Teilchenphysik (auch bekannt als Hochenergiephysik ) ist ein Zweig der Physik, der die Natur der Teilchen untersucht, aus denen Materie und Strahlung bestehen. Obwohl sich das Wort Particle auf verschiedene Arten sehr kleiner Objekte (z. B. Protonen, Gaspartikel oder sogar Haushaltsstaub) beziehen kann, untersucht die -Partikelphysik normalerweise die irreduzibel kleinsten detektierbaren Partikel und das Fundament Interaktionen, die notwendig sind, um ihr Verhalten zu erklären. Nach unserem derzeitigen Verständnis sind diese Elementarteilchen Anregungen der Quantenfelder, die auch ihre Wechselwirkungen bestimmen. Die derzeit vorherrschende Theorie, die diese grundlegenden Teilchen und Felder sowie deren Dynamik erklärt, wird als Standardmodell bezeichnet. Daher untersucht die moderne Teilchenphysik im Allgemeinen das Standardmodell und seine verschiedenen möglichen Erweiterungen, z. auf das neueste "bekannte" Teilchen, das Higgs-Boson, oder sogar auf das älteste bekannte Kraftfeld, die Schwerkraft. [1][2]
Subatomare Teilchen [ edit
Die moderne Teilchenphysik-Forschung konzentriert sich auf Subatomare Partikel, einschließlich atomarer Bestandteile wie Elektronen, Protonen und Neutronen (Protonen und Neutronen sind Verbundpartikel, sogenannte Baryonen, die aus Quarks bestehen), die durch radioaktive Prozesse und Streuprozesse wie Photonen, Neutrinos und Myonen sowie eine Vielzahl von Teilchen erzeugt werden Reihe von exotischen Partikeln.
Die Dynamik von Partikeln wird auch von der Quantenmechanik bestimmt. Sie zeigen eine Welle-Teilchen-Dualität, die unter bestimmten experimentellen Bedingungen partikelähnliches Verhalten und in anderen Wellenverhalten zeigt. Technisch gesehen werden sie durch Quantenzustandsvektoren in einem Hilbert-Raum beschrieben, der ebenfalls in der Quantenfeldtheorie behandelt wird. Nach der Konvention von Teilchenphysikern wird der Begriff Elementarteilchen auf diejenigen Teilchen angewendet, von denen nach heutigem Verständnis angenommen wird, dass sie unteilbar sind und nicht aus anderen Teilchen bestehen. [3]
Alle Teilchen und ihre Wechselwirkungen Bis heute kann die Quantenfeldtheorie, die als Standardmodell bezeichnet wird, fast vollständig beschrieben werden. [4] Das Standardmodell, wie es derzeit formuliert ist, besteht aus 61 Elementarteilchen. [3]
Diese Elementarteilchen können sich zu Verbundpartikeln zusammenschließen, was Hunderte ausmacht von anderen Teilchenarten, die seit den 1960er Jahren entdeckt wurden.
Das Standardmodell stimmt mit fast allen bisher durchgeführten experimentellen Tests überein. Die meisten Teilchenphysiker glauben jedoch, dass es sich um eine unvollständige Beschreibung der Natur handelt und dass eine grundlegendere Theorie auf ihre Entdeckung wartet (siehe Theory of Everything). Messungen der Neutrino-Masse stellten in den letzten Jahren die ersten experimentellen Abweichungen vom Standardmodell dar. [ erforderliche Klärung ]
History [ [19599013] ] Die Idee, dass alle Materie aus Elementarteilchen besteht, stammt mindestens aus dem 6. Jahrhundert v. Chr. [5] Im 19. Jahrhundert kam John Dalton durch seine Arbeit zur Stöchiometrie zu dem Schluss, dass jedes Element der Natur aus einem einzigen, einzigartigen Element besteht Teilchenart. [6] Das Wort Atom nach dem griechischen Wort atomos das "unteilbar" bedeutet, bezeichnet seitdem das kleinste Teilchen eines chemischen Elements, aber die Physiker haben das bald entdeckt Atome sind in der Tat nicht die fundamentalen Teilchen der Natur, sondern sind Konglomerate von noch kleineren Teilchen wie dem Elektron. Die Erkundungen der Kernphysik und der Quantenphysik im frühen 20. Jahrhundert führten 1939 zu Beweisen der Kernspaltung von Lise Meitner (basierend auf Experimenten von Otto Hahn) und der Kernfusion von Hans Bethe im selben Jahr; Beide Entdeckungen führten auch zur Entwicklung von Atomwaffen. In den 1950er und 1960er Jahren wurde bei Kollisionen von Partikeln aus zunehmend energiereicheren Strahlen eine verwirrende Vielfalt von Partikeln gefunden. Es wurde informell als "Partikel Zoo" bezeichnet. Dieser Begriff wurde missbraucht nach der Formulierung des Standardmodells in den 70er Jahren, in dem die große Anzahl von Teilchen als Kombinationen einer (relativ) kleinen Anzahl von Teilchen erklärt wurde mehr grundlegende Teilchen.
