Дипломная работа на тему: Моделирование в физике элементарных частиц

Введение

Информация об элементарных частицах растет день ото дня: сегодня об них известно чрезвычайно много. Однако до сих пор усилия по созданию единой модели этих частиц, позволяющей объяснить все явления, остаются тщетными. Все огромные усилия в этом направлении приводили только к созданию различных моделей, более или менее успешно объясняющих лишь ту или иную группу явлений. И это не должно нас удивлять. Мы знаем, что любая модель в состоянии охватить лишь часть действительности. Мы уже давно убедились в том, что к объектам, размеры которых равны либо меньше длины волны света, давно привычные понятия не применимы. Мир элементарных частиц окружен еще более высоким барьером, чем тот, что стоял перед нами при проникновении в электронную оболочку атома. В этом новом мире все попытки описать явления с помощью наивных наглядных представлений тщетны. "Немыслимым становится реальным событием" - это напоминание призывает нас к особой осторожности.

Современная физика элементарных частиц - это грандиозная наука, где триумфы следуют друг за другом, часто неся взрывной характер, и представляют собой необходимые закономерные фазы беспредельного во времени и пространстве процесса эволюции материи. Всё это необходимо знать современному человеку и понимать, что новые воззрения на строение атома и элементарные частицы явились, прежде всего, результатом блестящего каскада "диковинных" открытий, а сами открытия стали возможны благодаря научно-техническому прогрессу, благодаря оснащению новыми приборами и новыми методами исследования.

В данной работе я попытаюсь ответить на вопрос: Как устроены элементарные частицы? Какие модели элементарных частиц предлагали и выдвигают ученные сегодня?

Совсем недавно в школьных учебниках на уровне молекул и атомов появилось понятие "валентность"; на уровне ядер - понятие дефекта массы, которое позволило рассматривать легкие (даже без массы) объекты построенными из более тяжелых частиц. Дефект масс для ядер сказывается в том, что масса ядер меньше массы нуклонов (нейтронов и протонов) в ядрах, что обусловливает их связь.

В науке на уровне элементарных частиц утвердилось понятие виртуальной частицы, то есть частицы, существующей очень короткое время ~h/m и отлетающей от испускающей ее частицы на расстояние h/р, где m и р - масса и импульс виртуальных частиц. Понятие виртуальной частицы нетривиально. Есть вопрос о правомерности применения к ней слова "существующей". Может быть, это лишь след математического описания? Представление о виртуальной частице как реальности противоречит законам сохранения энергии и импульса. К примеру, когда говорят, что нуклон окружен "шубой" пионов или нуклоны взаимодействуют, обмениваясь пионами, говорят о виртуальных пионах. Существуют ли они? Сегодня можно смело ответить: да. Но на малые промежутки времени и на малых расстояниях. Виртуальные частицы могут - реализоваться, если передать им энергию так, чтобы их образование не противоречило закону сохранения импульса и энергии. Осознание этой возможности приводит к ярким картинам, например движущееся тело с энергией, соответствующей нескольким ГэВ/нуклон, "выворачивает" из вакуума вдоль своей траектории куски вещества и антивещества.

Уже сегодня быстрые протоны образуют пары дейтрон-антидейтрон, гелий-антигелий. Сам вакуум непрерывно кипит, порождая самые разнообразные виртуальные частицы.

На уровне кварков мы встретились с новым, неожиданным и пока до конца непонятым явлением - конфайментом, невылетанием кварков. Кварки, как мы увидим, частицы с дробным электрическим и барионным зарядами и новым квантовым числом - цветом, не могут быть в свободном состоянии, они замкнуты в области порядка размера элементарных частиц. В ряде моделей считается, что кварки "живут" в пузырьках в вакууме и удерживаются поверхностным давлением этих пузырьков.

Уже создана теория, так называемая квантовая хромодинамика, которая описывает поведение кварковых систем в вакууме.

Квантовохромодинамические расчеты на качественном уровне, а для некоторых случаев (например, водородоподобных систем из двух тяжелых кварков) на точном количественном уровне описывают экспериментальные данные.

Понятия о кварках и их свойствах, конечно, непросты и непривычны. Это мировоззренческое достижение современной физики, и потому оно с неизбежностью должно войти в школьные учебники.

