгое время был отсутствующим элементом единственной теории элементарных частиц, которая объясняет взаимодействие всех сил в микромире, кроме гравитации.
Открыватели бозона Гиггза - Франсуа Англер (слева) и Питер Гиггз.
Бозон Гиггза - это квант поля Гиггза, которое предоставляет массу всем известным частицам, включая электроны, кварки и W и Z бозоны, которые передают так называемое слабое ядерное взаимодействие. 
Идею частицы, которая бы предоставляла другим частицам массу, ученые начали обсуждать ещё всередине 1960-х гг., натолкнувшись в своих теоретических построениях на проблему существования частиц без массы. В 1964 г. шесть физиков начали активно работать над тем, как решить эту проблему. В августе в 1964 г. Роберт Бравт (умер в 2011 г.), Франсуа Англер и Питер Гиггз опубликовали статью, в которой доказали, что такая частица с необходимостью является бозоном с нулевым спином (кроме них, значительный взнос имели также исследования Тома Киббла, Джеральда Гуральника и Карла Хагена). Частицу назвали именем П. Гиггза, который первым предложил оригинальную идею. Как комментирует Джон Еллис, «сначала на работу Бравта, Англера и Гиггза не обратили внимания, ведь физики не знали, как на основе этой теории осуществлять вычисление. Лишь в 1971 г., когда Джеральд Гуфт доработал ее математическую составляющую, исследования ученых начали активно цитировать и начался поиск бозона Гиггза в природе».
4 июля в 2012 г., когда научном работнике CERN объявили об открытии бозона Гиггза, на церемонии присутствовал сам Питер Гиггз. Как заявил ученый, теперь уже Нобелевский лауреат, «удивительно, что это событие произошло еще при моей жизни».
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Учитывая все, выше сказанное, фундаментальная физическая теория, Стандартная модель электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий элементарных частиц (кварков и лептонов) является общепризнанным достижением физики XX века. Она объясняет все известные экспериментальные факты в физике микромира. Однако существует целый ряд вопросов, на которые в Стандартной Модели нет ответа. Нерешенные задачи в физике элементарных частиц сводятся к следующим:
Поиск экзотических частиц, имеющих структуру, отличную от принятой в Стандартной Модели.
Нейтринные осцилляции νμ ↔ ντ и связанная с этим проблема массы нейтрино (mν ≠ 0).
Распад протона, τpэкс > 1033 лет.
Поиск структуры фундаментальных частиц (преоны при d < 10-16 см).
Поиск Хиггс-бозона.
Нарушение СР-инвариантности при распаде нейтральных K-мезонов и электрический дипольный момент нейтрона.
Создание дсконфайнмированной адронной материи (кварк-глюонной плазмы).
Поиск суперсимметричных частиц.
Природа темной материи.
Природа ВАКУУМА − его состав.
Какой механизм, ответственный за нарушение электрослабой калибровочной симметрии, которая дает массу W і Z бозонам? Является ли он простым механизмом Гиггса стандартной модели, использует ли природа сильную динамику при нарушении электрослабой симметрии, как это предлагается в теории техниколор?
Какой механизм отвечает за генерацию массы нейтрино? Есть ли нейтрино античастицей самой себе? Может ли это быть античастица, которая просто не может соединиться и аннигилировать с нормальной частицей через ее нестабильное состояние? – вопросами подобного характера сегодня занимаются большинство ученых-физиков.
Одним из серьезных вопросов, имеющих решение есть вопрос отношения «инерциальная масса/гравитационная масса» для элементарных частиц. Ответ на него ученые сформулировали следующим образом: соответственно принципа эквивалентности общей теории относительности отношение инертной массы к гравитационной для всех элементарных частиц равна единице. Однако, экспериментального подтверждения данного закона для многих частиц не существует. В частности, мы не знаем, какая будет вес макроскопического куска антивещества известной массы.
Немаловажным остается вопрос о кризисе спина протона, посокльку по предыдущей оценке Европейской группы из мюонного сотрудничества, на три основные («валентные») кварки протона приходится около 12% суммарного значения спина. Квантовая хромодинамика тоже не оставляет ученых современности в стороне, особенно в рассмотрении непертурбативного режима. Уравнения квантовой электродинамики остаются нерешенными в энергетических масштабах, соответствующих к описанию атомных ядер, и, в частности, в основном численные подходы, кажется, начинают давать ответы на этот предельный случай. Можно ли применять квантовую хромодинамику для описания физики ядра и его компонентов? Вопрос о сильном ядерном взаимодействии (инвариантности к парности и зарядовому спряжению) остается открытым и требует решения. Ученые стараются понять, сможет ли теория Печчеи-Квин стать решением этой проблемы? И одним из главных вопросов есть теория о гипотетических частиц, которые предусматриваются суперсимметричной теорией и другими известными теориями, - о том, существуют ли они в действительности в природе?
ХХІ век только начался, и хотя мы все чувствуем, что огромное развитие физики в предыдущем веке действительно отразилось на качестве нашей жизни, мы все еще далекие от момента – и наступит ли он? – когда сможем прийти к выводу, что наука вообще и физика в частности себя исчерпали. …Вряд ли такое такое вообще может состояться. Следовательно, не будет преувеличением сказать, что углублено выяснение физической природы всего сущего – это центральная проблема природоведения на все будущие времена. Работы хватит на всех, кто посвятит свою жизнь науке и достижению этой грандиозной цели.
 
 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Басин М.А. Волны. Кванты. События: Волновая теория взаимодействия структур и систем. Часть 1. СПб, 2000. – 168 с.
Басин М.А., Шилович И.И. Синергетика и Internet (путь к Synergonet). СПб, 1999. – 71 с.
Визгин В. П. Релятивистская теория тяготения (истоки и формирование, 1900—1915). — М.: Наука, 1981. – 352 c.
Визгин В. П. Единые теории в 1-й трети ХХ в. М.: Наука, 1985. — 304c.
Готтфрид К., Вайскопф В. Концепции физики элементарных частиц. — М.: Мир, 1988. — 240 с.
Кудрявцев, П. С. Курс истории физики. — 2-е изд., испр. и доп. — М.: Просвещение, 1982. — 448 с.
Евдокимов Е.В. и др., Биофизика, 1986, т.31, в.3, с.517.
Евдокимов Е.В., Биофизика,1984, т.29, в.5, с.752.
Кейн Г. Современная физика элементарных частиц. — М.: Мир, 1990. — 360 с.
Льоцци М. История физики. — М.: Мир, 1970. – 464 с.
Лохтин И.П., Сарычева Л.И., Снигирев А.М. Сб. ЭЧАЯ, т. 30, вып. 3, с. 660-719, 1999. − Диагностика сверхплотной материи в ультрарелятивистских столкновениях ядер.
Перкинс Д. Введение в физику высоких энергий. — М.: Мир, 1975. — 416 с.
Садбери А. Квантовая механика и физика элементарных частиц. — М.: Мир, 1989. — 488 с.
Фрауэнфельдер Г., Хенли Э. Субатомная физика. — М.: Мир, 1979. — 736 с.
2