Д.ф.м.н. Евгений Сергеевич Мартынов Институт теоретической физики им. Н.Н

Украины

Отдел физики высоких плотностей энергии

Лаборатория грид-вычислений в физике (зав.)
Феноменологічні моделі

фізики високих енергій
або
Вступ до фізики високих енeргій

экспериментов, ЦЕРН, LHC, информационно-вычислительная
поддержка современных экспериментов ФВЭ, грид-технологии.
Основные свойства

частиц и их взаимодействий
Теоретические постулаты современных теорий (моделей) ФВЭ. Калибровочные
теории: теория электрослабых взаимодействий, квантовая хромодинамика,
стандартная теория. Проблемы и новые идеи.
Основы теории аналитической S-матрицы, постулаты. Амплитуды, их свойства и
связь с наблюдаемыми величинами. Метод комплексных угловых
моментов и модель полюсов Редже.
Динамика взаимодействия адронов при высоких и сверхвысоких энергиях.
Померон, оддерон в S-матрице и КХД.
Типы процессов, упругое и неупругое взаимодействие, множественное рождение,
инклюзивные процессы. Глубоко-неупругое лептон-адронное рассеяние,
партоны, функции распределения партонов.
Столкновение и взаимодействие релятивистских адронов и ядер.
Кварк-глюонная плазма, методы описания и модели.

RHIC.
Прискорювач LHC.
Експериментальні детектори ЦЕРНа, ATLAS, CMS, ALICE, LHCb, TOTEM.
Програми

комп’ютерної обробки експериментальних даних (МINUIT, ROOT).
Спектроскопія адронів.
Ієрархія законів збереження для різних типів взаємодії.
SU-2 і SU-3 симетрія. Фундаментальні представлення.
Історія моделі кварків

Змістовний модуль 2
Оператор кутового моменту у квантовій механіці.
Полюси Редже в квантовій механіці, загальні властивості.
Полюси Редже в потенційному розсіянні в полі з кулонівськім потенціалом.
Теореми Померанчука для повних перерізів.
Границя Фруассара-Мартена для повних перерізів.
Методи дослідження пружних процесів при високих енергіях.
Електромагнітна взаємодія точкових частинок зі складеними, формфактори
Зв’язок фізики високих енергій і космології.

елементарних частинок, їх основні властивості.
Основні експерименти на прискорювачі LHC.
Принцип

обмінної взаємодії, модель Юкави.
Ізотопічний спін, ізотопічні мультиплети.
Кваркова модель. Квантові числа кварків.
Кварк-глюонна картина сильної взаємодії.
Калібрувальна симетрія, калібровочні бозони.
Асимптотична свобода і конфайнмент.
Об’єднані моделі взаємодій.
Класифікація елементарних частинок в стандартній моделі.

Змістовний модуль 2

Постулати S-матриці, унітарність S-матриці.
Кінематика пружного розсіяння.
Повний та диференціальний перерізи. Оптична теорема.
Парціальні амплітуди і полюси Редже.
Зв’язок полюсів Редже з резонансами. Діаграма Чью-Лоу.
Інклюзивні процеси, узагальнена оптична теорема.
Одночастинковий розподіл, скейлінг Фейнмана.
Електромагнітні формфактори, структурні функції.
Глибоко непружне розсіяння електронів на протонах.
Партонна модель.
Кварк-глюонна плазма, методи опису.

фізичні задачі.
Методи обробки і аналізу експериментальних даних, грід.
Класифікація елементарних частинок

і їх взаємодій.
Квантові числа елементарних частинок.
Симетрії та закони збереження.
Кваркова модель. Квантові числа кварків. Кварк-глюонна картина сильної взаємодії.
Калібрувальна симетрія, калібровочні бозони.
Теоретико-польові моделі, квантова електродинаміка.
Теоретико-польові моделі, теорія електрослабкої взаємодії.
Теоретико-польові моделі, квантова хромодинаміка.
Стандартна модель і бозон Хігса,
S-матриця, основні постулати і властивості.
Рівняння унітарності S-матриці.

