Фізика елементарних частинок і t-кварк

Н. Нікітін

Дане вступне слово розраховано на неспеціалістів. У ньому коротко обрісоввиваются контури сучасної фізики високих енергій і даються відповіді на деякі поширені питання, що виникають у любителів науки при першому знайомстві з квантової теорії. Підготовлений читач може пропустити вступне слово і відразу перейти до читання статті Дональда Перкінса "Відкриття t-кварка". А читач, знайомий з методами квантової теорії поля, здатний зрозуміти і не тільки всі написане Д. Перкінс, але й додаткові обчислення, наведені в розділі "Коментарі перекладача".

Історія дослідження елементарних частинок і фундаментальних взаємодій нараховує більше двох з половиною тисяч років і сходить до ідей давньогрецьких натурфілософів про будову Світу. Однак серйозна наукова розробка даного питання почалася тільки в кінці XIX-го століття. У 1897 році видатний англійський фізик-експериментатор Дж.Дж.Томсон визначив ставлення заряду електрона до його маси. Тим самим, електрон остаточно набув статусу реального фізичного об'єкта і став першим відомої елементарною частинкою в історії людства.

За сто з невеликим років фізики провели тисячі складних і найточніших експериментів, покликаних відшукати інші елементарні частинки і виявити фундаментальні взаємодії між ними. Результати експериментів пояснювалися серією послідовно змінювали одна одну теорій. Остання в їх ряду - Стандартна модель взаємодії елементарних частинок (РМ), що включає в себе мінімальну модель електрослабкої взаємодії Глешоу-Вайнберга-Салама і Квантової хромодинаміки (КХД). Можна сказати, що на сьогоднішній день саме СМ є реальним підсумком багаторічної праці сотень тисяч людей від "високочолих" теоретиків до простих інженерів і лаборантів. Схему СМ можна укласти в кілька абзаців.

На сьогоднішній день вважається, що в світі існують три фундаментальні взаємодії. Це гравітаційне, електрослабкої і сильне. При енергіях багато менших, ніж приблизно 90 ГеВ (1 ГеВ, тобто 1 Гігаелектронвольт = 109 електронвольт), електрослабкої взаємодія "розщеплюється на дві: добре всім знайоме електромагнітне і що виявляється тільки у світі елементарних частинок слабка взаємодія. Зауважимо, що сильна взаємодія, аналогічно слабкому, проявляється виключно в мікросвіті. Це пов'язано з тим, що слабку і сильну взаємодії володіють кінцевими і дуже малими радіусами дії близько 10-16см і 10-13см, відповідно. Радіуси дії гравітаційного і електромагнітного взаємодій - нескінченні, а тому гравітація і електромагнетизм проявляють себе на макроскопічному рівні. Однак у мікросвіті у всьому діапазоні енергій, доступних для експериментального вивчення, гравітація слабка і нею можна знехтувати.

Поява електрослабкої взаємодії не повинно дивувати читачів. Протягом усієї своєї історії фізика рухається в напрямку об'єднання взаємодій. Ньютон - перший, хто пішов шляхом відшукання універсальних фундаментальний фізичних законів. Закон всесвітнього тяжіння вперше продемонстрував, що дві які вважалися раніше принципово різними руху: рух планет по небу і рух тіл під дією сили тяжіння у поверхні Землі потрібно розглядати з єдиних позицій. Приблизно через 150 років Д. К. Максвелл показав, що електричні та магнітні явища суть дві сторони універсального електромагнітного взаємодії. Фізики XX-го століття, серед яких особливо варто виділити Ш. Глешоу, С. Вайнберга, А. Салама і К. Руббіа, теоретично і експериментально довели, що взаємодії настільки різної природи як слабке і електромагнітне насправді при досить високих енергіях мають єдину основу. Будь-яка теоретична схема об'єднання взаємодій привносить у фізику нові концепції і спричиняє нетривіальні експериментальний прогнози. Саме підтвердження останніх у численних дослідах веде до визнання тієї чи іншої "об'єднавчої теорії".

