Кружок ядерной физики (подраздел темы "Большой адронный коллайдер")

Опубликовано 25-05-2012

12

Физика элементарных частиц.
Физика элементарных частиц изучает самую глубинную суть нашего мира. Она пытается найти ответы (хотя бы приблизительные!) на очень фундаментальные вопросы о свойствах материи, сил, пространства-времени.
Элементарные частицы живут совсем по другим законам, чем окружающий нас «макроскопический» мир. Не зная эти законы, трудно понять, что же изучается на Большом адронном коллайдере. Поэтому, не стремясь охватить здесь всю физику элементарных частиц, мы расскажем лишь про некоторые явления в микромире, имеющие прямое отношения к экспериментам на LHC.

Comments Page

Элемента́рная части́ца — собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить (или пока это не доказано) на составные части. Их строение и поведение изучается физикой элементарных частиц. Понятие элементарных частиц основывается на факте дискретного строения вещества. Ряд элементарных частиц имеет сложную внутреннюю структуру, однако разделить их на части невозможно. Другие элементарные частицы являются бесструктурными и могут считаться первичными фундаментальными частицами.

Фундамента́льная части́ца — бесструктурная элементарная частица, которую до настоящего времени не удалось описать как составную. В настоящее время термин применяется преимущественно для лептонов и кварков (по 6 частиц каждого рода, вместе с античастицами, составляют набор из 24 фундаментальных частиц) в совокупности с калибровочными бозонами (частицами-переносчиками фундаментальных взаимодействий).

Классификация

По величине спина (собственный момент импульса (или магнитный момент) элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого. Спином называют также собственный момент импульса атомного ядра или атома; в этом случае спин определяется как векторная сумма (вычисленная по правилам сложения моментов в квантовой механике) спинов элементарных частиц, образующих систему, и орбитальных моментов этих частиц, обусловленных их движением внутри системы) все элементарные частицы делятся на два класcа:
фермионы — частицы с полуцелым спином (например, электрон, протон, нейтрон, нейтрино);
бозоны — частицы с целым спином (например, фотон).

По видам взаимодействий элементарные частицы делятся на следующие группы:
Составные частицы:
адроны — частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на:
мезоны (адроны с целым спином, т. е. бозоны);
барионы (адроны с полуцелым спином, т. е. фермионы). К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома, — протон и нейтрон.

Фундаментальные (бесструктурные) частицы:
лептоны — фермионы, которые имеют вид точечных частиц (т. е. не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10(в степени −18) м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино. Известны 6 типов лептонов.
кварки — дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались. Как и лептоны, делятся на 6 типов и являются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии.
калибровочные бозоны — частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:
фотон — частица, переносящая электромагнитное взаимодействие;
восемь глюонов — частиц, переносящих сильное взаимодействие;
три промежуточных векторных бозона W+, W− и Z0, переносящие слабое взаимодействие;
гравитон — гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие. Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным; однако гравитон не входит в Стандартную модель.

Адроны и лептоны образуют вещество. Калибровочные бозоны — это кванты разных видов излучения.

Кроме того, в Стандартной Модели с необходимостью присутствует хиггсовский бозон, который, впрочем, пока ещё не обнаружен экспериментально.

Первоначально термин «элементарная частица» подразумевал нечто абсолютно элементарное, первокирпичик материи. Однако, когда в 1950-х и 1960-х годах были открыты сотни адронов с похожими свойствами, стало ясно, что по крайней мере адроны обладают внутренними степенями свободы, т. е. не являются в строгом смысле слова элементарными. Это подозрение в дальнейшем подтвердилось, когда выяснилось, что адроны состоят из кварков.

Таким образом, мы продвинулись ещё немного вглубь строения вещества: самыми элементарными, точечными частями вещества сейчас считаются лептоны и кварки. Для них (вместе с калибровочными бозонами) и применяется термин «фундаментальные частицы».

Cтандартная модель
Стандартная модель включает в себя 12 ароматов фермионов, соответствующие им античастицы, а также калибровочные бозоны (фотон, глюоны, W- и Z-бозоны), которые переносят взаимодействия между частицами, и не обнаруженный на данный момент бозон Хиггса, отвечающий за наличие массы у частиц. Однако Стандартная модель в значительной степени рассматривается скорее как теория временная, а не действительно фундаментальная, поскольку она не включает в себя гравитацию и содержит несколько десятков свободных параметров (массы частиц и т. д.), значения которых не вытекают непосредственно из теории. Возможно, существуют элементарные частицы, которые не описываются Стандартной моделью, такие как гравитон (частица, переносящая гравитационные силы) или суперсимметричные партнёры обычных частиц.

