Введение в элементарные частицы 0:07 Элементарные частицы — это частицы, которые нельзя разделить на более мелкие части. Исторически атомы считались элементарными частицами. Резерфорд обнаружил атомное ядро, которое в тысячу раз меньше атома.
Открытие электрона 1:06 Атомное ядро имеет электрический заряд, а атом — нет. Электрон был открыт как частица, имеющая заряд. Появились две элементарные частицы: ядро и электрон.
Гипотеза о составе ядра 1:22 Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Гипотеза выдвинута Газенбергом и Иваненко в 1930-х годах. Появились три элементарные частицы: протон, нейтрон и электрон.
Квантовая механика и нейтрон 2:29 Квантовая механика объяснила поведение электронов. Нейтрон распадается на протон, электрон и нейтрино. Нейтрино — новая элементарная частица без электрического заряда.
Ядерные силы и пи-мезоны 4:05 Ядерные силы удерживают протоны и нейтроны вместе. Юкава предположил существование пи-мезонов. Пи-мезоны обмениваются энергией, поддерживая ядерные силы.
Космические лучи и странные частицы 5:02 В космических лучах обнаружены странные частицы. Камизоны — три типа странных частиц с разными зарядами. Странность — новое свойство частиц.
Время жизни элементарных частиц 5:57 Электрон живет вечно, протон — практически вечно. Нейтрон распадается, но внутри ядра живет долго. Камизоны и пи-мезоны распадаются мгновенно, но их время жизни увеличивается из-за высокой скорости.
Классификация элементарных частиц 8:17 Космические лучи и ускорители открыли множество новых частиц. Частицы стали называть греческими буквами. Возникла необходимость классификации элементарных частиц по их свойствам.
Угловой момент частиц 9:33 Частицы обладают угловым моментом, который классически описать невозможно. В квантовой механике угловой момент квантуется, принимая целые или полуцелые значения. Частицы делятся на два класса: бозоны с целым угловым моментом и фермионы с полуцелым угловым моментом.
Бозоны и фермионы 10:32 Бозоны подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна. Фермионы подчиняются статистике Ферми. Примеры: протоны, нейтроны, электроны — фермионы, пи-мезоны, каоны — бозоны.
Классификация частиц по взаимодействиям 11:31 Частицы взаимодействуют друг с другом, включая электромагнитное и сильное взаимодействия. Частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, называются адронами. Частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях, называются лептонами.
Переносчики взаимодействий 12:29 Фотон и другие частицы, переносящие взаимодействия, относятся к классу переносчиков. К ним также относятся промежуточные векторные бозоны, глюоны, гравитоны.
Фундаментальные частицы 13:26 Адроны состоят из кварков, которые являются фундаментальными частицами. Лептоны считаются элементарными частицами, не имеющими внутренней структуры.
Ускорители частиц 16:09 Ускорители разгоняют частицы до высоких энергий. Простейшие ускорители используют электрические и магнитные поля. Кольцевые ускорители, такие как циклотроны, позволяют разгонять частицы до миллионов электрон-вольт.
Детекторы частиц 18:51 Детекторы фиксируют частицы, рождающиеся при столкновениях. Современные детекторы, такие как на Большом адронном коллайдере, фиксируют множество параметров частиц.
Ускорители в СССР 20:33 В СССР были построены синхрофазотроны и другие ускорители. В Дубне синхрофазотрон ускорял частицы до 10 миллиардов электрон-вольт. В Серпухове был построен ускоритель на 70 миллиардов электрон-вольт, а затем на 400 миллиардов электрон-вольт.
Современные ускорители 22:00 Ускорители делятся на два класса: для электронов и протонов. Кольца ускорителей становятся все больше: от 20 метров до 27 километров. Пример: кольцо ускорителя в Женеве размером 27 километров.
Причины больших размеров ускорителей 22:58 Для достижения больших энергий требуется сильное магнитное поле. Меньший радиус ускорителя требует более сильного магнитного поля. Создание сильных магнитных полей технически сложно. Ускорители большего радиуса позволяют использовать меньшие магнитные поля.
Синхротронное излучение и потери энергии 23:58 Частицы испускают свет синхротронное излучение при движении по кольцу. Чем сильнее заворачиваются частицы, тем больше они теряют энергию. Увеличение радиуса ускорителя уменьшает потери энергии.
Ускорители с неподвижной мишенью и коллайдеры 24:56 Ускорители с неподвижной мишенью теряют много энергии на движение молекул мишени. Идея коллайдеров: столкновение двух пучков частиц без неподвижной мишени. Пример: Большой адронный коллайдер в Женеве.
Линейные ускорители 26:10 Линейные ускорители не имеют колец, частицы разгоняются напрямую. Линейные коллайдеры не имеют потерь энергии из-за отсутствия поворотов. Проект международного линейного коллайдера длиной 50 километров.
Рекорды по ускорению 27:13 Рекорды по ускорению: 200 миллиардов электрон-вольт для электронов и позитронов. Рекорд для адронных коллайдеров: 7 триллионов электрон-вольт. Эти энергии позволяют рождать частицы с большими массами. Пример: рождение хиксовского бозона на Большом адронном коллайдере.
Классификация адронов 28:24 Адроны классифицируются по угловому моменту: барионы с полуцелым моментом и мезоны с целым моментом. Протон и нейтрон — барионы, пи-мезон — мезон. Классификация должна объяснять свойства адронов.
Теория групп 29:24 Частицы вписываются в математические схемы теории групп. Преобразования в группе эквивалентны друг другу. Группы классифицируются по размеру и свойствам.
Матрицы и адроны 30:24 Существуют специальные группы матриц, в которые вписываются адроны. Матрицы могут быть разных размеров. Если частицы нет в таблице, ищут новую частицу для заполнения матрицы.
Проблемы классификации 32:17 Появились частицы, не вписывающиеся в таблицы. Возникает вопрос о более простых объектах, из которых состоят адроны. Сравнение с атомной физикой: атомы состоят из протонов и нейтронов.
Кварки 33:12 Предложены объекты, названные кварками. Кварки — более мелкие частицы, из которых строятся адроны. Барионы состоят из трех кварков, мезоны — из двух кварков.
Подтверждение кварковой модели 35:01 Кварки признаны реальными частицами. В опытах на ускорителях подтверждено наличие кварков внутри адронов. Кварки связаны сильными силами и не вылетают наружу.
Экзотические адроны 36:57 Открыты адроны из четырех, пяти и более кварков. Эти адроны называются экзотическими. Столкновение адронов на ускорителях приводит к рождению новых адронов.
Резонансы и новые частицы 38:34 Тяжелые адроны быстро распадаются, их называют резонансами. Некоторые адроны не успевают образоваться из-за быстрого распада. Возможно достижение предела образования тяжелых частиц.
Взаимодействие адронов 40:31 Адроны участвуют в сильных, электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействиях. Распад адронов происходит за счет слабого взаимодействия. Адроны — частицы, участвующие практически во всех известных взаимодействиях.
Происхождение слова "кварк" 41:05 Слово "кварк" появилось в романе Джеймса Джойса "Улисс". В 1960-х годах ученые начали использовать это слово для описания элементарных частиц. В то время элементарные частицы включали барионы и мезоны, такие как протоны и нейтроны.
Введение кварков 42:03 Американский физик Мюррей Гелл-Манн предложил схему кварков. Другой ученый, Цвейк, использовал термин "тузы", но "кварки" прижились. Природа устроена по принципу матрешки: более сложные частицы состоят из более простых.
Классификация частиц 43:00 Возникла необходимость классифицировать частицы, как в таблице Менделеева. Предложили, что все частицы состоят из трех кварков: верхнего, нижнего и странного. Все известные частицы можно построить из этих трех кварков.
Теория групп и восьмеричный путь 44:56 Теория групп предсказала семейства частиц, состоящие из трех, восьми или десяти частиц. Все открытые частицы хорошо укладывались в эти семейства. Восьмеричный путь связан с теорией групп.
Открытие четвертого кварка 45:57 В 1974 году была открыта новая частица, не укладывающаяся в схему с тремя кварками. Пришлось ввести четвертый кварк для объяснения новых частиц. Четное число кварков позволило объяснить запрещенные распады частиц.
