Fizica particulelor

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Eveniment de producție simulat al bosonului Higgs în interacțiunea dintre protoni la 14 TeV în experimentul CMS la LHC

Fizica particulelor este ramura ( experimentală și teoretică ) a fizicii moderne care studiază constituenții fundamentali și interacțiunile materiei și radiațiilor . Uneori se folosește și expresia fizică a energiei ridicate , referindu-se la studiile particulelor create în acceleratoare de energie foarte ridicate și care nu sunt prezente în natură în condiții obișnuite: aceste experimente au permis verificarea noilor teorii și oferă un punct de plecare important pentru dezvoltarea de noi modele . în fizica teoretică .

Fizica particulelor a înlocuit termenul de „fizică subnucleară” deoarece aceasta din urmă se referea la studiul particulelor din interiorul nucleului, în timp ce astăzi majoritatea particulelor cunoscute nu sunt constituenți nucleari.

Istorie

Ideea că materia este compusă din particule elementare datează cel puțin din secolul al VI-lea î.Hr. și s-a născut într-un context filosofico-materialist. Doctrina filosofică a „atomismului” a fost studiată de filosofii greci antici precum Leucipp , Democrit și Epicur . Deși Isaac Newton în secolul al XVII-lea credea deja că materia este compusă din particule, John Dalton a fost cel care în 1802 a susținut în mod formal că materia era compusă din atomi mici.

Primul tabel periodic al lui Dmitri Mendeleev din 1869 a contribuit la consolidarea acestei concepții, care a predominat de-a lungul secolului al XIX-lea . Lucrarea lui Joseph Thomson a stabilit că atomii erau compuși din electroni ușori și protoni masivi. Ernest Rutherford a stabilit că protonii erau concentrați într-un nucleu compact. Inițial, s-a considerat că nucleul este compus din protoni și electroni limitați (pentru a putea explica diferența dintre sarcina electrică și greutatea atomică), dar ulterior s-a descoperit că este compus dintr-un nucleu de protoni și neutroni și electroni care orbitează acolo. în jurul.

În anii 1950 și 1960 , s-au dezvoltat mașini capabile să producă și să detecteze o varietate uimitoare de particule. Acestea au fost denumite „grădina zoologică cu particule”. Acest termen a fost abandonat după formularea modelului standard, în anii 1970 , în care acest număr mare de particule a fost explicat în termeni de combinație a unui număr (relativ) mic de particule fundamentale.

Descriere

Conceptul de particule în fizica modernă

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: particula elementară .

Strict vorbind, termenul de particulă destinat ca obiect punct nu reprezintă complet toate caracteristicile care sunt tipice comportamentului constituenților elementari ai materiei și ai radiațiilor la energii mari sau la distanțe mici. Teoriile studiate de fizica particulelor urmează principiile mecanicii cuantice și ale teoriei câmpului cuantic . Pe baza dualității undă-particulă , electronii prezintă comportamente ale particulelor în anumite condiții experimentale și comportamente ale undelor în altele. Matematic, particulele elementare nu sunt descrise nici ca unde și nici ca particule, ci ca un vector de stare al unui spațiu Hilbert , numit funcție de undă . Urmând convențiile fizicienilor de particule, vom folosi „particule elementare” pentru a ne referi la electroni și fotoni, știind foarte bine că aceste „particule” prezintă și proprietăți de undă.

Detectarea particulelor: coliziuni și acceleratoare

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: acceleratorul de particule .

Principiul fizic pentru studiul particulelor noi este cel simplu al coliziunilor cu energie ridicată: prin ciocnirea între ele particule cu energie cinetică ridicată sau la viteze apropiate de viteza luminii , produsul (sinteza) poate fi, prin echivalență între masă și energie , o nouă particulă cu masă mai mare care în cele din urmă se descompune în alte particule fiice. Din analiza acestor dezintegrări este posibilă trasarea caracteristicilor particulei părinte.

În general, există două modalități posibile de a detecta noi particule subatomice care încă folosesc detectoarele de particule :

  • detectoare pasive la sol (de exemplu, cameră de nori și cameră cu bule ) care exploatează coliziuni naturale de mare energie între razele cosmice de mare energie și atmosfera terestră, detectând produsele sau degradările lor sau plasate pe orbită pe un satelit artificial : acesta este optica în care se mișcă astrofizica particulelor . Cu toate acestea, aceste coliziuni sunt rare în comparație cu cele care pot fi produse în laborator de către acceleratoarele de particule, dar au avantajul de a avea energii foarte mari disponibile în mod natural.
  • utilizarea acceleratoarelor de particule încărcate pentru a produce fascicule de particule de mare energie, care sunt apoi făcute să se ciocnească între ele, detectând produsele lor în detectoare speciale ( coliziuni artificiale ). În acest caz, avantajul constă în luminozitatea și frecvența de coliziune, care este mai mare și mai controlabilă.

