презентация-pptx (4,5Мб)

p
p
Современная физика
элементарных частиц
и
Большой адронный коллайдер:
что мы уже знаем
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 записывает
свою периодическую таблицу, в которую
включает 63 известных тогда элемента.
К 1896 году было открыто уже 77 атомов
и 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) 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!
Какими характеристиками обладают частицы?
Масса
Заряды
Спин
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.
James Joyce, Finnegans Wake
Кварковая структура мезонов и барионов
Кроме того, у каждой частицы есть ее
античастица – 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
«Куб физических теорий» (М.Бронштейн, ’1930)
Нерелятивистская
квантовая
гравитация?
G
Теория
тяготения
Ньютона
Классическая
физика
Теория
струн??

Квантовая
механика
ОТО
Электродинамика;
СТО
КТП
1/ c
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 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 векторпотенциалов, и нелокальна в терминах наблюдаемых
напряженностей
локальное
взаимодействие
нелокальное
взаимодействие
U(1) × SU(2) × SU(3)
фотон
Z,W
глюон
GN
лептоны,W
кварки
Кварки – уникальные пробники всего пространства
внутренних степеней свободы Стандартной Модели
2. Структура поколений
Иерархия масс (из hep-ph/0603118). Масса наиболее тяжелого фермиона
данного типа нормирована на единицу.
В истории естествознания неоднократно бывало, что
периодичность свойств служила указанием на существование
глубинной структуры...
Исидор Раби (I.Rabi) о мюоне: «Who ordered that?»
Wikipedia: Unsolved problems in physics (36)
Классическая физика
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
conditions do smooth solutions to the Navier-Stokes equations exist?
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 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
2 2  2.82
1  3  2.73
2
3
 2.64
2
4. Как возникает масса
Механизм
Гинзбурга-Ландау-Хиггса
(спонтанное нарушение
симметрии)
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
Размерная
трансмутация
G. ‘t Hooft, 1972
D.Gross, F.Wilczek, 1973
H.Politzer, 1973
Спонтанное нарушение симметрии
Выбор вакуума скалярного поля управляет динамикой
калибровочного поля
•
Слабый сектор Стандартной Модели
•
Эффективный механизм в электромагнитном секторе в
ряде задач физики твердого тела, в первую очередь, в
теории сверхпроводимости
•
Дуальный мейснеровский
сильном секторе
сценарий
конфайнмента
в
Размерная трансмутация
Необходимость регуляризации в квантовой теории поля
может приводить к появлению зависимости физических
величин от размерного параметра, например, в КХД
на однопетлевом уровне.
Асимптотическая свобода.
Расходимости – это не теоретический дефект,
а жизненная необходимость!
Почти 99% массы нуклонов (т.е. и ядер, и всей видимой
материи), набирается этим механизмом!
Имеется ли связь?
Физика конденсированного
cостояния
(condensed matter)
Физика элементарных
частиц
(high energy)
Каркас теоретического аппарата
составляет квантовая теория поля
Основное состояние (вакуум) + возбуждения над ним
Важные вопросы...
? 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 ?
... и проекты ответов
Вакуумное
состояние
некоторой величины.
соответствует
экстремуму
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, 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).
кварки и глюоны в фазе
деконфайнмента
КХД
пионы и тяжелые адроны
в фазе конфайнмента
Достаточно ли отыскать адекватный набор слабо
взаимодействующих степеней свободы над
правильным вакуумом?
Не всегда ...
В физически интересных квантовых теориях поля
ряды теории возмущений расходятся
Типичная структура амплитуды имеет вид:
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
точный ответ
суммируемость
по Борелю
все члены
до g20
g
gcrit=?
g
g
1-g
Важный частный вывод
Наличие 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
Симметрии
и 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 дискретные
симметрии.
Наиболее важными являются симметрии
P – относительно пространственного отражения
det P = -1 !
Т – относительно временного отражения
С – относительно замены частиц античастицами
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)
Наш мир
Зазеркалье
Наш мир ≠ Зазеркалью: Р-четность нарушена
Наш мир
ДНК
Зазеркалье
Р-четность нарушена на 100%
В квантовой теории поля отдельные преобразования
С, Р, Т, парные комбинации СР, СТ, ТР, и СРТ имеют
различный статус.
Именно, для любой локальной Лоренц-инвариантной
квантовой теории поля имеет место J.Schwinger, 1951
СPT теорема
G.Lüders, W.Pauli, 1954
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 1018).
С, Р, Т подобного кинематического статуса не имеют
Р-четность в мире элементарных частиц
T.D.Lee, C.N.Yang, 1956
C.S.Wu, 1957
не рождается
Л.Д.Ландау, 1957:
гипотеза сохранения
комбинированной
СР-четности
J.Cronin, V.Fitch, 1964:
открытие несохранения
СР в распадах нейтральных
К-мезонов
CPLEAR 1999
распределение
времен распада
нейтрального каона

распределение
времен распада
нейтрального антикаона
CP violation
Важный общий вывод
СИММЕТРИЯ
Может быть
нарушена
«жестко»
(на уровне
законов)
ДИНАМИКА
как
нарушение
симметрии
А может быть
нарушена
«спонтанно»
(на уровне
состояний)
Ответы на некоторые из тех
вопросов, которые есть к
Стандартной модели,
физики надеются найти на
Большом адронном коллайдере
LHC