Эксперименты на адронных коллайдерах
Все существующие в мире коллайдеры (ускорители на встречных пучках) можно разбить на несколько групп в соответствии с тем, какие частицы разгоняются и сталкиваются друг с другом:
электрон-позитронные коллайдеры;
электрон-протонные коллайдеры;
адронные (протон-протонные, протон-антипротонные, ядерные) коллайдеры.

Как выглядит типичное протон-протонное столкновение
Протон — составная частица; он состоит из трех кварков (двух u-кварков с электрическим зарядом +2/3 и одного d-кварка с зарядом –1/3), которые скреплены вместе глюонным полем. Однако если протон летит со скоростью, очень близкой к скорости света, то глюонное поле в нём перестает быть просто связывающей силой, но материализуется в виде потока частиц — глюонов, — которые летят рядом с кварками. Можно считать, что быстро летящий протон состоит из перемешанных друг в друге глюонных, кварковых и даже антикварковых «облаков» — партонных плотностей.

При очень больших энергиях протон оказывается заполненным в основном глюонами, а кварков и антикварков в нём заметно меньше. Протоны и антипротоны в таких условиях выглядят практически одинаково, и поэтому нет особой разницы, что сталкивать — протоны с протонами (как на LHC) или протоны с антипротонами (как на коллайдере Тэватрон).

Когда два протона сталкиваются лоб в лоб, то это вовсе не значит, что каждый партон ( ультрарелятивистский протон, представленный в виде облака кварков, антикварков и глюонов) обязательно ударяется обо что-то внутри встречного протона. Обычно всё происходит проще — один кварк из одного протона сталкивается с кем-то из встречного протона, а остальные партоны просто пролетают мимо.

Столкнувшиеся друг с другом партоны получают сильный «удар», выбивающий их из родительских протонов. Однако глюонное поле обладает важным свойством — конфайнментом, который не позволяет кваркам улететь просто так. Вместо этого происходит адронизация — энергия удара тратится на рождение многочисленных адронов. Именно из-за адронизации протон-протонное столкновение так сильно отличается от электрон-позитронного. В этом процессе партоны-«наблюдатели» уже принимают самое активное участие.

Одно из самых важных свойств сильного взаимодействия — конфайнмент. Конфайнмент — это пленение кварков внутри адронов. Проявляется это в том, что чем дальше кварк пытается отдалиться от соседних кварков, тем сильнее между ними притяжение.
Можно это представить себе так. При попытке кварка отдалиться глюонное поле натягивается в виде струны и стремится его удержать. Если «убегающий» кварк имеет невысокую энергию, то эта струна возвращает его обратно в протон. Если же импульс кварка относительно протона большой, то струна лопается, и на месте разрыва возникает кварк-антикварковая пара. В результате кварку всё же удается «сбежать» из протона, но не в свободном виде, а в паре с антикварком, то есть в виде мезона. Энергия убегающего кварка частично тратится на рождение кварк-антикварковой пары.

Хиггсовский механизм нарушения электрослабой симметрии.
Краткое описание

Все известные на сегодня элементарные частицы и их взаимодействия с хорошей точностью описываются Стандартной моделью. Хиггсовский бозон — неоткрытая пока частица, которая очень важна для этой теории.

Современная теория элементарных частиц опирается на определенную симметрию между электромагнитными и слабыми взаимодействиями — электрослабую симметрию. Считается, что эта симметрия была в ранней Вселенной и из-за нее частицы были поначалу безмассовы, но на каком-то этапе она самопроизвольно нарушилась, и частицы приобрели массу. В теории элементарных частиц для этого нарушения электрослабой симметрии был придуман хиггсовский механизм. Именно его должен будет изучить LHC.

Для этого в эксперименте потребуется открыть хиггсовский бозон — частицу-отголосок хиггсовского механизма. Если этот бозон будет найден и изучен, физики узнают, как протекало нарушение симметрии, и даже, возможно, создадут новую, более глубокую теорию нашего мира. Если этот бозон не будет найден (ни в каком виде!), то потребуется серьезный пересмотр Стандартной модели элементарных частиц, поскольку без хиггсовского механизма она работать не может.

Все эксперименты, проведенные до сих пор, не могли справиться с этой задачей из-за недостаточно большой энергии частиц. Ожидается, что коллайдер LHC с его рекордной энергией протонов даст ответы на все ключевые вопросы.

Прошли успешные тестирования системы обработки информации с коллайдера.

Ежегодно оттуда будет поступать 15 петабайт данных ( 15 миллионов гигабайт).

В виду этого необходима распределенная система обработки.

Увидев эту цифру,кстати, -я подумал о современных достижениях.

Емкость хранилищ рапидшары на сегодня ( файлообменный сервис в интеренете) как раз и составляет 15 петабайт.

Необходимая емкость хранилищ данных для ИИ оценивается в 200 петабайт.

Можно примерно понять – где мы находимся по уровня прогресса и каковы вершины уже достигнуты.