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A física de partículas

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Modelo padrão da física de partículas
CERN LHC Tunnel1.jpg
Grande Colisor de Hádrons no túnel CERN

A física de partículas é um ramo da física que estuda a natureza das partículas que são os constituintes do que é normalmente referido como matéria e radiação. No entendimento atual, as partículas são excitações de campos quânticos e interagir seguindo sua dinâmica. A maior parte do interesse nessa área está em campos fundamentais, cada um dos quais não pode ser definida como um estado ligado de outros campos. O atual conjunto de campos fundamentais e suas dinâmicas são resumidos em uma teoria chamada de modelo padrão , portanto, física de partículas é em grande parte o estudo do conteúdo de partículas do Modelo Padrão e seus possíveis extensions.This nos mostra que as partículas, de fato, seguir as leis da física.

Partículas subatômicas

O Modelo Padrão da Física

Pesquisa de física de partículas moderna está focada em partículas subatômicas, incluindo constituintes atômicos tais como elétrons , prótons e nêutrons (prótons e nêutrons são partículas compostas chamadas bárions, feitos de quarks ), produzido por e radioactivos processos de dispersão, tais como fótons , neutrinos, e muões, bem como uma ampla gama de partículas exóticas. Para ser mais específico, a partícula termo é um termo impróprio da física clássica porque a dinâmica da física de partículas são regidos pela mecânica quântica . Como tal, eles exibem dualidade onda-partícula , exibindo comportamento de partículas semelhantes sob certas condições experimentais e acenar -como comportamento em outros. Em termos mais técnicos, eles são descritos por vetores de estado do quantum em uma Espaço de Hilbert, que também é tratada na teoria quântica de campos . Após a convenção de físicos de partículas, partículas elementares se referir a objetos, tais como elétrons e fótons , como é bem sabido que esses tipos de partículas exibem propriedades wave-like também.

Partículas Elementares
Tipos Gerações Antipartícula Cores Total
Quarks 2 3 Par 3 36
Léptons 2 3 Par Nenhum 12
Glúons 1 1 Próprio 8 8
W 1 1 Par Nenhum 2
Z 1 1 Próprio Nenhum 1
Fóton 1 1 Próprio Nenhum 1
Higgs 1 1 Próprio Nenhum 1
Total 61

Todas as partículas e suas interações observadas até à data, pode ser descrito quase inteiramente por uma teoria quântica de campos chamado Modelo Padrão . O Modelo Padrão tem 61 partículas elementares. Essas partículas elementares podem se combinar para formar partículas compostas, representando as centenas de outras espécies de partículas que foram descobertos desde os anos 1960. O Modelo Padrão foi encontrado a concordar com quase todos os testes experimentais realizados até à data. No entanto, a maioria dos físicos de partículas acreditam que é uma descrição incompleta da natureza, e que uma teoria mais fundamental aguarda identificação (Veja Teoria de Tudo). Nos últimos anos, as medições de neutrino massa forneceram os primeiros desvios experimentais do Modelo Padrão.

História

A física moderna
{I \ hbar \ frac {\ partial} {\ partial t} \ Psi (\ mathbf {r}, \, t) = \ hat H \ Psi (\ mathbf {r}, \, t)}
Equação de Schrödinger
História da física moderna

A idéia de que tudo importa é composto por partículas elementares datas para, pelo menos, o sexto século antes de Cristo. A doutrina filosófica de atomização e a natureza das partículas elementares foram estudados por antigos filósofos gregos, como Leucipo, Demócrito, e Epicuro; antigo Filósofos indianos, tais como Kanada, Dignaga, e Dharmakirti; Cientistas muçulmanos como Ibn al-Haytham, Ibn Sina, e Mohammad al-Ghazali; e em início Europa moderna por físicos como Pierre Gassendi, Robert Boyle , e Isaac Newton . A teoria das partículas de luz também foi proposta por Ibn al-Haytham, Ibn Sina, Gassendi e Newton. Essas primeiras ideias foram fundadas através abstrato, filosófico raciocínio em vez de experimentação e observação empírica.

