от взаимодействий элементарных частиц до...

Фундаментальные

представления современной

физики: от взаимодействий элементарных

частиц до структуры и эволюции

Вселенной

Физический факультет МГУ

Кафедра физики частиц и космологии

Валерий Анатольевич Рубаков академик,

доктор физико-математических наук,

профессор

Сергей Вадимович Троицкий доктор физико-математических наук

Владимир Викторович Белокуров доктор физико-математических наук,

профессор

10-12 1024 1018 106 1012 100 10-18 10-6

атом

ядро

протон

кварк человек Земля Галактика Вселенная

От составного к элементарному:

масштабы, исследованные человеком

размер в метрах

10-12 1024 1018 106 1012 100 10-18 10-6

атом

ядро

протон

кварк человек Земля Галактика Вселенная

От составного к элементарному:

масштабы, исследованные человеком

размер видимой

части Вселенной

размер в метрах

10-12 1024 1018 106 1012 100 10-18 10-6

атом

ядро

протон

кварк человек Земля Галактика Вселенная

От составного к элементарному:

масштабы, исследованные человеком

наименьший размер,

изученный на ускорителях

размер видимой

части Вселенной

размер в метрах

10-12 1024 1018 106 1012 100 10-18 10-6

атом

ядро

протон

кварк человек Земля Галактика Вселенная

От составного к элементарному:

масштабы, исследованные человеком

наименьший размер,

изученный на ускорителях

размер видимой

части Вселенной

размер в метрах

От составного к элементарному: атом

10-12 1024 1018 106 1012 100 10-18 10-6

атом

ядро

протон

кварк человек Земля Галактика Вселенная

размер в метрах

От составного к элементарному:

атом

предсказание: древние философы

косвенное доказательство: химия, 17 век

непосредственное наблюдение:

сканирующий электронный микроскоп, 20 век

размер: 10-10 м

От составного к элементарному:

атом

непосредственное наблюдение:

сканирующий электронный микроскоп, 20 век

размер: 10-10 м

составной структуры не видно!

От составного к элементарному: универсальный способ деления на части

От составного к элементарному: немного более хитрый метод

От составного к элементарному: ядро

предсказание нейтрона:

Амбарцумян, Иваненко 1930

открытие нейтрона:

Чэдвик, 1932

составные части: протоны (+), нейтроны (0)

От составного к элементарному: протон

10-12 1024 1018 106 1012 100 10-18 10-6

атом

ядро

протон

кварк человек Земля Галактика Вселенная

размер в метрах

От составного к элементарному: протон

открытие: Резерфорд, 1919

составная структура: 1968

(стабилен, нужна кувалда)

размер: 9×10-16 м

От составного к элементарному: структура протона

глубоконеупругое рассеяние электронов на протонах

1968

SLAC

(Стэнфорд, США)

~2 км

От составного к элементарному: неделимые (?) кварки

10-12 1024 1018 106 1012 100 10-18 10-6

атом

ядро

протон

кварк человек Земля Галактика Вселенная

размер в метрах

От составного к элементарному: неделимые (?) кварки

10-12 1024 1018 106 1012 100 10-18 10-6

атом

ядро

протон

кварк человек Земля Галактика Вселенная

размер в метрах

наименьший размер,

изученный на ускорителях

От составного к элементарному: неделимые (?) кварки

вплоть до размеров порядка 10-18 м

признаков составной структуры кварков не обнаружено

2012

LHC, CERN

(Женева, Швейцария/Франция)