Открытие пятого и шестого кварков 46:55 В 1970-х годах открыли пятый кварк, названный прелестным. В конце прошлого века нашли шестой кварк, названный топ. Теперь существует система из шести кварков.
Поколения кварков 47:54 Кварки группируются в пары: у и д, с и ц, топ и бот. Каждая пара кварков идентична, но тяжелее предыдущей. Существует три поколения кварков: первое, второе и третье.
Свойства кварков 49:49 Кварки имеют дробные электрические заряды: у-кварк - две трети, д-кварк - минус одна треть. Барионы состоят из трех кварков, мезоны - из двух. Все наблюдаемые элементарные частицы строятся из кварков с дробными зарядами.
Открытие лептонов 52:37 Электрон — первая открытая частица, известная более ста лет. Мион — почти полная копия электрона, но в 200 раз тяжелее. Таули — еще более тяжелая частица, почти точная копия миона.
Нейтрино 53:36 Нейтрино — нейтральная легкая частица, не участвующая в сильных взаимодействиях. Нейтрино рождается в слабых взаимодействиях вместе с электронами и мионами. Существует три типа нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино.
Уравнения для лептонов 55:30 Лептоны удовлетворяют уравнению Дирака. Нейтрино может удовлетворять уравнению Майораны, что делает их античастицами самим себе. Эксперимент по проверке аннигиляции нейтрино пока не дал однозначного ответа.
Нейтринные осцилляции 57:04 Нейтрино переходят в другие сорта на макроскопических расстояниях. Эффект осцилляций описывается синусоидальной функцией. Нейтринные осцилляции подтверждают наличие массы у нейтрино, хотя она чрезвычайно мала.
Эксперименты с нейтрино 59:47 Регистрация нейтрино сложна из-за их слабого взаимодействия со средой. Подземные лаборатории используются для минимизации космического фона. Пример: лаборатория Супер-Камиоканда в Японии, с бочкой, наполненной водой и фотоумножителями.
Детекция нейтрино 1:01:23 Детектируется сигнал от нейтрино, приходящих из Солнца. Загадка недостаточного количества электронных нейтрино решена явлением осцилляций. Электронные нейтрино превращаются в мионные нейтрино, что объясняет их недостаток.
Источники нейтрино и их осцилляции 1:02:24 Существуют солнечные, космические и реакторные нейтрино. Все нейтрино осциллируют, перепутываясь друг с другом. Экспериментально измерены три угла, описывающие эти осцилляции.
Матрицы смешивания 1:03:24 Матрицы Пантекорва-Маки-Накагавы-Саката и Кабиба-Кобаяши-Маскавы объясняют переходы кварков и лептонов. Эти матрицы объясняют нейтринные осцилляции. Осталась неизвестной фаза в матрице.
Три поколения кварков и лептонов 1:04:22 Три поколения кварков и три поколения лептонов. Нейтрино играют важную роль в космологии. Число нейтрино, вероятно, равно трем, что соответствует трем поколениям.
Стерильные нейтрино 1:05:18 Возможно существование стерильных нейтрино, не участвующих в взаимодействиях. Эксперименты могут подтвердить или опровергнуть существование стерильных нейтрино.
Симметрия в физике элементарных частиц 1:06:36 Симметрия важна в физике элементарных частиц. Примеры симметрии: человеческое тело, снежинки. Преобразования могут быть непрерывными или дискретными.
Преобразования в физике частиц 1:09:06 Популярные преобразования: отражение пространства, изменение знака электрического заряда. Теории элементарных частиц инвариантны относительно этих преобразований.
Непрерывные симметрии 1:10:06 Непрерывные симметрии, такие как фазовая симметрия, приводят к законам сохранения. Фазовая симметрия объясняет сохранение электрического заряда.
Симметрия и теория 1:11:25 Симметрия помогает найти свойства теории. Теория должна обладать определенной симметрией для соблюдения принципов.
