La física de altas energías, también conocida como física de partículas o física de partículas elementales, es una rama de la física que estudia las propiedades estructurales de la materia en el mundo microscópico a un nivel más profundo que los núcleos atómicos, y a muy altas temperaturas. energías, el fenómeno de transformación mutua de estas sustancias, así como las causas y leyes que producen estos fenómenos. Es un tema básico y una de las fronteras del desarrollo de la física contemporánea. La física de partículas se basa en experimentos y se desarrolla a partir de una estrecha combinación de experimentos y teoría.
La historia del desarrollo de la física de altas energías
Durante más de dos mil años, la idea popular de que la materia está compuesta de átomos ha pasado del razonamiento filosófico a la realidad científica, y en este At Al final de la etapa se formó la idea moderna de partículas elementales.
El concepto de átomo fue propuesto por el filósofo griego Demócrito hace 2.400 años y el filósofo chino Hui Shi durante el Período de los Reinos Combatientes. Hui Shi dijo: "La cosa más pequeña no tiene interior, por eso se la llama pequeña". Esto significa que la materia más pequeña es indivisible. Esta unidad más pequeña es lo que Demócrito llamó átomo. Pero ninguno de ellos pudo explicar qué es realmente un átomo o la "unidad más pequeña". Durante más de dos mil años, el concepto de átomo permaneció en el ámbito del pensamiento filosófico.
En 1897, Thomson descubrió los electrones en su experimento. En 1911, el experimento de dispersión elástica de partículas alfa de gran ángulo de Rutherford confirmó la existencia de núcleos cargados positivamente. De esta forma se demostró experimentalmente la existencia de los átomos y la teoría de que los átomos están compuestos por electrones y núcleos.
En 1932, Chadwick descubrió el neutrón en un experimento utilizando partículas alfa para bombardear núcleos. Pronto la gente se dio cuenta de que el núcleo atómico está compuesto de protones y neutrones, obteniendo así una imagen unificada del mundo en la que toda la materia está compuesta de unidades estructurales básicas: protones, neutrones y electrones.
Fue en esta época cuando comenzó a formarse el concepto moderno de partículas elementales. En 1905, Einstein propuso que la unidad estructural básica del campo electromagnético es el fotón, lo que fue confirmado por los experimentos de Compton y otros en 1922. Por tanto, el fotón se considera una "partícula elemental". En 1931, Pauli planteó teóricamente la existencia de una partícula sin masa en reposo: el neutrino (en sentido estricto, un antineutrino. La existencia de los neutrinos fue descubierta experimentalmente por Reines y Cohen en 1956).
La mecánica cuántica relativista predice que los electrones, protones, neutrones y neutrinos tienen antipartículas con la misma masa que ellos. La primera antipartícula, el positrón, se descubrió en 1932, cuando Anderson utilizó una cámara de niebla colocada en un fuerte campo magnético para registrar partículas de rayos cósmicos. A partir de mediados de los años 50 se fueron descubriendo una tras otra antipartículas de otras partículas.
Con el desarrollo de la física nuclear atómica, se descubrió que además de la conocida interacción gravitacional y la interacción electromagnética, existen dos nuevas interacciones: la interacción fuerte y la interacción débil.
En 1934, para explicar la fuerza fuerte de corto alcance entre núcleos, Yukawa Hideki propuso que esta fuerza es causada por el intercambio de una fuerza similar a una masa entre protones y/o neutrones basándose en la comparación con la interacción electromagnética causada por partículas elementales: mesones. En 1936, Anderson y Niedermeyer confirmaron experimentalmente una nueva partícula cuya masa era 207 veces la del electrón y que más tarde se denominó muón. Los muones son partículas inestables que se desintegran en electrones, un neutrino y un antineutrino, con una vida media de dos millonésimas de segundo.
La carga del mesón propuesta originalmente por Yukawa es positiva o negativa. En 1938, Keimer desarrolló el concepto de isospin que apareció anteriormente y estableció la teoría de simetría de la fuerza nuclear basándose en el hecho descubierto experimentalmente de que la fuerza nuclear es independiente de la carga.
En 1947, Conversi y otros utilizaron métodos contraestadísticos para descubrir que los muones no tenían un efecto fuerte. En 1947, Powell y otros utilizaron el método del látex nuclear para descubrir mesones con interacciones verdaderamente fuertes en los rayos cósmicos. Posteriormente, se confirmó la existencia de tales mesones también en los aceleradores.
Desde entonces, los humanos hemos reconocido cada vez más partículas fundamentales.
Recién en 1947, Rochester y Butler descubrieron partículas v (mesones K) en experimentos con rayos cósmicos. Este fue el comienzo del descubrimiento de una serie de nuevas partículas posteriormente llamadas partículas extrañas. Debido a sus propiedades únicas, se introdujo en la física de partículas un nuevo concepto de números cuánticos: los números singulares. Entre estas partículas extrañas, hay mesones extraños con masas más ligeras que los protones y varios hiperones con masas más pesadas que los protones. No existen en condiciones normales en la Tierra. En las circunstancias de aquella época, sólo podían producirse con ayuda de rayos cósmicos de alta energía procedentes del espacio.