~30 км

Мир частиц и взаимодействий: силы между частицами

10-12 1024 1018 106 1012 100 10-18 10-6

атом

ядро

протон

кварк человек Земля Галактика Вселенная

размер в метрах

гравитация

Мир частиц и взаимодействий: силы между частицами

10-12 1024 1018 106 1012 100 10-18 10-6

атом

ядро

протон

кварк человек Земля Галактика Вселенная

размер в метрах

гравитация электро-

магнетизм

Мир частиц и взаимодействий: силы между частицами

10-12 1024 1018 106 1012 100 10-18 10-6

атом

ядро

протон

кварк человек Земля Галактика Вселенная

размер в метрах

гравитация электро-

магнетизм

сильное

слабое

Мир частиц и взаимодействий: силы между частицами

гравитация электро-

магнетизм сильное слабое

Мир частиц и взаимодействий: силы между частицами

гравитация

~1/R2

электро-

магнетизм

R

F

сильное слабое

Мир частиц и взаимодействий: силы между частицами

гравитация

~1/R2

электро-

магнетизм

~1/R2

R

F

сильное слабое

Мир частиц и взаимодействий: силы между частицами

гравитация

~1/R2

электро-

магнетизм

~1/R2

R

F

сильное слабое

~e-A R ~R

Мир частиц и взаимодействий: силы между частицами

гравитация

~1/R2

электро-

магнетизм

~1/R2

R

F

сильное слабое

~e-A R ~R

электрон фотон протон, нейтрон

p=uud, n=udd

Мир частиц и взаимодействий: частицы, встречающиеся в быту

электрон мюон τау заряженные лептоны

d s b

«верхние» кварки

«нижние» кварки

νe νμ ντ нейтрино

u c t

лепто

ны

кв

арки

частицы – переносчики взаимодействий:

электрослабого: фотон, W+, W-, Z

сильного: глюоны

Мир частиц и взаимодействий: элементарные частицы

бозон Хиггса

νe νμ ντ

Мир частиц и взаимодействий: нейтрино

нейтрино

• испытывают только слабое взаимодействие,

поэтому практически не регистрируются

каждую секунду через меня

пролетают незамеченными

~1014 штук нейтрино…

“не поймаешь нейтрино за бороду и не посадишь в пробирку”

[В.С. Высоцкий, 1964]

электрон мюон τау заряженные лептоны

d s b

«верхние» кварки

«нижние» кварки

u c t

лепто

ны

кв

арки

Мир частиц и взаимодействий: переносчики взаимодействий

бозон Хиггса

νe νμ ντ нейтрино

частицы – переносчики взаимодействий:

электрослабого: фотон, W+, W-, Z

сильного: глюоны

Мир частиц и взаимодействий: переносчики взаимодействий

частицы – переносчики взаимодействий:

электрослабого: фотон, W+, W-, Z

сильного: глюоны

Мир частиц и взаимодействий: бозон Хиггса

Единственная частица, носящая имя ученого, Питера Хиггса…

Мир частиц и взаимодействий: бозон Хиггса

Единственная частица, носящая имя ученого, Питера Хиггса…

… была впервые предсказана Робертом Браутом и Франсуа Энглером в 1964 г.

Мир частиц и взаимодействий: бозон Хиггса

главное – не частица,

главное – поле!

Хиггсовское поле приводит к возникновению массы у частиц

Мы знаем, что это не все: темная материя

светящееся вещество

все вещество

сталкивающиеся скопления галактик

Мы знаем, что это не все: темная материя

темная материя = несветящаяся материя

(прозрачная)

• не испытывает электромагнитного взаимодействия

(иначе излучала и поглощала бы свет)

• не испытывает сильного взаимодействия

(иначе образовала бы компактные структуры)

• нейтрино – слишком легкое

требуются новые, неизвестные частицы!

Может, тебе просто не нравится, как мир устроен, ЙЦУКЕН?

Виктор Пелевин «Акико»

...

Не знаю, думай.

• понятия и принципы квантовой физики;

• квантовые физические системы в макро- и микромире;

• квантовая логика, квантовые вычисления, квантовая

телепортация;

• релятивистские квантовые поля как универсальная форма

существования материи;

• элементарные частицы и типы их взаимодействий;

• свойства современной Вселенной;

• асимметрия между веществом и антивеществом во Вселенной;

• тёмная материя и тёмная энергия;

• основные этапы космологической эволюции;

• инфляционная космология;

• астрофизика высоких и сверхвысоких энергий

Основные разделы курса: