Տարրական մասնիկների ֆիզիկա

Տարրական մասնիկների ֆիզիկա, հաճախ նաև՝ բարձր էներգիաների ֆիզիկա, ֆիզիկայի բաժին, որն ուսումնասիրում է տարրական մասնիկների և նրանց փոխազդեցությունների հատկությունները և կառուցվածքը։

ՑԵՌՆ-ի Մեծ հադրոնային բախիչի CMS տարրական մասնիկների դետեկտորի համար մոդելավորած տվյալների օրինակ։ Երկու պրոտոնների բախման արդյունքում առաջանում է Հիգսի բոզոն, որը տրոհվում է երկու հադրոնի և երկու էլեկտրոնի։ Գծերով պատկերված են պրոտոն-պրոտոնային բախման հետևանքով առաջացած մասնիկների հնարավոր հետագծերը դետեկտորում։ Մասնիկների էներգիան պատկերված է կապույտով։

Տեսական տարրական մասնիկների ֆիզիկա

Ստանդարտ մոդելի շրջանակներում նկարագրված տարրական մասնիկները

Տեսական տարրական մասնիկների ֆիզիկան կառուցում է տեսական մոդելներ, որոնք բացատրում են փորձերի արդյունքում ստացված տվյալները, կանխատեսումներ է անում ապագա փորձերի վերաբերյալ և մշակում է հետազոտությունների համար անհրաժեշտ մաթեմատիկական ապարատը։ Ներկայումս տարրական մասնիկների ֆիզիկայի հիմնական տեսական գործիքը դաշտի քվանտային տեսությունն է։ Այդ տեսական սխեմայի շրջանակներում յուրաքանչյուր տարրական մասնիկ համարվում է որոշակի քվանտային դաշտի գրգռման քվանտ։ Մասնիկների յուրաքանչյուր տիպի համար ներմուծվում է համապատասխան դաշտը։ Քվանտային դաշտերը փոխազդում են, ինչի արդյունքում նրանց քվանտները կարող են փոխակերպվել մեկը մյուսին։

Տարրական մասնիկների ֆիզիկայի նոր մոդելների կառուցման հիմնական գործիքը լագրանժյաններն են։ Լագրանժյանը կազմված է դինամիկ մասին, որը նկարագրում է ազատ քվանտային դաշտի (այլ դաշտերի հետ չփոխազդող) դինամիկան, և դաշտի ինքնափոխազդեցությունը կամ այլ դաշտերի հետ փոխազդեցությունը նկարագրող մասին։ Եթե հայտնի է դինամիկական համակարգի լրիվ լագրանժյանը, ապա համաձայն դաշտի քվանտային տեսության լագրանժյան ֆորմալիզմի, կարելի է նկարագրել դաշտերի համակարգի շարժման հավասարումների համակարգը և փորձել լուծել այն։

Տեսական տարրական մասնիկների ֆիզիկայի գլխավոր արդյունքը տարրական մասնիկների ֆիզիկայի ստանդարտ մոդելի կառուցումն է։ Այս մոդելը հիմնվում է դաշտերի տրամաչափային փոխազդեցությունների և տրամաչափային սիմետրիայի ինքնակամ խախտման մեխանիզմի (Հիգսի մեխանիզմ) գաղափարների վրա։ Վերջին մի քանի տասնյակ տարիներին նրա կանխատեսումները բազմիցս ստուգվել են փորձերում և ներկայումս այն միակ ֆիզիկական տեսությունն է, որն աշխարհի կառուցվածքը նույնականորեն նկարագրում է մինչև 10⁻¹⁸ մ կարգի հեռավորությունների համար։ Ստանդարտ մոդելում նկարագրվում են 61 մասնիկ^[1]։

Տեսական տարրական մասնիկների ֆիզիկայի բնագավառում աշխատող ֆիզիկոսները երկու հիմնական խնդիր ունեն. նոր մոդելներ կառուցել փորձերի նկարագրման համար և փորձնականորեն ստուգել այդ մոդելների (այդ թվում ստանդարտ մոդելի) կանխատեսումները։ Երկրորդ խնդրով զբաղվում է տարրական մասնիկների ֆենոմենոլոգիան։

