Словарь терминов

Словарь терминов

ATLAS. Сокращение от A Toroidal LHC Apparatus, тороидальный аппарат БАК, одна из двух детекторных коллабораций, занимающихся поисками бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе.

CMS. Сокращение от Compact Muon Solenoid, компактный мюонный соленоид, одна из двух детекторных коллабораций, участвующих в поисках бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере ЦЕРНа.

g-фактор. Коэффициент пропорциональности между (квантованным) моментом импульса элементарной или составной частицы и ее магнитным моментом, то есть направлением, которое приобретает частица в магнитном поле. У электрона есть три g-фактора: один связан со спином, другой с моментом импульса орбитального движения электрона в атоме и третий, связанный с суммой спина и орбитального момента импульса. Релятивистская квантовая теория электрона, сформулированная Дираком, предсказывает g-фактор 2 для электронного спина. В 2006 году комитет CODATA Международного совета по науке рекомендовал g-фактор 2,0023193043622. Разница объясняется квантовыми электродинамическими эффектами.

W-, Z-частицы. Элементарные частицы, переносящие слабое ядерное взаимодействие. W-частицы – бозоны со спином 1 с единичным положительным или отрицательным зарядом (W+, W^—) и массами 80 ГэВ. Z⁰ – электрически нейтральный бозон со спином 1 и массой 91 ГэВ. W– и Z-частицы приобретают массу посредством механизма Хиггса и могут считаться «тяжелыми» фотонами.

Адрон. От греческого hadros, толстый или тяжелый. Адроны образуют класс частиц, испытывающих сильное ядерное взаимодействие. Они состоят из разных сочетаний кварков. К ним относятся барионы, состоящие из трех кварков, и мезоны, состоящие из кварка и антикварка.

Античастица. Идентична по массе «обычной» частице, но имеет противоположный заряд. Например, античастица электрона (e^—) – позитрон (e+). Античастица красного кварка – красный антикварк. В Стандартной модели у каждой частицы есть античастица. Частицы с нулевым зарядом являются своими собственными античастицами.

Аромат. Свойство, которое, помимо цветного заряда, отличает один тип кварков от другого. Различаются шесть ароматов кварков, относящихся к трем поколениям: верхний, очарованный и истинный кварки с электрическим зарядом +²/₃, спином ¹/₂ и массами 1,7–3,3 МэВ, 1,27 и 172 ГэВ соответственно и нижний, странный и прелестный кварки с электрическим зарядом —¹/₃, спином ¹/₂ и массами 4,1–5,8 МэВ, 101 МэВ и 4,19 ГэВ соответственно. Термин «аромат» также применяется к лептонам, при этом электрон, мюон, тау и соответствующие нейтрино различаются лептонным ароматом. См. Лептон.

Асимптотическая свобода. Свойство сильного цветового взаимодействия между кварками. Цветовое взаимодействие становится слабее, чем ближе кварки друг к другу, и в асимптотическом пределе нулевого разделения ведут себя так, как если бы были совершенно свободны (см. рис. 17(b).

Атом. От греческого atomos, неделимый. Первоначально слово обозначало мельчайшую составную часть материи, а в наше время это фундаментальный компонент химических элементов. Так, вода состоит из молекул H2O, которые, в свою очередь, состоят из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Сам атом состоит из протонов и нейтронов, которые связаны вместе и образуют центральное ядро, и электронов, которые образуют характерные волновые функции, вращаясь вокруг ядра по атомным орбиталям.

БАК. Большой адронный коллайдер, самый высокоэнергетический в мире ускоритель частиц, способный производить протон-протонные столкновения с энергией 14 ТэВ. БАК расположен в ЦЕРНе в кольцевом туннеле длиной 27 км, в 175 метрах под землей у швейцарско-французской границы у Женевы. С помощью БАКа, работавшего с энергией протон-протонных столкновений 7 ТэВ и затем 8 ТэВ, были получены данные, позволившие в июле 2012 года заявить об открытии бозона, соответствующего бозону Хиггса.

Барион. От греческого barys, тяжелый. Барионы входят в класс адронов. Это более тяжелые частицы, которые испытывают сильное ядерное взаимодействие, к ним относятся протоны и нейтроны. Барионы состоят из триплетов кварков.

Бета-радиоактивность/бета-распад. Впервые открыта французским физиком Анри Беккерелем в 1896 году. Название изобрел Эрнест Резерфорд в 1899 году. Один из видов распада слабого взаимодействия, при этом нижний кварк в нейтроне преобразуется в верхний кварк, превращая нейтрон в протон с испусканием W^—-частицы. W^—-частица распадается на высокоскоростной электрон (бета-частицу) и электронное антинейтрино.

Бета-частица. Высокоскоростной электрон, испускаемый ядром атома при бета-распаде. См. Бета-радиоактивность.

Бозон Намбу – Голдстоуна. Безмассовая частица со нулевым спином, образуется вследствие спонтанного нарушения симметрии. Концепция открыта Ёитиро Намбу в 1960 году и разработана Джеффри Голдстоуном в 1961. В механизме Хиггса бозоны Намбу – Голдстоуна придают третью степень свободы квантовым частицам, которые в ином случае не имели бы массы (см. рис. 14, с. 100).

Бозон Хиггса. Назван в честь британского физика Питера Хиггса. У любого поля Хиггса есть характерные частицы, которые называются бозонами Хиггса. Обычно бозоном Хиггса называют частицу поля Хиггса электрослабой теории, впервые использованной в 1967–1968 годах Стивеном Вайнбергом и Абдусом Саламом, чтобы объяснить нарушение электрослабой симметрии. 4 июля 2012 года на Большом адронном коллайдере была обнаружена частица, очень напоминающая электрослабый бозон Хиггса. Это нейтральная частица со спином 0 и массой 125 ГэВ.

