Fyzika častíc

Fyzika častíc (iné názvy: časticová fyzika, fyzika elementárnych častíc, subjadrová fyzika, subnukleárna fyzika, fyzika vysokých energií, vysokoenergetická fyzika) je odbor fyziky, ktorý sa zaoberá štúdiom subatómových častíc.

Časticová fyzika sa vyvinula z jej materského oboru, jadrovej fyziky, a typicky sa vyučuje v úzkom vzťahu s ňou. Vedecký výskum za posledné roky vyprodukoval dlhý zoznam častíc.

Správanie subatómových častíc

Štandardný model fyziky

Subatómové častice sa správajú podľa zákonov kvantovej mechaniky. Ako také podliehajú vlnovo-časticovému dualizmu, to znamená, že za určitých podmienok sa správajú ako častice, a za iných zasa ako vlnenie.

Štandardný model

Všetky doteraz známe elementárne častice a ich vzájomné interakcie takmer úplne opisuje tzv. štandardný model. Štandardný model obsahuje 61 druhov elementárnych (fundamentálnych) častíc. Spájaním týchto elementárnych častíc vznikajú zložené častice (preto boli od roku 1960 objavené stovky druhov častíc a nie len 61 druhov častíc). Väčšina časticových fyzikov predpokladá, že to nie je úplný opis vesmíru, a že na objavenie čaká základnejšia teória (pozri Teória všetkého). V posledných rokoch merania hmotnosti neutrín poskytli prvé experimentálne dôkazy o odchýlkach od štandardného modelu.

Vplyv

Časticová fyzika má veľký vplyv na filozofiu vedy. Niektorí fyzici sa prikláňali k redukcionizmu, názoru, ktorý bol kritizovaný a obhajovaný filozofmi a vedcami. Ostatní fyzici sa pridržiavali filozofie holizmu, považovaného za náprotivok redukcionizmu.

Dejiny

Myšlienka, že všetka hmota je zložená z elementárnych častíc, pochádza minimálne zo 6. storočia pred Kristom. Filozofickú doktrínu atomizmu a povahy elementárnych častíc študovali starovekí grécki filozofi ako Leukippos, Démokritos a Epikuras, starovekí indickí filozofi, stredovekí vedci (napr. Alhazen, Avicenna a Al-Gazzálí) a európski fyzici napr. Pierre Gassendi, Robert Boyle a Isaac Newton. Teóriu, že aj svetlo je častica, predostreli napr. Alhazen, Avicenna, Gassendi a Newton. Tieto myšlienky skôr ako abstraktné filozofické odôvodnenie, než ako experimentálne a empirické pozorovanie.

V 19. storočí, John Dalton, vďaka svojej práci na stechiometrii, prišiel k záveru, že každý prvok sa skladá z jednotlivých unikátnych častíc. Dalton a jeho súčasníci verili, že toto sú základné častice prírody a vesmíru a preto ich pomenovali atómy, z gréckeho slova atomos (nedeliteľný). Napriek tomu, koncom storočia, fyzici objavili, že atómy v skutočnosti nie sú elementárne častice ale sú zhlukmi menších častíc. Začiatkom 20. storočia objavy jadrovej a kvantovej fyziky vyvrcholili dôkazom Lisy Meitnerovej o jadrových reakciách v roku 1939 a dôkazom Hansa Betheho o jadrovej fúzii v tom istom roku. Tieto objavy podporili vznik odvetvia priemyslu vytvárajúceho jeden atóm z iného, dokonca zvažovali možnú premenu olova na zlato (alchýmia). Tiež viedli k vývoju atómových zbraní. Priebehom 50. a 60. rokov 20. storočia bolo objavených mnoho rozličných častíc vďaka rozptylovým experimentom. Táto éra je známa ako časticová zoo. Od tohto názvu sa upustilo po formulácii Štandardného modelu počas 70. rokov 20. storočia, v ktorom bolo objasnené, že veľké množstvo častíc je kombináciou relatívne malého počtu elementárnych častíc.

