Partikkelfysikk

Partikkelfysikk er den ( eksperimentelle og teoretiske ) grenen av moderne fysikk som studerer de grunnleggende bestanddelene og interaksjonene mellom materie og stråling . Noen ganger brukes også det fysiske uttrykket for høy energi , og refererer til studier av partikler skapt i svært høyenergiakseleratorer og som ikke er tilstede i naturen under vanlige forhold: disse eksperimentene har tillatt å verifisere nye teorier og gi et viktig utgangspunkt for å utvikle nye modeller i teoretisk fysikk .

Partikkelfysikk har fortrengt begrepet «subnukleær fysikk» siden sistnevnte refererte til studiet av partikler inne i kjernen, mens i dag de fleste kjente partiklene ikke er kjernefysiske bestanddeler [1] .

Historie

Ideen om at materie er sammensatt av elementærpartikler går tilbake til minst det sjette århundre f.Kr. og ble født i en filosofisk-materialistisk kontekst. Den filosofiske læren om "atomisme" ble studert av antikke greske filosofer som Leucippus , Demokritos og Epikur . Selv om Isaac Newton allerede på 1600-tallet trodde at materie var sammensatt av partikler, var det John Dalton som i 1802 formelt argumenterte for at materie var sammensatt av små atomer.

Dmitri Mendeleevs første periodiske system fra 1869 bidro til å sementere dette synet, som hersket gjennom hele 1800-tallet . Joseph Thomsons arbeid slo fast at atomer var sammensatt av lette elektroner og massive protoner. Ernest Rutherford slo fast at protonene var konsentrert i en kompakt kjerne. Kjernen ble opprinnelig antatt å være sammensatt av avgrensede protoner og elektroner (for å kunne forklare forskjellen mellom elektrisk ladning og atomvekt), men ble senere oppdaget å være sammensatt av en kjerne av protoner og nøytroner og av elektroner i bane rundt der rundt.

På 1950- og 1960 -tallet utviklet det seg maskiner som var i stand til å produsere og oppdage en forbløffende rekke partikler. Disse ble omtalt som "partikkelzoo". Dette begrepet ble forlatt etter formuleringen av standardmodellen, i løpet av 1970 -tallet , der dette store antallet partikler ble forklart i form av kombinasjonen av et (relativt) lite antall fundamentale partikler.

Beskrivelse

Begrepet partikkel i moderne fysikk

Strengt tatt representerer ikke begrepet partikkel ment som et punktobjekt fullstendig alle egenskapene som er typiske for oppførselen til materiens elementære bestanddeler og stråling ved høye energier eller små avstander. Teoriene studert av partikkelfysikk følger prinsippene for kvantemekanikk og kvantefeltteori . Basert på bølge-partikkel-dualiteten , viser elektroner partikkellignende oppførsel under visse eksperimentelle forhold og bølgelignende oppførsel i andre. Matematisk beskrives elementærpartikler verken som bølger eller som partikler, men som en tilstandsvektor for et Hilbert-rom , kalt en bølgefunksjon . Etter konvensjonene til partikkelfysikere vil vi bruke "elementærpartikler" for å referere til elektroner og fotoner, vel vitende om at disse "partiklene" også viser bølgeegenskaper.

Partikkeldeteksjon: sjokk og akseleratorer

Det fysiske prinsippet for studiet av nye partikler er det enkle med høyenergikollisjoner: ved å kollidere med hverandre partikler med høy kinetisk energi , eller ved hastigheter nær lysets hastighet , kan produktet (syntesen) være, ved ekvivalens mellom masse og energi , en ny partikkel med høyere masse som til slutt forfaller til andre datterpartikler. Fra analysen av disse henfallene er det mulig å spore egenskapene til moderpartikkelen.

Generelt er det to mulige måter å oppdage nye subatomære partikler som fortsatt bruker partikkeldetektorer :

Standardmodell

De observerte partiklene og deres interaksjoner kan beskrives i god tilnærming av en kvantefeltteori kalt Standardmodellen som ofte regnes som den største prestasjonen innen teoretisk partikkelfysikk og som også representerer dagens klassifisering av kjente partikler [2] .

Modellen beskriver alle bestanddelene i fysisk materie og alle kjente fundamentale interaksjoner , med unntak av tyngdekraften , og har hatt ekstraordinære eksperimentelle tester med prediksjon av partikler faktisk oppdaget siden 1960-tallet . Forutsigelsene til standardmodellen er nøye verifisert av alle eksperimentene som er utført, spesielt med presisjonsmålingene utført ved LEP av CERN .

Spesielt beskriver den den sterke kjernekraften , den svake kjernekraften og elektromagnetismen (tre av de fire grunnleggende kreftene ) gjennom medierende bosoner , kjent som gauge bosoner . Målebosonene er: fotoner , W - bosoner, W + bosoner, Z-bosoner og gluoner . Modellen inneholder også 24 fundamentale partikler, som er bestanddelene i materie. Til slutt forutsier den eksistensen av en type skalarpartikkel kjent som Higgs-bosonet , teoretisert i årevis av fysikere og til slutt oppdaget i 2012 i eksperimentene med Large Hadron Collider .

Standardmodellen representerer et eksempel på forening av fundamentale interaksjoner : ettersom Maxwells ligninger tillot å forene elektriske og magnetiske interaksjoner i en enkelt elektromagnetisk interaksjon , i standardmodellen er de elektromagnetiske og svake interaksjonene forent i en enkelt elektrosvak interaksjon .