Бозон. Назван в честь индийского физика Шатьендраната Бозе. У бозонов целочисленные спины (1, 2, …), вследствие этого на них не распространяется принцип Паули. Бозоны участвуют в передаче взаимодействий между материальными частицами, к ним относятся фотоны (электромагнитное взаимодействие), W– и Z-частицы (слабое взаимодействие) и глюоны (цветовое взаимодействие). Частицы с нулевым спином также называются бозонами, но они не участвуют в переносе взаимодействий. К ним относятся пионы, куперовские пары (которые также могут иметь спин 1) и бозон Хиггса. Гравитон, гипотетическая частица гравитационного поля, считается бозоном со спином 2.

Большой взрыв. Этим термином называется космический «взрыв» пространства-времени и материи в первые мгновения после возникновения Вселенной около 13,7 миллиарда лет назад. Название придумал независимый физик Фред Хойл в качестве пренебрежительного прозвища, однако впоследствии были получены убедительные свидетельства в пользу происхождения Вселенной в результате Большого взрыва. Эти свидетельства включают обнаружение космического реликтового излучения – остывшего когда-то горячего излучения, которое, согласно современным данным, отделилось от материи примерно через 380 тысяч лет после Большого взрыва.

БЭП. Большой электрон-позитронный коллайдер, предшественник Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе.

Волновая функция. Математическое описание частиц материи, таких как электроны, в качестве «материальных волн» дает уравнения, характерные для волнового движения. Такие волновые уравнения имеют волновую функцию, амплитуда и фаза которой изменяются во времени и пространстве. Волновые функции электрона в атоме водорода образуют характерные трехмерные паттерны вокруг ядра, которые называются орбиталями. Волновая механика – волновое выражение квантовой механики – была впервые объяснена Эрвином Шредингером в 1926 году.

Восьмеричный путь. Схема классификации известных на 1960 год частиц в виде двух октетов, разработанная независимо Марри Гелл-Манном и Ювалем Неэманом. В ее основе лежит глобальная симметрия SU(3) и классификация частиц в соответствии с их электрическим зарядом или общим изоспином по отношению к странности (см. рис. 10, с. 82). В конечном итоге восьмеричный путь получил объяснение в рамках кварковой модели (рис. 12, с. 95).

Гига. Приставка, означающая миллиард. Гигаэлектронвольт (ГэВ) – миллиард электронвольт, 10⁹ эВ или 1000 МэВ.

Глубоко неупругое рассеяние. Вид рассеяния частиц при столкновении, в котором большая часть энергии ускоренной частицы (например, электрона) переходит в уничтожение частицы-мишени (например, протона). Ускоренная частица выходит из столкновения с гораздо меньшим количеством энергии, а частица-мишень рассыпается на множество разных адронов.

Глюон. Переносчик сильного цветового взаимодействия между кварками. Квантовая хромодинамика требует восемь безмассовых глюонов цветового взаимодействия, переносящих цветной заряд. Глюоны также принимают участие во взаимодействии, а не просто переносят его от одной частицы к другой. Считается, что энергия, переносимая глюонами, составляет 99 процентов массы протонов и нейтронов.

Гравитация. Сила притяжения между массой-энергией. Гравитация чрезвычайно слаба и не участвует во взаимодействиях между атомами, субатомными и элементарными частицами, которыми управляют цветовое взаимодействие, слабое ядерное и электромагнитное. Гравитация описана в Общей теории относительности.

Гравитон. Гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие, в теории квантовой гравитации. Несмотря на многочисленные попытки разработать такую теорию, до сих пор ни одна не признана успешной. Если гравитон существует, это безмассовый бозон, не имеющий заряда, со спином 2.

Группа симметрии SU(2). Специальная унитарная группа преобразований с двумя комплексными переменными. Янг Чжэньнин и Роберт Миллс установили, что на этой группе симметрии следует основывать квантовую теорию поля для сильного ядерного взаимодействия, и впоследствии она была отождествлена со слабым взаимодействием и после объединения с электромагнитной теорией поля U(1) составляет теорию поля SU(2) ? U(1) для электрослабого взаимодействия.

Группа симметрии SU(3). Специальная унитарная группа преобразований с тремя комплексными переменными. Использована Марри Гелл-Манном и Ювалем Неэманом в качестве глобальной группы симметрии, на которой основан восьмеричный путь. Впоследствии использована ГеллМанном, Гаральдом Фрицшем и Генрихом Лейтвилером в качестве локальной группы симметрии, на которой основана квантовая теория поля для сильного ядерного взаимодействия (цветового) между кварками и глюонами.

Группа симметрии U(1). Унитарная группа преобразований с одной комплексной переменной, эквивалентна (научный термин «изоморфна») группе круга. Мультипликативная группа всех комплексных чисел с абсолютным значением единицы (иными словами, это единичная окружность в комплексной плоскости). Она также изоморфна SO(2) специальной ортогональной группе, которая описывает преобразования симметрии при вращении объекта в двух измерениях. В квантовой электродинамике U(1) отождествляется с фазовой симметрией волновой функции электрона (см. рис. 7, с. 49).

Дециллион. Миллион октиллионов, 10³³ или единица с 33 нулями.

Закон сохранения. Физический закон, согласно которому некое поддающееся измерению свойство изолированной системы не меняется при изменениях системы во времени. Такие свойства, для которых сформулированы законы сохранения, включают энергию, импульс и момент импульса, электрический и цветной заряд, изоспин и т. д. Согласно теореме Нетер, каждый закон сохранения можно отследить до какой-либо непрерывной симметрии системы.