Симметрия в специальной теории относительности 1:11:42 Принципы СТО связаны с неизменностью физических явлений при изменении системы отсчета. Лоренц-инвариантность — симметрия относительно изменения системы отсчета. Физика элементарных частиц требует множества симметрий.
Симметрия кварков 1:12:34 Кварки не могут находиться в основном состоянии с одинаковой энергией. Введение цвета кварков решает эту проблему. Теория кварков строится на основе унитарной группы с тремя цветами.
Симметрия и взаимодействия 1:13:26 Симметрия приводит к сохранению заряда и определяет взаимодействия. Стандартная модель основана на трех группах симметрии. Существуют дискретные симметрии и лоренц-инвариантность.
Нарушение симметрии 1:15:28 Симметрии могут быть нарушены, как в случае с левой-правой симметрией в человеческом теле. Слабые взаимодействия нарушают симметрию относительно отражения пространства и времени. Комбинированная симметрия ЦПТ не нарушается.
Спонтанное нарушение симметрии 1:18:16 Симметрии могут быть нарушены, но часть их остается. Симметрия определяет конфигурацию теории. Современные коллайдеры ищут новые симметрии.
Суперсимметрия 1:19:06 Суперсимметрия связывает бозоны и фермионы. Каждый бозон имеет партнера, например, нейтрино. Поиск суперсимметрии — задача современных коллайдеров.
Фундаментальные силы 1:20:17 Электромагнитные силы и тяготение — фундаментальные взаимодействия. Ядерные силы оказались не фундаментальными. Сильное взаимодействие между кварками — третья фундаментальная сила.
Слабое взаимодействие 1:22:34 Распады частиц описываются слабым взаимодействием. Первоначальная теория слабого взаимодействия была заменена на новую. В современном мире существует четыре фундаментальных взаимодействия.
Фундаментальные взаимодействия 1:23:54 Электромагнитное взаимодействие основано на обмене фотонами. Сильное взаимодействие осуществляется через обмен глюонами. Слабое взаимодействие связано с обменом промежуточными векторными бозонами. Гравитационное взаимодействие осуществляется через обмен гравитонами.
Симметрия и масса частиц 1:25:49 Точная симметрия приводит к нулевой массе частиц фотон, глюон. Нарушенная симметрия приводит к ненулевой массе промежуточные векторные бозоны. Гравитационная симметрия не нарушена, гравитон имеет нулевую массу.
Хиггсовский бозон 1:26:42 В 2012 году обнаружен хиггсовский бозон, переносчик взаимодействия между кварками и лептонами. Хиггсовский бозон является массивной частицей, увеличивая число фундаментальных взаимодействий до пяти.
Возможность новых взаимодействий 1:26:58 Стандартная модель физики элементарных частиц включает только пять взаимодействий. Возможность существования новых взаимодействий остается, особенно при наличии суперсимметричных частиц.
Важность взаимодействий 1:27:56 Все фундаментальные взаимодействия необходимы для существования жизни и природы. Без слабого взаимодействия не было бы ядерных реакций и жизни на Земле. Электромагнитное взаимодействие обеспечивает энергию от Солнца.
Единство природы 1:29:48 Все фундаментальные взаимодействия строятся по единому принципу. Теории великого объединения пытаются объяснить наличие определенного числа взаимодействий. Проверка этих теорий требует физики при очень высоких энергиях.
Гравитация и квантовая теория 1:31:31 Гравитация стоит особняком среди других взаимодействий. Единая теория гравитации и других взаимодействий пока не создана. Квантовая гравитация остается загадкой.
Симметрии в физике элементарных частиц 1:32:50 Симметрии играют важную роль в классификации частиц и предсказании взаимодействий. Калибровочные поля являются переносчиками взаимодействий. Локальные симметрии определяют облик теории элементарных частиц.
Нарушение симметрии 1:33:44 Нарушения симметрии могут быть явными или спонтанными. Пример спонтанного нарушения симметрии: бутылка с горошиной, где начальное положение горошины нарушает симметрию.
Спонтанное нарушение симметрии 1:35:58 Пример с магнетиком: наложение магнитного поля нарушает симметрию. После выключения поля домены остаются, нарушая симметрию. Это пример спонтанного нарушения симметрии.