Чи можливо, що з підвищенням максимально досяжних енергій прискорювачів елементарних частинок вчені виявлять, що залишилися, три взаємодії зводяться до меншого числа ще більш фундаментальних взаємодій? Теоретики абсолюно упевнені в позитивному відповіді на даний питання. Запропоновано цілий ряд сценаріїв подібного об'єднання (наприклад, теорії великого об'єднання і суперсімметрічние теорії). Однак поки немає ясності, на якому масшабов енергій досягається нова стадія об'єднання і чи буде доступний цей масштаб для експеріменальной перевірки в XXI-му столітті. Може виникнути інший питання, а не відкриють чи фізики нове фундаментальне взаємодія, принципово відмінне від всіх перерахованих вище? З одного боку, зксперіменти з виявлення так званої "п'ятої сили" (якщо чотирма добре встановленими вважати гравітаційні, електромагнітні, сильні та слабкі сили) ставляться постійно, але поки жоден з них не привів до позитивного результату. З іншого боку - ніхто не довів, що "п'ята сила" принципово не може існувати в природі.

На мікроскопічному рівні все фундаменальние взаємодії передаються за допомогою посередників - полів калібрувальних бозонів. Бозони - тому, що асоційовані з розглядаються полями частинки підкоряються статистиці Бозе-Ейнштейна, тобто мають цілий спін. Переносник електромагнетизму - фотон () - має спін дорівнює одиниці. Переносники слабкого взаємодії електрично нейтральний - бозон і електрично заряджені - бозони, а також переносники сильної взаємодії () -- глюони, аналогічно фотону мають спін, рівний одиниці. Ці частинки відкриті експериментально, їх властивості добре вивчені. Вважається, що переносник гравітаційної взаємодії - гравітон - має спін, що дорівнює двом. Гравітон до цих пір не виявлено і, швидше за все, не буде виявлений ще дуже довго. Слово "калібрувальний" вказує на теоретичний препарату, використовуючи який, переносники фундаментальних взаємодій вводяться в теорію. Навіть якісне обговорення даного прийому далеко виходить за рамки передмови.

Читача не повинен бентежити і той факт, що фізики постійно говорять про поля і частках як про щось взаємозамінними, більше того, еквівалентному. Дійсно, у класичних теоріях частинки і поля суть абсолютно різні фізичні об'єкти. Наприклад, електромагнітне поле і альфа-частинки. У квантової теорії обидва поняття одержують природне узагальнення, висхідний до принципу корпускулярно-хвильового дуалізму Луї де Бройля. Будь-яка мікрочастинка описується хвильової функцією (або полем), яка, в свою чергу, (вдруге) квантів в термінах операторів народження і знищення квантів цього поля, тобто в термінах народження і знищення частинок. Одним з перший подібний підхід в 20-х роках XX-го століття був запропонований вітчизняним фізиком-теоретиком В. А. фоком.

У багатьох студентів молодших курсів і у "розсудливих" людей, які не мають справи з мікросвітом, виникає природне нерозуміння, як це може бути, що одна й таж мікрочастинка в деяких експериментальних ситуаціях веде себе подібно хвилі, а в деяких -- подібно частці? Підсвідомо хочеться мати якусь наочну картинку таку дивної поведінки. Спробуємо намалювати один з можливих варіантів такої картинки.

Припустимо, що жителі площині хочуть описати результати досліджень тривимірного куба, половина граней якого - зелені, а половина -- червоні. У плоских вчених в наявності є лише двовимірні прилади, а в як понятійного апарату використовується двовимірна геометрія Евкліда. Куб в даному прикладі грає роль наочного образу мікрочастинки. Куб не зелений, не червоний і не плоский. Він цілісний тривимірний об'єкт з шістьма гранями різного кольору. Як же можуть собі уявити куб двовимірні вчені? На їхню думку, досліджуваний об'єкт є сукупність квадратів, що мають щось дивне властивість, що залежно від постановки експерименту квадрат стає то червоним, то зеленим, але ніколи не червоно-зеленим або зелено-червоним. На основі своїх експериментів плоскі вчені можуть створити "квантову механіку" тривимірного кольорового куба, яка як істотного елементу буде спиратися на принцип "червоно-зеленого дуалізму". Взаємодія куба з площиною двовимірні вчені цілком можуть описувати за допомогою "хвильової функції куба ", яка редукується після взаємодії або до зеленого, або до червоного квадрату. Переходячи кубів від і площин до реальних мікрочастинок, можна сказати, що будь-яка мікрочастинка володіє цілісним властивістю "мікрочастічності", для опису якого ми - мешканці суто макроскопічного світу - змушені якимось несуперечливим чином маніпулювати виключно макроскопічними поняттям (інших не маємо і не сприймаємо!) щільності ймовірності, крайніми проявами якого в координатно поданні є макроскопічні поняття хвилі і корпускули. Очевидно, що представлена наочна картинка страждає поруч дефектів. Пропоную читачам самостійно придумати більш коректний приклад.