Значение вакуумного ожидания. В квантовой теории величины наблюдаемых количеств, например энергии, выражаются в так называемых ожидаемых (или средних) значениях квантовомеханических операторов, которые соответствуют наблюдаемым объектам. Операторы – это математические функции, которые действуют на волновые функции и изменяют их. Ожидаемое значение вакуума – это ожидаемое значение оператора в вакууме. Из-за формы потенциальной кривой энергии поля Хиггса оно имеет ненулевое значение вакуумного ожидания, которое нарушает симметрию электрослабого взаимодействия (см. рис. 13, с. 99).

Изоспин. Изотопический или изобарический спин. Введен Вернером Гейзенбергом в 1932 году для объяснения симметрии между недавно открытым нейтроном и протоном. Изоспиновая симметрия сегодня считается подклассом более общей симметрии ароматов в адронных взаимодействиях. Изоспин частицы можно рассчитать по числу составляющих ее верхних и нижних кварков (см. с. 93).

Инфляция. См. Космическая инфляция.

Истинный кварк. Также топ-кварк или t-кварк. Кварк третьего поколения с зарядом +²/₃, спином ¹/₂ (фермион) и массой 172 ГэВ. Открыт в Фермилабе в 1995 году.

Калибровочная симметрия. Термин, изобретенный немецким математиком Германом Вейлем. Применительно к теории квантовых полей выбирается «калибровка», уравнения которой инвариантны – то есть ее произвольные изменения не влияют на ожидаемые результаты. Калибровочная симметрия связана с законами сохранения (см. Законы сохранения и Теорема Нетер), и таким образом правильный выбор калибровочной симметрии помогает сформулировать теорию поля, в которой соблюдается сохранение изучаемого свойства.

Калибровочная теория. Калибровочная теория основана на калибровочной симметрии (см. Калибровочная симметрия). Общая теория относительности – калибровочная теория, инвариантная произвольным изменениям в координатной системе пространства-времени (калибровке). Квантовая электродинамика (КЭД) – квантовая теория поля, инвариантная фазе волновой функции электрона. В 1950-х работа над квантовыми теориями поля для сильного и слабого ядерного взаимодействий свелась к установлению сохраняемого количества и затем соответствующей калибровочной симметрии.

Каон. Группа мезонов со нулевым спином, состоящих из верхних, нижних и странных кварков и их антикварков. Это K+ (верхний кварк + странный антикварк), K^— (странный кварк + верхний антикварк) и K⁰ (смесь нижний кварк + странный антикварк и странный кварк + нижний антикварк) с массами 494 МэВ (K^±) и 498 МэВ (K⁰).

Квант. Фундаментальная, неделимая единица физических свойств, например энергии и момента импульса. В квантовой теории такие свойства считаются не непрерывно изменяющимися, но организованными в дискретные пакеты, которые называются квантами. Также квантами называются частицы. Так, фотон – квант электромагнитного поля. Концепцию можно расширить за пределы частиц – переносчиков взаимодействий и включить в нее материальные частицы. То есть электрон – квант электронного поля и т. д. Иногда это называют второй квантизацией.

Квантовая хромодинамика (КХД). Квантовая теория поля для сильного цветового взаимодействия между кварками, переносимого системой восьми цветных глюонов. Основана на группе симметрии SU(3).

Квантовая электродинамика (КЭД). Квантовая теория поля для электромагнитного взаимодействия между электрически заряженными частицами, переносимого фотонами. Основана на группе симметрии U(1).

Квантовое поле. В классической теории силовое поле имеет значение в каждой точке пространства-времени и может быть скалярным (со значением, но без направления) или векторным (со значением и направлением). «Силовые линии», которые проявляются, если насыпать на лист бумаги железные опилки и подержать его над магнитом, дают наглядное представление о таком поле. В квантовой теории поле взаимодействия переносит «рябь» на полях, образующую волны и – поскольку волны также можно интерпретировать как частицы – квантовые частицы. Концепцию можно расширить за пределы переносчиков взаимодействия (бозонов) и включить в нее материальные частицы (фермионы). Так, электрон – квант электронного поля и т. д.

Квантовое число. Описание физического состояния квантовой системы требует конкретизации его свойств в отношении энергии, импульса, момента импульса, электрического заряда и т. п. Вследствие квантизации таких свойств в описании появляются постоянные величины соответствующих квантов. Например, момент импульса, связанный со спином электрона, имеет постоянную величину 1/2 h/2?, где h – постоянная Планка. Повторяющиеся целые и полуцелые числа, на которые умножаются величины квантов, называются квантовыми числами. В магнитном поле спин электрона может быть ориентирован по силовым линиям поля или в противоположном направлении, то есть электрон может иметь ориентацию спин вверх и спин вниз с квантовыми числами +¹/₂ и —¹/₂. Среди других квантовых чисел – главное квантовое число n, обозначающее энергетический уровень и характеризующее энергию электронов, занимающих данный энергетический уровень.

Кварк. Элементарная составляющая адронов. Все адроны состоят из триплетов кварков со спинами ¹/₂ (барионы) или комбинаций кварков и антикварков (мезоны). Кварки образуют три поколения с разными ароматами. Верхний и нижний кварки с электрическими зарядами +²/₃ и —¹/₃ и массами 1,7–3,3 МэВ и 4,1–5,8 МэВ соответственно относятся к первому поколению. Из верхних и нижних кварков состоят протоны и нейтроны. Ко второму поколению относятся очарованный и странный кварки с зарядами +²/₃ и —¹/₃ и массами 1,27 ГэВ и 101 МэВ соответственно. Третье поколение включает прелестный и истинный кварки с электрическими зарядами +²/₃ и —¹/₃ и массами 4,19 и 172 ГэВ соответственно. Кварки также переносят цветной заряд, и кварки каждого аромата обладают красным, зеленым или синим зарядом.

Квинтиллион. Миллион триллионов, 10¹⁸ или 1 000 000 000 000 000 000.

