Физика елементарних честица

Физика елементарних честица се бави проучавањем фундаменталних саставних делова материје и зрачења. За њу се користи и назив „високоенергетска физика“, јер се експерименти одвијају током високоенергетских судара честица, какви се постижу у акцелераторима.

Историјски развој

Идеја о томе да се материја састоји из честица први пут се јавила у Старој Грчкој, око V века п.н.е. Демокрит је тим честицама дао име “атоми”, од грчке речи за недељиво. Касније је Њутн веровао да материја није континуална. Међутим, први је ту идеју формално изразио Далтон. Мендељејев је ову идеју подржао периодним системом елемената. Томсон је доказао да атом садржи и позитивне и негативне честице. Радерфорд је експериментално утврдио да се позитивно наелектрисање које има много већу масу налази у средишту атома, а ситни електрони круже око њега (планетарни модел). Бор је, касније, претпоставио да се електрони крећу по одређеним орбитама, тако да не емитују енергију, што му је омогућило да уведе низ постулата. Почетком XX века развијају се нуклеарна и квантна физика, које врхунац достижу открићем нуклеарне фисије и фузије. Средином XX века откривено је мноштво нових честица, а та количина је објашњена постојањем фундаменталних честица. Њих објашњава стандардни модел атома.

Током 1950-их и 1960-их, збуњујуће различите честице су пронађене у сударима честица из снопова све веће енергије. То је неформално названо „зоолошки врт честица”. Важна открића као што је кршење ЦП од стране Џејмса Кронина и Вала Фича довела су до нових питања неравнотеже материје и антиматерије. Након формулације Стандардног модела током 1970-их, физичари су разјаснили порекло зоолошког врта честица. Велики број честица је објашњен као комбинације (релативно) малог броја фундаменталнијих честица и уоквирен у контексту квантних теорија поља. Ова рекласификација означила је почетак модерне физике елементарних честица.

Стандардни модел атома

Стандардни модел описује честице које су до тада биле познате али предвиђа и постојање честица које ће тек касније бити откривене. Описује фундаменталне честице које немају унутрашњу структуру и од којих су изграђене друге честице. Такође, описује и фундаменталне силе које делују унутар атома. То су електромагнетна сила, јака сила и слаба сила.

Спин

Схематски приказ спина протона (малог магнетног дипола са јужним и северним полом) и приказ комбинације магнетног и механичког момента спина атомског језгра, који је најчешће збир спинова протона и неутрона који улазе у његов састав.

Једна од основних особина честице јесте спин тј. симетрија (како честица изгледа из различитих праваца). Спин се изражава позитивним и негативним бројевима, где знак броја представља смер спина. Тачка има спин 0, јер изгледа исто из свих праваца. Прва карта има спин 1, јер изгледа различито из свих праваца. друга карта има спин 2, јер након ротације од 180° имаће исти изглед. Спин ½ има честица која мора да ротира пуна два круга да би изгледала исто.

Атомска језгра елемената са непарним бројем протона (као што је водоник) и/или неутрона поседују механички момент (спин) и њему придружени магнетни момент, који се може представити и као слабо магнетно поље, које емитује сигнале који се могу применити у НМР. Како спин поседује и механички момент, он се понаша и као чигра коју спољашње магнетско поље не може потпуно да оријентише већ га наводи на прецесионо кретање и у спољашњем магнетском пољу и спин прецесује око правца поља нагнут под одређеним углом. При чему је прецесиона фреквенција једнака резонантној фреквенцији.

Према спину честице се деле на фермионе и бозоне. Бозони су честице сила и њихов спин је целобројан (0, 1, 2,…). Фермиони изграђују материју и њихов спин је полу-цели број нпр ½. За фермионе важи Паулијев принцип искључења (две честице се не могу налазити у истом квантном пољу у истом временском тренутку), а за бозоне не важи.

