Современная физика элементарных частиц

и Большой адронный коллайдер:

что мы уже знаем

pp

Владимир Шевченко

Институт теоретической и экспериментальной физики

Четыре элемента

Пять Платоновых тел

Атомистическая картина Демокрита (Democritus) V век до Рождества Христова.

XVIII век: Лавуазье (Lavoisier), Дальтон (Dalton) и другие формулируют

атомную гипотезу

В 1868 году Д.И.Менделеев записываетсвою периодическую таблицу, в которуювключает 63 известных тогда элемента.К 1896 году было открыто уже 77 атомови все они считались элементарными.

В 1897 году Дж.Дж.Томпсон (J.J.Thompson)открывает первую субатомную частицу – электрон,а в 1911 году Э.Резерфорд (E. Rutherford) открываетпланетарную структуру атома, и простейшее ядроатома водорода – протон.

Развивая идеи М.Планка (M.Planck, 1900), принципы квантовой механики были поняты во второй половине 20-х годов XX века, а в 1932 году Чадвик (Chadwick) открывает нейтрон – второй компонент ядер атомов.

Квантование электронных орбит

+ принцип Паули 1925

Периодичность химических

свойств

Глядя на таблицу Менделеева, Холмс мог бы дойти до алгебры Грассмана!

Какими характеристиками обладают частицы?

Масса Заряды Спин

В 50-е годы было открыто множество новыхсильновзаимодействующих нестабильныхчастиц (адронов, от hadros – сильный).

«Периодическая система» для них былапредложена М. Гелл-Манном (M.Gell-Mann)в 1961 году и получила название«восьмеричный путь».

Вскоре после этого была сформулирована кварковая картина – представление о элементарных компонентах протона, нейтрона и других адронов – кварках.

Three quarks for Muster Mark!Sure he has not got much of a barkAnd sure any he has it's all beside the mark.

James Joyce, Finnegans Wake

Кварковая структура мезонов и барионов

Кроме того, у каждой частицы есть ееантичастица – частица с той же массой и спином, но противоположным зарядом.

Например, античастица электрона –

позитрон

была открыта в 1932 году Андерсоном(Anderson).

Масштабы и процессы

Сейчас мы здесь

G

c/1

Классическаяфизика

Электро-динамика;

СТОКвантоваямеханика

ТеориятяготенияНьютона

ОТО

КТП

«Куб физических теорий» (М.Бронштейн, ’1930)

Нерелятивистскаяквантовая

гравитация?

Теорияструн??

Открытие и формулировка Стандартной Модели – возможно, самый выдающийся результат

человеческого интеллекта за всю его историю

«В восприятии наших потомков через 500 лет самым крупным событием XIX века будет, бесспорно, открытие Максвеллом своих уравнений. На фоне этого Гражданская война в Америке будет выглядеть мелкой провинциальной заварушкой»

Р.Фейнман

Какие основные идеи заложены в Стандартную Модель?

Основные идеи Стандартной Модели

1. Калибровочная инвариантностьВ теории имеется внутренняя симметрия относительно принадлежащих некоторой группе преобразований полей. Различные конфигурации динамических переменных описывают один и тот же набор физических наблюдаемых.

Теория локальна в терминах ненаблюдаемых вектор-потенциалов, и нелокальна в терминах наблюдаемыхнапряженностей

локальное взаимодействие

нелокальное взаимодействие

U(1) × SU(2) × SU(3)глюонфотон Z,W

лептоны,W

кварки

GN

Кварки – уникальные пробники всего пространства внутренних степеней свободы Стандартной Модели

В истории естествознания неоднократно бывало, что периодичность свойств служила указанием на существование глубинной структуры...

2. Структура поколений

Исидор Раби (I.Rabi) о мюоне: «Who ordered that?»

Иерархия масс (из hep-ph/0603118). Масса наиболее тяжелого фермиона данного типа нормирована на единицу.

Wikipedia: Unsolved problems in physics (36)

TurbulenceIs it possible to make a theoretical model to describe the statistics of a turbulent flow (in particular, its internal structures)?[14] Also, under what conditions do smooth solutions to the Navier-Stokes equations exist?