і диференційний перерізи.
Оптична теорема.
Парціальна амплітуда, рівняння унітарності.
Комплексні кутові моменти. Перетворення

Зомерфельда-Ватсона.
Полюс Редже, основні властивості, діаграма Чью-Лоу.
Моделі пружного розсіяння адронів при високих енергіях.
Померон і оддерон, моделі і експериментальні дані.
Інклюзивні процеси, кінематичні змінні, перерізи.
Основні процеси множинного народження адронів.
Електромагнітні формфактори.
Глибоко непружне розсіяння лептонів і адронів, зв’язок з кварками.
Полюси Редже в теорії глибоко непружного розсіяння.
Структурні функції, розподілення кварків в адроні.
Зіткнення релятивістських ядер, кварк-глюонна плазма.

2000.
Д. Перкинс, Введение в физику высоких энергий. М.: Энергоатомиздат, 1991.
Л.Б.

Окунь, Физика элементарных частиц, М.: Наука, 1988.
О.І Ахієзер, М.П. Рекало, Фізика елементарних частинок, Наукова думка, 1978.
К. Нишиджима, Фундаментальные частицы. М.: Мир, 1965.

Додаткова:
F. Halzen, A. Martin, QUARKS AND LEPTONS: An Introductory Course in Modern Particle Physics, JOHN WILEY & SONS, 1984
V. Barone, E. Predazzi, High Energy Particle Diffraction, Springer, 2001.
S.Donnachie et al., Pomeron & QCD. Cambridge University Press, 2002.
Л.Б. Окунь, Слабое вазимодействие элементарных частиц, М.: Физматгиз, 1963.
К. Челлен, Физика элементарных частиц, М.: Наука, 1966.
Физика микромира (маленькая энциклопедия),
под ред. Д.В. Ширкова, М.: Советская энциклопедия, 1980.

Інтернет-джерела:
Википедия, http://ru.wikipedia.org/wiki/Портал:Физика, разделы: Квантовая механика, Квантовая теория поля, Ядерная физика, Физика элементарных частиц.
Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Particle_physics .

поле, магнитное поле (1830-е)
Демокрит:
«Все, что вокруг нас, состоит из атомов»

(IV в. д.н.э.)

И. Ньютон: закон всемирного тяготения (1666)

Уравнения Максвелла в ковариантной форме (в вакууме)

Перрен: элементарный заряд (1895),
Дж. Дж. Томсон: катодные лучи, электрон

(1897)

Э. Резерфорд: атом, протон (1911)

М. Планк: квантовая природа излучения (1900)

неопределенности (1927)
Н. Бор: квантовая модель атома водорода (1913)
Л.

де Бройль: частица волна (1924)

Х. Гюйгенс: волновая теория света (1678)
И. Ньютон: корпускулярная теория света (1704)

и античастицы (1928)
Д. Чедвик: открытие нейтрона (1932)
- распад
Время жизни нейтрона

- 885.7±0.8 с.

Брюс Корк (1956)
антинейтрон

мезона (139 МэВ)
С. Пауэл (1947)
В 1936 г. К. Андерсен открыл

частицу с массой 207me (мю-мезон)
– это не мезон Юкавы

На Сольвеевском Конгрессе в 1933 г. В Брюсселе В. Паули выступил с рефератом о механизме β-распада с участием лёгкой нейтральной частицы со спином 1/2, в котором, со ссылкой на предложение Э. Ферми, назвал гипотетическую частицу «нейтрино», что можно перевести с итальянского как «нейтрончик». Это выступление было фактически первой официальной «публикацией», посвящённой нейтрино.

Экспериментально нейтрино было открыто только в 1957 г. (Райнесс)

В. Паули

Э. Ферми

множество новых частиц
с самыми разнообразными свойствами.
Большинство из них

– сильновзаимодействующие (адроны), нестабильные,
с временем распада ~10-23 сек. Они получили название резонансов.
Все они считались элементарными частицами. Всего известно стабильных и
нестабильных частиц около 1000 !!!

со странными свойствами - они рождались только в паре с другими
странными частицам.
Новое квантовое число – странность
Открытие странных гиперонов (тяжелее протона) - 50-60-е

Д. Рочестер, К. Батлер (1947) – открытие каонов или К-мезонов

Физики стали искать более фундаментальные частицы, из которых составлены
эти «элементарные» частицы.

Модель Сакаты – все адроны составлены из

Симметрии → законы сохранения → теория групп
→ мультиплеты, систематика адронов (спектроскопия)

Цвет: красный, зеленый, синий

нижний (down, d-quark),
странный (strange, s-quark)
Из теории следовало существование еще нескольких типов кварков, еще
нескольких запахов,
очарованый (charm, c-quark), Все кварки имеют дробный заряд
красивый (beauty, b-quark),
истинный (truth (top), t-quark)

Бозоны
(с целым спином)
состоят из
кварка и антикварка

Фермионы
(с полуцелым спином)
состоят из трех кварков

М. Гелл-Манн: все адроны состоят из кварков и антикварков (1964).
Кварки имеют дробный заряд, они различаются особыми
квантовыми числами (свойствами), которые получили названия
запах и цвет.