Фермиони

Фермиони обухватају два групе честица: лептоне и кваркове. Ове групе честица су подељене у три генерације и прва генерација има најмању масу. Свакој од генерација припада по пар лептона и пар кваркова. Лептони се деле на три наелектрисане и три ненаелектрисане честице. Наелектрисане честице су електрони, миони и тауони. Они су наелектрисани негативно. Ненаелектрисане честице су неутрино и сваки од њих одговара по једној наелектрисаној честици (електронски неутрино, мионски неутрино, тауонски неутрино). Сваки лептон има одговарајућу античестицу која се од честице разликује само по врсти наелектрисања. Кваркови изграђују протоне, неуроне и многе друге честице. Има их шест (уп, доwн, цхарм, странге, топ и боттом) и они су подељени у три генерације. Материја која се налази свуда око нас је изграђена само од кваркова прве генерације. Све у природи тежи минималној потенцијалној енергији, па се тако масивнији кваркови јако брзо распадају на лакше. Први кварк је уочен 1969. године, а задњи 1995. године. Наелектрисање кваркова је једна до две трећине елементарног наелектрисања (е=1.60 ∙ 10⁻¹⁹C). Као и друге честице, и кваркови имају своје античестице. Кваркови граде хадроне. Хадрон изграђен од три кварка се назива барион и њима припадају и протон и неутрон. Мезони су изграђени од једног кварка и једног антикварка, ова структура је јако нестабилна и њен животни век је око 10⁻²⁰с.

Силе које делују унутар атома

Стандардни модел атома објашњава и фундаменталне силе и честице које их преносе. Најпознатија је електромагнетна сила која делује између свих наелектрисаних тела. Преносник ове силе је фотон, он нема масу мировања и није наелектрисан. Његов спин износи 1. Друга је слаба сила која је одговорна за многе процесе унутар атома као што је бета-распад. Може бити семи-лептонска (између лептона и кварка), лептонска (између два лептона) и нелептонска (између два кварка. Јака сила је најјача али има и најкраће дејство. Делује само на растојањима димензија атомског језгра. Одговорна је за стабилност језгра и честица које га сачињавају. Преносници су глуони. Занимљиво је то што се са повећањем растојања интензитет ове силе повећава, за разлику од свих других сила, које се смањују. Гравитациона сила се не уклапа у стандардни модел. Она је објашњена општом теоријом релативности. У теоријској физици велики је изазов наћи спону између ове две теорије. Стандардни модел предвиђа постојање тзв, Божје честице тј. Хигсовог бозона, који је носилац гравитационе силе. Почетком јула 2012. године, у ЦЕРН-у, Швајцарска, је направљен већи помак у проналажењу Хигсовог бозона. Потврда о овоме се очекује до краја 2012. године.