Փոխազդեցության հասկացությունը տարրական մասնիկների ֆիզիկայում

Տարրական մասնիկների ֆիզիկայում փոխազդեցությունը սկզբուքնորեն տարբերվում է ֆիզիկայի այլ բնագավառներում օբյեկտների փոխազդեցությունից։ Դասական մեխանիկան ուսումնասիրում է մարմինների շարժումը, որոնք գործնականում կարող են փոխազդել միմյանց հետ։ Սակայն այս փոխազդեցության մեխանիզմները դասական մեխանիկայում չեն ճշգրտվում։ Ի հակառակ դրան, տարրական մասնիկների ֆիզիկան հավասարապես ուշադրություն է դարձնում ինչպես հենց մասնիկներին, այնպես էլ նրանց փոխազդեցություններին։ Դա կապված է այն բանի հետ, որ տարրական մասնիկների ֆիզիկան կարողանում է նկարագրել էլեկտրամագնիսական, ուժեղ և թույլ փոխազդեցությունները որպես վիրտուալ մասնիկներով փոխանակություն։ Այս նկարագրության համար կարևոր պոստուլատ է տրամաչափային ձևափոխությունների նկատմամբ մեր աշխարհի սիմետրիկության պահանջը։

Մասնիկների և նրանց փոխազդեցությունների իրավահավասարությունը գեղեցիկ կերպով ի հայտ է գալիս սուպերսիմետրիայի տեսություններում, որոնցում կանխադրվում է մեր աշխարհի ևս մեկ թաքնված սիմետրիայի՝ սուպերսիմետրիայի առկայությունը։ Կարելի է ասել, որ սուպերսիմատրիայի ձևափոխության ժամանակ մասնիկները փոխակերպվում են փոխազդեցությունների, իսկ փոխազդեցությունները՝ մասնիկների։

Այստեղից երևում է տարրական մասնիկների ֆիզիկայի բացառիկ հիմնարարությունը՝ նրանում փորձ է արվում հասկանալու աշխարհի այնպիսի հատկություններ, որոնք մինչ այդ (ֆիզիկայի մյուս բաժիններում) ընդամենը որպես տվյալներ էին ընդունվում։

Փորձարարական տարրական մասնիկների ֆիզիկա

Տարրական մասնիկների փորձարարական ֆիզիկան բաժանվում է երկու մեծ մասի՝ արագացուցիչային և ոչ արագացուցիչային։

Արագացուցիչային տարրական մասնիկների ֆիզիկայում երկարակյաց տարրական մասնիկներին հաղորդվում են բարձր էներգիաներ, (արագացուցիչներում), և դիտարկվում է նրանց բախումը միմյանց կամ անշարժ թիրախի հետ։ Այսպիսի բախումների պրոցեսներում հաջողվում է միկրոսկոպիկ ծավալում ստանալ էներգիայի շատ բարձր կոնցենտրացիա, ինչը հանգեցնում է նոր, սովորաբար անկայուն մասնիկների առաջացմանը։ Ուսումնասիրելով այդպիսի ռեակցիաների բնութագրերը (առաջացած այս կամ այն տիպի մասնիկների քանակը, քանակի կախումը սկզբնական մասնիկների տիպից, բևեռացումից, էներգիայից, թռչելու անկյունից և այլն), կարելի է վերականգնել սկզբնական մասնիկների ներքին կառուցվածքը, հատկությունները, փոխազդեցությունների բնույթը։

Ոչ արագացուցիչային տարրական մասնիկների ֆիզիկան աշխարհի պասիվ դիտարկումն է։ Այդպիսի փորձերում հետազոտվում են բնական ծագումով տարրական մասնիկները։ Տիպիկ ոչ արագացուցիչային փորձերից են նեյտրինոյի դիտարկումը այսպես կոչված նեյտրինային աստղադիտակներով, պրոտոնի տրոհման որոնումները, ոչ նեյտրինային կրկնակի բետա-տրոհումը և նյութի մեծ ծավալում դիտարկվող այլ խիստ հազվադեպ իրադարձություններ, տիեզերական ճառագայթներով փորձեր և այլն։

Տարրական մասնիկների ֆիզիկայի չլուծված խնդիրները

Ժամանակակից տարրական մասնիկների ֆիզիկայում առանձնացվում են մի շարք չլուծված խնդիրներ^[2]։

Փորձնականորեն սահմանված նեյտրինային տատանումների երևույթը ցուցանշում է ստանդարտ մոդելի անկատարությունը։ Բացի այդ, կան առանձին փորձարարական վկայություններ, որ նեյտրինոյի և հականեյտրինոյի տատանումների լայնույթները տարբերվում են։

Աստղաֆիզիկական և տիեզերագիտական հետազոտությունները վկայում են ստանդարտ մոդելի սահմաններից դուրս ֆիզիկայի մասին։ Այսպես, տիեզերքի բարիոնային ասիմետրիան դիտարկվող փաստ է, մինչդեռ ստանդարտ մոդելում բարիոնային թիվը հաստատուն է։ Այլ փաստ է տիեզերքում այսպես կոչված թաքնված զանգվածի գոյությունը, որը սովորաբար բացատրվում է ժամանակակից ֆիզիկային անծանոթ բնույթով մութ նյութի գոյությամբ։ Վերջապես, ժամանակակից ֆիզիկայի շրջանակներում անբացատրելի փաստ է տիեզերքի արագացված ընդարձակումը, որը սովորաբար կապում են այսպես կոչված մութ էներգիայի հետ։

