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Physique des particules

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Le modèle standard de la physique des particules
LHC du CERN Tunnel1.jpg
Grand collisionneur de hadrons du tunnel CERN

La physique des particules est une branche de la physique qui étudie la nature des particules qui sont les constituants de ce qui est habituellement appelé la matière et rayonnement. Dans compréhension actuelle, les particules sont excitations de champs quantiques et interact suivant leur dynamique. La plupart de l'intérêt dans ce domaine est dans des domaines fondamentaux, dont chacun ne peut pas être définie comme un état lié d'autres domaines. L'ensemble actuel de champs fondamentaux et de leurs dynamiques sont résumées dans une théorie appelée le Modèle Standard , donc la physique des particules est en grande partie l'étude de la teneur en particules du Modèle Standard et ses extensions.This possibles nous montre que les particules ne suivent en effet les lois de la physique.

Particules subatomiques

Le modèle standard de la physique

Recherche en physique des particules moderne se concentre sur particules subatomiques, y compris les constituants atomiques telles que des électrons , protons et neutrons (protons et les neutrons sont des particules composites appelés baryons, en quarks ), produit par radioactifs et processus de diffusion, comme les photons , neutrinos, et muons, ainsi que toute une gamme de particules exotiques. Pour être plus précis, la particule terme est un abus de langage de la physique classique parce que la dynamique de la physique des particules sont régies par la mécanique quantique . Comme tels, ils présentent la dualité onde-particule , affichant le comportement des particules comme dans certaines conditions expérimentales et des vagues -comme le comportement dans d'autres. En termes plus techniques, ils sont décrits par vecteurs d'état quantiques dans un Espace de Hilbert, qui est également traitée dans la théorie quantique des champs . Après la convention de physiciens des particules, particules élémentaires se réfèrent à des objets tels que des électrons et des photons comme il est bien connu que ces types de particules présentent des propriétés ondulatoires ainsi.

Les particules élémentaires
Types Générations Antiparticule Couleurs Total
Quarks 2 3 Paire 3 36
Leptons 2 3 Paire Aucun 12
Gluons 1 1 Propre 8 8
W 1 1 Paire Aucun 2
Z 1 1 Propre Aucun 1
Photon 1 1 Propre Aucun 1
Higgs 1 1 Propre Aucun 1
Total 61

Toutes les particules et leurs interactions observées à ce jour, peuvent être décrits presque entièrement par une théorie quantique des champs appelé le Modèle Standard . Le modèle standard a 61 particules élémentaires. Ces particules élémentaires peuvent se combiner pour former des particules composites, ce qui représente les centaines d'autres espèces de particules qui ont été découverts depuis les années 1960. Le modèle standard a été trouvé d'accord avec presque tous les tests expérimentaux réalisés à ce jour. Cependant, la plupart des physiciens des particules croient que ce est une description incomplète de la nature, et que une théorie plus fondamentale attend découverte (Voir Theory of Everything). Ces dernières années, les mesures de neutrino de masse ont fourni les premiers écarts expérimentaux du modèle standard.

Histoire

La physique moderne
{I \ hbar \ frac {\ partial} {\ t partielle} \ Psi (\ mathbf {r}, \, t) = \ hat H \ Psi (\ mathbf {r}, \, t)}
Équation de Schrödinger
Histoire de la physique moderne

L'idée que tout question est composé de particules élémentaires remonte au moins à la 6ème siècle avant JC. La doctrine philosophique de atomisme et la nature des particules élémentaires ont été étudiés par anciens philosophes grecs tels que Leucippe, Démocrite, et Épicure; antique Philosophes indiens tels que Kanada, Dignaga, et Dharmakirti; Savants musulmans tels que Ibn al-Haytham, Ibn Sina, et Mohammad al-Ghazali; et en l'Europe moderne par les physiciens tels que Pierre Gassendi, Robert Boyle et Isaac Newton . La théorie des particules de lumière a également été proposé par Ibn al-Haytham, Ibn Sina, Gassendi, et Newton. Ces premières idées ont été fondées par abstraite, philosophique raisonnement plutôt que expérimentation et l'observation empirique.

