Роль элементарных частиц и
полей
Фундамент физики высоких энергий основан на изучении элементарных
частиц — таких, как кварки, лептоны и бозоны — и взаимодействий между
ними, описываемых в рамках квантовой теории поля. Главным понятийным
аппаратом служит Стандартная модель, объединяющая электромагнитное,
слабое и сильное взаимодействия. Все взаимодействия реализуются через
обмен калибровочными бозонами:
- Фотон — переносчик электромагнитного взаимодействия
(QED),
- W⁺, W⁻, Z⁰ — переносчики слабого взаимодействия
(электрослабое объединение),
- Глюоны — восемь переносчиков сильного
взаимодействия (QCD),
- Гравитон (гипотетически) — для гравитации, пока вне
рамок Стандартной модели.
Квантовые поля придают возможность описывать физику не через
взаимодействие частиц как точечных объектов, а как возбуждений
соответствующих полей в пространстве-времени.
Энергия и масштабы
В физике высоких энергий ключевым является переход к микроскопическим
масштабам, где длина волны де Бройля становится соизмеримой с размерами
структур, которые исследуются. Чем выше энергия взаимодействия, тем
меньшие расстояния можно исследовать:
При высоких энергиях масса частиц часто становится пренебрежимо малой
по сравнению с их энергией (E ≫ mc²), и все частицы ведут себя как
ультрарелятивистские.
Классификация элементарных
частиц
Фермионы
Фермионы имеют полуцелый спин (½) и подчиняются статистике Ферми —
Дирака. Делятся на:
- Кварки: участвуют в сильном взаимодействии,
обладают цветовым зарядом.
- Лептоны: не участвуют в сильных взаимодействиях
(например, электрон, мюон, нейтрино).
Фермионы группируются в три поколения, каждое из
которых повторяет структуру предыдущего с увеличением массы:
| Поколение |
Кварки |
Лептоны |
| I |
u, d |
e⁻, νₑ |
| II |
c, s |
μ⁻, ν_μ |
| III |
t, b |
τ⁻, ν_τ |
Бозоны
Бозоны имеют целый спин (0, 1) и подчиняются статистике Бозе —
Эйнштейна:
- Калибровочные бозоны: переносят взаимодействия
(фотон, глюоны, W/Z).
- Хиггсовский бозон (H): скалярная частица, отвечает
за механизм спонтанного нарушения симметрии и генерацию масс.
Типы
взаимодействий и их калибровочные группы
Электромагнитное
взаимодействие
- Описывается квантовой электродинамикой (QED),
- Калибровочная группа: U(1),
- Переносчик: фотон (безмассовый),
- Действует между заряженными частицами, бесконечнодействующее,
ослабляется как 1/r².
Слабое взаимодействие
- Описывается теорией Глэшоу — Вайнберга — Салама,
- Калибровочная группа: SU(2),
- Переносчики: массивные бозоны W⁺, W⁻, Z⁰,
- Ответственно за распад частиц (β-распад и др.),
- Короткодействующее: дальность действия ~ 10⁻¹⁸ м.
Сильное взаимодействие
Описывается квантовой хромодинамикой (QCD),
Калибровочная группа: SU(3),
Переносчики: глюоны (8 типов),
Действует между частицами с цветовым зарядом (кварки,
глюоны),
Свойства:
- Конфайнмент: невозможность наблюдать отдельные
кварки,
- Асимптотическая свобода: сила взаимодействия
уменьшается при увеличении энергии.
Гравитационное
взаимодействие
- Теоретически описывается общей теорией относительности,
- На квантовом уровне — гипотетическая калибровочная теория с
переносчиком гравитоном (спин-2),
- Очень слабое на элементарных масштабах.