Standard Model [ edit ]
Der aktuelle Stand der Klassifizierung aller Elementarteilchen wird durch das Standard Model erklärt. Es beschreibt die starken, schwachen und elektromagnetischen fundamentalen Wechselwirkungen mit Hilfe von Eichbosonen. Die Arten von Eichbosonen sind acht Gluonen,
W -
W +
und
Z
Bosonen und das Photon. [4] The Das Standardmodell enthält auch 24 fundamentale Fermionen (12 Partikel und ihre zugehörigen Antiteilchen), die Bestandteile aller Materie sind. [7] Schließlich prognostizierte das Standardmodell auch die Existenz eines als Higgs-Boson bekannten Bosonentyps. Am frühen Morgen des 4. Juli 2012 gaben Physiker mit dem Large Hadron Collider am CERN bekannt, dass sie ein neues Teilchen gefunden hatten, das sich ähnlich verhält, was vom Higgs-Boson erwartet wird. [8]
Experimentelle Laboratorien [ edit ]
Die weltweit größten Laboratorien für Teilchenphysik sind:
- Brookhaven National Laboratory (Long Island, USA). Ihre Hauptanlage ist der Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), der mit schweren Ionen wie Goldionen und polarisierten Protonen kollidiert. Es ist der erste Schwerionenkollider der Welt und der einzige polarisierte Protonenkollider der Welt. [9] [ nicht zitiert
- Budker-Institut für Kernphysik (Nowosibirsk, Russland). Seine Hauptprojekte sind nun die seit 2006 betriebenen Elektronen-Positron-Kollisierer VEPP-2000 [10] und VEPP-4 [11] die 1994 mit Experimenten begannen. Zu früheren Anlagen gehörte der erste Elektronen-Elektronenstrahl-Kollisierer VEP-1, die Experimente von 1964 bis 1968 durchführte; die Elektron-Positron-Kolliders VEPP-2, betrieben von 1965 bis 1974; und sein Nachfolger VEPP-2M [12] führte Experimente von 1974 bis 2000 durch. [13]
- CERN (Europäische Organisation für Kernforschung) (französisch-schweizerische Grenze in der Nähe von Genf). Ihr Hauptprojekt ist nun der Large Hadron Collider (LHC), der am 10. September 2008 erstmals zum Strahlen kam und heute der energiereichste Protonenkollider der Welt ist. Es wurde auch zum energiegeladensten Kollider schwerer Ionen, nachdem es mit der Kollision von Bleiionen begann. Zu den früheren Einrichtungen gehörte der Large Electron-Positron Collider (LEP), der am 2. November 2000 gestoppt und dann demontiert wurde, um Platz für LHC zu schaffen. und das Super Proton Synchrotron, das als Vorbeschleuniger für den LHC wiederverwendet wird. [14]
- DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) (Hamburg, Deutschland). Seine Haupteinrichtung ist die Hadron Elektron Ring Anlage (HERA), die Elektronen und Positronen mit Protonen kollidiert. [15]
- Nationales Beschleunigerlabor von Fermi (Fermilab) (Batavia, USA). Bis 2011 war das Tevatron die wichtigste Anlage, die Protonen und Antiprotonen kollidierte und der Teilchenkollider mit der höchsten Energie auf der Erde war, bis der Large Hadron Collider es am 29. November 2009 übertraf. [16]
- Institute of High Energy Physics (IHEP) (Peking, China). IHEP verwaltet eine Reihe von Chinas großen Teilchenphysikeinrichtungen, darunter den Beijing Electron Positron Collider (BEPC), das Beijing Spectrometer (BES), die Beijing Synchrotron Radiation Facility (BSRF), das Internationale Cosmic-Ray-Observatorium in Yangbajing in Tibet, die Daya Bay Reactor Neutrino Experiment, die China Spallation Neutron Source, das Hard X-ray Modulation Telescope (HXMT) und das Accelerator-Driven Subcritical System (ADS) sowie das Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO). [17]
- KEK (Tsukuba, Japan). Es ist die Heimat einer Reihe von Experimenten, wie dem K2K-Experiment, einem Neutrino-Oszillations-Experiment und dem Belle-Experiment zur Messung der CP-Verletzung von B. Mesonen. [18]
- Nationales Beschleunigerlabor SLAC (Menlo Park, United Zustände). Sein 2 Meilen langer linearer Teilchenbeschleuniger wurde 1962 in Betrieb genommen und war bis 2008 die Grundlage für zahlreiche Experimente mit Elektronen- und Positronenkollisionen. Seitdem wird der Linearbeschleuniger sowohl für den Röntgenlaser Linac Coherent Light Source als auch für den fortgeschrittenen Beschleuniger verwendet Design-Forschung. SLAC-Mitarbeiter beteiligen sich weiterhin an der Entwicklung und dem Bau vieler Teilchendetektoren auf der ganzen Welt. [19]
Es gibt auch viele andere Teilchenbeschleuniger.