Estas partículas elementales descubiertas, junto con el campo gravitacional cuántico - el gravitón, cuya existencia se predice teóricamente pero aún no se ha confirmado experimentalmente - se pueden dividir en gravitón, fotón y partícula de luz según la naturaleza de la partícula. interacción. Hay cuatro categorías de hijos y hadrones. Para superar la limitación de que las corrientes de rayos cósmicos son demasiado débiles, a principios de los años cincuenta se empezaron a construir aceleradores de partículas con energías cada vez mayores y corrientes más fuertes. También han aparecido en experimentos nuevos y potentes métodos de detección, como grandes cámaras de burbujas, cámaras de chispas, cámaras proporcionales multifilamento, etc., lo que ha iniciado un período de grandes descubrimientos de nuevas partículas.
En los primeros años de la década de 1960, el número de partículas elementales observadas experimentalmente había aumentado a más que el número de elementos químicos descubiertos cuando apareció la tabla periódica de elementos, y el impulso del descubrimiento también estaba aumentando. . El más fuerte. En 1961, Gell-Mann y Neyman propusieron el "método óctuple" para clasificar los hadrones utilizando la simetría de interacciones fuertes por analogía con la tabla periódica de elementos químicos.
El método de clasificación óctuple no solo proporcionó la ubicación de los hadrones que se habían descubierto en ese momento, sino que también predijo con precisión algunas partículas nuevas, como la partícula Ω descubierta en 1964 mediante un experimento en una cámara de burbujas. El método óctuple explica bien la regularidad de propiedades estáticas como el espín, la paridad, la carga, los números singulares y la masa de las partículas.
En esta etapa se confirmó que no sólo los electrones, sino que todas las partículas tienen sus antipartículas (las antipartículas de algunas partículas son ellas mismas). El primer antisuperón cargado fue descubierto por Wang Ganchang y otros en China en 1959. Además, también se descubrieron una gran cantidad de partículas con una vida útil extremadamente corta y que se descomponen mediante fuertes fuerzas (estados de oscilación).
El descubrimiento de un gran número de partículas elementales ha hecho dudar de la fundamentalidad de estas partículas elementales. El concepto de partículas elementales se enfrenta a un cambio repentino.
Desde los años 40 hasta los 60, el mayor avance en la comprensión racional del mundo microscópico fue el establecimiento de la mecánica cuántica. Gracias a los esfuerzos de una generación de físicos, la mecánica cuántica puede explicar bien la estructura atómica, la regularidad de los espectros atómicos, las propiedades de los elementos químicos, la absorción de luz y la radiación, etc., especialmente cuando se combina con la relatividad especial para establecer la relatividad. La mecánica cuántica se ha convertido en una teoría básica del mundo microscópico a nivel atómico y molecular.
Sin embargo, la mecánica cuántica todavía tiene varias deficiencias: no puede reflejar la naturaleza partícula del campo; no puede describir el proceso de creación y aniquilación de partículas; tiene una solución energética negativa, lo que conduce a dificultades en los conceptos físicos; . La teoría cuántica de campos fue desarrollada por Dirac, Jordan, Wigner, Heisenberg y Pauli sobre la base de la mecánica cuántica relativista mediante la cuantificación de campos. Resuelve muy bien estos tres problemas.
El momento magnético anómalo de los electrones descubierto por Kush y Faury en 1947, y la división de los niveles de energía del átomo de hidrógeno descubierta por Lamb et al., sólo pueden explicarse correctamente a través de la teoría de la renormalización de la electrodinámica cuántica. Hoy en día, la electrodinámica cuántica ha resistido muchas comprobaciones experimentales y se ha convertido en la teoría básica de la interacción electromagnética.
La idea de que no todas las partículas elementales son "elementales" fue propuesta por primera vez por Fermi y Yang Zhenning en 1949. Creen que los mesones no son básicos, sino nucleones, y que los mesones son sólo un estado combinado compuesto de nucleones y antinucleones. En 1955, Sakata Shoichi amplió el modelo de Fermi y Yang Zhenning y propuso un modelo en el que los hadrones están compuestos de nucleones, hiperones y sus antipartículas.
En 1961 se descubrieron experimentalmente muchos estados vibratorios. En 1964, el número de partículas elementales descubiertas (incluidos los estados vibratorios primarios) aumentó a cientos, lo que llevó a Gell-Mann y Zwick a proponer que la base de la simetría es la unidad estructural que constituye todos los hadrones. Hay tres tipos de ellos, y se les llama quarks.
Desde los años 60 se llevan a cabo búsquedas experimentales de quarks en rayos cósmicos, aceleradores y rocas, pero hasta el momento no ha habido informes de éxito confirmados. En las décadas de 1960 y 1970 se construyeron más aceleradores con mayor energía y mejor rendimiento. Aunque no se encontraron quarks en estos aceleradores. Pero obtuvimos pruebas indirectas, pero más sólidas, de la existencia de los quarks.
