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

Как известно, в конце ХІХ века окончательно сформировался ряд физических теорий, которые составили фундамент классической физики. Это механика, термодинамика, статистическая физика и электродинамика. Каждая из них была усовершенствована фундаментальными уравнениями таких ученых: Исаака Ньютона, Джеймса Максвела, Людвига Больцмана и т.д. С помощью уравнений, создающих основу указанных теорий возможно не только качественно, но и количественно описывать наблюдаемые явления окружающего нас мира.
Более того, основываясь на решениях полученных уравнений удавалось предусматривать новые явления, понимать их протекание и последовательность, описывать возможные результаты при изменениях тех или иных параметров в системе. Таким образом, уже тогда возникло понятие “теоретическая физика” как самостоятельный инструмент изучения природы вместе с экспериментом.
Классический период физики закончился в начале ХХ века созданием Альбертом Эйнштейном специальной теории относительности, которая учитывала предел скорости распространения светового сигнала, положила конец использованию понятия эфира и установила внутреннюю взаимосвязь пространства и времени, которые в ньютоновской механике считались независимыми. Важно то, что теория относительности не отбросила ньютоновскую механику, а наоборот: определила область её применения – малые в сравнении со световой скоростью движения материальных тел. И как выяснилось позже теория относительности абсолютно необходима в физике ядра и ядерных реакций, а также физике элементарных частиц, где типичные скорости могут приближаться к световой.
В то же время были открыты явления, которые никак не могли быть объяснены с помощью позиций существующих теорий. Главным образом они проявились в оптических экспериментах: в появлении дискретных линий в непрерывном спектре излучения подогретых газов и в аномалиях частотного спектра абсолютно черного тела. Немецкий теоретик Макс Планк был первым, кто предложил принципиально новую и такую, которая не согласовывалась с классической физикой, идею о том, что электромагнитное излучение имеет структуру и существует в виде квантов (можно сказать, порций) с энергией, пропорциональной частоте. Коэффициент пропорциональности получил название постоянной Планка, которая теперь входит в относительно небольшой ряд фундаментальных мировых постоянных, что определяют строение и наблюдаемый нами вид Вселенной. Идея Планка использовали А. Эйнштейном, Н. Бор и другие ученые для объяснения дискретности излучательных спектров атомов.
В 1926 г. появилось основное уравнение квантовой (новой, отличающейся от классической, науки) механики – уравнение Шредингера, с помощью которого можно было описывать поведение частиц или более сложных систем в произвольном поле. Использовался при этом недетерминистический в классическом понимании характер поведения квантовых объектов в полной мере, что согласовывалось с новыми представлениями для них в квантовой механике: любая частица одновременно проявляет черты и корпускулы (то есть материальной точки), и волны. Такой дуализм – принципиально новое свойство микрообъектов, которое раскрыто именно квантовой механикой.
Но большинству ученых так и не удолось ответить на вопрос: возможно ли сформулировать теорию, в которой одновременно присутствовали бы и постоянная Планка, и скорость света. Поль Дирак в 1928 г. сумел записать релятивистское квантовое уравнение для электрона, открыв путь к построению релятивистской квантовой теории. При безграничной скорости света уравнения Дирака превращается в уравнение Шредингера, которое, в свою очередь, может быть возведено к уравнению Ньютона путем предельного перехода по постоянной Планка. Из уравнения Дирака последовало объяснения существования собственного момента количества движения у электрона – так называемого спину, а также необходимость существования античастицы электрона – позитрона. Позже она была экспериментально открыта.
Дальнейшие важные открытия элементарных частиц происходили уже с использованием квантовой механики, а именно – принципом тождественности частиц: все частицы делятся на два типа – фермионы (электроны, протоны, нейтроны и т. п., подчиняются принципу Паули) и бозоны (не подвиняются принципу Паули). Оказалось, что статистика частиц, или их принадлежность к фермионам или бозонам, зависит от величины спина. При этом частицы с полубелым спином – фермионы, а целым – бозоны.
Поскольку квантовая теория, как наука существует уже более 80-и лет, то почти все последующее развитие физики ХХ-го века является в сущности развитием квантовой теории – релятивистской и нерелятивистской.
Таким образом, рассмотрим, какими же новыми открытиями пополнилась данная наука в последнее время.

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:
1. Поиск экзотических частиц, имеющих структуру, отличную от принятой в Стандартной Модели.
2. Нейтринные осцилляции νμ ντ и связанная с этим проблема массы нейтрино (mν 0).
3. Распад протона, τpэкс 1033 лет.
4. Поиск структуры фундаментальных частиц (преоны при d 10-16 см).
5. Поиск Хиггс-бозона.
6. Нарушение СР-инвариантности при распаде нейтральных K-мезонов и электрический дипольный момент нейтрона.
7. Создание дсконфайнмированной адронной материи (кварк-глюонной плазмы).
8. Поиск суперсимметричных частиц.
9. Природа темной материи.
10. 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.