Комплексное число. Комплексное число образовано умножением реального числа на квадратный корень из –1, который записывается в виде i. Квадрат комплексного числа, таким образом, является отрицательным числом, например, квадрат 5i равен –25. Комплексные числа широко применяются в математике для решения проблем, которые невозможно решить с помощью обычных чисел.

Корпускулярно-волновой дуализм. Фундаментальное свойство всех квантовых частиц, которое проявляется одновременно в делокализованном волновом поведении (например, дифракции и интерференции) и локализованном поведении частицы в зависимости от аппарата, которым производится измерение. Впервые предложен Луи де Бройлем в 1923 году как свойство частиц материи, таких как электроны.

Космическая инфляция. Быстрое экспоненциальное расширение Вселенной, которое, по современным данным, произошло между 10^–3 и 10^–32 секундами после Большого взрыва. Открытая в контексте теорий великого объединения американским физиком Аланом Гутом в 1980 году, инфляция позволяет объяснить крупномасштабную структуру Вселенной, которую мы наблюдаем сегодня.

Космические лучи. Потоки высокоэнергетических заряженных частиц из космоса, которые непрерывно изливаются в верхние слои атмосферы Земли. Термин «лучи» появился в первые годы исследования радиоактивности, когда направленные потоки заряженных частиц назывались лучами. У космических лучей разные источники, в том числе высокоэнергетические процессы, происходящие на поверхности Солнца и других звезд, а также неизвестные процессы в других областях Вселенной. Энергия космических частиц обычно находится в диапазоне между 10 МэВ и 10 ГэВ.

Космологическая постоянная. В 1922 году российский теоретик Александр Фридман нашел решения уравнений гравитационных полей Эйнштейна, описывающих Вселенную, в которой происходит расширение пространствавремени. Сначала Эйнштейн не принимал мысли, что пространство-время может расширяться или сжиматься, и ввел космологическую постоянную в свои уравнения, чтобы они допускали однородное статическое решение. Эйнштейна беспокоило, что под действием гравитации Вселенная должна коллапсировать, и он прибег к космологической постоянной – своего рода отрицательной или отталкивающей форме гравитации, – чтобы нейтрализовать этот эффект. Когда появились данные о том, что Вселенная в самом деле расширяется, Эйнштейн пожалел о сделанном и называл это своей самой большой ошибкой в жизни. Однако дальнейшие открытия 1998 года позволили предположить, что расширение Вселенной фактически ускоряется. В сочетании с измеренным спутниками фоновым излучением эти результаты привели к предположению, что Вселенную пронизывает темная энергия, на которую приходится около 73 процентов массы-энергии Вселенной. Одна из форм темной энергии требует повторного введения космологической постоянной Эйнштейна.

Куперовская пара. При охлаждении ниже критической температуры электроны в сверхпроводнике испытывают слабое взаимное притяжение. Электроны с противоположными спинами и импульсами образуют куперовские пары, которые совместно движутся по металлической решетке, и вибрация решетки способствует их движению. Такие пары электронов имеют спин 0 или 1 и потому являются бозонами. Вследствие этого количество пар, которые могут занимать одно квантовое состояние, не ограничено, и при низких температурах они могут «сгущаться», приобретая макроскопические размеры. Куперовские пары в таком состоянии не испытывают сопротивления, проходя по решетке, так возникает явление сверхпроводимости.

Лептон. От греческого leptos, маленький. Лептоны образуют класс частиц, которые не подвержены сильному ядерному взаимодействию. Их сочетания с кварками образуют материю. Как и кварки, лептоны относятся к трем поколениям и включают в себя электрон, мюон и тау с электрическим зарядом –1, спином ¹/₂ и массами 0,51 МэВ, 106 МэВ и 1,78 ГэВ и соответствующие нейтрино. Электронное, мюонное и тау-нейтрино не переносят электрический заряд, имеют спин ¹/₂ и обладают очень малой массой (необходимой, чтобы объяснить феномен нейтринной осцилляции, квантовомеханического смешения ароматов нейтрино, то есть со временем ароматы могут изменяться).

Лэмбовский сдвиг. Небольшая разница между энергией двух электронов атома водорода, открытая Уиллисом Лэмбом и Робертом Резерфордом в 1947 году. Лэмбовский сдвиг подтолкнул физиков к решению проблемы перенормировки и в конечном итоге созданию квантовой электродинамики.

Лямбда-CDM, ?CDM. Аббревиатура CDM означает «холодная темная материя». Также известна как Стандартная модель космологии Большого взрыва. Модель ?CDM объясняет крупномасштабную структуру Вселенной, реликтовое микроволновое излучение, ускоряющееся расширение Вселенной и распространение таких элементов, как водород, гелий, литий и кислород. Согласно модели ?CDM, 73 процента массы-энергии Вселенной приходится на долю темной энергии (которая отражается в размере космологической постоянной ?), 22 процента – холодной темной материи, и таким образом на долю видимой Вселенной – галактик, звезд и известных планет – остается всего 5 процентов.

Мега. Приставка, означающая миллион. Мегаэлектронвольт (МэВ) – это миллион электронвольт, 10⁶ эВ или 1 000 000 эВ.

Мезон. От греческого mesos, средний. Мезоны – подкласс адронов. Они испытывают сильное ядерное взаимодействие и состоят из кварков и антикварков.

Механизм Хиггса. Назван в честь британского физика Питера Хиггса, но также часто называется по именам других физиков, независимо открывших механизм в 1964 году. Вариант названия: механизм Браута – Энглера – Хиггса– Хейгена – Гуральника – Киббла, в честь физиков Роберта Браута, Франсуа Энглера, Питера Хиггса, Карла Хейгена, Джеральда Гуральника и Тома Киббла. Механизм описывает, каким образом фоновое поле – называемое полем Хиггса – нарушает симметрию в квантовой теории поля. В 1967–1968 годах Стивен Вайнберг и Абдус Салам независимо друг от друга использовали этот механизм в работе над теорией поля для электрослабого взаимодействия.