Крім калібрувальних бозонів існує цілий набір фундаментальних Ферміон, які на сьогоднішній день вважаються елементарними. Це припущення не суперечить сукупності всіх експериментальних даних. Фундаментальні Ферміон мають напівцілим спін, що дорівнює одній другій, і діляться на дві групи. До першої групи належать лептони. Ці частинки не беруть участь в сильній взаємодії. Лептон є електрон (), мюон (), тау-лептон () і відповідні їм нейтрино трьох типів: електронне нейтрино (), мюонне нейтрино () і тау-Лептонний нейтрино (). Чи не викликає сумнівів, що електрон, мюон і тау-лептон мають маси. Що стосується мас нейтрино, то тільки в 2001 році отримано певні докази їх існування на нейтринної обсерваторії Садбері (Канада). Другу групу фундаментальних Ферміон утворюють кварки. Вони беруть участь у всіх взаємодіях, включаючи сильне. Кварки перечеслени в порядку зростання їх маси. Рісунок1 в наочній формі представляє набір базових частинок Стандартної моделі. В даний час всі експериментально відкриті частинки, відмінні від лептонів і калібрувальних бозонів, складаються з кварків і глюонів. Ці складові частинки носять назву адронів. Найбільш відомі адрони - протон і нейтрон. Протон і нейтрон в рамках наївною кваркової моделі складаються з і-кварків. З протона, нейтрона і електрона складається майже вся матерія у Всесвіті. Решта адрони, кварки і лептони присутні в Природі в дуже малих кількостях. Фізики зазвичай отримують дані частинки на прискорювачах, реєструють в космічних променях або в результаті радіоактивних розпадів.

Рис. 1. Кварки, лептони і калібрувальні бозони. Всі частки Стандартної моделі, виключаючи бозон Хіггса. Кварки і лептони розбиті на три покоління, що відповідають першим трьом стовпцях на малюнку. Саме так фундаментальні Ферміон входять до лагранжіан Стандартної моделі.

Осібно в світі фундаментальних частинок варто бозон Хіггса. Ця частка, за сучасними теоретичними уявленнями, необхідна для генерації мас всіх кварків, лептонів і трьох калібрувальних бозонів, і. У деяких теоріях присутня не одна частка Хіггса, а декілька. У найпростішому ж випадку є один електрично нейтральний бозон Хіггса. Бозони Хіггса експериментально не виявлено. Можливо, їх взагалі не існує в природі. Принаймні, після невдалих пошуків бозона Хіггса на електрон-позитронного коллайдера LEP, подібна гіпотеза набуває все більшого і більше число прихильників. Є надія, що з введенням в дію коллайдер нового покоління, таких як протон-протонний коллайдер LHC в CERNе або електрон-позитронний лінійний коллайдер TESLA в DESY, бозон Хіггса буде експериментально відкрито або стане зрозуміло, чому він не може існувати. Тільки треба почекати близько десяти років. Є певна ймовірність, що хіггсівського частку зможуть відкрити на діючому протон-антипротонному коллайдері Tevatron під FNAL-е в найближчі два-три роки.

Такий на сьогоднішній день повний набір самих елементарних складових нашого світу. Чи може він поповнитися? Цілком можливо. Головним кандидатом є поки ще не відкритий бозон Хіггса. Далі, якщо в природі реалізований будь-який з варіантів об'єднання трьох фундаментальних взаємодій, то зобов'язані виникнути нові фундаментальні калібрувальні бозони. Якщо ж у природі є суперсиметрія, то число фундаментальних частинок як мінімум подвоюється - кожному лептону, кварків і Калібрувальний бозон необхідно поставити у відповідність частку-суперпартнера. Відзначимо, що відкриття гіпотетичної "п'ята сили" може поповнити список фундаментальних калібрувальних бозонів.