установила, что протон в некоторых процессах ведет себя так, как

будто он составлен из множества мелких частичек, которые получили название партоны (от part – часть) (1961).

В 1974 г. в двух экспериментах (С. Тинг и Б. Рихтер) были
открыты мезоны, состоящие из пары кварк-антикварк, с и с.
В одном эксперименте их назвали J -частицами,
в другом - -частицами.
Сейчас – J /.

b-quark был открыт в 1977 г. в американской лаборатории FermiLab (эксперимент E288, Л. Ледерман и др.).

t-quark был открыт в 1995 г. в экспериментах на коллайдере
Теватрон ( ) в американской лаборатории
FermiLab коллаборациями CDF и DØ.
CDF – коллаборация, около 600 человек.

CDF

DØ

(1965)
Элементарные частицы проявляют себя, взаимодействуя друг с другом.
Как взаимодействуют частицы?
Общий

принцип:
всякое взаимодействие носит обменный характер.
Для каждого типа взаимодействия есть
частицы - объекты взаимодействия
и есть
частицы - переносчики взаимодействия

Р. Фейнман

С. Томонага

Ю. Швингер

(все частицы)

Электромагнитное

(все заряженные частицы)

Слабое (лептоны, мезоны, барионы)

Сильное (барионы, мезоны)

взаимодействиях
Все сильновзаимодействующие частицы
(протон, нейтрон, пи-мезоны, К-мезоны, …)
состоят из

кварков

Барионы (полуцелый спин) + мезоны (целый спин) = адроны
участвуют в сильных взаимодействиях

Элементарные (?) частицы

Электромагнитные силы

Сильные силы

известно несколько сотен адронов

Т р и ц в е т а

обмениваясь глюонами
Теория взаимодействия кварков и глюонов –
квантовая хромодинамика
Электрический заряд

кварков кратен 1/3 заряда электрона
Асимптотическая свобода (чем меньше расстояние, тем слабее взаимодействие)

Конфайнмент («запирание» кварков и глюонов внутри адронов) – это есть экспериментальный факт, строгая теория пока не существует, хотя есть КХД

Д. Гросс

Д. Политцер

Ф. Вильчек

Нобелевская премия за открытие
асимптотической свободы в КХД
(2004)

with separation!
“white” proton (uud)
quark
“white” proton (uud)
(confined quarks)
Обычные адроны называют бесцветными

или белыми

–
роль фотонов и глюонов в слабых взаимодействиях играют W- и

Z –бозоны –
они в 80 раз тяжелее протона

Предсказывает существование новой частицы, которая еще не наблюдалась –
бозон Хиггса с массой около 120 масс протона

Единая теория электромагнитных
и слабых взаимодействий –
нобелевская премия в 1979 г

С. Вайнберг

А. Салам

Ш. Глэшоу

Единая теория электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий -
Стандартная теория (модель)

П.В. Хиггс

CMS Joe Incandela, (справа на фото) и ATLAS Fabiola Gianotti

(слева на фото) и на семинаре, и на пресс-конференции неоднократно подчеркнули, что
это окрытие было бы невозможно без использования грида для обработки экспериментальных данных.

4 июля 2012 р. в ЦЕРНе состоялся семинар, на котором после докладов руководителей экспериментов CMS и ATLAS было заявлено об открытии новой частицы. С большой вероятностью эта новая частица является бозоном Хиггса. Предсказан 50 лет назад, поиски ведутся уже много лет.

Реконструкция одного из событий:
распад новой частицы на два гамма кванта

GeV
with local significance 5.0 σ

высокой плотности ядерного вещества
исчезают «границы» между нуклонами (протонами и

нейтронами),
образуется новое состояние материи, в котором нет адронов,
а есть только кварки и глюоны

изучение свойств частиц и их взаимодействий
Лабораторная система
Система центра масс
Соотношение неопределенностей

Чтобы «проникнуть» на малые
расстояния, т.е иметь малую
неопределенность в координате,
нужно иметь частицы
с большими импульсами