Образовательная Программа, ЦЕРН, Женева, 29 октября, 2012 В.Т. Ким ПИЯФ НИЦ КИ, Гатчина 1 Введение в физику элементарных частиц В.Т. Ким Петербургский Институт Ядерной Физики НИЦ КИ, Гатчина Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

Образовательная Программа, ЦЕРН, Женева, 29 октября, 2012 В.Т. Ким ПИЯФ НИЦ КИ, Гатчина 2 План лекций I Удивительный мир элементарных частиц Единицы измерений и масштабы Кинематика реакций Зоопарк частиц Стандартной Модели Квантовая хромодинамика: кварки и конфайнмент Стандартная Модель электрослабых взаимодействий Спонтанное нарушение симметрии Бозон Хиггса II За пределами Стандартной Модели Поиски новой физики на Большом адронном коллайдере

Образовательная Программа, ЦЕРН, Женева, 29 октября, 2012 В.Т. Ким ПИЯФ НИЦ КИ, Гатчина 3 Удивительный мир элементарных частиц Из чего сделан и как устроен мир? Фундаментальные составляющие материи? Физика микромира Элементарные частицы Большой Взрыв (Big Bang) Физика макромира Космология LHC - Большой адронный коллайдер (БАК): энергии частиц ~ время с после Большого Взрыва

Образовательная Программа, ЦЕРН, Женева, 29 октября, 2012 В.Т. Ким ПИЯФ НИЦ КИ, Гатчина 4 Удивительный мир Элементарных частиц Из чего сделан и как устроен мир? Физика элементарных частиц Квантовая механика СТО Теория поля Релятивистская квантовая механика Квантовая теория поля

Образовательная Программа, ЦЕРН, Женева, 29 октября, 2012 В.Т. Ким ПИЯФ НИЦ КИ, Гатчина 5 Единицы измерений и масштабы 1 нм = м молекула 1 Фм = м протон Фм = м электрон м кварки (БАК: CMS & ATLAS) возможность проверить на БАК структуру частиц до: Фм = м

Образовательная Программа, ЦЕРН, Женева, 29 октября, 2012 В.Т. Ким ПИЯФ НИЦ КИ, Гатчина 6 Единицы измерений и масштабы характерное время реакций = с - свет проходит 1 Фм = м (размер протона) время жизни адронов в слабых распадах с характерные энергии: 1 эВ = Дж молекулы 0.02 эВ фотоны 2 эВ ядерные реакции: 1 МэВ = 10 6 эВ структура протона: ГэВ = 10 9 эВ БАК (1 стадия): 3.5 ТэВ 3.5 ТэВ 1 ТэВ = эВ ×

Образовательная Программа, ЦЕРН, Женева, 29 октября, 2012 В.Т. Ким ПИЯФ НИЦ КИ, Гатчина 7 Немного кинематики релятивистская кинематика СТО E=γmc 2 =γm здесь и далее с =1 масса протона = 0.94 ГэВ масса электрона = 0.5 МэВ преобразования Лоренца 4D-вращения в пространстве Минковского длина 4-вектора: инвариант псевдоэвклидовое пространство: p = (E, p) p 2 = E 2 - p 2 = m 2 угол быстрота cos, sin ch, sh

Образовательная Программа, ЦЕРН, Женева, 29 октября, 2012 В.Т. Ким ПИЯФ НИЦ КИ, Гатчина 8 ПОЧЕМУ КОЛЛАЙДЕРЫ? Г.И. Будкер (ИЯФ СО АН): встречные пучки p 1 +p 2 = (E 1 +E 2, p 1x +p 2x, p 1y +p 2y, p 1z +p 2z ) СЦМ ЛС (E 1 +E 2, p 1 +p 2 )= (2E, 0) (E L + m, p L + 0) p 2 = 4 (E) 2 p 2 = (E L + m) 2 - (p L ) 2 = = 2mE L + 2m 2 2mE L E L 2 (E) 2 / m Фермилаб: 1 ТэВ х 1 ТэВ E L = ТэВ БАК: 3.5 ТэВ х 3.5 ТэВ E L = ТэВ БАК: 7 ТэВ х 7 ТэВ E L = 10 5 ТэВ