Чи впевнені фізики, що відомий в даний час рівень матерії найбільш фундаментальних, а кварки, лептони і калібрувальні бозони НЕ є складовими? Ні, не впевнені. Існують теоретичні моделі, в яких вводяться ще більш фундаментальні та елементарні структури. Наприклад, лептокваркі, суперструн або лайку. Але жодна з цих моделей не має експериментального підтвердження. У всякому разі, у даний час не має.

Все сказане вище у недосвідченого читача може викликати питання: "А чого складного то? Шість лептонів, шість кварків, дванадцять (вісім глюонів, фотон,, и) калібрувальних бозонів. Таку собі трохи вивчають більше сотні років багато тисяч людей. Не безкоштовно вивчають. Сучасні експерименти над елементарними частинками обходяться в десятки мільйонів доларів щорічно ... кожен. У чому підступ? ". Жодного підступу немає. Справа в тому, що при вивченні світу елементарних частинок людині не допоможуть ні зір, ні слух, нюх ні, ні дотик. З іншого боку, цікавий людина може досліджувати мікросвіт тільки за допомогою макроскопічних приладів. Наша фізіологія не залишає іншого вибору. Але що означає, досліджувати мікросвіт за допомогою макропріборов? Якщо закликати на допомогу аналогію, то це приблизно те ж саме, що грати на більярді за допомогою кар'єрних екскаваторів. Поки зробиш один вдалий удар, розчавити незліченна кількість куль і поламаєш величезне число столів! Сучасні прискорювачі і сучасні детектори - це "кар'єрні екскаватори мікроскопічного більярду ". Вони перелопачують мільйони подій, закодованих в сотнях мільйонів сигналів вимірювальної апаратури, з метою знайти всього п'ять чи десять подій, які можуть дати нову інформацію про взаємодії елементарних частинок.

Можливо, що аналогія, наведена в попередньому абзаці, у схильного до філософствування людини породить ще цілий ряд "гострих" питань до фізиків-елементарщікам. Наприклад, а чому фізики взагалі впевнені в реальності існування фундаментальних частинок, в реальності їх дивовижних квантових властивостей? Раптом це всього лише плід нашої фантазії чи наслідок брутальності тих приладів, якими вчені намагаються вивчати настільки тонкі речі як мікрочастинки? Більше того, можливо фізики взагалі неправильно розуміють мікросвіт і в результаті подібного неправильного розуміння виникла квантова теорія з її математичним апаратом і інтерпретаціями?

Подібні питання ставилися перед квантової механікою і квантової теорії поля з моменту створення. Дати вичерпний і остаточний відповідь на них не вдалося досі. Але частина відповідей знайдено. Почнемо з обговорення грубості макроскопічних приладів. У 30-х роках XX-го століття Альберт Ейнштейн припустив, що насправді походження квантовомеханічної ймовірності може бути аналогічно походженням ймовірності в класичній статфізіке. Нагадаємо, що в класиці розподіл усіх опис виникає через того, що ми в силу певних причин відмовляємося від повної інформації про систему, що дається точними рівняннями руху, і переходимо до розподілів (ймовірностей) з невідомих нам величинам. Ейнштейн припустив, що всі мікрочастинки на додаток до їх відомим характеристиками (масі, спину, зарядам, парності) мають набір характеристик, не доступних для вимірювання будь-яким макропрібором, наприклад, в силу грубості останнього. Ці характеристики назвали прихованими параметрами квантової теорії. Таким чином, якби фізики могли виміряти приховані параметри, то можна було б передбачити рез?? льтат будь-якого взаємодії в мікросвіті НЕ можливісних, а абсолютно детерміністічним чином. Більше 30-ти років вважалося, що теорію прихованих параметрів не можливо ні підтвердити, ні спростувати експериментально. Справді, як можна виміряти те, що не можна виміряти за визначенням?