Оглавление

- Введение

- Математическое моделирование в физике

- Историческое развитие теории моделирования элементарных частиц

- Три этапа в развитии физики элементарных частиц

- Первые модели элементарных частиц

- Элементарные частицы и фундаментальные взаимодействия

- Современная модель нейтрона

- Электрический дипольный момент элементарных частиц

- Кварковая модель элементарных частиц

- Существование кварков

- Кварковая модель адронов

- Практическая часть

- Методика изучения темы Элементарные частицы

- Заключение

- Список используемой литературы

- Приложения

Заключение

Физика Элементарных Частиц - или, как ее сейчас чаще называют, Физика Высоких Энергий - одна из областей, составляющих сейчас передний край фундаментальной науки. Исторически Физика Элементарных Частиц образовалась как наука, изучающая и создающая модели вещества на самом глубоком уровне. Однако по мере накопления знаний о структуре материи вопрос "как устроен мир?" сменился вопросом "почему он так устроен?". Такая постановка вопроса - это уже совершенно новый уровень претензии на понимание мира. Возможен ли окончательный и всеохватывающий ответ на этот вопрос? До каких пределов может развиваться наше знание о фундаментальном устройстве мира? Что ждет физику элементарных частиц в будущем?

Двадцатый век стал свидетелем нескольких замечательных моментов синтеза разнородных областей физики. Синтез термодинамики с электродинамикой Максвелла, проведенный М.Планком в 1900 г., положил начало квантовой теории - совершенно новому взгляду на окружающий мир. За ним быстро последовал синтез классической механики и электродинамики (А.Эйнштейн, 1905 г.), приведший к созданию специальной теории относительности. Далее, в 20-х годах из слияния электродинамики с квантовой теорией была создана квантовая электродинамика.

Все это случилось менее чем за 30 лет. Оставшаяся часть 20-го века принадлежала, по существу, эксперименту, который привел к созданию того, что сейчас называется физикой элементарных частиц. В это время было открыто большое количество частиц. Были экспериментально обнаружены сильные и слабые взаимодействия, и лишь позже была понята их роль в микромире. Наконец, к 70-м годам века, картина прояснилась настолько, что стала видна единая природа слабых и электромагнитных взаимодействий. Теория, осуществившая их синтез, - теория электрослабых взаимодействий - явилась фундаментом современной Стандартной Модели Физики Элементарных Частиц. Сильные взаимодействия также поддались описанию с помощью обобщения методов квантовой электродинамики - так родилась квантовая хромодинамика, теория, описывающая "цветовое" взаимодействие кварков и глюонов.

Все эти силы, включая и гравитационные, описываются одним и тем же классом фундаментальных теорий - так называемыми калибровочными теориями. Поведение всех этих сил на малых расстояниях описывается одним и тем же законом: 1/r2. Единственное отличие между разными силами заключается в том, что они "чувствуют" разные характеристики частиц: электрослабые и сильные взаимодействия чувствуют сохраняющиеся "заряды", а гравитационное взаимодействие - также сохраняющуюся энергию. Поэтому в последние годы все усиливается предчувствие, что все четыре взаимодействия имеют единые корни, поэтому в этом направлении возможен новый синтез - Великое Объединение.

Еще один особый вид синтеза, разворачивающийся в настоящее время, - это объединение физики элементарных частиц и космологии. Астрономия и астрофизика 20-го века имеет и свою богатую историю, однако с появлением космологии Большого Взрыва во второй половине века стало ясно, что Физика Элементарных частиц и космология тесно переплетены друг с другом. Их совместное развитие является иллюстрацией того, как тесно связаны физические явления, разворачивающиеся на самых больших расстояниях во Вселенной, с явлениями, происходящими на микроскопически малых расстояниях.

Поэтому, чтобы попытаться увидеть будущее Физики Элементарных частиц, надо понимать, какие достижения можно ожидать во всех трех областях. Можно ли рассчитывать на дальнейший прогресс в физике? Существуют ли его пределы или принципиальные ограничения?

Ключевое слово в Физике Элементарных частиц - это энергия. Типичные экспериментально достижимые энергии сталкивающихся частиц менялись в течение века от нескольких электронвольт (эВ) в первых вакуумных камерах до триллиона эВ (ТэВ) в коллайдере ТэВатрон в лаборатории им. Э.Ферми в Чикаго. Грубо говоря, рост достижимой энергии в 20-м веке был экспоненциальным: энергия удваивалась в среднем каждые 2.5 года.

Сверхвысокие энергии не являются единственным способом узнать новое о природе. Есть особые зоны и при умеренных энергиях, где тщательное и кропотливое изучение тонких эффектов может привести (и приводит!) к открытиям. Такие ускорители называются "фабриками". Они работают на одной энергии и избирательно изучают необычные свойства каких-то конкретных частиц. Так, сейчас имеются "-фабрики", "Z-фабрики" и т.д., работающие на энергиях -мезона, Z-бозона и т.д. соответственно. Идея "фабрик" оказалась очень плодотворной, так что в будущем ожидается создание и других фабрик.

Принципиально иным направлением экспериментальной Физики Элементарных частиц является неускорительная физика. Идея заключается в том, что в природе и так существуют потоки частиц высокой энергии (иногда даже выше, чем энергии, достижимые на ускорителях), поэтому наша задача - это всего лишь научиться их регистрировать. Два основных класса таких частиц - это заряженные космические лучи внесолнечного происхождения и потоки нейтрино, преимущественно солнечные и атмосферные.