Die Techniken, die für die moderne experimentelle Teilchenphysik erforderlich sind, sind recht unterschiedlich und komplex und bilden eine fast völlig voneinander getrennte Unterspezialität. [ Zitat benötigt von der theoretischen Seite des Feldes.
Theoretische Teilchenphysik versucht, Modelle, theoretische Rahmenbedingungen und mathematische Werkzeuge zu entwickeln, um aktuelle Experimente zu verstehen und Vorhersagen für zukünftige Experimente zu treffen. Siehe auch theoretische Physik. In der theoretischen Teilchenphysik gibt es heute mehrere miteinander in Wechselbeziehung stehende Anstrengungen.
Ein wichtiger Zweig versucht, das Standardmodell und seine Tests besser zu verstehen. Durch das Extrahieren der Parameter des Standardmodells aus Experimenten mit weniger Unsicherheit untersucht diese Arbeit die Grenzen des Standardmodells und erweitert damit unser Verständnis der Bausteine der Natur. Diese Bemühungen werden durch die Schwierigkeit, Mengen in der Quantenchromodynamik zu berechnen, schwierig. Einige Theoretiker, die in diesem Bereich arbeiten, bezeichnen sich als Phänomenologen (19459004) und können die Werkzeuge der Quantenfeldtheorie und der effektiven Feldtheorie verwenden. Andere nutzen die Gitterfeldtheorie und nennen sich Gittertheoretiker .
Eine weitere große Anstrengung ist der Modellbau, bei dem Modellbauer Ideen entwickeln, welche Physik außerhalb des Standardmodells liegen könnte (bei höheren Energien oder kleineren Entfernungen). Diese Arbeit wird oft durch das Hierarchieproblem motiviert und durch vorhandene experimentelle Daten eingeschränkt. Dies kann die Arbeit an der Supersymmetrie, Alternativen zum Higgs-Mechanismus, zusätzliche räumliche Dimensionen (wie die Randall-Sundrum-Modelle), die Preon-Theorie, Kombinationen davon oder andere Ideen beinhalten.
Eine dritte große Anstrengung in der theoretischen Teilchenphysik ist die Stringtheorie. Stringtheoretiker versuchen, eine einheitliche Beschreibung der Quantenmechanik und der allgemeinen Relativitätstheorie zu konstruieren, indem sie eine Theorie aufbauen, die auf kleinen Strings und eher auf Partikeln als auf Partikeln basiert. Wenn die Theorie erfolgreich ist, kann sie als "Theorie von allem" oder "TOE" betrachtet werden.
In der theoretischen Teilchenphysik gibt es auch andere Arbeitsbereiche, die von der Teilchenkosmologie bis zur Schleifenquantengravitation reichen.
Diese Aufteilung der Bemühungen in der Teilchenphysik spiegelt sich in den Namen der Kategorien im arXiv, einem Vorabdruckarchiv: [20] hep-th (Theorie), hep-ph (Phänomenologie), hep-ex (Experimente), hep -Lat (Theorie der Gitterlehre).
Praktische Anwendungen [ edit ]
Grundsätzlich kann die gesamte Physik (und daraus entwickelte praktische Anwendungen) aus der Untersuchung grundlegender Teilchen abgeleitet werden. In der Praxis wurden, auch wenn "Teilchenphysik" nur "Hochenergie-Atomzerstörer" bedeutet, im Zuge dieser wegweisenden Untersuchungen viele Technologien entwickelt, die später breite Anwendung in der Gesellschaft finden. Teilchenbeschleuniger werden zur Herstellung medizinischer Isotope für die Forschung und Behandlung (z. B. Isotope für die PET-Bildgebung) oder direkt für die externe Strahlentherapie verwendet. Die Entwicklung von Supraleitern wurde durch ihre Verwendung in der Teilchenphysik vorangetrieben. Das World Wide Web und die Touchscreen-Technologie wurden ursprünglich am CERN entwickelt. Weitere Anwendungen finden sich in der Medizin, in der nationalen Sicherheit, in der Industrie, in der Informatik, in der Wissenschaft und in der Entwicklung von Arbeitskräften und stellen eine lange und wachsende Liste nützlicher praktischer Anwendungen mit Beiträgen aus der Teilchenphysik dar. [21]
Das Hauptziel, das auf verschiedene Weise verfolgt wird ist es, herauszufinden und zu verstehen, welche Physik jenseits des Standardmodells liegen kann. Es gibt mehrere starke experimentelle Gründe, um neue Physik zu erwarten, darunter dunkle Materie und Neutrino-Masse. Es gibt auch theoretische Hinweise, dass diese neue Physik auf zugänglichen Energieskalen gefunden werden sollte.
