Как образуются частицы в ускорителях?

Это кандидат на гамму бозона Хиггса до двух:

Событие кандидата в бозон Хиггса от столкновений между протонами в детекторе CMS на LHC. В результате столкновения в центре частица распадается на два фотона (желтые пунктирные линии и зеленые башни) (Изображение: CMS/CERN)

Ты говоришь:

Но с точки зрения КТП я часто слышу, что все дело в возбуждении квантовых полей.

Конечно, но вся эта математика КТП происходит в точке, где вы видите все треки, включая два гамма-излучения, инвариантная масса которых находится в пределах погрешности измерения массы Хиггса в этом эксперименте.

Вы также спросите:

бозон Хиггса был произведен, потому что было предоставлено достаточно энергии, так что возбуждение возникло в поле Хиггса. Но имеет ли это какое-то отношение к реальным частицам, которые сталкиваются в точке взаимодействия?

Входящие протоны являются реальными частицами, входящими в диаграмму фейнмана Хиггса с образованием двух гамма-излучения, т.е. обеспечивают энергию, необходимую для возбуждения поля Хиггса. Это событие может быть бозоном Хиггса, а может и не быть, в зависимости от измеренного сечения, т. е. от статистически большого числа таких событий, которые могут быть сопоставлены с фоном методом Монте-Карло, что позволит обнаружить избыток, усиление бозона Хиггса.

Все остальное на картинке используется для оценки векторов энергии импульса входящих и исходящих частиц в диаграмме Фейнмана (которая вычисляется с использованием правил КТП).

В основном не имеет значения, какие частицы сталкиваются, но они немного влияют на результат. Это связано с законами сохранения.

В основном сталкивающиеся частицы приносят энергию. Когда достаточное количество энергии фокусируется в достаточно маленьком участке пространства, тогда все квантовые поля в принципе могут приобретать некоторое возбуждение, и образуются всевозможные частицы. Из центра столкновения вылетает настоящий зоопарк частиц. Однако такие вещи, как электрический заряд, лептонное число, угловой момент и другие числа, сохраняются. Так, например, если есть две входящие частицы с зарядом$+1$каждый (как и протоны), то суммарный электрический заряд всех продуктов будет$+2$. Так что это немного влияет на возможные результаты. Вы никогда не получите только электроны от столкновения протонов, например.

В QFT это действительно та же самая физическая история, просто выраженная по-другому. Я не уверен, какой у вас математический опыт, поэтому я буду избегать уравнений, но если вы хотите, чтобы я был более точным, я отредактирую ответ.

КТП основана на концепции вторичного квантования, которую вы называете возбуждением квантовых полей: точно так же, как можно возбудить гитарную струну, можно возбудить фундаментальное поле определенного вида частиц. Каждое такое возбуждение называется квантом поля, и этот квант мы называем частицей. Эти поля могут взаимодействовать, и, как и в обычной КМ или даже в классической механике, эти взаимодействия выражаются в терминах лагранжиана/гамильтониана теории. В принципе, вы можете просто думать об этом возбуждении, т.е. о частице, распространяющейся в пространстве, «натыкающейся» на какое-то другое возбуждение того же или другого поля и в результате возбуждающей другие кванты других полей.

Теперь, если вы хотите рассчитать амплитуду вероятности преобразования набора частиц в какой-либо другой набор частиц в результате столкновения, вы должны вычислить матричный элемент между состоянием входа входящих частиц (например, двух протонов) и состоянием выхода . состояние результирующих частиц, заключающих в себе оператор временной эволюции. Если ваши поля могут взаимодействовать, т. е. в вашей теории появляются какие-то подходящие члены взаимодействия, у вас может быть ненулевой матричный элемент между ними, что будет означать, что вы иногда будете видеть, как эти частицы выходят из столкновения.

Итак, как я уже сказал, физически это та же история, что и то, что вы имеете в виду со слиянием глюонов и т. д. КТП на самом деле просто подходящая структура для выполнения таких расчетов, потому что она явно релятивистская (поэтому вам не нужно беспокоиться о причинно-следственной связи) и использует полезное понятие вторичного квантования, т. е. рождения и уничтожения частиц как возбуждения соответствующего поля.