Однако неускорительную физику вряд ли ожидает роль лидера экспериментальной Физики Элементарных частиц - слишком уж неэффективно пассивное экспериментальное наблюдение. Поэтому продолжается поиск принципиально новых возможностей для увеличения энергии линейных коллайдеров. Здесь мы встречаемся с новой принципиальной трудностью. Для того, чтобы разогнать частицу до энергий порядка 1000 ТэВ или выше на типичных дистанциях не более 100 км, требуется создать ускоряющий градиент электрического поля порядка 1 Вольт на ангстрем. Но настолько сильные поля уже будут вырывать электроны из атомов и изменять структуру практически любых материалов. Поэтому при первой же попытке разогнать частицы таким сильным полем сам ускоритель начнет разрушаться!

Есть ли какие-нибудь идеи, как обойти эту трудность? Сейчас мы стоим на пороге новой технологии - нанотехнологии. Не исключено, что будущий прогресс нанотехнологии позволит создать микроскопические ускорительные ячейки с нужным градиентом поля. После разгона частицы и разрушения ячейки смогут регенерироваться за достаточно короткое время, чтобы обеспечить приемлемую интенсивность пучка. Однако это мечты далекого будущего - современная технология на такое не способна.

Обратимся теперь к теоретической физике элементарных частиц. Первый вопрос - объяснение недавно обнаруженных масс и смешивания разных нейтрино. Основной вопрос здесь - почему массы нейтрино столь малы? Как оказалось, что в теории, где характерные массы частиц составляют миллионы и миллиарды эВ, появляются частицы в миллионы раз легче? Предложено несколько моделей объясняющих это явление; среди них выделяется наиболее элегантная, опирающаяся на Великое Объединение. Реализуется ли этот вариант в природе или же это всего лишь красивая теоретическая конструкция? Ближайшее будущее покажет.

Другая важная проблема связана с поиском бозона Хиггса. Теория электрослабого взаимодействия, уже неоднократно подтвержденная экспериментом, неизбежно предсказывает его существование. Однако на опыте хиггсовский бозон пока не открыт. В чем тут дело? Может, он слишком тяжел для современных экспериментов? А может ли теория предсказать его массу? Или же бозона Хиггса вообще нет?

Следующая по очереди проблема - это реализуется или нет в природе Суперсимметрия? Если это так, то мы опять станем свидетелем нового синтеза в Физике Элементарных частиц и пересмотра взглядов на то, как устроен мир.

Наконец, еще одна задача - наиболее сложная из перечисленных - это построение квантовой теории гравитации. На основании тех результатов, которые сейчас появляются в этом направлении, можно судить, что решение этой задачи одновременно даст и ответ на многие фундаментальные вопросы о структуре вещества, пространства, времени: почему в природе существует минимальный электрический заряд? Почему фундаментальные постоянные имеют именно такие, а не иные, значения? Почему наше пространство трехмерно? Почему нам дан именно такой набор элементарных частиц? Физика элементарных частиц еще далека от насыщения. Несмотря на некоторое замедление в ее развитии, в ближайшие 10-15 лет вступит в строй новое поколение ускорителей, что гарантирует нам несколько существенных открытий в Физике элементарных частиц. Это неизбежно приведет к принципиально новому и более глубокому пониманию природы.

Список литературы

1. Л. Б. Окунь. "Физика элементарных частиц" Москва "Наука" главная редакция физико-математической литературы 1988.

2. Г. Челлен. "Физика элементарных частиц" Издательство "Наука" главная редакция физико-математической литературы 1966.

3. Г. А. Лексин "Соросовский образовательный журнал", N 12, 1996.

4. по докладу Дж.Бьёркена на "Международной Конференции по Фундаментальным наукам: Математическая и Теоретическая Физика", Сингапур, 13-17 Марта 2000.

5. Намбу И. "Почему нет свободных кварков" Успехи физических наук 1978.

6. Зельдович Я.Б. "Классификация элементарных частиц и кварки в изложении для пешеходов" Успехи физ. наук. 1965.

7. "Методика преподавания физики в средней школе" под редакцией С.Е. Каменецкого, Л.А. Ивановой Москва "Просвещение" 1987.

8. С.Ф. Шебалин "Нейтроны" под редакцией доктора физико-математических наук профессора П.А. Ямпольского Просвещение 1969.

9. С.Д. Захаров, И.И, Тугов, Б.Е. Явелов "Физка наших дней" Издательство "Знание" Москва 1977.

10. Г. Линднер "Картины современной физики" Москва "Мир" 1977.

11. Г.Я. Мякишев "Элементарные частицы" Москва "Просвещение" 1973.

12. Дж. Орир "Популярная физика" Москва "Мир" 1969.