Au 19e siècle, John Dalton , à travers son travail sur stoechiométrie, a conclu que chaque élément de la nature était composé d'un seul type unique de particules. Dalton et ses contemporains croyaient que ce sont les particules fondamentales de la nature et donc les atomes nommés, après les atomos mot grec, qui signifie «indivisible». Cependant, vers la fin de ce siècle, les physiciens ont découvert que les atomes ne sont pas, en fait, les particules fondamentales de la nature, mais conglomérats de particules encore plus petites. Les explorations début du 20ème siècle de la physique nucléaire et la physique quantique ont abouti à des preuves de la fission nucléaire en 1939 par Lise Meitner (basé sur des expériences par Otto Hahn), et la fusion nucléaire par Hans Bethe dans cette même année. Ces découvertes ont donné naissance à une industrie active de générer un atome d'un autre, même rendu possible (même se il ne sera probablement jamais être rentable) de la transmutation du plomb en or; et, ces mêmes découvertes ont également conduit à l'élaboration d' armes nucléaires . Tout au long des années 1950 et 1960, une variété ahurissante de particules ont été trouvées dans les expériences de diffusion. Il a été appelé le " zoo de particules ". Ce terme a été obsolète après la formulation du modèle standard dans les années 1970 dans lequel le grand nombre de particules a été expliqué que des combinaisons de (relativement) petit nombre de particules fondamentales.

Modèle Standard

L'état très actuel de la classification de toutes les particules élémentaires se explique par le modèle standard . Il décrit la forte, faible et électromagnétique interactions fondamentales, en utilisant médiation bosons de jauge. Les espèces de bosons de jauge sont les gluons, W -, W + et bosons Z, et les photons . Le modèle standard contient également 24 particules fondamentales (12, particules et de leurs particules anti-associés), qui sont les constituants de toute matière . Enfin, le modèle standard prévoit également l'existence d'un type de connu sous le nom de Higgs Boson de Higgs.

Laboratoires expérimentaux

En physique des particules, les grands laboratoires internationaux sont situés au:

  • Brookhaven National Laboratory ( Long Island, États-Unis ). Son usine principale est la Collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC), qui entre en collision les ions lourds tels que des ions d'or et de protons polarisés. Il est le premier collisionneur d'ions lourds du monde, et seulement proton polarisée du monde.
  • Budker Institut de Physique Nucléaire ( Novosibirsk, Russie ). Ses principaux projets sont l'électron-positron collisionneurs VEPP-2000, exploité depuis 2006, et VEPP-4, ont commencé en 1994. installations expériences antérieures incluent le premier électron-faisceau d'électrons faisceau collisionneur VEP-1, qui a mené des expériences de 1964 à 1968; l'électron-positron collisionneurs VEPP-2, exploitée de 1965 à 1974; et son successeur VEPP-2M, a effectué des expériences de 1974 à 2000.
  • CERN, ( franco - suisse frontière, près de Genève ). Son principal projet est maintenant le Large Hadron Collider (LHC), qui a tenu sa première circulation de faisceau, le 10 Septembre 2008, et est maintenant plus énergique collisionneur du monde de protons. Il est également devenu le plus énergique collisionneur d'ions lourds après le début de la collision des ions de plomb. Les installations antérieures comprennent le Large Electron-Positron Collider (LEP), qui a été arrêté le 2 Novembre 2000, puis démantelé pour faire place pour le LHC; et le Super synchrotron à protons, qui est réutilisé comme un pré-accélérateur pour le LHC.
  • DESY ( Hambourg , Allemagne ). Son usine principale est la Hadron Elektron Anneau Anlage (HERA), qui entre en collision des électrons et des positrons avec des protons.
  • Fermilab, ( Batavia, États-Unis ). Son usine principale jusqu'en 2011 était le Tevatron, qui est entré en collision des protons et des antiprotons et a été le collisionneur de particules le plus élevé de l'énergie sur la planète Terre jusqu'à ce que le Grand collisionneur de hadrons a dépassé le 29 Novembre de 2009.
  • KEK, ( Tsukuba, Japon ). Ce est la maison d'un certain nombre d'expériences comme le K2K, un expérience d'oscillation des neutrinos et Belle, une expérience mesurant la CP violation de mésons B.

Beaucoup d'autres les accélérateurs de particules existent.

Les techniques nécessaires pour faire expérimentale, la physique moderne, particules sont assez variées et complexes, constituant une sous-spécialité presque complètement distincte de l'aspect théorique du champ.

Théorie

Théorie quantique des champs
Feynmann Schéma Gluon Radiation.svg
Diagramme de Feynman
Histoire

Physique théorique des particules tente de développer les modèles, le cadre théorique et des outils mathématiques pour comprendre les expériences en cours et faire des prédictions pour de futures expériences. Voir également la physique théorique. Il ya plusieurs grands efforts déployés interdépendants en physique théorique des particules aujourd'hui. Un tentatives de branche importante de mieux comprendre le Modèle Standard et ses tests. En extrayant les paramètres du modèle standard, à partir d'expériences avec moins d'incertitude, ce travail explore les limites du modèle standard et élargit donc notre compréhension des éléments constitutifs de la nature. Ces efforts sont déployés difficile par la difficulté de calculer les quantités de chromodynamique quantique. Certains théoriciens travaillant dans ce domaine se considèrent comme phénoménologues et ils peuvent utiliser les outils de la théorie quantique des champs et Théorie effective. D'autres font appel à des la théorie du champ treillis et se appeler théoriciens treillis.

Un autre effort important est dans la construction de modèle où modélistes de développer des idées pour ce que la physique peut mentir au-delà du Modèle Standard (à des énergies plus élevées ou de plus petites distances). Ce travail est souvent motivée par le problème de la hiérarchie et est contraint par des données expérimentales existantes. Il peut se agir travaux sur supersymétrie, des alternatives à la Mécanisme de Higgs, les dimensions spatiales supplémentaires (comme la Randall-Sundrum modèles), Preon théorie, des combinaisons de ceux-ci, ou d'autres idées.

Un troisième effort majeur en physique théorique des particules est la théorie des cordes . Les théoriciens des cordes tentent de construire une description unifiée de la mécanique quantique et la relativité générale en construisant une théorie basée sur de petites chaînes, et branes plutôt que des particules. Si la théorie est réussie, il peut être considéré comme un " Theory of Everything ".

Il ya aussi d'autres domaines de travail en physique des particules théoriques allant de la cosmologie de particules boucle la gravité quantique.

Cette division des efforts dans la physique des particules se reflète dans les noms des catégories sur la arXiv, un archive prépublication: hep-th (théorie), hep-ph (phénoménologie), hep-ex (expériences), hep-lat ( théorie de jauge réseau).

Les applications pratiques

Comme les générations se appuient sur d'autres, les applications potentielles augmentation de l'utilisation de la technologie de la physique des particules. En 1930, le premier cyclotron à main a été construit à Berkeley, en Californie par Ernest O. Lawrence. Plus puissants accélérateurs ont été construites peu après. Le cyclotron de Berkeley a ensuite été utilisé pour produire des isotopes médicaux pour la recherche et le traitement. La première application de cette technologie dans le traitement du cancer par Lawrence était lui-même avec sa propre mère en tant que patient. La science médicale utilise maintenant des faisceaux de particules dans les technologies d'économie de la vie.

Cette technologie est aussi utilisée dans le supraconducteur de fils et de câbles. Il est utilisé pour magnétiques des aimants d'imagerie par résonance et, finalement, le World Wide Web. Usages moins connus également étude comportementale des fluides et des motions.

D'autres applications se trouvent dans la médecine, la sécurité nationale, de l'industrie, de l'informatique, la science et le développement de la main-d'œuvre illustrent une liste longue et croissante des applications pratiques bénéfiques avec des contributions de la physique des particules.

Avenir

L'objectif primordial, qui est poursuivi dans plusieurs façons distinctes, est de trouver et de comprendre ce que la physique peut mentir au-delà du modèle standard. Il ya plusieurs raisons expérimentales puissants de se attendre à une nouvelle physique, y compris la matière noire et masse du neutrino. Il ya aussi des conseils théoriques que cette nouvelle physique devrait être trouvé à des échelles d'énergie accessibles. En outre, il peut y avoir des surprises qui nous donnera la possibilité de découvrir la nature.

Une grande partie de l'effort pour trouver cette nouvelle physique se concentrent sur de nouvelles expériences collisionneur. Le Large Hadron Collider (LHC) a été achevée en 2008 pour aider à poursuivre la recherche de la Boson de Higgs, particules supersymétriques, et d'autres une nouvelle physique. Un objectif intermédiaire est la construction de la Collisionneur linéaire international (ILC), qui viendra compléter le LHC en permettant des mesures plus précises des propriétés des particules nouvellement trouvées. En Août 2004, une décision de la technologie de la CIT a été prise, mais le site doit encore être convenue.

En outre, il ya des expériences non-collisionneur importantes qui tentent aussi de trouver et de comprendre physique au-delà du modèle standard. Un important effort non-collisionneur est la détermination de la la masse des neutrinos, puisque ces masses peuvent découler de neutrinos de mélange avec des particules très lourdes. En outre, cosmologiques observations fournissent de nombreuses contraintes utiles sur la matière noire, mais il peut être impossible de déterminer la nature exacte de la matière noire sans les collisionneurs. Enfin, des bornes inférieures sur le très long durée de vie du proton mettre des contraintes sur Théories de Grande Unification à l'échelle de l'énergie beaucoup plus élevés que les expériences de collisionneur pourront sonder tout moment bientôt.

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