премиикурсовая (2)

1. Нобелевские премии по физике элементарных частиц – основные идеи

Подготовил: студент 3 курса 9
группы Д.В. Инякин
Руководитель: канд. физ.-мат.
наук, доцент Л.В. Титова

2. Актуальность темы и цель работы 

Актуальность темы и цель работы
• Объект исследования: Физика элементарных частиц как
область научного знания.
• Предмет исследования: Нобелевские премии в области
физики элементарных частиц и связанные с ними научные
идеи.
• Цель работы: Анализ основных идей, лежащих в основе
Нобелевских премий по физике элементарных частиц, и
определение их роли в развитии Стандартной модели.
2

3. От делимости атома к «зоопарку частиц»

Эрнест Резерфорд
Джозеф Джон Томсон
•1897 г. — Открытие электрона ( Дж. Томсон)
- Доказана делимость атома
- Нобелевская премия по физике 1906 г.
• 1911 г. — Открытие атомного ядра (Э. Резерфорд)
- Экспериментальное обоснование планетарной модели атома
- Нобелевская премия 1908 г.
• Середина XX века:
- Лавинообразное открытие сотен новых адронов («зоопарк частиц»)
- Необходимость новой классификации и фундаментальной теории
3

4. Квантовая теория поля и уравнение Дирака

Квантовая теория поля (КТП):
- Объединение принципов квантовой механики и специальной теории
относительности
• 1928 г. — Релятивистское волновое уравнение Поля Дирака:
iγᵐ ∂ₘ ψ - mψ = 0
• Нобелевская премия в 1933 г. была получена за:
- Описание спина электрона
- Фундаментальное предсказание существования антиматерии (позитрона)
Поль Адриен Морис
Дирак
4

5. Квантовая электродинамика и диаграммы Фейнмана

• КЭД — квантовая теория электромагнитного
взаимодействия
- Процессы описываются через обмен
виртуальными фотонами
• Проблема расходимостей:
- Появление математических бесконечностей
при вычислении высших приближений
• Решение (Нобелевская премия 1965 г. — Р.
Фейнман, Дж. Швингер, С. Томонага):
- Метод перенормировки (устранение
бесконечностей)
- Диаграммы Фейнмана: наглядный и строгий
графический метод расчетов
Джулиан Швингер Синъитиро Томонага
Ричард Фейнман

6. Наведение порядка: Кварковая модель

• 1964 г. — Разработка кварковой модели (Марри Гелл-Манн)
-Нобелевская премия по физике 1969 г.
Марри Гелл-Манн
• Основные положения:
- Адроны не являются элементарными частицами
- Барионы (протон, нейтрон) состоят из трех кварков
- Мезоны состоят из пары кварк-антикварк
• Конфайнмент:
- Кварки обладают дробным электрическим зарядом (±1/3, ±2/3)
- Явление сильного удержания: кварки не могут существовать в свободном состоянии
6

7. Единая теория взаимодействий

• Авторы теории (Нобелевская
премия 1979 г.):
- Шелдон Глэшоу, Абдус Салам,
Стивен Вайнберг
• Суть открытия:
- Объединение электромагнитного
и слабого взаимодействий при
высоких энергиях
- Описание сил на основе
калибровочной симметрии
• Теоретическое предсказание:
- Существование массивных
промежуточных векторных
бозонов (W⁺, W⁻, Z⁰) как
переносчиков слабого
взаимодействия
Стивен Вайнберг
Шелдон Глэшоу
Абдус Салам
7

8. Эксперимент в CERN: Открытие W- и Z-бозонов

Распад Z-бозона на электрон-позитронную пару
Симон ван дер Мер
Карло Руббиа
• 1983 г. — Эксперименты UA1 и UA2 на протон-антипротонном коллайдере (CERN):
- Прямое обнаружение промежуточных векторных бозонов
- Регистрация по продуктам электронных и мюонных распадов
• Значение открытия (Нобелевская премия 1984 г.):
- Карло Руббиа (руководитель эксперимента)
- Симон ван дер Мер (разработчик метода стохастического охлаждения пучков)
8

9. Открытие бозона Хиггса

Распад бозона Хиггса
Франсуа Энглер
Питер Хиггс
• Механизм Энглера-Браута-Хиггса (1964 г.):
- Спонтанное нарушение электрослабой симметрии
- Частицы приобретают массу за счет динамического взаимодействия с полем Хиггса
• Теоретический расчет массы W-бозона через параметры вакуумного поля:
M_w = (g • v) / 2 ≈ 80 ГэВ/c²
• 2012 г. — Открытие бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере (CERN)
• 2013 г. — Нобелевская премия: Питер Хиггс, Франсуа Энглер
9

10. Стандартная модель элементарных частиц

Стандартная модель — единая теория
трех фундаментальных взаимодействий
(сильного, слабого, электромагнитного)
• Состав модели:
- 12 фермионов (материя): 6 кварков и 6
лептонов
- Калибровочные бозоны (переносчики):
фотон, глюоны, W±, Z-бозоны
- Склярный бозон Хиггса (масса)
• Значение:
- Точное описание всех известных
субъядерных процессов
10

11. Современные проблемы

• Стандартная модель описывает только ~5%
массы-энергии Вселенной
• Открытые вопросы фундаментальной физики:
- Природа тёмной материи (27%) и тёмной энергии
(68%)
- Проблема массы нейтрино (нейтринные
осцилляции выходят за рамки СМ)
- Асимметрия материи и антиматерии во
Вселенной
- Отсутствие квантового описания гравитации
11

12. Заключение

• Преемственность идей: Развитие физики шло по строгому пути от
делимости атома до завершения Стандартной модели.
• Связь теории и эксперимента: Нобелевские премии отражают баланс
между глубокими математическими идеями (Дирак, Фейнман, Хиггс) и
уникальным инженерным поиском (CERN).
• Вектор будущего: Стандартная модель не является финальной
теорией. Границы ее применимости указывают направления для
открытий будущих поколений физиков.
12