Образовательная Программа, ЦЕРН, Женева, 29 октября, 2012 В.Т. Ким ПИЯФ НИЦ КИ, Гатчина 9 Современные коллайдеры Фермилаб Тэватрон (Чикаго) рр: 1 ТэВ х 1 ТэВ E L = ТэВ BNL RHIC (Нью-Йорк) АА: 100 ГэВ/н x 100 ГэВ/н E L = 20 ГэВ/н AuAu ЦЕРН БАК (Женева) рр: 3.5 ТэВ х 3.5 ТэВ E L = ТэВ 7 ТэВ х 7 ТэВ E L = 10 5 ТэВ AА: 5.5 ТэВ/нуклон-нуклон PbPb БАК: 27км оборотов/с

Образовательная Программа, ЦЕРН, Женева, 29 октября, 2012 В.Т. Ким ПИЯФ НИЦ КИ, Гатчина 10 Единицы измерений и масштабы Вероятность и интенсивность взаимодействия: сечение рассеяния r 2 барн: 1 б = см 2 1 мб = см 2 1 пб = см 2 Светимость (интенсивность пучков): см -2 с -1 БАК 2010: ~ см -2 с : ~ см -2 с : ~ см -2 с -1 Частота реакций = светимость сечение Бозон Хиггса: сечение (m = 125 ГэВ при 8 тэВ) 10 пб 1 событие за 10 сек. ×

Образовательная Программа, ЦЕРН, Женева, 29 октября, 2012 В.Т. Ким ПИЯФ НИЦ КИ, Гатчина 11 квантовая физика Соотношение неопределенности Гейзенберга: Высокие энергии малые расстояния Спин (внутренний угловой момент): квантуется фермионы: полуцелый спин (принцип Паули) бозоны: целый спин (возможна конденсация) Уравнение Дирака для релятивистских частиц: существуют античастицы

Образовательная Программа, ЦЕРН, Женева, 29 октября, 2012 В.Т. Ким ПИЯФ НИЦ КИ, Гатчина 12 Стандартная Модель Стандартная Модель: замечательная и хорошо проверенная экспериментально теория

Образовательная Программа, ЦЕРН, Женева, 29 октября, 2012 В.Т. Ким ПИЯФ НИЦ КИ, Гатчина 13 Зоопарк частиц СМ

Образовательная Программа, ЦЕРН, Женева, 29 октября, 2012 В.Т. Ким ПИЯФ НИЦ КИ, Гатчина 14 Адроны и Кварки лептоны - лептос (легкий) адроны - хадрос (тяжелый) барион: три кварка мезон: кварк-антикварк Квантовая Хромодинамика (КХД) кварки: 6 флейворов (ароматов) три цвета (сильный заряд) дробные электрические заряды глюоны: 8 цветов электрически нейтральны

Образовательная Программа, ЦЕРН, Женева, 29 октября, 2012 В.Т. Ким ПИЯФ НИЦ КИ, Гатчина 15 Асимптотическая свобода и конфайнмент Адроны при реакциях: - похожи на магниты при разломе - очень твердые, но очень хрупкие как стекло

Образовательная Программа, ЦЕРН, Женева, 29 октября, 2012 В.Т. Ким ПИЯФ НИЦ КИ, Гатчина 16 Кварки: Этимология М. Гелл-Манн: quarks (1964) С. Цвейг: aces James Joyce Поминки по Финнегану: Три кварка для мистера Марка!... В.М. Шехтер «За что мы любим кварки» (1975)