Imidlertid mener mange partikkelfysikere at denne modellen faktisk representerer en ufullstendig beskrivelse av den fysiske naturen og at en enda mer grunnleggende teori fortsatt venter på oppdagelse og utdyping. Faktisk gir standardmodellen ikke foreningen av den sterke interaksjonen med den elektrosvake ( teorien om den store foreningen ) og er ikke i stand til å forstå tyngdekraften ( teori om alt ), hvis behandling i generell relativitet ikke er forenlig med kvantemekanikk ... _ Standardmodellen gir dessuten ingen forklaring på baryonasymmetrien , dvs. at den ikke er i stand til å forklare det nesten totale fraværet av antimaterie i universet. Endelig kan mørk materie ikke bestå av noen partikkel beskrevet av standardmodellen.

Videre utvikling må derfor inkludere en kvanteteori om gravitasjon for den definitive foreningen av de tre kreftene som også er nevnt med gravitasjon: generell relativitet er faktisk basert på den "klassiske" modellen for kontinuerlig romtid der verdien av gravitasjonsfeltet kan anta en vilkårlig verdi liten. Den er derfor uforenlig med standardmodellen hvor intensiteten til feltene avhenger av partiklene som er involvert og derfor kun antar visse verdier.

Ikke desto mindre har standardmodellen i omtrent tretti år gitt resultater som er kompatible med eksperimentelle bevis; bare nylig har noen astronomiske observasjoner på mørk materie og på rødforskyvningen til de fjerneste kvasarene sammen med noen eksperimentelle resultater på massen til nøytrinoen og på målingen av det magnetiske momentet til myonen introdusert tvil om at dette ikke er en fullstendig modell.

Partikkelfysikk og universet

Partikkelfysikk, eller fysikken til det uendelig små, er nært korrelert med kosmologi , eller fysikken til det uendelig store, ettersom energitetthetene involvert i høyenergifysikk (f.eks. i akseleratorer) er sammenlignbare med de som var tilstede i det opprinnelige universet , og dermed kunne studere de fysiske egenskapene i form av partikler og interaksjoner. Så mange av hovedspørsmålene som partikkelfysikk stiller seg selv har også en interesse i å bedre forstå universet, dets opprinnelse og skjebne. Mellom disse:

Vitenskapelig forskning

Forskningssentre

Innen partikkelfysikk er de store eksperimentelle forskningssentrene:

I tillegg til disse er det mange andre nasjonale og internasjonale laboratorier som er vert for en eller flere partikkelakseleratorer .

I Italia

Italia spiller en ledende rolle innen partikkelfysikk ved å delta med viktige ansvarsposisjoner i implementering og forskning utført i de viktigste partikkelfysikkprosjektene . Forskning på dette området er i stor grad finansiert i Italia av National Institute of Nuclear Physics (INFN) som samarbeider med dusinvis av fysikkavdelinger ved de forskjellige italienske universitetene .

I 1984 mottok italieneren Carlo Rubbia Nobelprisen i fysikk for den eksperimentelle bekreftelsen av W- og Z-bosonene ved CERN i Genève.

Italia er et grunnleggende medlem av CERN , og har hatt den generelle ledelsen av laboratoriet tre ganger ( Carlo Rubbia , fra 1989 til 1993 , Luciano Maiani fra 1999 til 2003 , Fabiola Gianotti fra 2015).

Internasjonal finansiering av store prosjekter

Partikkelfysikk har undersøkt fenomener som oppstår ved stadig større energier gjennom årene. For å gjøre dette med akseleratorer kreves det stadig mer komplekst og stort utstyr. Det største prosjektet, som fullføres ved CERN , er LHC -akseleratoren , som koster flere milliarder euro . Selv om disse utgiftene er spredt over en periode på mer enn et tiår, nødvendig for realiseringen, er gjennomførbarheten av prosjekter av denne størrelsen bare mulig takket være det økonomiske bidraget fra dusinvis av nasjoner.

Finansieringsland har i flere tilfeller vist at de er oppmerksomme på pengebruk på store forskningsprosjekter. For eksempel, i 1993 , stoppet USAs kongress byggingen av Superconducting Super Collider etter at 2 milliarder dollar allerede var investert. Denne akseleratoren ville faktisk ha utgjort en "dobbel" sammenlignet med LHC, og selv om den ville ha gjort det mulig å nå energier større enn LHC , var sistnevnte i stand til å gjenbruke alle sivilingeniørarbeidene til den forrige LEP - akseleratoren , bygget i en lang underjordisk tunnel27  km .

Teknologisk nedfall

Offentlige utgifter til finansiering av store forskningsprosjekter har imidlertid ofte betydelige positive teknologiske ringvirkninger, også i andre sektorer enn de som forskningsvirksomheten har som hovedformål.

Blant søknadene som har oppstått fra forskningsmiljøet for partikkelfysikk er:

Merknader

  1. ^ Francesco Terranova, en moderne grunnbok i partikkel- og kjernefysikk. , Oxford Univ. Press, 2021, ISBN  978-0192845252 .
  2. ^ Sylvie Braibant, Giorgio Giacomelli og Maurizio Spurio, Partikler og grunnleggende interaksjoner. , Springer, 2009, ISBN  978-8847027534 .
  3. ^ Maurizio Spurio, Particles and Astrophysics: A Multi-messenger Approach , Springer, 2017, ISBN  978-3319345390 .
  4. ^ Alessandro De Angelis og Mario Pimenta, Introduksjon til partikkel- og astropartikkelfysikk: Multimessenger Astronomy and Its Particle Physics Foundations , Springer, 2018, ISBN  978-3319781808 .
  5. ^ Medipix , på medipix.web.cern.ch . Hentet 5. mars 2018 (Arkiveret fra originalen 3. april 2008) .

Relaterte elementer

Andre prosjekter

Eksterne lenker