Миллиард. Тысяча миллионов, 10⁹ или 1 000 000 000.

МИТ. Массачусетский институт технологий.

Молекула. Фундаментальная единица химического вещества, образованная из двух или более атомов. Молекула кислорода O2 состоит из двух атомов кислорода. Молекула воды H2O состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.

Моль. Стандартная единица измерения количества вещества, равная его атомному или молекулярному весу в граммах. Моль содержит 6,022 ? 10²³ частиц. Название происходит от слова «молекула».

МССМ. Минимальная суперсимметричная Стандартная модель – минимальное расширение обычной Стандартной модели физики элементарных частиц, которое учитывает суперсимметрию. Разработана в 1981 году Ховардом Джорджи и Саввасом Димопулосом.

Мюон. Лептон второго поколения, эквивалентный электрону, с зарядом –1, спином ¹/₂ (фермион) и массой 106 МэВ. Впервые открыт в 1936 году Карлом Андерсоном и Сетом Неддермейером.

Нарушение симметрии. Спонтанное нарушение симметрии происходит каждый раз, когда самое низкоэнергетическое состояние физической системы имеет более низкую симметрию, чем высокоэнергетические состояния. Когда система теряет энергию и находится в самом низкоэнергетическом состоянии, симметрия спонтанно уменьшается, то есть нарушается. Например, карандаш, идеально сбалансированный и установленный на острие, симметричен, однако он падает и ложится в некоем определенном направлении в менее симмтеричном, но более стабильном, низкоэнергетическом состоянии.

Нейтральные токи (слабое взаимодействие). Взаимодействие между элементарными частицами, при котором не происходит изменение электрического заряда. Это может быть обмен виртуальными Z⁰-частицами или одновременный обмен частицами W+ и W^— (см. рис. 15 и 16, с. 111 и 135).

Нейтрино. От итальянского «нейтрончик». Нейтрино не заряжены, имеют спин ¹/₂ (фермион), это спутники отрицательно заряженных электронов, мюонов и тау-частиц. Считается, что нейтрино обладают очень малой массой, что необходимо для объяснения феномена нейтринной осцилляции, то есть квантовомеханического смещения ароматов нейтрино, таким образом, что аромат может со временем измениться. Нейтринная осцилляция решает проблему солнечных нейтрино – количество нейтрино, которые в соответствии с измерениями проходят сквозь Землю, не соответствует количеству электронных нейтрино, ожидаемому в результате происходящих в ядре Солнца реакций. В 2001 году было показано, что лишь 35 процентов солнечных нейтрино являются электронными нейтрино, а оставшаяся часть приходится на мюонные и тау-нейтрино. Это свидетельствует о том, что ароматы нейтрино меняются по мере их движения от Солнца к Земле.

Нейтрон. Электрически нейтральная субатомная частица, открытая в 1932 году Джеймсом Чедвиком. Нейтрон – это барион, состоящий из одного верхнего и двух нижних кварков со спином ¹/₂ и массой 940 МэВ.

Общая теория относительности, ОТО. Разработанная Эйнштейном в 1915 году, общая теория относительности включает в себя специальную теорию относительности и ньютоновский закон всемирного тяготения в геометрической теории гравитации. Эйнштейн заменил «действие на расстоянии» из теории всемирного тяготения Ньютона движением массивных тел в искривленном пространствевремени. В ОТО материя говорит пространству-времени, как искривляться, а искривленное пространство-время говорит материи, как двигаться.

Октиллион. Миллиард квинтиллионов, 10²⁷ или единица с 27 нулями.

Очарованный кварк. с-кварк, кварк второго поколения с зарядом +²/₃, спином ¹/₂ (фермион) и массой 1,27 ГэВ. Открыт одновременно в Брукхейвенской национальной лаборатории и Стэнфордском центре ускорителей во время «ноябрьской революции» 1974 года при наблюдении за ^J/_?-мезоном, состоящим из с-кварка и с-антикварка.

Партон. Слово, придуманное Ричардом Фейнманом в 1968 году для описания точечных частиц, составляющих протоны и нейтроны. Партоны впоследствии оказались кварками и глюонами.

Перенормировка. Одно из следствий введения частиц в качестве квантов поля состоит в том, что частицы могут испытывать самодействие, то есть взаимодействовать со своими собственными полями. Это значит, что такие методы, как теория возмущения, используемые для решения управлений поля, не подходят, когда в качестве бесконечных поправок появляются самодействующие члены. Математический метод перенормировки создан для устранения таких самодействующих членов за счет переопределения параметров (например, массы и заряда) самих частиц поля.

Пион. Группа мезонов со спином 0, образованных верхним и нижним кварками и их антикварками. Это ?+ (верхний кварк + нижний антикварк), ?^— (нижний кварк + верхний антикварк) и ?⁰ (смесь верхний кварк + верхний антикварк и нижний кварк + нижний антикварк), с массами 140 МэВ (?±) и 135 МэВ (?⁰).

Позитрон. Античастица электрона, обозначается e+, с зарядом +1, спином ¹/₂ (фермион) и массой 0,51 МэВ. Первая обнаруженная античастица, открыта Карлом Андерсоном в 1932 году.

Поле Хиггса. Названо в честь британского физика Питера Хиггса. Этим общим термином называется любое фоновое поле, внесенное в квантовую теорию поля для нарушения симметрии посредством механизма Хиггса. Существование поля Хиггса, нарушающего симметрию в квантовой теории поля для электрослабого взаимодействия, убедительно подкрепляется открытием новой частицы в ЦЕРНе.

