Классификация ветвей физики частиц

Физика элементарных частиц в целом

В самом широком смысле, физика элементарных частиц призвана ответить на вопросы о том, как устроен наш мир и почему он таков, каким мы его сегодня наблюдаем.

Более конкретно — какова структура элементарных частиц, как они взаимодействуют друг с другом, почему они имеют ту или иную массу, что такое «физический вакуум», все ли типы частиц и их взаимодействий нам известны и т. п.

Поиски ответов на эти, и многие другие вопросы, в зависимости от их характера идут в разных направлениях. Соответственно, используются разные (часто похожие) методы экспериментального и теоретического исследования.

Например, мы знаем о 4-х типах взаимодействий: гравитационном, слабом, электромагнитном и сильном. В физике элементарных частиц внимание концентрировалось, до недавнего времени, только на последних трех.

Наиболее понятным и изученным сегодня представляется электромагнитное взаимодействие. Здесь есть теория (квантовая электродинамика), позволяющая многое рассчитать. Но есть и нерешенные вопросы.

Довольно хорошо понято слабое взаимодействие. Уже понятно, что оно тесно связано с электромагнитным (теория электрослабого взаимодействия, основоположниками которой стали Стивен Вайнберг и Абдус Салам). Но нерешенных вопросов много и здесь.

Гораздо хуже понято сильное взаимодействие элементарных частиц. Здесь не удается рассчитать «из первых принципов» довольно многого. Поэтому теоретическое описание наблюдаемых явлений в сильной степени феноменологическое; количественные расчеты требуют знания большого количества параметров, извлекаемых из экспериментальных данных.

Эксперименты, в которых внимание концентрируется на выбранном отдельном типе взаимодействий, по своей методике и набору аппаратуры иногда отличаются весьма сильно. То же самое можно сказать и о теоретических методах.

Вместе с тем, экспериментальные и теоретические методы исследований можно подразделять на различные направления по признаку характерных исследуемых расстояний более или менее независимо от типа взаимодействия. Легче всего можно увидеть это на примере сравнения электромагнитных и сильных взаимодействий. Общим для них является то, что элементарные частицы являются квантовомеханическими объектами и по своей природе обладают волновыми свойствами. Соответственно, их дебройлевская длина волны определяет масштаб расстояний, которые могут быть существенны при их взаимодействии.

Но это не означает, что чем выше импульс частицы, тем меньшие расстояния будут «прощупываться». Правильнее было бы сказать, что тем меньшие расстояния могут «прощупываться»: например, в экспериментах, но рассеянию частиц определяющую роль играет не столько начальный импульс сам по себе (или длина волны частиц в начальном состоянии), сколько величина его изменения при рассеянии. (Интуитивно это понятно, если вспомнить соотношение неопределенностей Гейзенберга.).

И опять, исследования процессов, происходящих на малых или больших (по сравнению с размерами частиц) расстояниях требуют разных экспериментальных и теоретических подходов и методов.

Наконец, поскольку в подавляющем большинстве экспериментов в физике элементарных частиц речь идет о рассеянии (упругом или же с рождением других частиц, т. е. неупругом), то полная энергия в системе центра масс сталкивающихся частиц (или импульс одной из них (снаряда) в системе покоя другой (мишени), т. е. длина волны снаряда) может служить тем простым количественным параметром, по которому различаются методы и подходы, применяемые в теоретических и экспериментальных исследованиях.

На этой (энергетической) классификации стоит остановиться подробнее. Когда устраивается столкновение «снаряда» с 4- импульсом Vproj и «мишени» с 4-импульсом Vt_arg, полный 4-импульс Vtot этой системы есть.

и взяв все величины в системе центра масс сталкивающихся частиц (чтобы подчеркнуть это, они помечены звездочкой), имеем:

Поскольку квадрат 4-импульса есть релятивистский инвариант, то при покоящейся в лабораторной системе мишени (рг_аг$ = 0) имеем.

Квадрат полного 4-импульса двух сталкивающихся частиц, имеющий физический смысл квадрата полной энергии в системе их центра масс, играет важную роль в кинематических расчетах и для него принято специальное обозначение s:

Здесь раскрыта скобка (E_pr0j 4- E_{iar (J}, p_proj) и учтено, что для свободной частицы Е² — р² = т² (буквой т обозначена масса частицы).

Величина 8 входит в число весьма широко используемых в физике частиц основных релятивистски инвариантных переменных (называемых переменными Мандельстама).

Если вспомнить определение порога реакции (см. например |25]), то станет ясно, что величина s для гипотетической реакции типа, а + 6 —> X с рождением некоторой частицы X определяет максимально возможную массу такой частицы: она не может быть выше /s. (Как известно, на пороге неупругой реакции типа а + b —* с + d + X все частицы в конечном состоянии покоятся в системе центра масс: вся полная энергия Elt тратится на массы рожденных частиц).