Experimentálne laboratóriá

Hlavné medzinárodné laboratóriá časticovej fyziky sú:

• Brookhaven National Laboratory (Long Island, New York). Hlavným zariadením je Relativistic Heavy Ion Collider – v ktorom sa zrážajú ťažké ióny ako napríklad ióny zlata a polarizované protóny. Bol prvým urýchľovačom ťažkých iónov na svete a je jediným urýchľovačom polarizovaných protónov.
• Budker Institute of Nuclear Physics (Novosibirsk, Rusko)
• CERN (francúzsko-švajčiarske hranice blízko Ženevy) – hlavným projektom je Veľký hadrónový urýchľovač, spustený 10. septembra 2008. Dosahuje najvyššie energie zrážok protónov na svete. A so začiatkom zrážok iónov olova v roku 2010 dosiahol najvyššie energie zrážok ťažkých iónov na svete. Skoršie zariadenia zahŕňali Veľký urýchľovač elektrónov a pozitrónov, zastavené v roku 2001 a neskôr rozobratý, aby vytvoril priestor pre LHC a Super Proton Synchrotron, ktorý sa používa ako predurýchľovač pre LHC.
• DESY (Hamburg, Nemecko) – hlavné zariadenie: Hadron Elektron Ring Anlage (HERA), v ktorom sa zrážajú elektróny a pozitróny s protónmi.
• Fermilab (Batavia, USA) – hlavné zariadenie: Tevatron, v ktorom sa zrážajú protóny a antiprotóny, bol najvýkonnejším urýchľovačom častíc do 29. novembra 2009, keď ho predstihol LHC
• KEK (Cukuba, Japonsko) – je domovom mnohých experimentov ako K2K experiment, experiment s osciláciou neutrín, a Belle, experiment merajúci CP-porušenia B mezónov.

Existuje mnoho iných urýchľovačov častíc. Techniky potrebné pre modernú experimentálnu časticovú fyziku sú veľmi rôzne a komplexné, že tvoria subšpecializáciu takmer úplne odlišnú od teoretickej stránky.

Teória

Teoretická časticová fyzika sa pokúša o vyvinúť model, teoretický pracovný rámec a matematické nástroje na porozumenie terajším experimentom a vytvára predpoklady pre budúce experimenty. Pozri tiež teoretickú fyziku. V teoretickej časticovej fyzike existuje dnes niekoľko veľkých vzájomných projektov. Jedno dôležité odvetvie sa snaží lepšie pochopiť štandardný model a jeho testy. Využitím parametrov štandardného modelu pochádzajúcich z experimentov z menšou neurčitosťou objavuje limity štandardného modelu a tým rozširuje naše poznatky o stavebných blokoch vesmíru. Tieto projekty sú o to väčšou výzvou, vďaka náročnosti výpočtov kvantít v kvantovej chromodynamike. Niektorí teoretici pracujúci v tejto oblasti sa označujú ako fenomenológovia a využívajú nástroje teórie kvantových polí a teórie efektívnych polí. Iní používajú teóriu kryštalických polí a nazývajú sa lattice teoretici.

Iný veľký projekt je stavba modelov, v ktorom tvorcovia modelov vyvíjajú teórie o tom, aká fyzika môže existovať mimo štandardného modelu (s vyššími energiami a kratšími vzdialenosťami). Často je motivovaná problémom hierarchie a je obmedzená dátami z existujúcich experimentov. Môže zahŕňať supersymetriu, alternatívy k Higgsovmu bozónu, viac priestorových dimenzií (ako napr. Randallovej-Sundrumov model), preonovú teóriu a kombinácie týchto a iných teórií.

Tretím veľkým projektom je teória strún. Strunoví teoretici sa pokúšajú zostaviť teóriu zjednocujúcu kvantovú mechaniku a všeobecnú relativitu. Teória je založená na malých strunách a membránach tvoriacich častice. Ak sa potvrdí, pravdepodobne sa stane teóriou všetkého.

Existuje viacero iných oblastí teoretickej fyziky siahajúc od časticovej kozmológie po slučkovú kvantovú gravitáciu.

Táto časť projektov časticovej fyziky sa dá nájsť v kategóriách podľa názvov na stránkach arXiv, predtlačovom archíve.

Pozri aj

• atómová fyzika
• Fyzika mimo štandardného modelu
• Fyzika vysokého tlaku
• Základná interakcia
• Úvod do kvantovej mechaniky
• Zoznam časticových urýchľovačov
• Magnetický monopól
• Mikroskopická čierna diera
• Rezonancia (častica)
• Medzinárodná konferencia fyziky vysokých energií (ICHEP)
• Štandardný model (matematická formulácia)
• Subatomárna častica

Externé odkazy

• The Particle Adventure – vzdelávací projekt sponzorovaný Particle Data Group z Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL)
• Časopis o „symetrii“
• Particle physics – it matters Archivované 2011-03-09 na Wayback Machine – Institute of Physics
• Nobes, Matthew (2002) "Introduction to the Standard Model of Particle Physics" on Kuro5hin:Part 1, Part 2,Part 3a, Part 3b.
• CERN – European Organization for Nuclear Research
• Fermilab