Постоянная Планка. Обозначается буквой h. Открыта Максом Планком в 1900 году. Постоянная Планка – фундаментальная физическая константа, отражающая величину квантов в квантовой теории. Например, энергия фотонов определяется их частотой излучения, согласно уравнению E = hv, то есть энергия равна произведению постоянной Планка на частоту излучения. Постоянная Планка имеет значение 6,626 ? 10^–34 Дж·c.

Прелестный кварк. Также бьюти-кварк, боттом-кварк или b-кварк. Кварк третьего поколения с зарядом —¹/₃, спином ¹/₂ (фермион) и массой 4,19 ГэВ. Открыт в Фермилабе в 1977 году при наблюдении за ипсилон-мезоном, состоящим из b-кварка и b-антикварка.

Принцип неопределенности. Открыт Вернером Гейзенбергом в 1927 году. Принцип неопределенности утверждает, что есть некий окончательный предел точности, с которой можно измерить пары «сопряженных» наблю даемых объектов, таких как положение и момент, энергия и время. В основе принципа фундаментальный корпускулярно-волновой дуализм поведения квантовых объектов.

Принцип Паули, принцип запрета. Открыт Вольфгангом Паули в 1925 году. Утверждает, что два фермиона не могут занимать одно квантовое состояние (то есть обладать таким же набором квантовых чисел) одновременно. Для электронов это означает, что лишь два электрона могут находиться на одной атомной орбитали, при условии что они обладают противоположными спинами.

Протон. Положительно заряженная субатомная частица, открытая и названная Эрнестом Резерфордом в 1919 году. Резерфорд установил, что ядро атома водорода (которое представляет собой единственный протон) – фундаментальная составная часть ядер других атомов. Протон – это барион, состоящий из двух верхних и одного нижнего кварка со спином ¹/₂ и массой 938 МэВ.

Реликтовое излучение, также фоновое микроволновое излучение. Примерно через 380 тысяч лет после Большого взрыва Вселенная достаточно расширилась и охладилась, чтобы произошла рекомбинация ядер водорода (протонов) и ядер гелия (состоящих из двух протонов и двух нейтронов) с электронами и, следовательно, образование нейтральных атомов водорода и гелия. В тот момент Вселенная стала «прозрачной» для остаточного горячего излучения. При дальнейшем расширении это горячее излучение охладилось до микроволнового диапазона с температурой всего 2,7 K (–270,5 °C), на несколько градусов выше абсолютного нуля. Это реликтовое излучение было предсказано несколькими теоретиками и случайно открыто Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном в 1964 году. В дальнейшем оно было подробно исследовано с помощью спутников COBE и WMAP.

Сверхпроводимость. Открыта Хейке Камерлинг-Оннесом в 1911 году. При охлаждении ниже определенной критической температуры некоторые кристаллические материалы теряют электрическое сопротивление и становятся сверхпроводниками. Электрический ток беспрерывно течет по сверхпроводящему проводу без дополнительной энергии. Сверхпроводимость – квантовомеханический феномен, объясняемый при помощи механизма БКШ, названного так в честь Джона Бардина, Леона Купера и Джона Шриффера.

Светимость. Светимость пучка частиц в ускорителе – это количество частиц на единицу площади на единицу времени, умноженное на непрозрачность второго пучка (показатель непроницаемости мишени для частиц). Особенно интересна интегрированная светимость, сумма светимости за период времени, обычно выражается в единицах на квадратный сантиметр (см^–2) или обратных барнах (10²⁴ см^–2). Количество столкновений, приводящих к конкретной реакции, представляет собой интегрированную светимость, умноженную на поперечное сечение (в см²) реакции, что является показателем ее вероятности.

Сильное взаимодействие. Сильное ядерное взаимодействие, или цветовое взаимодействие, связывает кварки и глюоны внутри адронов и описывается квантовой хромодинамикой. Взаимодействие, связывающее протоны и нейтроны внутри атомного ядра (также называемое сильным ядерным взаимодействием), считается «пережитком» цветового взаимодействия, связывающего кварки внутри нуклонов. См. Цветовое взаимодействие.

Синхротрон. Тип ускорителя частиц, в котором электрическое поле используется для разгона частиц, а магнитное для направления их по кольцу, при этом они тщательно синхронизируются с пучком частиц.

Слабое ядерное взаимодействие. Данный тип взаимодействия называется слабым потому, что оно существенно слабее сильного и электромагнитного взаимодействий. Слабое взаимодействие влияет на кварки и лептоны и может менять аромат кварков и лептонов, например превратить верхний кварк в нижний и электрон в электронное нейтрино. Впервые было установлено, что слабое взаимодействие является фундаментальным, на основании исследований бета-радиоактивного распада. Переносчики слабого взаимодействия – частицы W и Z. Слабое взаимодействие объединено с электромагнитным в квантовой теории поля SU(2) ? U(1) для электрослабого взаимодействия Стивеном Вайнбергом и Абдусом Саламом в 1967–1968 годах.

Слабый нейтральный ток. Слабое взаимодействие с обменом виртуальным Z⁰-бозоном или сочетанием виртуальных W+ и W^— частиц (см. рис. 15 и 16, с. 111 и 135).

Специальная теория относительности. Разработанная Эйнштейном в 1905 году, специальная теория относительности утверждает, что все движение относительно и не существует единой или главной системы отсчета, относительно которой можно измерить движение. Все инерциальные системы отсчета эквивалентны – наблюдатель, неподвижно находящийся на Земле, получит такие же результаты таких же физических измерений, как и наблюдатель, движущийся с равномерной скоростью в космическом корабле. Теория положила конец классическим понятиям абсолютного пространства и времени, абсолютного покоя и одновременности. Формулируя теорию, Эйнштейн исходил из того, что ничто не может двигаться быстрее скорости света в вакууме. Теория называется специальной в том смысле, что она не объясняет движения с ускорением; движение с ускорением учитывается в Общей теории относительности.

