פיזיקת חלקיקים

פיזיקת חלקיקים חוקרת את המבנים הבסיסיים של החומר והקרינה.
הענף נקרא גם פיזיקה של אנרגיות גבוהות, כי הרבה חלקיקים מופיעים רק בעת התנגשויות אנרגטיות במאיצים.
התיאור המתמטי המרכזי של התחום הוא תורת השדות הקוונטית, שהיא שפה מתמטית שמתארת חלקיקים וכוחות.

העיסוק המרכזי הוא בחלקיקים תת-אטומיים, אלו חלקים קטנים יותר מהאטום. דוגמאות: אלקטרון, פרוטון, נייטרון.
פרוטונים ונייטרונים הם עצמים מרוכבים מבנים שנקראים קווארקים (קווארקים הם חלקיקים קטנים יותר).
יש גם חלקיקים שנוצרו בניסויים, כמו הפוטון (חלקיק של אור), נייטרינו והמיואון, ועוד רבים אקזוטיים.
חלקיקים כפופים לחוקי הקוונטים: לפעמים הם נראים כחלקיק, ולפעמים כגל. זו דואליות גל-חלקיק.

המודל הסטנדרטי ממפה את החלקיקים והכוחות הבסיסיים, חוץ מכבידה. הוא מתאר את הכוח החזק, הכוח החלש והכוח האלקטרומגנטי.
כוחות אלה מועברים על ידי בוזוני כוח, למשל פוטון, בוזוני W ו-Z, ושמונה גלואונים (גלואון הוא שליח של הכוח החזק).
המודל חזה גם את קיומו של בוזון היגס. גילוי בוזון היגס אושר ב-2013, וזה הביא פרס נובל לפיזיקה לפיטר היגס ופרנסואה אנגלר.
מנגנון היגס, המבוסס על שבירת סימטריה ספונטנית, מסביר איך חלקיקים מסוימים מקבלים מסה.
המודל הסטנדרטי נבדק מדויק מאוד בניסויים, אך מדענים חושבים שהוא לא התמונה הסופית של הטבע.
מדידות של מסת הנייטרינו היו בין הסימנים הראשונים לחריגות מהמודל.

ניסויים דורשים מאיצי חלקיקים גדולים ושיתופי פעולה בינלאומיים.
מאיצים כאלה בנויים במדינות שונות, והם מאפשרים ליצור ולגלות חלקיקים חדשים,
כמו גם למדוד תכונות מדויקות של החלקיקים המוכרים.

תאורטיקנים מפתחים כלים מתמטיים כדי לתאר תופעות פיזיקליות. רבים עובדים על רעיונות רחבים כמו תורת המיתרים.
פנומנולוגים (מרכיבי מודלים) מנסים לתרגם תאוריות לניבויים שניתן לבדוק בניסוי.
תחומי העניין כוללים את מכניקת היגס, בעיית ההיררכיה, מודלים עם ממדים נוספים והיבטים של סימטריה.

קיימת מחלוקת פילוסופית לגבי עד כמה ניתן להסביר את הכל בחלקיקים יסודיים.
מבקרים טוענים שידיעה על החלקיקים בלבד לא נותנת תמונה מלאה של מערכות מורכבות.

מאיצים גדולים עולים סכומים עצומים ודורשים מימון ממשלתי ובינלאומי.
ב-1993 הופסקה בניית מאיץ העל SSC בארצות הברית אחרי שהושקעו שני מיליארדי דולר.
החלטה זו הושפעה בין השאר מסוף המלחמה הקרה ושינויים בעדיפות המימון הציבורי.
חלק טוען שהשקעה במחקר בסיסי מצדיקה את העלות וגורמת לתועלות רחבות במדע.

פיזיקת חלקיקים חוקרת את ה'בונה' הקטן של החומר.
"חלקיק" הוא חתיכה מאוד קטנה של חומר או של אנרגיה.
חלקיקים אלה לעיתים נראים כחלקיקים ולעיתים כגלים. זו תכונה של עולם הקוונטים.

חלקיקים תת-אטומיים קטנים יותר מהאטום. דוגמאות פשוטות: אלקטרון, פרוטון, נייטרון.
פרוטון ונייטרון עשויים מקווארקים. קווארק הוא חלקיק קטן יותר.
יש גם פוטון, חלקיק של אור, ונייטרינו, חלקיק דק מאוד.

המדענים סידרו הרבה חלקיקים במערכת שנקראת המודל הסטנדרטי.
הוא מסביר שלושה כוחות בטבע: חזק, חלש וחשמלי. הוא לא כולל את הכבידה.
המודל ניבא את בוזון היגס. גילו אותו ב-2013. זה היה אירוע גדול במדע.

כדי לגלות חלקיקים משתמשים במאיצים, מכונות ענק שמרימות את האנרגיה של חלקיקים.
יש מאיצים ומשתפים פעולה במדינות רבות.

יש מדענים שעובדים על רעיונות תיאורטיים, כמו תורת המיתרים.
יש גם מדענים שמסבירים איך לבדוק את הרעיונות האלה בניסוי.

יש דיון אם לדעת חלקיקים בלבד אפשר להסביר את כל התופעות.
חוקרים ממקומות שונים לא תמיד מסכימים על זה.

מאיצים ענקיים עולים המון כסף.
ב-1993 עצרו את בניית המאיץ SSC בארצות הברית אחרי הוצאת שני מיליארדי דולר.
אנשים ודנים אם להשקיע הרבה כסף במחקר בסיסי כזה.