Але в 1965 році Дж.Белл відшукав такий спосіб! Виявилося, що існує цілий ряд експериментальних ситуацій, в яких для певних лінійних комбінацій вимірюваних на досвіді величин всі теорії з прихованими параметрами пророкують результат, менший, ніж квантова механіка. При цьому на можливі приховані параметри як мікрочастинки, так і макропрібора накладається лише вимога локальності, тобто сумісності з теорією відносності. Ці лінійні комбінації, що носять назву нерівностей Белла, виміряні в декількох дослідах з фотонами і протонами. Результати дослідів повністю співпали з пророкуваннями квантової механіки. Виключити нелокальних приховані параметри експериментально не можливо. Але, з точки зору теорії, їх існування суперечить теорії відносності, правильність основних висновків якої підтверджена в сотнях експериментів на прискорювачах, в космічних променях і в атомної промисловості. Тобто, будь-яким ниспровергателя суто ймовірнісної квантової механіки доведеться "в якості додаткового вправи" переформулювати відповідним чином теорію відносності.

Треба відзначити, що в останні десятиліття подібна переформуліровка стала представляеться не настільки неможливою. Схоже, що в багатовимірних просторах можливо вибрати таку метрику, яка, з одного боку, не порушує ньютонівської закон гравітації і теорію відносності Ейнштейна в четирехмеріі, а з іншого - через додаткові виміри принципово дозволяє передавати сигнали між двома точками чотиривимірного простору швидше за швидкість світла. Можна припустити, що за допомогою подібних теорій з'явиться можливість побудови "причинного квантової механіки" або навпаки, буде поставлений експеримент, який дозволить остаточно спростувати будь-які теорії з прихованими параметрами.

Для захоплених і легковірних читачів особливо варто відзначити, що шлях, описаний у попередньому абзаці, лише ГІПОТЕЗА, яка може виявитися помилковою при більш пильному розгляді. Крім того, не все так гладко з вибором метрики. Як не шкода, але детальне обговорення даних питань далеко виходить за рамки популярного введення в фізику елементарних часток.

Цікавий і, мабуть, дивний для неспеціалістів факт полягає в тому, що передбачення квантової механіки та квантової теорії поля з експериментальної точки зору підтверджені набагато точніше, ніж пророкування класичної механіки і теорії відносності. Наприклад, згода між теоретичними прогнозами і експериментальним результатом для аномального магнітного моменту електрона складає 11 знаків після коми, в той час як характерна точність збігу теорії і експерименту в класичної фізики 3-4 знака після коми.

На закінчення скажемо кілька слів про реальність елементарних частинок. Дійсно, елементарні частинки неможливо ні помацати, ні понюхати, ні побачити, ні спробувати на смак. Інформацію про їх існування вчені одержують за допомогою громіздких детекторів, які видають для обробки набори електричних або світлових сигналів. Тільки спеціальним чином аналізуючи отримані сигнали, фізики можуть вивчати властивості елементарних частинок. На перший погляд, немає абсолютно ніякої гарантії, що в довгому ланцюжку передачі сигналу з мікросвіту до макроскопічного спостерігачеві фізики-експеріметатори правильно враховують перешкоди, помилки або викривлення первинної інформації. Отже, елементарні частинки можуть виявитися лише мороком, неправильною інтерпретацією спотворених сигналів. Інша річ -- макроскопічні об'єкти. Людина може дізнатися характеристики макроскопічних об'єктів без будь-яких посередників, тільки за допомогою органів чуття. Тому в реальності макроскопічного навколишнього світу, як правило, не сумнівається. Але так здається тільки на перший погляд дуже повехностный.

Робота БУДЬ органу почуттів людини в макросвіті принципово не відрізна від роботи макропрібора для вивчення мікросвіту. У Як приклад розглянемо зір. Нехай людина бачить стіл. Що відбувається на насправді? Сонце випускає величезне число фотонів. Вони взаємодіють з атомами столу, перевипромінюють на всі боки і мала їх частина потрапляє в око. Кришталик очі, в свою чергу, фокусує фотони на сітківці, де в результаті хімічної реакції з паличками і колбочками виникають електричні сигнали. Ці сигнали по нервових волокнах передаються в мозок, який шляхом складного аналізу надійшла інформації відтворює зображення столу. Природно, що реальність зорового сприйняття можна перевірити за допомогою інших органів чуття, наприклад, спробувати вкусити стіл зубами або вдарити по ньому кулаком. У результаті подібних дій в мозок піде незалежний сигнал від зубів або рук, що підтверджує сигнал від очей. Але, аналогічно попередньому Наприклад, реальність елементарних частинок, універсальність їх властивостей підтверджується безліччю детекторів принципово різних конструкцій (камери Вільсона, лічильники Гейгера у всіх модифікаціях, пропорційні камери, черенковскіе лічильники, іонізаційні калориметри десятків різних систем). Цей набір макропріборов набагато багатший, ніж п'ять людських почуттів! А результати незалежних вимірювань характеристик мікрочастинок, виконаних цими приладами, чудово узгоджуються один з одним. Саме тому фізики вважають, що, скажімо,-бозон, отриманий на електрон-позитронного коллайдера в CERNе, не менш реальний, ніж стіл або табурет у вашій квартирі, а кварк всередині протона такий же елемент Всесвіту, як і президент США, хоча ні перше, ні друге середньостатистичний (російський) вчений живцем не бачив.