Спин. Свойство всех элементарных частиц, вид момента импульса. Хотя сначала спин электрона понимался как его «самовращение» (вращение электрона вокруг своей оси, вроде волчка), спин представляет собой релятивистский феномен и не имеет аналога в классической физике. Частицы характеризуются спиновыми квантовыми числами. Частицы с полуцелым спином называются фермионами. Частицы с целым спином называются бозонами. Частицы материи – фермионы. Частицы взаимодействий – бозоны.

ССК. Сокращение от сверхпроводящий суперколлайдер, проект строительства крупнейшего в мире ускорителя частиц в Ваксахачи, округ Эллис, Техас. Предполагалось, что ССК сможет достигнуть энергии протон-протонных столкновений 40 ТэВ. Проект закрыт конгрессом США в октябре 1993 года.

Стандартная модель в космологии. См. Лямбда-CDM.

Стандартная модель в физике элементарных частиц. Принятая в современной физике теоретическая модель, описывающая частицы материи и их взаимодействия между собой, за исключением гравитации. Стандартная модель состоит из квантовых теорий поля с локальными симметриями SU(3) (цветовое взаимодействие) и SU(2) ? U(1) (слабое ядерное и электромагнитное взаимодействие). В Стандартную модель входят три поколения кварков и лептонов, фотон, W– и Z-частицы, глюоны – переносчики цветового взаимодействия и бозон Хиггса.

Степень свободы. Количество измерений, доступных для системы или в которых система свободно движется. Классическая частица может свободно двигаться в трех пространственных измерениях. Однако фотоны, будучи безмассовыми частицами со спином 1, ограничены лишь двумя измерениями, которые проявляются в виде левой и правой круговой поляризации или вертикальной и горизонтальной поляризации. В механизме Хиггса безмассовые бозоны получают третью степень свободы, поглощая бозон Намбу – Голдстоуна (см. рис. 14, с. 100).

Странность. Характерное свойство таких частиц, как нейтральные лямбда-частицы, нейтральные и заряженные сигма– и кси-частицы и каоны. Марри Гелл-Манн и Юваль Неэман использовали странность наряду с электрическим зарядом и изоспином для классификации частиц согласно восьмеричному пути (см. рис. 10, с. 82). Позднее это свойство было объяснено присутствием в этих частицах странного кварка (см. рис. 12, с. 95).

Странный кварк. Кварк второго поколения с зарядом —¹/₃, спином ¹/₂ (фермион) и массой 101 МэВ. Странность как характеристика относительно низкоэнергетических (низкомассовых) частиц была открыта в 1940 и 1950 годах Марри Гелл-Манном и независимо Кадзухико Нисидзимой и Тадао Накано. Позднее Гелл-Манн и Джордж Цвейг объяснили странность частиц присутствием в них странного кварка (см. рис. 12, с. 95).

Суперсимметрия. Альтернатива Стандартной модели физики элементарных частиц, в которой асимметрия между частицами материи (фермионами) и силы (бозонами) объясняется на основании нарушенной суперсимметрии. При высоких энергиях (например, таких, какие преобладали на самых ранних этапах после Большого взрыва) суперсимметрия не нарушена, то есть существует идеальная симметрия между фермионами и бозонами. Кроме асимметрии между фермионами и бозонами, нарушенная суперсимметрия предсказывает класс массивных суперпартнеров со спинами, отличающимися на ¹/₂. Суперсимметричные партнеры фермионов называются сфермионами. Партнер электрона называется сэлектроном; каждый кварк имеет партнера в виде соответствующего скварка. У каждого бозона есть бозино. Суперсимметричные партнеры фотона, W– и Z– частиц и глюонов – это фотино, вино, зино и глюино. Суперсимметрия решает многие проблемы Стандартной модели, но данные в пользу существования суперпартнеров еще не найдены.

Темная материя. Открытая в 1934 году швейцарским астрономом Фрицем Цвикки как аномалия при измерении масс галактик в скоплении Волос Вероники (в созвездии Волосы Вероники). Он сравнил массы, полученные на основе наблюдаемых движений галактик у края скопления, и массы на основе количества наблюдаемых галактик и общей яркости скопления. Результаты отличались в 400 раз. Казалось, целых 90 процентов массы, необходимой, чтобы объяснить гравитационные эффекты, отсутствовали или не поддавались наблюдению. Эта отсутствующая масса получила название темной материи. Дальнейшие исследования свидетельствуют в пользу формы темной материи, которую называют холодной темной материей. См. Холодная темная материя.

Теорема Нетер. Разработанная Амалией Эмми Нетер в 1918 году, теорема соединяет законы сохранения с непрерывными симметриями физических систем и описывающих их теорий, что используется как инструмент при разработке новых теорий. Сохранение энергии отражает тот факт, что управляющие энергией законы инвариантны изменениям или так называемым трансляциям во времени. Что касается импульса, то законы инвариантны трансляциям в пространстве. Что касается момента импульса, то законы инвариантны углу направления, измеренного от центра вращения.

Теория великого объединения. Любая теория, которая старается объединить электромагнитное, сильное и слабое ядерное взаимодействия в единой структуре, является примером теории великого объединения. Первую теорию такого типа разработали Шелдон Глэшоу и Ховард Джорджи в 1974 году. ТВО не учитывают гравитацию; теории, которые учитывают гравитацию, обычно называются теориями всего.

