Физика элементарных частиц

Физика элементарных частиц (ФЭЧ), часто называется также физикой высоких энергий – раздел физики, изучающий структуру и свойства элементарных частиц и их взаимодействия.
Основное орудие исследования в теоретической физике элементарных частиц – квантовая теория поля. То есть любая элементарная частица – это не «кусочек» какой сплошной материи, а определенное (одночастичное) возбуждение абстрактного гильбертовом пространства. Можно сказать, что весь наш мир видится в ФЭЧ как вектор в гильбертовом пространстве состояний, который «вращается» в нем со временем.
Главным результатом современной теоретической физики элементарных частиц является Стандартная модель. За последние пару десятков лет ее предсказания были многократно перепроверены в экспериментах, и в настоящее время она – единственная физическая теория, адекватно описывающая устройство нашего мира вплоть до расстояний порядка 10 -18 м.
Взаимодействие частиц в ФЭЧ принципиально отличается от взаимодействия объектов в других областях физики. Например, в механике мы изучаем движение тел, которые, в принципе, могут друг с другом взаимодействовать. Однако как именно, за счет чего такое взаимодействие происходит – механика не изучает. В противоположность этому, ФЭЧ уделяет одинаковое внимание, как самим частицам, так и процесса взаимодействия между ними. Связано это с тем, что в ФЭЧ удается описать электромагнитное, сильное и слабое взаимодействие как обмен виртуальными частицами. Важным постулатом в таком описании явилось требование симметрии нашего мира относительно калибровочных преобразований.
Равноправие частиц и их взаимодействий красивым образом проявляется в суперсимметричных теориях, в которых постулируется существование в нашем мире еще одной скрытой симметрии: суперсимметрии. Можно сказать, что при преобразовании суперсимметрии частицы превращаются во взаимодействия, а взаимодействия – в частицы.
Уже отсюда видна исключительная фундаментальность ФЭЧ – в ней делается попытка понять многие свойства нашего мира, которые до этого (в других разделах физики) принимались лишь как данность.
Экспериментальная физика элементарных частиц делится на два больших класса: ускорительную и неускорительную.
Ускорительная ФЭЧ – это разгон долгоживущих элементарных частиц в ускорителе (коллайдере) до высоких энергий и столкновение их друг с другом или с неподвижной мишенью. В процессе такого столкновения удается получить очень высокую концентрацию энергии в микроскопическом объеме, что приводит к рождению новых, обычно нестабильных, частиц. Изучая характеристики таких реакций (количество рожденных частиц того или иного сорта, зависимость этого количества от энергии, типа, поляризации исходных частиц, от угла вылета и т.д.), можно восстановить внутреннюю структуру исходных частиц, их свойства, то, как они взаимодействуют друг с другом.
Неускорительная ФЭЧ – это процесс «пассивного наблюдения» за нашим миром. В неускорительных экспериментах поставщиком элементарных частиц является Природа, а от исследователя требуется лишь внимательно следить за происходящим. Типичные неускорительные эксперименты – наблюдение за нейтрино в так называемых нейтринных телескопах, ожидание распада протона, безнейтринного двойного бета-распада и прочих крайне редких событий в большом объеме вещества, эксперименты с космическими лучами.