Правда, завжди можна ударитися в соліпсизм. Проти лома соліпсизму немає суто наукового прийому. Прихильникам соліпсизму залишається тільки порадити перестати уявляти, що вони читають цю нудну статтю, і зайнятися чимось більш приємним. Читачам, які всерйоз зацікавилися обговорюваними вище питаннями, для більш глибокого вивчення можна порекомендувати книги [1] - [5].

На цьому короткий популярний вступ у фізику мікросвіту можна закінчити і перейти безпосередньо до книги Дональда Перкінса.

Одинадцять років тому "Энергоатомиздат" випустив переклад третього англійського видання прекрасної книги британського вченого, професора фізики Оксфордського університету Дональда Перкінса "Вступ до фізику високих енергій "(тираж 3000 прим). Книга справді унікальна. По-перше, у порівняно невеликому обсязі послідовно і досить докладно викладені результати всіх ключових експериментів у фізиці мікросвіту і чітко показано, як кожен з цих експериментів вплинув на становлення теорії елементарних частинок. По-друге, не може не вражати рівень викладу. Книга може бути корисна і третьокурснику, тільки початківцю в рамках курсу загальної фізики вивчати елементарні частки, і старшокурсники, і аспіранту і навіть склався вченому, що бажає чітко, ясно, швидко і глибоко усвідомити собі конкретне питання у фізиці мікросвіту. Багато цікавих методичних знахідок знайдуть у Д. Перкінса популяризатори науки. Мені не відомо ні однієї настільки ж універсальної книги!

Проте з моменту виходу англійського видання (1987 рік) пройшло порядне час. Фізика елементарних частинок зробила крок далеко вперед. І ось в 2000-му році видавництво "Cambridge University Press" випустило в світло четверте перероблене і доповнене видання "Введення ...". Через два роки книга в Росії не переведена, хоча ситуація з випуском наукової літератури за останні три роки у нас у країні дуже покращилася.

Пропоную мережевим читачам переклад одного параграфа з нового видання "Введення ...". У цьому параграфі розповідається про відкриття останнього і важкого з кварків-кварка. З даного параграфа читач не фізик зможе до певної міри зрозуміти експериментальні труднощі і методи їх обходу, характерні для сучасної фізики елементарних частинок. Відкриття-кварка відбулося відносно недавно - в 1995 році. Російською мовою поки немає ні одного глибокого, але в той же час і досить популярного викладу цього великого досягнення фізики частинок.

Перекладений параграф призначений насамперед для студентів фізічіскіх спеціальностей ВНЗ, але може виявитися корисним читачам, що цікавляться фундаментальними науковими відкриттями. В останньому українською виданні книги Д. Перкінса перекладений матеріал повинен відповідати параграфу 5.16.

Дана стаття є складовою частиною мережевого проекту "Студентам про новітні досягнення у фізиці елементарних частинок" [6]. У 2001 році в рамках даного проекту була опублікована замітка Г. Фрейзера "Мелодрама під назвою" Час шукати Хіггс "[7] про інтригуючих, але, на жаль, безрезультатних пошуках бозона Хіггса на електрон-позитронного колайдері LEP в CERN-e.

На закінчення необхідно відзначити, що наведені в українською виданні 1991 попередні експериментальні дані CERN-а по успішному пошуку-кварка в розпад і виміру 40 ГеВ НЕ підтвердилися. В даний час маса найважчого кварка вважається рівною ГеВ, тому-кварк НЕ може бути продуктом розпаду-бозона. Навпаки,-бозон є одним з продуктів розпаду-кварка.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.nature.ru/