Физика высоких энергий — это область, в которой исследуются элементарные частицы и фундаментальные взаимодействия при энергиях, значительно превышающих те, что характерны для атомной и ядерной физики. В этой области традиционные единицы измерения, используемые в классической механике и электродинамике (например, джоули, килограммы, метры), становятся громоздкими и малоудобными. Поэтому используется особая система единиц, адаптированная к микромиру — в первую очередь, это естественные единицы и единицы, основанные на электронвольте.
Электронвольт (эВ) — это энергия, которую приобретает электрон, проходя разность потенциалов в 1 вольт. В системе СИ:
1 эВ = 1, 602 × 10−19 Дж
В физике высоких энергий часто используются кратные единицы:
Для описания масс, энергий частиц, импульсов, температур, времен жизни и даже расстояний применяются именно эти кратные электронвольту единицы, благодаря их практической удобности при работе с масштабами микромира.
Благодаря релятивистской формуле Эйнштейна энергия и масса стали взаимозаменяемыми понятиями. В физике высоких энергий масса частиц обычно выражается в электронвольтах, используя единицу энергии в качестве единицы массы:
1 эВ/c2 = 1, 783 × 10−36 кг
Таким образом:
Во многих расчетах фактор c опускается по соглашению, и массы указываются просто в МэВ или ГэВ, при условии, что c = 1. Это входит в систему естественных единиц.
В физике высоких энергий часто применяют естественные единицы, в которых фундаментальные физические константы приводятся к единице:
ℏ = c = kB = 1
Где:
Преимущества:
Например, если ℏ = c = 1, то энергия, масса, импульс, частота и температура выражаются в одной и той же единице — электронвольтах. Пространственные и временные размеры становятся обратнопропорциональными энергии:
1 ГэВ−1 ≈ 0, 197 фм
В рамках релятивистской квантовой теории поля и физики высоких энергий используются 4-векторы:
pμ = (E, p⃗)
Где:
Инвариантная масса системы:
m2 = E2 − |p⃗|2 (при c = 1)
Таким образом, масса, энергия и импульс — взаимосвязанные величины, которые в естественных единицах удобно записывать в одной размерности.
В системе СИ расстояния и времена выражаются в метрах и секундах. Однако при c = 1, они становятся выражаемыми через электронвольт:
$$ 1\, \text{эВ}^{-1} = \frac{\hbar}{1\, \text{эВ}} \approx 6{,}58 \times 10^{-16}\, \text{с} \\ 1\, \text{эВ}^{-1} = \frac{\hbar c}{1\, \text{эВ}} \approx 1{,}97 \times 10^{-7}\, \text{м} $$
Таким образом:
Эти соотношения часто используются при анализе времён жизни нестабильных частиц и протекания процессов в детекторах.
Температура в физике высоких энергий связана напрямую с энергией по формуле:
E = kBT
При kB = 1, температура измеряется в тех же единицах, что и энергия — эВ. Например:
Часто требуется перевод между СИ и естественными единицами. Ниже приведены ключевые соотношения:
| Величина | В системе СИ | В естественных единицах |
|---|---|---|
| Энергия | 1 эВ = 1, 602 × 10−19 Дж | 1 эВ |
| Масса | 1 кг = 5, 61 × 1035 эВ | 1 эВ/c2 |
| Время | 1 эВ⁻¹ ≈ 6, 58 × 10−16 с | 1 эВ⁻¹ |
| Длина | 1 эВ⁻¹ ≈ 1, 97 × 10−7 м | 1 эВ⁻¹ |
| Температура | 1 эВ ≈ 11605 К | 1 эВ |
Использование естественных единиц делает расчёты в таких масштабах удобными и наглядными. В теоретических расчетах физики часто работают полностью в безразмерной системе, где все величины выражены через энергетическую шкалу, характерную для рассматриваемого процесса.
В естественных единицах размерности физических величин изменяются. Примеры:
Такая система позволяет быстро оценивать порядки величин и проверять размерностную согласованность уравнений.
Сечения взаимодействия в физике высоких энергий выражаются в барнах:
1 барн = 10−28 м2
Обычно используют:
Например, характерное сечение рождения бозона Z на коллайдере составляет порядка десятков нанобарн.
Система единиц в физике высоких энергий — это не просто удобный математический инструмент, а отражение глубинных симметрий и свойств природы на фундаментальном уровне. Использование электронвольта, естественных единиц и размерностного анализа позволяет физикам свободно оперировать величинами, соответствующими масштабам микромира, и облегчает как аналитические, так и численные расчёты при моделировании элементарных процессов.