Առանձին խնդիր է տրամաչափային աստիճանակարգության խնդիրը, որի էություն ն այն է, որ ուժեղ և էլեկտրաթույլ փոխազդեցությունների բնութագրական էներգիական մասշտաբները (200 ՄէՎ և 256 ՄէՎ համապատասխանաբար) մի քանի կարգով փոքր են գրավիտացիոն փոխազդեցության մասշտաբից (10¹⁹ ԳէՎ), ինչպես նաև մեծ միավորման փոխազդեցության ենթադրվող մասշտաբից (10¹⁶ ԳէՎ) և ուժեղ փոխազդեցություններում CP-պահպանման հետ կապված մասշտաբից (10¹⁴ ԳէՎ)։ Այդպիսի աստիճանակարգության բնույթի, կայունության և մասշտաբների երկու խմբերի միջև մեծ «անապատի» առկայության հարցերն այժմեական են։

Եվս մեկ աստիճանակարգության խնդիր կապված է ֆերմիոնների զանգվածների հետ։ Ստանդարտ մոդելի շրջանակներում բոլոր ֆերմիոնային դաշտերը (լեպտոններ և քվարկներ) երեք սերունդ են կազմում։ Ընդ որում սերունդների զանգվածները բազմապատիկ տարբերվում են միմյանցից, չնայած տարբեր սերունդների մասնիկները մյուս հատկություններով չեն տարբերվում։ Այս աստիճանակարգության բացատրությունը ժամանակակից ֆիզիկայի խնդիրներից մեկն է։

Հադրոնները նկարագրելու տեսական դժվարություններ նույնպես կան։ Մասնավորապես գունային լիցքի արգելափակումը քվանտային քրոմոդինամիկայի ոչ խոտորումային եղանակների ներգրավվածություն է պահանջում։

Ֆիզիկան ստանդարտ մոդելից անդին

Ստանդարտ մոդելից անդին ֆիզիկան (այլ կերպ կոչվում է նոր ֆիզիկա) վերաբերում է տեսական մշակումներին, որոնք անհրաժեշտ են ստանդարտ մոդելի թերությունները բացատրելու համար, զանգվածների առաջացումը, ուժեղ CP-խնդիրը, նեյտրինային տատանումները, նյութի և հականյութի ասիմետրիան, մութ նյութի և մութ էներգիայի առաջացումը^[3]։ Այլ խնդիր է ստանդարտ մոդելի մաթեմատիկական հիմքերը. ստանդարտ մոդելը չի համաձայնում հարաբերականության ընդհանուր տեսության հետ այն իմաստով, որ որոշակի պայմանների դեպքում տեսությունները խզվում են (օրինակ, տարածաժամանակի հայտնի սինգուլյարությունների դեպքում, ինչպիսիք են Մեծ պայթյունը և սև խոռոչի իրադարձությունների հորիզոնը)։

Ստանդարտ մոդելից սահմաններից անդին տեսությունները ներառում են ստանդարտ մոդելի տարբեր ընդլայնումներ սուպերսիմետրիայի միջոցով, ինչպիսիք են նվազագույն սուպերսիմետրիկ ստանդարտ մոդելը և նվազագույն սուպերսիմետրիկ ստանդարտ մոդելին հաջորդողը, կամ տալիս են բացառապես նոր բացատրություններ, ինչպես օրինակ լարերի տեսությունը, M-տեսությունը, լրացուցիչ չափումները։ Քանի որ այս տեսությունները որպես կանոն ամբողջովին համաձայնվում են ընթացիկ դիտվող երևույթների հետ կամ դեռ որոշակի կանխատեսումներ անելու ընդունակ չեն, հարցը, թե դրանցից որն է ճիշտը (կամ որն է ավելի լավ քայլ դեպի ամեն ինչի տեսությունը), կարելի է լուծել միայն փորձնականորեն։ Ներկայումս դա հետազոտությունների ամենագործուն տիրույթներից մեկն է ինչպես տեսական, այնպես էլ փորձարարական ֆիզիկայում։

Ծանոթագրություններ

1. Половинка от магнита Владислав Кобычев, Сергей Попов «Популярная механика» № 2, 2015Архив
2. С. В. Троицкий Нерешённые проблемы физики элементарных частиц // УФН. — 2012. — Т. 182. — С. 77—103.
3. «J. Womersley. «Beyond the Standard Model»» (PDF). Արխիվացված է օրիգինալից (PDF) 2007 թ․ հոկտեմբերի 17-ին. Վերցված է 2015 թ․ օգոստոսի 27-ին.