Литература

• Цлосе, Франк (2004). Партицле Пхyсицс: А Верy Схорт Интродуцтион. Оxфорд Университy Пресс. ИСБН 978-0-19-280434-1. .
• Цлосе, Франк; Мартен, Мицхаел; Суттон, Цхристине (2004). Тхе партицле одyссеy: а јоурнеy то тхе хеарт оф тхе маттер. Оxфорд Университy Пресс. ИСБН 978-0-19-860943-8. 
• Форд, Кеннетх W. (2005) Тхе Qуантум Wорлд. Харвард Университy Пресс.
• Сцхумм, Бруце А. (2004). Дееп Доwн Тхингс: Тхе Бреатхтакинг Беаутy оф Партицле Пхyсицс. Јохнс Хопкинс Университy Пресс. ИСБН 978-0-8018-7971-5. .
• Риазуддин. „Ан Овервиеw оф Партицле Пхyсицс анд Цосмологy”. НЦП Јоурнал оф Пхyсицс. Др. Профессор Риазуддин, Хигх Енергy Тхеорy Гроуп, анд сениор сциентист ат тхе Натионал Центер фор Нуцлеар Пхyсицс. 1 (1): 50. 
• Франк Цлосе (2006). Тхе Неw Цосмиц Онион. Таyлор & Францис. ИСБН 978-1-58488-798-0. 
• Робинсон, Маттхеw Б., Гералд Цлеавер, анд Ј. Р. Диттманн (2008) "А Симпле Интродуцтион то Партицле Пхyсицс" - „Парт 1, 135пп.”. арXив:абс/0810.3328в1  .  анд „Парт 2, нннпп.”. арXив:абс/0908.1395в1  .  Баyлор Университy Депт. оф Пхyсицс.
• Гриффитхс, Давид Ј. (1987). Интродуцтион то Елементарy Партицлес. Wилеy, Јохн & Сонс, Инц. ИСБН 978-0-471-60386-3. 
• Кане, Гордон L. (1987). Модерн Елементарy Партицле Пхyсицс. Персеус Боокс. ИСБН 978-0-201-11749-3. 
• Перкинс, Доналд Х. (1999). Интродуцтион то Хигх Енергy Пхyсицс. Цамбридге Университy Пресс. ИСБН 978-0-521-62196-0. 
• Повх, Богдан (1995). Партицлес анд Нуцлеи: Ан Интродуцтион то тхе Пхyсицал Цонцептс. Спрингер-Верлаг. ИСБН 978-0-387-59439-2. 
• Боyаркин, Олег (2011). Адванцед Партицле Пхyсицс Тwо-Волуме Сет. ЦРЦ Пресс. ИСБН 978-1-4398-0412-4. 
• Р. Оертер (2006). Тхе Тхеорy оф Алмост Еверyтхинг: Тхе Стандард Модел, тхе Унсунг Триумпх оф Модерн Пхyсицс. Плуме. 
• „Тхе Стандард Модел оф Партицле Пхyсицс Интерацтиве Грапхиц”. 
• I. Аитцхисон; А. Хеy (2003). Гауге Тхеориес ин Партицле Пхyсицс: А Працтицал Интродуцтион. Институте оф Пхyсицс. ИСБН 978-0-585-44550-2. 
• W. Греинер; Б. Мüллер (2000). Гауге Тхеорy оф Wеак Интерацтионс. Спрингер. ИСБН 978-3-540-67672-0. 
• Г.D. Цоугхлан; Ј.Е. Додд; Б.M. Грипаиос (2006). Тхе Идеас оф Партицле Пхyсицс: Ан Интродуцтион фор Сциентистс. Цамбридге Университy Пресс. 
• Т.П. Цхенг; L.Ф. Ли (2006). Гауге тхеорy оф елементарy партицле пхyсицс. Оxфорд Университy Пресс. ИСБН 978-0-19-851961-4. 
• Ј.Ф. Доногхуе; Е. Голоwицх; Б.Р. Холстеин (1994). Дyнамицс оф тхе Стандард Модел. Цамбридге Университy Пресс. ИСБН 978-0-521-47652-2. 
• L. О'Раифеартаигх (1988). Гроуп струцтуре оф гауге тхеориес. Цамбридге Университy Пресс. ИСБН 978-0-521-34785-3. 
• Нагасхима, Yорикиyо (2013). Елементарy Партицле Пхyсицс: Фоундатионс оф тхе Стандард Модел, Волуме 2. Wилеy. ИСБН 978-3-527-64890-0.  920 пагес.
• Сцхwартз, Маттхеw D. (2014). Qуантум Фиелд Тхеорy анд тхе Стандард Модел. Цамбридге Университy. ИСБН 978-1-107-03473-0.  952 пагес.
• Лангацкер, Паул (2009). Тхе Стандард Модел анд Беyонд. ЦРЦ Пресс. ИСБН 978-1-4200-7907-4. 
• Е.С. Аберс; Б.W. Лее (1973). „Гауге тхеориес”. Пхyсицс Репортс. 9 (1): 1—141. Бибцоде:1973ПхР.....9....1А. дои:10.1016/0370-1573(73)90027-6. 
• M. Баак; et al. (2012). „Тхе Елецтроwеак Фит оф тхе Стандард Модел афтер тхе Дисцоверy оф а Неw Босон ат тхе ЛХЦ”. Тхе Еуропеан Пхyсицал Јоурнал C. 72 (11): 2205. Бибцоде:2012ЕПЈЦ...72.2205Б. С2ЦИД 15052448. арXив:1209.2716 . дои:10.1140/епјц/с10052-012-2205-9. 
• Y. Хаyато; et al. (1999). „Сеарцх фор Протон Децаy тхроугх п → νК⁺ ин а Ларге Wатер Цхеренков Детецтор”. Пхyсицал Ревиеw Леттерс. 83 (8): 1529—1533. Бибцоде:1999ПхРвЛ..83.1529Х. С2ЦИД 118326409. арXив:хеп-еx/9904020 . дои:10.1103/ПхyсРевЛетт.83.1529. 
• С.Ф. Новаес (2000). „Стандард Модел: Ан Интродуцтион”. арXив:хеп-пх/0001283 . 
• D.П. Роy (1999). „Басиц Цонституентс оф Маттер анд тхеир Интерацтионс – А Прогресс Репорт”. арXив:хеп-пх/9912523 . 
• Ф. Wилцзек (2004). „Тхе Универсе Ис А Странге Плаце”. Нуцлеар Пхyсицс Б: Процеедингс Супплементс. 134: 3. Бибцоде:2004НуПхС.134....3W. С2ЦИД 28234516. арXив:астро-пх/0401347 . дои:10.1016/ј.нуцлпхyсбпс.2004.08.001. 

Спољашње везе

• Елементарне честице