Симметрии и законы
сохранения
Калибровочные симметрии
Фундаментальные взаимодействия описываются локальными калибровочными
симметриями. Инвариантность Лагранжиана относительно этих симметрий
порождает взаимодействия через калибровочные поля.
| Взаимодействие |
Калибровочная группа |
| Электромагнитное |
U(1) |
| Слабое |
SU(2) |
| Сильное |
SU(3) |
| Электрослабое |
SU(2) × U(1) |
| Стандартная модель |
SU(3) × SU(2) × U(1) |
Законы сохранения
Физика высоких энергий подчиняется множеству законов сохранения:
- Сохранение энергии и импульса,
- Сохранение электрического заряда,
- Сохранение барионного и лептонного числа (в Стандартной
модели),
- Сохранение цвета (в QCD),
- CP-инвариантность (частично нарушается в слабых
взаимодействиях).
Рассеяние и сечения
Амплитуды и сечения
При изучении процессов на ускорителях важным понятием является
сечение взаимодействия — мера вероятности протекания
процесса:
- Дифференциальное сечение: dσ/dΩ,
- Полное сечение: интеграл по всем углам и энергиям,
- Используется квантовая теория поля (Feynman diagrams) для вычисления
амплитуд и вероятностей процессов.
Формула сечения:
$$
\sigma = \frac{1}{F} \int \left| \mathcal{M} \right|^2 \, d\Phi
$$
где ℳ — матричная амплитуда, F — поток, dΦ — фазовое
пространство.
Примеры процессов:
- e⁺ + e⁻ → μ⁺ + μ⁻ — чисто электромагнитный
процесс,
- pp → jets + X — процессы на коллайдерах,
описываемые QCD.
Принцип ренормализации
Квантовые теории поля требуют процедуры ренормализации для устранения
бесконечностей, возникающих в петлевых поправках. Только ренормализуемые
теории могут давать физически осмысленные предсказания.
- QED и QCD — ренормализуемы,
- Стандартная модель — ренормализуема,
- Гравитация — не является ренормализуемой в стандартной квантовой
форме.
Электрослабое объединение
Теория Глэшоу — Вайнберга — Салама объединила электромагнитное и
слабое взаимодействия в рамках группы SU(2) × U(1). При энергиях выше
~100 ГэВ W и Z-бозоны становятся практически безмассовыми, и
взаимодействие становится симметричным.
Механизм Хиггса играет ключевую роль, давая массу W и Z-бозонам через
спонтанное нарушение симметрии.
Квантовая хромодинамика и
конфайнмент
QCD базируется на SU(3)-симметрии и цветовом заряде. Особенности:
- Цветовое ограничение (конфайнмент): свободные
кварки не наблюдаются,
- Глюоны также несут цвет и взаимодействуют друг с
другом,
- Асимптотическая свобода: при высоких энергиях α_s
уменьшается, позволяя использовать методы возмущений.
Результатом являются наблюдаемые состояния —
хадроны:
- Баррионы (3 кварка): протон, нейтрон,
- Мезоны (кварк-антикварк): π, K, η.
Выход за пределы
Стандартной модели
Современные эксперименты стремятся исследовать явления, не
описываемые Стандартной моделью:
- Нейтринные осцилляции → масса нейтрино ≠ 0,
- Тёмная материя и тёмная энергия не
включены в Стандартную модель,
- GUT-теории предполагают объединение всех
взаимодействий,
- Суперсимметрия (SUSY) — гипотетическое расширение
модели, вводит суперпартнёров частиц,
- Теории струн и M-теория
рассматриваются как кандидаты на теорию всего, включая квантовую
гравитацию.
Ускорители и детекторы
Физика высоких энергий экспериментально реализуется на
коллайдерах:
- LEP — e⁺e⁻, до 209 ГэВ,
- Tevatron — p p̄, до 2 ТэВ,
- LHC — pp, до 14 ТэВ.
Основные компоненты ускорителей:
- Источники частиц,
- Линейные и кольцевые ускорители (RF-поля),
- Магнитные системы (фокусировка, изгиб траекторий),
- Системы инжекции и коллайдирования.
Детекторы
- Трековые системы (получение траекторий),
- Калориметры (измерение энергии),
- Счетчики времени пролета (идентификация
частиц),
- Мюонные системы (регистрируют мюоны).
Эксперименты типа ATLAS и CMS на LHC предоставляют данные,
необходимые для проверки предсказаний теории и поиска новых частиц
(включая Хиггс, SUSY-партнеров, тёмную материю и др.).