Model standard

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Modelul standard .
LHC la CERN

Particulele observate și interacțiunile lor pot fi descrise într-o bună aproximare printr-o teorie cuantică a câmpului numită Modelul Standard, care este adesea considerată cea mai mare realizare a fizicii teoretice a particulelor și care reprezintă, de asemenea, clasificarea actuală a particulelor cunoscute.

Modelul descrie toți constituenții materiei fizice și toate interacțiunile fundamentale cunoscute, cu excepția gravitației , și a avut teste experimentale extraordinare cu predicția particulelor descoperite efectiv din anii 1960 . Predicțiile modelului standard au fost verificate cu atenție de toate experimentele efectuate, în special cu măsurătorile de precizie efectuate la LEP din CERN .

În special, descrie forța nucleară puternică , forța nucleară slabă și electromagnetismul (trei dintre cele patru forțe fundamentale ) prin intermediul bosonilor medianți , cunoscuți ca bosoni gauge . Bosonii de ecartament sunt: fotoni , W - bosoni, W + bosoni, Z bosons and gluons . Modelul conține, de asemenea, 24 de particule fundamentale, care sunt constituenții materiei. În cele din urmă, prezice existența unui tip de particulă scalară cunoscută sub numele de bosonul Higgs , teoretizat ani de zile de către fizicieni și descoperit în cele din urmă în 2012 în experimentele Large Hadron Collider .

Modelul standard reprezintă un exemplu de unificare a interacțiunilor fundamentale : întrucât ecuațiile lui Maxwell au permis unificarea interacțiunilor electrice și magnetice într-o singură interacțiune electromagnetică , în modelul standard interacțiunile electromagnetice și cele slabe sunt unificate într-o singură interacțiune electro- slabă .

Cu toate acestea, mulți fizicieni ai particulelor cred că acest model reprezintă de fapt o descriere incompletă a naturii fizice și că o teorie și mai fundamentală așteaptă încă să fie descoperită și elaborată. De fapt, Modelul standard nu asigură unificarea interacțiunii puternice cu cea slabă electrice ( teoria marii unificări ) și nu este capabil să înțeleagă gravitația ( teoria tuturor ), al cărei tratament în relativitatea generală nu este compatibil cu mecanica cuantică . . Mai mult, modelul standard nu oferă nicio explicație pentru asimetria barionică , adică nu este în măsură să explice absența aproape totală a antimateriei în univers. În cele din urmă, materia întunecată nu poate consta din nici o particulă descrisă de modelul standard.

Dezvoltările ulterioare vor trebui, prin urmare, să includă o teorie cuantică a gravitației pentru unificarea definitivă a celor trei forțe menționate și cu gravitația: relativitatea generală se bazează de fapt pe modelul „clasic” al spațiului-timp continuu în care valoarea câmpului gravitațional poate presupune o valoare arbitrară mică. Prin urmare, este incompatibil cu modelul standard în care intensitatea câmpurilor depinde de particulele implicate și, prin urmare, își asumă doar anumite valori.

Cu toate acestea, timp de aproximativ treizeci de ani, modelul standard a furnizat rezultate compatibile cu dovezile experimentale; abia recent, unele observații astronomice asupra materiei întunecate și asupra schimbării roșii a celor mai îndepărtate quasare, împreună cu unele rezultate experimentale asupra masei neutrino și asupra măsurării momentului magnetic al muonului au introdus îndoiala că aceasta nu este o completă model.

Fizica particulelor și Universul

Fizica particulelor, adică fizica infinitului mic, este strâns corelată cu cosmologia , adică fizica infinitului mare, deoarece densitatea energiilor implicate în fizica energiei înalte (de exemplu în acceleratoare) sunt comparabile cu cele care erau prezente în primordial. Univers , putând astfel studia caracteristicile fizice în termeni de particule și interacțiuni. Atât de multe dintre principalele întrebări pe care și le pune fizica particulelor au, de asemenea, interesul de a înțelege mai bine Universul, originile și destinul său. Între acestea:

