о кафедре
Вопросы и ответы
-
Почему антивещества так мало?
(профессор кафедры 40 д.ф.-м.н. Рубин С.Г)
Когда в результате Большого взрыва образовалась наша Вселенная, возникло колоссальное количество частиц и античастиц. Поскольку плотность частиц в то время была очень большой, частицы и античастицы интенсивно сталкивались и аннигилировали (взаимно уничтожались), превращаясь в 2 фотона. Поскольку случайным образом частиц изначально родилось немного больше, то все античастицы исчезли, а небольшая доля частиц осталась. Из них мы и состоим.
Какого размера Вселенная?
(профессор кафедры 40 д.ф.-м.н. Рубин С.Г)
По современным представлениям, Вселенная очень велика, хотя и имеет конечные размеры. Та область, которая доступна наблюдениям, имеет размер примерно \(10^{28}\) сантиметров. Это то расстояние, которое пролетел свет с момента образования Вселенной 13,8 миллиарда лет назад.
По современным представлениям, размер видимой Вселенной, скорее всего, будет уменьшаться со временем. Это стало понятно после открытия темной энергии, равномерно заполняющей все космическое пространство.
Чем отличается тёмная материя от тёмной энергии?
(к.ф.-м.н. ст. преподаватель кафедры 40 Гробов А.В.)
Астрономы умеют подсчитывать количество "светящегося", барионного вещества во Вселенной. Однако для объяснения динамики звездных скоплений, галактик и скоплений галактик этого вещества недостаточно. Позже появились и другие указания на существование некоей невидимой массы во Вселенной. Что это такое, никто не знает.
Однако известно, что на нее приходится около 27% энергии Вселенной, которая может собираться в скопления и сгустки вокруг галактик и скоплений галактик, другими словами кластеризоваться. Ее назвали темной материей или скрытой массой. Предполагается, что она может состоять из неизвестных тяжелых частиц без электромагнитного взаимодействия (так что они не излучают фотоны), либо состоять из астрофизических объектов, как черные дыры, либо из еще более экзотических форм материи. Также существуют теории, которые модифицируют теорию тяготения.
На известную барионную материю приходится около 5% энергии Вселенной, а все остальное, порядка 68%, назвали темной энергией. Она предположительно равномерно разлита по пространству (что бы это не значило).
Гипотез и моделей, которые объясняют происхождение и сущность темной энергии множество, среди наиболее известных энергия вакуума и квинтэссенция. Темная энергия входит в уравнение Фридмана и в данный момент определяет скорость расширения Вселенной. Темная энергия и темная материя составляют около 95% общей энергии во Вселенной. -
Почему Большой Адронный Коллайдер такой большой?
(доцент кафедры 40 к.ф.-м.н. Солдатов Е.Ю.)
Большой Адронный Коллайдер создан для изучения новых процессов на высокой (ещё не достигнутой до этого ускорителями) энергии. Для набора частицами в кольцевом коллайдере скорости (и, соответственно, энергии) важна слаженная работа ускоряющих магнитов и магнитов задающих направление частицам. Чем выше скорость частиц, тем более сильное нужно отклоняющее магнитное поле. Другой вариант – увеличивать радиус ускорителя. В какой-то момент увеличение радиуса становится дешевле (т.к. начинаются большие технические сложности увеличивать дальше магнитное поле), поэтому каждый последующий ускоритель больше предыдущих.
Является ли синхротронное излучение весомой проблемой при повышении энергии столкновений на ускорителях? Или все упирается в сложности с магнитными полями?
(доцент кафедры 40, к.ф.-м.н. Солдатов Е.Ю.)
Спасибо за правильный и интересный вопрос! Да, это вторая по важности проблема. В самом деле, энергия, уходящая на синхротронное излучение (заряженные частицы двигаются по кольцевой орбите, а, значит, испытывают центростремительное ускорение) обратно пропорциональна радиусу орбиты. Если не увеличивать радиус, то всё большая и большая часть энергии (электрического поля), расходуемой на ускорение, будет теряться на данный тип излучения. Однако на данный момент основной пока является проблема с увеличением интенсивности магнитного поля, т.к. для этого приходится увеличивать силу тока в обмотках. Для того, чтобы обмотки справлялись с такой силой тока, на БАК все магниты работают только в сверхпроводящем режиме. В обычном режиме с такой силой тока они работать не смогут, что и показал инцидент 2008 года на БАК.