Теория возмущения. Математический метод нахождения приблизительных решений для уравнений, которые нельзя решить точно. Уравнение преобразуется в виде разложения возмущения – суммы потенциально бесконечного ряда членов, которые начинаются с выражения нулевого порядка, имеющего точное решение. К нему прибавляются дополнительные члены (возмущения), представляющие поправки первого порядка, второго порядка, третьего порядка и т. д. В принципе каждый член разложения представляет собой все меньшую и меньшую поправку к результату нулевого порядка, что постепенно подводит ответ все ближе к фактическому результату. Точность окончательного результата зависит от количества возмущающих членов, участвующих в расчете. Хотя структурно это совсем другой пример, тем не менее можно представить себе, как действует разложение возмущения, если посмотреть на разложение степенного ряда простой тригонометрической функции, например sin x. Первые несколько членов разложения таковы: sin x = x – x³/3! + x⁵/5! – x⁷/7! + … Для x = 45° (0,785398 радиана) первый член дает 0,785398, из чего мы вычитаем 0,080745, потом прибавляем 0,002490, потом вычитаем 0,000037. Каждый последующий член дает небольшую поправку, и всего через четыре члена мы получаем результат 0,707106, сравнимый с sin (45°) = 0,707107.

Теория Янга – Миллса. Квантовая теория поля, основанная на калибровочной инвариантности, разработана в 1954 году Янгом Чжэньнином и Робертом Миллсом. Теория Янга – Миллса включает все компоненты современной Стандартной модели физики элементарных частиц.

Тера. Приставка, означающая триллион. Тераэлектронвольт (ТэВ) – триллион электронвольт, 10¹² эВ или 1000 ГэВ.

Триллион. Тысяча миллиардов или миллион миллионов, 10¹² или 1 000 000 000 000.

Фермион. Назван в честь итальянского физика Энрико Ферми. У фермионов полуцелые спины (¹/₂, ³/2 и т. д.), к ним относятся кварки, лептоны и многие составные частицы, образованные разными комбинациями кварков, например барионы.

Фотон. Элементарная частица, участвующая во всех видах электромагнитного излучения, включая видимый свет. Безмассовый бозон со спином 1, переносчик электромагнитного взаимодействия.

Холодная темная материя (Cold Dark Matter, CDM). Ключевой компонент Современной модели космологии Большого взрыва, называемой ?CDM. По современным данным, на долю темной материи приходится около 22 процентов массы-энергии Вселенной. Состав темной материи неизвестен, но считается, что она в основном состоит из небарионной материи, то есть материи, образованной не протонами и нейтронами, а, скорее всего, частицами, пока еще неизвестными Стандартной модели. Среди кандидатов также слабовзаимодействующие массивные частицы, «вимпы» (WIMPs). Они обладают многими свойствами нейтрино, однако они должны быть гораздо более массивными и потому двигаться гораздо медленнее. Суперсимметричные расширения Стандартной модели предполагают, что такими частицами могут быть нейтралино.

Цветной заряд. Свойство кварков, помимо аромата (верхний, нижний, странный и т. д.). В отличие от электрического заряда, который бывает двух видов – положительный и отрицательный, у цветного заряда три вида: красный, зеленый, синий. Разумеется, эти названия не означают, что кварки в самом деле имеют цвет в привычном смысле слова. Цветовое взаимодействие между кварками переносят цветные глюоны.

Цветовое взаимодействие. Сильное взаимодействие, которое удерживает кварки и глюоны внутри адронов. В отличие от более привычных взаимодействий, таких как гравитационное и электромагнитное, цветовому взаимодействию свойственна асимптотическая свобода – на асимптотическом пределе нулевого разделения кварки ведут себя так, будто они совершенно свободны. Сильное ядерное взаимодействие, которое связывает протоны и нейтроны в ядре атома, считается «остатком» цветового взаимодействия, связывающего кварки внутри нуклонов.

ЦЕРН. Сокращение от Conseil Europ?en pour la Recherche Nucl?aire (Европейский совет по ядерным исследованиям), основан в 1954 году. После роспуска временного совета и учреждения организации она получила название Европейская организация по ядерным исследованиям, однако сокращение решили оставить. ЦЕРН находится на северо-западной окраине Женевы недалеко от швейцарско-французской границы.

Электрический заряд. Свойство, которым обладают кварки и лептоны (и более привычные протоны и электроны). Электрический заряд бывает двух видов – положительный и отрицательный, а отрицательно заряженный ток лежит в основе электроэнергетической промышленности.

Электромагнитное взаимодействие. Благодаря трудам нескольких физиков-экспериментаторов и теоретиков, главным образом английского физика Майкла Фарадея и шотландского теоретика Джеймса Кларка Максвелла, электричество и магнетизм считаются компонентами единого фундаментального взаимодействия. Электромагнитное взаимодействие связывает электроны с ядром внутри атома, а также сами атомы, образующие огромное разнообразие молекул и веществ.

Электрон. Открыт в 1897 году английским физиком Джозефом Джоном Томсоном. Электрон – лептон первого поколения с зарядом –1, спином ¹/₂ (фермион) и массой 0,51 МэВ.

Электронвольт (эВ). Электронвольт – количество энергии, приобретаемое одним отрицательно заряженным электроном при ускорении в одновольтном электрическом поле. 100-ваттная электрическая лампа сжигает энергию со скоростью 600 миллиардов миллиардов электронвольт в секунду.

Электрослабое взаимодействие. Несмотря на большую разницу в масштабе между электромагнитным и слабым ядерным взаимодействием, когда-то они составляли единое электрослабое взаимодействие, которое, как считается, существовало в электрослабую эпоху в период с 10^–3 по 10^–12 секунд после Большого взрыва. Объединение электромагнитного и слабого взаимодействий в теории поля SU(2) ? U(1) впервые осуществил Стивен Вайнберг и независимо Абдус Салам в 1967–1968 годах.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.