Ein großer Teil der Bemühungen, diese neue Physik zu finden, konzentriert sich auf neue Kolliderexperimente. Der Large Hadron Collider (LHC) wurde im Jahr 2008 fertiggestellt, um die Suche nach dem Higgs-Boson, supersymmetrischen Teilchen und anderen neuen Physikarten fortzusetzen. Ein Zwischenziel ist die Konstruktion des International Linear Collider (ILC), der den LHC durch genauere Messungen der Eigenschaften neu gefundener Partikel ergänzt. Im August 2004 wurde eine Entscheidung für die Technologie des ILC getroffen, der Standort muss jedoch noch vereinbart werden.
Außerdem gibt es wichtige Experimente ohne Kollider, die versuchen, Physik jenseits des Standardmodells zu finden und zu verstehen. Ein wichtiger Nichtkollidator-Aufwand ist die Bestimmung der Neutrino-Massen, da diese Massen aus Neutrinos entstehen können, die sich mit sehr schweren Partikeln vermischen. Außerdem bieten kosmologische Beobachtungen viele nützliche Einschränkungen für die Dunkle Materie, obwohl es möglicherweise unmöglich ist, die genaue Natur der Dunklen Materie ohne die Kollider zu bestimmen. Schließlich schränkten die unteren Grenzen der sehr langen Lebensdauer des Protons Grand Unified Theories auf Energieskalen viel höher ein, als Collider-Experimente in absehbarer Zeit feststellen können.
Im Mai 2014 veröffentlichte das Priority Panel des Particle Physics Project seinen Bericht über die Prioritäten der Finanzierung der Teilchenphysik für die Vereinigten Staaten im nächsten Jahrzehnt. Dieser Bericht betonte die fortgesetzte Beteiligung der USA am LHC und ILC sowie die Erweiterung des Deep Underground Neutrino-Experiments.
Hochenergiephysik im Vergleich zur Niedrigenergiephysik [ edit ]
Der Begriff der Hochenergiephysik muss näher erläutert werden. Intuitiv mag es falsch erscheinen, "hohe Energie" mit der Physik von sehr kleinen, niedrigen Massenobjekten wie subatomaren Teilchen in Verbindung zu bringen. Im Vergleich dazu hat ein Beispiel eines makroskopischen Systems, ein Gramm Wasserstoff, 6 × 10 23 23 mal die Masse eines einzelnen Proton. Sogar ein ganzer Protonenstrahl, der im LHC zirkuliert, enthält ~ 3.23 × 10 14 14 [23] jeweils mit an Energie, für eine Gesamtenergie des Strahls von ~ 2.1 Die in anderen Bereichen der Physik und Wissenschaft untersuchten Wechselwirkungen weisen einen vergleichsweise sehr niedrigen Energieverbrauch auf. Zum Beispiel beträgt die Photonenenergie von sichtbarem Licht etwa 1,8 bis 3,1 eV. In ähnlicher Weise beträgt die Bindungsdissoziationsenergie einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung etwa 3,6 eV. Andere chemische Reaktionen beinhalten typischerweise ähnliche Mengen an Energie. Selbst Photonen mit weitaus höherer Energie, Gammastrahlen, wie sie im radioaktiven Zerfall erzeugt werden, haben meistens Photonenenergie zwischen 10 5 eV eV und [19659060766870000000] ] 10 7 eV - immer noch zwei Größenordnungen niedriger als die Masse eines einzelnen Protons. Radioaktive Zerfallsgammastrahlen gelten als Teil der Kernphysik und nicht der Hochenergiephysik. Das Proton hat eine Masse von etwa 9.4 × 10 8 eV eV ; einige andere massive Quantenpartikel, sowohl elementare als auch hadronische, haben noch höhere Massen. Aufgrund dieser sehr hohen Energien auf Einzelpartikelebene ist die Teilchenphysik tatsächlich Hochenergiephysik. Siehe auch [ edit ]
Literaturhinweise [ edit
Weiterführende Literatur [ edit
Externe Links [ edit ]
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