P.S. Кстати, само синхротронное излучение много где используется в науке и технике. Советуем к прочтению статью -
Из чего состоит электрон?
(профессор кафедры 40 д.ф.-м.н. Рубин С.Г.)
На данный момент электрон считается элементарной (т.е. неделимой) частицей. Однако всего лишь пару веков назад атом тоже считался неделимым (и именно так это слово переводится с древнегреческого языка). Поэтому ученые продолжают попытки изучить внутреннюю структуру электрона, если таковая существует.
Почему кварки не могут существовать отдельно?
(профессор кафедры 40 д.ф.-м.н. Рубин С.Г.)
На этот вопрос до сих пор нет точного ответа. "Существовать отдельно" - означает перемещаться в пространстве, не взаимодействуя с окружающей средой. Кварки взаимодействуют друг с другом, обмениваясь частицами под названием "глюоны".
Свойства глюонов таковы, что чем больше расстояние между кварками, тем сильнее они взаимодействуют друг с другом. Как будто между ними натянута пружинка. Но, хотя наука, занимающаяся этими вопросами - квантовая хромодинамика - существует несколько десятилетий, загадка отсутствия кварков в свободном состоянии остается неразгаданной.
Следует отметить, что при огромных давлениях/температурах в природе существует особое состояние - кварк-глюонная материя. Внутри этой материи кварки имеют такую большую энергию, что "не замечают" актов взаимодействия с соседними кваками. Такая материя, например, существовала в первые мгновения после Большого взрыва.
Какие перспективы развития у СМ?
(профессор кафедры 40 д.ф.-м.н. Рубин С.Г.)
Стандартная модель элементарных частиц - замечательное достижение теоретической мысли, объяснившее основные свойства частиц и предсказавшее существование и свойства новых частиц. Эти предсказания были подтверждены затем экспериментально. Открытый несколько лет назад бозон Хиггса - частица, взаимодействие с которой придает массу остальным частицам, оказался последним недостающим звеном этой теории. Поиски отклонений от предсказаний Стандартной модели до сих пор не дали никаких результатов - все ее предсказания совпадают с экспериментальными данными.
Стоит ли продолжать поиски доказательств неточности Стандартной модели? Ответ - да, стоит, и вот почему. Дело в том, что известны явления в мире частиц, которые не описываются этой моделью. Не ясно как нейтрино получили свои массы, которые на много порядков меньше масс остальных частиц. Также не вписывается в модель существование частиц темной материи. Все это указывает на то, что Стандартная модель имеет границы применимости и ученые всего мира пытаются эти границы найти. Этому посвящены все эксперименты на коллайдере в ЦЕРНе, нейтринные эксперименты, эксперименты по поиску темной материи.
И, хотя Стандартная модель стойко удерживает позиции, ученые уверены, что границы будут обнаружены. Тогда теоретикам придется строить новую, более глубокую теорию, например, на основе идеи о существовании многомерных пространств. Впрочем, многие из них предусмотрительно уже разрабатывают возможные варианты будущей теории.
Одним из вариантов появления массы у частиц является механизм Коулмена-Вайберга. Какие достоинства и недостатки по сравнению с механизмом Хиггса у этого варианта?
(профессор кафедры 40 д.ф.-м.н. Рубин С.Г.)
Для появления массы у частиц за счёт их взаимодействия со скалярным полем необходимо, чтобы потенциал этого поля имел минимум при значении поля, отличном от нуля. Этого можно добиться, просто постулируя форму потенциала, что Хиггс и ещё несколько человек и сделали. С другой стороны, давно известно, что квантовые флуктуации меняют параметры, используемые в любой теории. Учёт квантовых поправок Коулменом и Вайнбергом приводит к изменению формы потенциала и появлению нужного минимума в нужном месте, даже если первоначальный потенциал был совсем простым. Пока эксперимент полностью подтверждает вариант, предложенный Хиггсом.