Al contrario del rápido aumento del número de hadrones, desde la confirmación experimental de dos tipos de neutrinos utilizando una gran cámara de chispas en 1962, desde hace mucho tiempo sólo se conocen cuatro leptones, pero el. La situación cambió en 1975. En este año, Pell y otros descubrieron un nuevo leptón en el experimento de colisión electrón-positrón. Tenía carga positiva o negativa, el doble que un protón, por lo que también se le llamó leptón pesado. Por lo tanto, se cree generalmente que debería existir otro tipo de neutrino, pero esto no ha sido confirmado experimentalmente.
No mucho después de que se propusiera la teoría de los quarks, algunas personas se dieron cuenta de que el estudio de las interacciones fuertes y débiles de los hadrones debía basarse en los quarks y, al mismo tiempo, en las características estructurales y diversos procesos de los hadrones. debe considerarse en su totalidad sólo con las características cinemáticas de los hadrones podemos explicar correctamente las propiedades dinámicas como la vida útil, el ancho, el factor de forma y la sección transversal de los hadrones. El modelo estratotón de estructura hadrónica desarrollado en China en 1965 fue uno de los primeros estudios en esta dirección. El nombre Stratons fue creado para enfatizar los infinitos niveles de estructura material. Los estratones a un nivel más profundo que los hadrones son quarks. En los últimos 20 años, la corriente principal de los experimentos y el desarrollo teórico de la física de partículas ha ido en esta dirección: se han producido avances en las interacciones débiles y avances significativos en las interacciones fuertes.
La primera teoría de la interacción débil fue propuesta por Fermi en 1934 para explicar el fenómeno de la desintegración de neutrones. El descubrimiento de la no conservación de la paridad en los efectos débiles ha dado un gran impulso a la investigación sobre la teoría de los efectos débiles. Poco después, se estableció la forma que debería tener el flujo que describe la interacción débil bajo la transformación de Lorentz, y era aplicable a todos los procesos de interacción débil. Se llamó teoría universal de interacción débil de tipo Fermi.
En 1961, Glashow propuso una teoría unificada de la interacción electromagnética y la interacción débil. La base de esta teoría es la teoría de campos de calibre no abeliana propuesta por Chenning Yang y Mills en 1954. Sin embargo, en esta teoría no se han respondido preguntas como si estas partículas tienen masa en reposo y cómo renormalizarlas teóricamente.
De 1967 a 1968, Weinberg y Salam aclararon que las partículas del campo calibre pueden tener masa en reposo, y también calcularon la relación entre estas masas en reposo y la constante de acoplamiento de interacción débil y la constante de acoplamiento de interacción electromagnética. Un punto muy importante de esta teoría es que predice la existencia de un flujo neutro débil, pero en ese momento, el fenómeno del flujo neutro débil no se observaba experimentalmente. Como no había apoyo experimental, este modelo no llamó la atención de la gente en ese momento.
En 1973, el Laboratorio Fermi y la Organización Europea para la Investigación Nuclear en los Estados Unidos descubrieron sucesivamente el flujo neutro débil de forma experimental. Después de eso, la gente comenzó a prestar atención a este modelo. En 1983, el grupo experimental Rubia y otros descubrieron en el experimento de colisión protón-antiprotón de alta energía que las características eran completamente consistentes con las expectativas teóricas de las partículas calibre. Esto dio un gran apoyo a la teoría unificada electrodébil, haciéndola útil. convertirse en la teoría básica de las interacciones débiles.
En la actualidad, la física de partículas ha profundizado en el estudio de las propiedades de la materia a un nivel más profundo que el de los hadrones. Sin duda, la construcción de aceleradores de mayor energía proporcionará medios más potentes para la investigación experimental en física de partículas, lo que ayudará a generar más partículas nuevas para aclarar los tipos de quarks y leptones, sus propiedades y su posible estructura interna.
El reciente éxito de la teoría unificada de la interacción electrodébil, especialmente el descubrimiento de partículas calibre débiles, ha fortalecido la creencia de la gente en la teoría de campos calibre localizados como la teoría básica de la interacción, y también ha sentado las bases para el futuro. desarrollo de leptones de alta energía Como sonda para explorar la estructura interna de los hadrones, las propiedades de los quarks y gluones y las propiedades de las interacciones fuertes, proporciona un método analítico fiable. En el próximo período, la interacción fuerte será el foco de la investigación en física de partículas.
La gran teoría unificada que unifica la acción electromagnética, la acción débil y la acción fuerte ha atraído considerable atención en los últimos años.
Pero incluso en el modelo más simple, hay casi 20 parámetros adimensionales. Esto demuestra que esta teoría todavía contiene una gran cantidad de componentes fenoménicos y es sólo un intento muy preliminar. Todavía queda un largo camino por recorrer antes de que se convierta en una teoría válida.
Además, desde la perspectiva de las tendencias de desarrollo, el progreso de la física de partículas definitivamente desempeñará un papel en la promoción del estudio de la evolución del universo, y la investigación en esta área también será un campo muy interesante.
Es muy importante que la física sea una ciencia basada en experimentos, y la física de partículas no es una excepción. Por lo tanto, la aparición de nuevos principios de aceleración de partículas y nuevos métodos de detección tendrá una importancia de gran alcance.