No século 19, John Dalton , através de seu trabalho em estequiometria, concluir-se que cada elemento de natureza era composta por um único tipo, única de partícula. Dalton e seus contemporâneos acreditavam aqueles eram as partículas fundamentais da natureza e, portanto, nomeou-os átomos, após os atomos palavra grega, que significa "indivisível". No entanto, perto do final do mesmo século, os físicos descobriram que os átomos não são, de fato, as partículas fundamentais da natureza, mas conglomerados de partículas ainda menores. As explorações início do século 20 de física nuclear e física quântica culminou em provas de fissão nuclear em 1939 por Lise Meitner (baseado em experimentos por Otto Hahn), e fusão nuclear por Hans Bethe, no mesmo ano. Essas descobertas deram origem a uma indústria ativa de gerar um átomo de outro, mesmo tornando possível (embora provavelmente nunca será rentável) a transmutação do chumbo em ouro; e, os mesmos também descobertas conduziram ao desenvolvimento de armas nucleares . Ao longo dos anos 1950 e 1960, uma desconcertante variedade de partículas foram encontrados em experimentos de espalhamento. Foi referido como o " partícula zoo ". Esse termo foi preterido após a formulação do Modelo Padrão durante a década de 1970 em que o grande número de partículas foi explicado como combinações de um (relativamente) pequeno número de partículas fundamentais.

Modelo Padrão

O estado muito atual da classificação de todas as partículas elementares é explicada pelo Modelo Padrão . Ele descreve o forte, fraca e eletromagnética interacções fundamentais, usando mediador bósons. As espécies de bósons são as glúons, W -, W + e os bósons Z, e os fótons . O modelo padrão também contém 24 partículas fundamentais, (12 partículas e as suas partículas anti-associados), que são os constituintes de todas matéria . Finalmente, o modelo padrão também prevê a existência de um tipo de Higgs conhecido como o Bóson de Higgs.

Laboratórios experimentais

Em física de partículas, os principais laboratórios internacionais estão localizados na parte:

  • Brookhaven National Laboratory, em ( Long Island, Estados Unidos ). A sua principal instalação é o Colisor Relativístico de Íons Pesados (RHIC), que colide íons pesados, tais como íons de ouro e prótons polarizados. É o primeiro colisor de íons pesados do mundo, e só colisor de prótons polarizados do mundo.
  • Budker Instituto de Física Nuclear ( Novosibirsk, Rússia ). Seus principais projetos são agora o elétron-pósitron aceleradores VEPP-2000, operado desde 2006, e VEPP-4, começou experimentos em 1994. instalações anteriores incluem o primeiro feixe de raio elétron-elétron colisor VEP-1, que conduziu experimentos 1964-1968; o elétron-pósitron aceleradores VEPP-2, operado 1965-1974; e, o seu sucessor VEPP-2M, realizou experimentos 1974-2000.
  • CERN, ( Franco - Swiss fronteira, perto de Genebra ). Seu principal projeto é agora o Large Hadron Collider (LHC), que teve sua primeira circulação feixe em 10 de setembro de 2008, e é agora colisor mais energético do mundo de prótons. Ele também se tornou o colisor mais enérgica de íons pesados depois que começou a colidir íons de chumbo. Instalações anteriores incluem o Large Electron Positron Collider-(LEP), que foi interrompida em 2 de Novembro de 2000 e, em seguida, desmontado para dar lugar para o LHC; e o Super Proton Synchrotron, que está sendo reutilizado como um pré-acelerador para o LHC.
  • DESY ( Hamburgo , Alemanha ). A sua principal instalação é o Hadron Elektron Anel Anlage (HERA), que colide elétrons e pósitrons com prótons.
  • Fermilab, ( Batavia, Estados Unidos ). A sua principal instalação até 2011 foi a Tevatron, que colidiu prótons e anti-prótons e foi o colisor de partículas de mais alta energia no planeta Terra até que o Grande Colisor de Hádrons superou em 29 de Novembro de 2009.
  • KEK, ( Tsukuba, Japão ). É o lar de uma série de experimentos, como o K2K experimento, uma oscilação de neutrinos e experiência Belle, uma experiência de medição da CP violação de Mésons B.

Muitos outros existem aceleradores de partículas.

As técnicas necessárias para fazer moderno, experimental, física de partículas são bastante variados e complexos, constituindo uma sub-especialidade quase completamente distinto do lado teórico do campo.

Teoria

Teoria quântica de campos
Feynmann Diagrama Gluon Radiation.svg
Feynman diagrama
História

Física de partículas teórica tenta desenvolver os modelos, quadro teórico, e ferramentas matemáticas para compreender experiências atuais e fazem previsões para futuros experimentos. Veja também física teórica. Existem vários grandes esforços inter-relacionados que estão sendo feitas na física de partículas teórica hoje. Uma tentativa de filiais importantes para entender melhor o modelo padrão e seus testes. Ao extrair os parâmetros do Modelo Padrão, a partir de experimentos com menos incerteza, o presente trabalho investiga os limites do Modelo Padrão e, portanto, amplia a nossa compreensão de blocos de construção da natureza. Esses esforços são feitos desafiador pela dificuldade de calcular as quantidades em cromodinâmica quântica. Alguns teóricos que trabalham nesta área se referem a si mesmos como fenomenologistas e eles podem usar as ferramentas da teoria quântica de campos e teoria de campo efetivo. Outros fazem uso de teoria do campo da estrutura e se chamam os teóricos de treliça.

Outra grande esforço está em modelo de construção onde construtores modelo desenvolver ideias para o que a física pode estar além do Modelo Padrão (a energias mais elevadas ou menores distâncias). Este trabalho é muitas vezes motivado pelo problema hierarquia e é limitado por dados experimentais existentes. Pode envolver trabalho em supersimetria, alternativas para o Mecanismo de Higgs, dimensões espaciais extras (como o Randall-Sundrum modelos), Teoria Preon, combinações destas, ou outras idéias.

Um terceiro grande esforço na física de partículas teórica é teoria das cordas . Os teóricos das cordas tentar construir uma descrição unificada da mecânica quântica e da relatividade geral com a construção de uma teoria baseada em pequenas cordas, e branas em vez de partículas. Se a teoria é bem sucedida, pode ser considerado um " Teoria de Tudo ".

Existem também outras áreas de trabalho em física de partículas teóricas que vão desde partículas cosmologia para gravidade quântica em loop.

Esta divisão de esforços na física de partículas é reflectido nos nomes de categorias no arXiv, uma arquivo de pré-impressão: hep-th (teoria), hepatite-ph (fenomenologia), hepatite-ex (experimentos), hep-lat ( teoria do retículo de gauge).

Aplicações práticas

Como gerações construir em cima de outros, aplicações potenciais de expansão do uso da tecnologia de física de partículas. Em 1930, o primeiro cíclotron de mão foi construído em Berkeley, Califórnia por Ernest O. Lawrence. Mais aceleradores potentes foram construídos logo depois. O ciclotrão Berkeley mais tarde foi usado para produzir isótopos médicos para investigação e tratamento. A primeira aplicação desta tecnologia no tratamento de câncer foi pelo próprio Lawrence com sua própria mãe como um paciente. A ciência médica agora usa feixes de partículas em tecnologias que salvam vidas.

Esta tecnologia é também utilizada na supercondutor dos fios e dos cabos. Isto é usado para Magnetic ímãs ressonância e, finalmente, a World Wide Web. Usos menos conhecidos também incluem estudo comportamental de fluidos e movimentos.

Outras aplicações são encontradas em medicina, segurança nacional, a indústria, computação, ciência e desenvolvimento da força de trabalho ilustram uma longa e crescente lista de aplicações práticas benéficas com contribuições de física de partículas.

Futuro

A meta primordial, que é perseguido de várias maneiras distintas, é encontrar e entender o que a física pode estar além do modelo padrão. Há várias razões experimentais poderosas para esperar nova física, incluindo matéria escura e massa do neutrino. Há também sugestões teóricas que esta nova física devem ser encontradas em escalas de energia acessíveis. Além disso, pode haver surpresas que nos dará a oportunidade de aprender sobre a natureza.

Grande parte do esforço para encontrar este novo física estão focados em novos experimentos colisor. O Large Hadron Collider (LHC) foi concluída em 2008 para ajudar a continuar a busca para o Bóson de Higgs, partículas supersimétricas, e outros novos física. Um objetivo intermediário é a construção do Colisor Linear Internacional (ILC), que irá complementar o LHC, permitindo medições mais precisas das propriedades das partículas recém-encontrado. Em agosto de 2004, uma decisão para a tecnologia da ILC foi feita mas o site ainda tem de ser acordado.

Além disso, existem importantes experiências não-colisor que também tentam encontrar e entender física além do Modelo Padrão. Um importante esforço não-colisor é a determinação do massa dos neutrinos, uma vez que estas massas podem surgir a partir de neutrinos de mistura com partículas muito pesadas. Além disso, cosmológicas observações fornecem muitas restrições úteis sobre a matéria escura, embora possa ser impossível determinar a natureza exata da matéria escura sem os aceleradores. Finalmente, limites inferiores no muito longo tempo de vida do próton colocar restrições em Grandes Teorias Unificadas em escalas de energia muito mais elevadas do que as experiências colisor será capaz de sondar qualquer momento em breve.

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