  • Bosonul Higgs este ultima particulă lipsă prezisă de modelul standard de fizică și pivotul care ține împreună acel set de ecuații vechi de decenii: prin intermediul câmpului omonim ar da masă tuturor celorlalte particule încă din prima momente din viața Universului și din acest motiv este numită Particula lui Dumnezeu . Își face apariția experimentală în 2012, în tunelul circular lung de 27 de kilometri al Large Hadron Collider * Asimetria dintre materie și antimaterie ( încălcare CP ) studiată în mai multe experimente de fizică a particulelor ar putea oferi informații utile pentru a înțelege de ce Universul a evoluat , începând de la Big Bang , în așa fel încât să existe aproape exclusiv materie și nu antimaterie prezentă .
  • Materia întunecată prezentă în Univers, a cărei origine este necunoscută, ar putea fi explicată prin prezența unor noi tipuri de particule care ar putea fi produse în laborator la LHC . Soarta Universului ar putea depinde sau nu de existența sa, datorită masei critice lipsă capabilă să oprească expansiunea sa, producând o contracție ulterioară și o nouă criză mare .

Cercetare științifică

Centre de cercetare

Acceleratorul tevatron la Fermilab

În domeniul fizicii particulelor, principalele centre experimentale de cercetare sunt:

Pe lângă acestea, există multe alte laboratoare naționale și internaționale, care găzduiesc unul sau mai multe acceleratoare de particule .

In Italia

Italia joacă un rol de frunte în fizica particulelor, participând cu poziții importante de responsabilitate la implementarea și cercetarea efectuată în cele mai importante proiecte de fizică a particulelor. Cercetările în acest domeniu sunt finanțate în mare parte în Italia de Institutul Național de Fizică Nucleară (INFN), care colaborează cu zeci de departamente de fizică ale diferitelor universități italiene.

În 1984 , italianul Carlo Rubbia a primit Premiul Nobel pentru fizică pentru confirmarea experimentală a bosonilor W și Z la CERN din Geneva.

Italia este membru fondator al CERN și a avut conducerea generală a laboratorului de trei ori ( Carlo Rubbia , din 1989 până în 1993 , Luciano Maiani din 1999 până în 2003 , Fabiola Gianotti din 2015).

Finanțarea internațională a proiectelor majore

Interiorul tunelului LHC, unde au fost instalați magneți supraconductori

Fizica particulelor a investigat de-a lungul anilor fenomene care apar la energii din ce în ce mai mari. Pentru a face acest lucru cu acceleratoarele, sunt necesare echipamente din ce în ce mai complexe și mai mari. Cel mai mare proiect, care se finalizează la CERN , este acceleratorul LHC , al cărui cost ajunge la câteva miliarde de euro . Chiar dacă această cheltuială este repartizată pe o perioadă mai mare de un deceniu, necesară realizării sale, fezabilitatea proiectelor de această dimensiune este posibilă numai datorită contribuției financiare a zeci de națiuni.

Țările finanțatoare au demonstrat, în mai multe cazuri, că sunt atenți la cheltuielile pentru proiecte mari de cercetare. De exemplu, în 1993 , Congresul Statelor Unite a oprit construcția Super Colliderului supraconductor , după ce au fost deja investiți 2 miliarde de dolari. Acest accelerator, de fapt, ar fi constituit un „dublu” în comparație cu LHC și, deși ar fi făcut posibilă atingerea unor energii mai mari decât LHC , acesta din urmă a reușit să reutilizeze toate lucrările de inginerie civilă ale precedentului accelerator LEP , construit într-un lung tunel subteran 27 km .

Cadere tehnologică

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Serendipity .

Cu toate acestea, cheltuielile publice pentru finanțarea unor proiecte mari de cercetare au adesea repercusiuni tehnologice pozitive semnificative, chiar și în alte sectoare decât cele pe care principalele activități de cercetare le au ca scop principal.

Printre aplicațiile care au apărut din mediul de cercetare al fizicii particulelor se numără:

  • World Wide Web , născut la CERN pentru a îmbunătăți instrumentele de comunicare științifică, protocolul HTTP și limbajul HTML ;
  • detectoare de particule utilizate pentru diagnosticarea medicală; [1]
  • hadrontterapia , care se presupune că vindecă cancerul prin utilizarea acceleratoarelor . Datorită capacității de a controla cu precizie energia și localizarea particulelor accelerate, este posibil să se depună doze de radiații într-un mod controlat pentru a distruge celulele canceroase fără a deteriora țesuturile din jur;
  • tomografie cu emisie de pozitroni sau PET, un instrument medical de diagnostic care utilizează antimaterie .

Notă

  1. ^ Medipix , pe medipix.web.cern.ch (arhivat din original la 3 aprilie 2008) .

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității GND ( DE ) 4014414-8
Fizică Portalul fizicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu fizica