Современная физика элементарных частиц и Большой адронный коллайдер: что мы уже знаем Владимир Шевченко Институт теоретической и экспериментальной физики. - презентация

1 Современная физика элементарных частиц и Большой адронный коллайдер: что мы уже знаем Владимир Шевченко Институт теоретической и экспериментальной физики

2 Четыре элемента Пять Платоновых тел

3 Атомистическая картина Демокрита (Democritus) V век до Рождества Христова. XVIII век: Лавуазье (Lavoisier), Дальтон (Dalton) и другие формулируют атомную гипотезу

4 В 1868 году Д.И.Менделеев записывает свою периодическую таблицу, в которую включает 63 известных тогда элемента. К 1896 году было открыто уже 77 атомов и все они считались элементарными.

5 В 1897 году Дж.Дж.Томпсон (J.J.Thompson) открывает первую субатомную частицу – электрон, а в 1911 году Э.Резерфорд (E. Rutherford) открывает планетарную структуру атома, и простейшее ядро атома 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!

6 Какими характеристиками обладают частицы? МассаЗаряды Спин

7 В 50-е годы было открыто множество новых сильновзаимодействующих нестабильных частиц (адронов, от hadros – сильный). «Периодическая система» для них была предложена 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 bark And sure any he has it's all beside the mark. Finnegans Wake James Joyce, Finnegans Wake

8 Кварковая структура мезонов и барионов

9 Кроме того, у каждой частицы есть ее античастица античастица – частица с той же массой и спином, но противоположным зарядом. Например, античастица электрона – позитрон была открыта в 1932 году Андерсоном (Anderson).

10

11 Масштабы и процессы Сейчас мы здесь

12 КлассическаяфизикаЭлектро-динамика;СТО Квантоваямеханика Теория тяготения Ньютона ОТО КТП «Куб физических теорий» (М.Бронштейн, 1930) Нерелятивистская квантовая гравитация? Теория струн??

13 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?

14 Основные идеи Стандартной Модели 1. Калибровочная инвариантность В 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 наблюдаемых напряженностей локальное взаимодействие нелокальное взаимодействие

15 U(1) × SU(2) × SU(3) глюон фотон Z,W лептоны,W кварки GNGN Кварки – уникальные пробники всего пространства внутренних степеней свободы Стандартной Модели

16 В истории естествознания неоднократно бывало, что периодичность свойств служила указанием на существование глубинной структуры Структура поколений Исидор Раби (I.Rabi) о мюоне: «Who ordered that?» Иерархия масс (из hep-ph/ ). Масса наиболее тяжелого фермиона данного типа нормирована на единицу.

17 Wikipedia: Unsolved problems in physics (36) Turbulence Is it possible to make a theoretical model to describe the statistics of a turbulent flow (in particular, its internal structures)? [14] Also, under what [14] conditions do smooth solutions to the Navier-Stokes equations exist?smooth solutions to the Navier-Stokes equations Классическая физика Физика Стандартной модели Higgs mechanism Does the Higgs particle exist? What are the implications if it does not? Generations of matter Are there more than three generations of quarks and leptons? Why arequarksleptons there generations at all?

18 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)

19 Элементарный пример: задача о непрозрачном квадрате

20 4. Как возникает масса Механизм Гинзбурга-Ландау-Хиггса (спонтанное нарушение симметрии) Размерная трансмутация В.Л.Гинзбург, Л.Д.Ландау, 1950 P.W.Higgs, 1964 F.Englert, R.Brout, 1964 G.S.Guralnik, C.R.Hagen, T.W.Kibble, 1964 G. t Hooft, 1972 D.Gross, F.Wilczek, 1973 H.Politzer, 1973

21 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 динамикой калибровочного поля

22 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!

23 Каркас теоретического аппарата составляет квантовая теория поля Физика конденсированного cостояния (condensed matter) Физика элементарных частиц (high energy) Основное состояние (вакуум) + возбуждения над ним

24 ? Что определяет выбор основного состояния и как он реализуется ? ? Что определяет набор возбуждений и взаимодействия между ними ? ? Как зависит динамика возбуждений от выбора вакуума ? обратное ? Когда имеет смысл рассматривать обратное влияние возбуждений на вакуум, а когда им можно пренебречь ? Важные вопросы...

25 ... 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.

26 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 разделение масштабов Кроме того, в физически интересных теориях поля имеется разделение масштабов. эффективных В так называемых эффективных теориях поля влияние физики на масштабе M на физику на масштабе p

27 Обычно правильный выбор вакуума означает, что возбуждения 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). КХД кварки и глюоны в фазе деконфайнмента пионы и тяжелые адроны в фазе конфайнмента

28 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 1000 n / n! сходится для геометров, но расходится для астрономов, а ряд с общим членом n! / 1000 n сходится для астрономов, но расходится для геометров»

29 Рассмотрим амплитуду, пертурбативное разложение которой в окрестности g=0 имеет вид суммируемость по Борелю g g g точный ответ все члены до g 20 1-g g crit =?

30 Важный частный вывод Наличие в теории малого параметра еще не гарантирует, что по этому параметру можно построить разумную теорию возмущений Возможные проблемы: плохо 1.Пертурбативный ряд расходится (или плохо сходится) 2.Малый параметр умножается на большое число 3. Искомый эффект непертурбативен 4....

31 Какие малые параметры имеются в нашем распоряжении в Стандартной Модели? 1. Безразмерные константы взаимодействия SU(3) 2. Ранг цветной калибровочной группы SU(3) 3. Массы кварков в единицах динамического масштаба сильных взаимодействий

32 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

33 Симметрии и их нарушение

34 симметрию История про симметрию – это (почти) всегда история пропреобразования инеразличимость

35 Максимальная симметрия не особенно интересна.. Истинная гармонияслегка нарушенная симметрия

36 Конечно, нарушение не должно быть слишком сильным..

37 Помимо непрерывных (локальных и глобальных) симметрий существенную роль играют дискретные симметрии. Наиболее важными являются симметрии P – относительно пространственного отражения Т – относительно временного отражения С – относительно замены частиц античастицами det P = -1 !

38 В классической физике Р С Т Взаимодействия (например, механические или электромагнитные) инвариантны относительно С, Р, Т и любой комбинации. Проблема «стрелы времени» (A.Eddington, 1927)

39 Наш мир Зазеркалье Наш мир Зазеркалью: Р-четность нарушена

40 Наш мир Зазеркалье ДНК Р-четность нарушена на 100%

41 В квантовой теории поля отдельные преобразования СРТ С, Р, Т, парные комбинации СР, СТ, ТР, и СРТ имеют различный статус. Именно, для любой локальной Лоренц-инвариантной квантовой теории поля имеет место СPT СPT теорема J.Schwinger, 1951 G.Lüders, W.Pauli, 1954 СРТ Физически, СРТ теорема означает, что античастицы и их взаимодействия неотличимы от частиц, движущихся вдоль тех же мировых линий в 3+1 пространстве-времени в противоположных направлениях. В частности, масса любой частицы строго равна массе ее античастицы (экспериментально проверено для К-мезонов на уровне 1 к ). С, Р, Т подобного кинематического статуса не имеют

42 T.D.Lee, C.N.Yang, 1956 C.S.Wu, 1957 не рождается Р-четность в мире элементарных частиц

43 Л.Д.Ландау, 1957: гипотеза сохранения комбинированной СР-четности J.Cronin, V.Fitch, 1964: открытие несохранения СР в распадах нейтральных К-мезонов

44 CPLEAR 1999 распределение времен распада нейтрального каона распределение времен распада нейтрального анти- каона CP violation

45 Важный общий вывод СИММЕТРИЯ Может быть нарушена «жестко» (на уровне законов законов) А может быть нарушена «спонтанно» (на уровне состояний состояний) ДИНАМИКА как нарушение симметрии

46 Ответы на некоторые из тех вопросов, которые есть к Стандартной модели, физики надеются найти на Большом адронном коллайдере LHC