Образовательная Программа, ЦЕРН, Женева, 29 октября, 2012 В.Т. Ким ПИЯФ НИЦ КИ, Гатчина 17 Неускорительная физика: нейтрино Физика нейтрино: - нейтрино от солнца - нейтрино сверхвысоких энергий - осцилляции нейтрино Россия (СССР): Баксанская нейтринная обсерватория Байкальская нейтринная обсерватория Фермилаб -> Миннесота CERN –> Grand Sasso T2K (Tsukaba -> Kamiokande) Daya Bay (Китай), RENO (Ю. Корея) Нарушение CP в нейтринном секторе! Стерильное нейтрино

Образовательная Программа, ЦЕРН, Женева, 29 октября, 2012 В.Т. Ким ПИЯФ НИЦ КИ, Гатчина 18 Основные цели Большого адронного коллайдера Главные цели БАК: - бозон Хиггса СМ - новые частицы и взаимодействия за пределами Стандартой Модели а также: - проверка СМ при новых энергиях - поиски новой динамики СМ

Образовательная Программа, ЦЕРН, Женева, 29 октября, 2012 В.Т. Ким ПИЯФ НИЦ КИ, Гатчина 19 концепция: Н.Н. Боголюбов - конденсированые среды Й. Намбу (1960), Дж.Голдстоун (1961) - физика частиц Механизм Хиггса образования массивных частиц: - нерелятивистский вариант: Ф. Андерсон (1962) - релятивистский вариант: Р. Брут, Ф.Энглерт (1964) П. Хиггс (1964) Дж.Гуралник, К.Хаген, Т. Киббл (1964) С. Вайнберг (1967) и А. Салам (1968) применили механизм Хиггса к электрослабой теории Ш. Глэшоу (1962) -> Стандарная Модель с тяжелыми векторными бозонами W и Z Спонтанное нарушение симметрии

Образовательная Программа, ЦЕРН, Женева, 29 октября, 2012 В.Т. Ким ПИЯФ НИЦ КИ, Гатчина 20 квантовые флуктуации -> несимметричное вакуумное состояние Спонтанное нарушение симметрии

Образовательная Программа, ЦЕРН, Женева, 29 октября, 2012 В.Т. Ким ПИЯФ НИЦ КИ, Гатчина 21 Физический вакуум

Образовательная Программа, ЦЕРН, Женева, 29 октября, 2012 В.Т. Ким ПИЯФ НИЦ КИ, Гатчина 22 Спонтанное нарушение симметрии

Образовательная Программа, ЦЕРН, Женева, 29 октября, 2012 В.Т. Ким ПИЯФ НИЦ КИ, Гатчина 23 Бозон Хиггса Стандартной модели основная роль бозона Хиггса СМ: получение ненулевых масс векторных бозонов не нарушая калибровочную инвариантность а также: - массы лептонов и кварков - восстановление унитарности (закона сохранения вероятности) при рассеянии тяжелых векторных бозонов

Образовательная Программа, ЦЕРН, Женева, 29 октября, 2012 В.Т. Ким ПИЯФ НИЦ КИ, Гатчина 24 Поиски бозона Хиггса на БАК (CMS)

Образовательная Программа, ЦЕРН, Женева, 29 октября, 2012 В.Т. Ким ПИЯФ НИЦ КИ, Гатчина 25 поиски бозона Хиггса на БАК (CMS)

Образовательная Программа, ЦЕРН, Женева, 29 октября, 2012 В.Т. Ким ПИЯФ НИЦ КИ, Гатчина 26 Новая частица! Новая частица ATLAS CMS: бозон 125 ГэВ Бозон Хиггса Стандартной Модели? Сечение образования: СМ Квантовые свойства: -электрический заряд СМ - спин СМ - зарядовая и пространственная четность ? -соотношение между вероятностями различных распадов ? -?

Образовательная Программа, ЦЕРН, Женева, 29 октября, 2012 В.Т. Ким ПИЯФ НИЦ КИ, Гатчина 27 продолжение следует - Популярный сайт Фонда Династия: elementy.ru - Виртуальная академия ФВЭ (ОИЯИ) Лекция 2 Стандартная Модель электрослабых взаимодействий Поиски бозона Хиггса Поиски новой физики за пределами Стандартной Модели