Проблема масс в физике элементарных частиц 1:36:53 Точная симметрия предполагает безмассовые частицы. Фотон и глюон безмассовы из-за симметрии. Промежуточные векторные бозоны W и Z массивны, несмотря на симметрию.
Разрешение противоречия через спонтанное нарушение симметрии 1:37:48 Введение скалярного поля нарушает симметрию, позволяя частицам иметь массу. Потенциал поля напоминает форму бутылки или мексиканской шляпы. Среднее значение поля нарушает симметрию, но теория остается симметричной.
Применение механизма спонтанного нарушения симметрии 1:39:40 Поле с классической и квантовой составляющими дает массу калибровочным бозонам. Кварки и лептоны также приобретают массу через этот механизм. Теория слабых взаимодействий лево-право несимметрична, что требует введения массового члена.
Теорема Голдстоуна и безмассовые бозоны 1:41:31 Спонтанное нарушение симметрии порождает безмассовые состояния. Эти состояния называются бозонами Голдстоуна. Механизм Браута-Энглера-Хикса объединяет безмассовые и массивные бозоны, устраняя безмассовые состояния.
Экспериментальное подтверждение механизма 1:43:48 Открытие бозона Хиггса подтверждает механизм спонтанного нарушения симметрии. Частицы, участвующие в слабых взаимодействиях, приобретают массу. Фотон и глюон остаются безмассовыми.
Масса составных частиц 1:45:18 Масса составных частиц, таких как протоны, не получается из механизма спонтанного нарушения симметрии. Масса составных частиц состоит из суммы масс составляющих и энергии связи. Кварки и лептоны получили массу через этот механизм.
Стандартная модель фундаментальных взаимодействий 1:46:12 Стандартная модель описывает фундаментальные частицы и их взаимодействия. Включает шесть кварков и шесть лептонов. Описывает три вида взаимодействий: сильное, слабое и электромагнитное. Гравитационное взаимодействие игнорируется из-за малости.
Структура стандартной модели 1:47:32 Стандартная модель связана с группами симметрии. Три вида взаимодействий: электромагнитное, слабое и сильное. Электромагнитное взаимодействие описывается группой U1, слабое — U2, сильное — U3.
Переносчики взаимодействий и частицы материи 1:48:24 Переносчики взаимодействий: фотон, W и Z бозоны, глионы. Кварки в сильных взаимодействиях выступают в виде триплетов. В слабых взаимодействиях частицы выступают в виде дублетов.
Поколения частиц 1:49:21 Три поколения частиц: первое, второе и третье. Частицы первого поколения составляют наблюдаемый мир. Частицы второго и третьего поколений являются копиями первого.
Бесструктурные частицы 1:50:18 Кварки и лептоны считаются бесструктурными частицами. Адроны состоят из кварков, лептоны наблюдаются свободно. Стандартная модель описывает все взаимодействия и превращения.
Квантовые числа и симметрии 1:51:12 Квантовые числа: электрический заряд, цветной заряд, лептонный заряд. Сохранение электрического заряда и цветного заряда описывается группами симметрии. Слабые взаимодействия имеют свой заряд — лептонный заряд.
Экспериментальное подтверждение 1:54:01 Стандартная модель описывает массы частиц и переходы между ними. Хиксовский бозон введен для объяснения массы частиц. Полный состав полей стандартной модели: шесть кварков, шесть лептонов, хиксовский бозон и переносчики взаимодействий.
Завершение стандартной модели 1:55:12 Все частицы стандартной модели экспериментально подтверждены. Вопрос о четвертом поколении частиц остается открытым. Хиксовский бозон может быть единственным, но возможны и другие.
Новые взаимодействия и теории 1:58:00 Хиксовский бозон может рассматриваться как переносчик четвертого взаимодействия. Вопрос о более общей теории, включающей стандартную модель, остается открытым. Стандартная модель описывает все эксперименты с высокой точностью.
Проблемы стандартной модели 1:59:11 Остались проблемы внутри самой модели и явления, выходящие за ее рамки. Некоторые явления природы пока не объяснены стандартной моделью.