Классическая физика

Физика Стандартной моделиHiggs mechanism

Does the Higgs particle exist? What are the implications if it does not?

Generations of matterAre there more than three generations of quarks and leptons? Why are there generations at all?

3. Спонтанное нарушение симметрии

Симметрия уравнения не всегда есть симметрия решения. Если решение реализует экстремум некоторой величины, то этот экстремум может достигаться на конфигурации с нарушенной симметрией.

Й.Намбу (Y.Nambu)

Элементарный пример:задача о непрозрачном квадрате

82.222

73.231

64.2232

4. Как возникает масса

Механизм Гинзбурга-Ландау-Хиггса(спонтанное нарушение

симметрии)

Размернаятрансмутация

В.Л.Гинзбург, Л.Д.Ландау, 1950P.W.Higgs, 1964F.Englert, R.Brout, 1964G.S.Guralnik, C.R.Hagen, T.W.Kibble, 1964

G. ‘t Hooft, 1972D.Gross, F.Wilczek, 1973H.Politzer, 1973

• Слабый сектор Стандартной Модели

• Эффективный механизм в электромагнитном секторе в ряде задач физики твердого тела, в первую очередь, в теории сверхпроводимости

• Дуальный мейснеровский сценарий конфайнмента в сильном секторе

Спонтанное нарушение симметрии

Выбор вакуума скалярного поля управляет динамикойкалибровочного поля

Необходимость регуляризации в квантовой теории поля может приводить к появлению зависимости физических величин от размерного параметра, например, в КХД

на однопетлевом уровне. Асимптотическая свобода.

Размерная трансмутация

Имеется ли связь?

Почти 99% массы нуклонов (т.е. и ядер, и всей видимой материи), набирается этим механизмом!

Расходимости – это не теоретический дефект, а жизненная необходимость!

Каркас теоретического аппарата составляет квантовая теория поля

Физика конденсированного cостояния

(condensed matter)

Физика элементарных частиц

(high energy)

Основное состояние (вакуум) + возбуждения над ним

? Что определяет выбор основного состояния и как он реализуется ?

? Что определяет набор возбуждений и взаимодействия между ними ?

? Как зависит динамика возбуждений от выбора вакуума ?

? Когда имеет смысл рассматривать обратное влияние возбуждений на вакуум, а когда им можно пренебречь ?

Важные вопросы...

... и проекты ответов Вакуумное состояние соответствует экстремуму

некоторой величины. В статике материальной точки это минимум потенциальной

энергии. В механике консервативных взаимодействий и в классической теории поля движение происходит по экстремалям действия. В статистической физике изотермические и изобарические движения сопровождаются уменьшением свободной энергии и т.д.

В квантовой теории поля, как в системе с бесконечным числом квантовых степеней свободы энергия основного состояния формально бесконечна (если нет специальных причин для обратного).

В отсутствие гравитации – ненаблюдаемая бесконечность. При наличии гравитации – проблема космологической постоянной.

Структура возбуждений тесно связана со свойствами симметрии вакуумного состояния.

Возбуждения могут классифицироваться по представлениям соответствующей группы симметрии. Например, свободные частицы в пространстве Минковского R(3,1) характеризуются массой m и спином J

Кроме того, в физически интересных теориях поля имеется разделение масштабов.

В так называемых эффективных теориях поля влияние физики на масштабе M на физику на масштабе p<<M подавлено фактором cn (p / M)n

В перенормируемых теориях поля возникает фактор log(p / μ) , в то время как зависимость от M поглощается переопределением исходных параметров теории.

Обычно правильный выбор вакуума означает, чтовозбуждения взаимодействуют друг с другом слабо (в некотором смысле)

Дуальность

В разных областях значений параметров теории могут существовать различные вакуумные состояния, над которыми возможно разложение слабой связи, с уникальной структурой возбуждений над каждым вакуумом (в частности, элементарные возбуждения в одной фазе могут выглядеть сложными составными объектами в другой).

КХДкварки и глюоны в фазе деконфайнмента

пионы и тяжелые адроныв фазе конфайнмента

Достаточно ли отыскать адекватный набор слабо взаимодействующих степеней свободы над

правильным вакуумом?

Типичная структура амплитуды имеет вид:

В физически интересных квантовых теориях поля ряды теории возмущений расходятся

Не всегда ...

А.Пуанкаре: «Ряд c общим членом 1000n / n! сходится для геометров, но расходится для астрономов, а ряд с общим членом n! / 1000n сходится для астрономов, но расходится для геометров»

Рассмотрим амплитуду, пертурбативное разложение которой в окрестности g=0 имеет вид

суммируемостьпо Борелю

g

g

g

точный ответ

все члены до g20

1-g

gcrit=?

Важный частный выводНаличие в теории малого параметра еще не гарантирует, что по этому параметру можно построить разумную теорию возмущений

Возможные проблемы:

1. Пертурбативный ряд расходится (или плохо сходится)

2. Малый параметр умножается на большое число

3. Искомый эффект непертурбативен

4. ...

Какие малые параметры имеются в нашем распоряжении в Стандартной Модели?

1. Безразмерные константы взаимодействия

2. Ранг цветной калибровочной группы SU(3)

3. Массы кварков в единицах динамического масштаба сильных взаимодействий

4. Отношение динамических масштабов сильного и слабого взаимодействий

5. Отношения масс элементарных фермионов (юкавские константы)

6. Параметры кваркового смешивания

Ряд важных параметров лежат за пределами Стандартной Модели

Симметриии их нарушение

История про симметрию – это (почти)

всегда история про

преобразования

и

неразличимость

Максимальная симметрия не особенно интересна..

Истинная гармония слегка нарушенная симметрия

Конечно, нарушение не должно быть слишком сильным..

Помимо непрерывных (локальных и глобальных)симметрий существенную роль играют дискретныесимметрии.

Наиболее важными являются симметрии

P – относительно пространственного отражения

Т – относительно временного отражения

С – относительно замены частиц античастицами

det P = -1 !

В классической физике

Р

С

Т

Взаимодействия (например, механические или электромагнитные) инвариантны относительно С, Р, Ти любой комбинации.

Проблема «стрелы времени»(A.Eddington, 1927)

Наш мир Зазеркалье

Наш мир ≠ Зазеркалью: Р-четность нарушена

Наш мир ЗазеркальеДНК

Р-четность нарушена на 100%

В квантовой теории поля отдельные преобразованияС, Р, Т, парные комбинации СР, СТ, ТР, и СРТ имеют различный статус.Именно, для любой локальной Лоренц-инвариантной квантовой теории поля имеет место

СPT теоремаJ.Schwinger, 1951G.Lüders, W.Pauli, 1954

Физически, СРТ теорема означает, что античастицы и ихвзаимодействия неотличимы от частиц, движущихся вдоль тех же мировых линий в 3+1 пространстве-временив противоположных направлениях.

В частности, масса любой частицы строго равна массе ееантичастицы (экспериментально проверено для К-мезоновна уровне 1 к 1018).

С, Р, Т подобного кинематического статуса не имеют

T.D.Lee, C.N.Yang, 1956 C.S.Wu, 1957

не рождается

Р-четность в мире элементарных частиц

Л.Д.Ландау, 1957:гипотеза сохранения

комбинированнойСР-четности

J.Cronin, V.Fitch, 1964: открытие несохранения

СР в распадах нейтральныхК-мезонов

CPLEAR 1999

распределениевремен распада

нейтрального каона

распределениевремен распада

нейтрального анти-каона

CP violation

Важный общий вывод

СИММЕТРИЯ

Может бытьнарушена«жестко»(на уровнезаконов)

А может бытьнарушена«спонтанно»(на уровнесостояний)

ДИНАМИКАкак

нарушениесимметрии

Ответы на некоторые из техвопросов, которые есть к

Стандартной модели,физики надеются найти на

Большом адронном коллайдере

LHC