Физика елементарних частинок і t-кварк

Физика елементарних частинок і t-кварк

Н.Никитин.

Данное вступне слово расчитано на нефахівців. У ньому коротко обрисоввываются контури сучасної фізики високих енергій і даються відповіді поширені питання, що охоплюють любителів науки при перше з квантової теорією. Підготовлений читач може пропустити вступне словом, і відразу можливість перейти до читання статті Дональда Перкинса «Відкриття t-кварка ». А читач, знайомий із методами квантової теорії поля, зрозуміти але тільки все написане Д. Перкинсом, а й додаткові обчислення, наведені у розділі «Коментарі перекладача » .

История дослідження елементарних частинок і фундаментальних взаємодій налічує понад двох із половиною тисяч літ і до ідеям давньогрецьких натурфілософів про будову Миру. Проте серйозна наукова розробка цього питання почалася аж наприкінці XIX-го століття. У 1897 року видатний англійський фізик-експериментатор Дж.Дж.Томсон визначив ставлення заряду електрона для її масі. Тим самим було, електрон остаточно набув статусу реального фізичного об'єкту і став першої відомої елементарної часткою в історії всього людства.

За сто з гаком років фізики провели тисячі найскладніших і точнейших експериментів, покликаних відшукати інші елементарні частинки й виявити фундаментальні взаємодії з-поміж них. Результати експериментів пояснювалися серією послідовно сменявших одне одного теорій. Остання у тому ряду — Стандартна модель взаємодії елементарних частинок (РМ), куди входять в себе мінімальну модель електрослабкої взаємодії Глэшоу-Вайнберга-Салама і Квантову хромодинамику (КХД). Можна сміливо сказати, що у сьогодні саме РМ є реальним результатом багаторічної праці сотень тисяч чоловік від «високочолих «теоретиків до простих інженерів і лаборантів. Схему РМ можна вкласти на кілька абзаців.

На сьогодні вважається, що у Світі існують три фундаментальних взаємодії. Це гравітаційне, электрослабое і сильне. При енергії багато менших, ніж приблизно 90 ГеВ (1 ГеВ, тобто. 1 Гигаэлектронвольт = 109 электронвольт), электрослабое взаємодія «розщеплюється «на два: добре всім відоме електромагнітне і що виявляється тільки у світі елементарних частинок слабке взаємодія. Зауважимо, що сильне взаємодія, аналогічно слабкому, проявляється тільки у мікросвіті. Це з тим, що слабка й сильне взаємодії мають кінцевими і дуже малими радіусами дії порядку 10−16см і 10−13см, відповідно. Радіуси дії гравітаційного і електромагнітного взаємодій — нескінченні, тому гравітація і электромагнетизм виявляють себе макроскопічному рівні. Однак у мікросвіті в усьому діапазоні енергій, доступних для експериментального вивчення, гравітація слабка і нею можна знехтувати.

Появление електрослабкої взаємодії на повинен дивувати читачів. У перебігу усім своїм історії фізика рухається у бік об'єднання взаємодій. Ньютон — перший, хто пішов шляхом відшукання універсальних фундаментальний фізичних законів. Закон всесвітнього тяжіння вперше продемонстрував, що дві вважалися раннє принципово різними руху: рух планет небом і рух тіл під впливом сили тяжкості у Землі потрібно розглядати з єдиних позицій. Приблизно через 150 років Д. К. Максвелл показав, що електричні і магнітні явища суть дві сторони універсального електромагнітного взаємодії. Фізики XX-го століття, серед яких, особливо стоїть виділити Ш. Глэшоу, С. Вайнберга, А. Салама і К. Руббиа, теоретично і експериментально довели, що взаємодії настільки різною природи як слабка й електромагнітне насправді за досить високих енергії мають єдину основу. Будь-яка теоретична схема об'єднання взаємодій привносить у фізику нові концепції, й тягне нетривіальні експериментальні передбачення. Саме підтвердження їх у численних дослідах веде до визнання тій чи іншій «об'єднавчої теорії «.

Возможно чи, що на підвищення максимально досяжних енергій прискорювачів елементарних частинок вчені знайдуть, що три взаємодії зводяться до меншому числу ще більше фундаментальних взаємодій? Теоретики абсолюно впевнені у позитивному відповіді даний питання. Запропоновано низку сценаріїв такого об'єднання (наприклад, теорії великого об'єднання і суперсимметричные теорії). Але що немає ясності, на якому масшабе енергій досягається нова стадія об'єднання і було б доступний цей масштаб для эксперименальной перевірки у XXI-ом столітті. Може виникнути інший питання, а чи не відкриють чи фізики нове фундаментальне взаємодія, принципово не на усіх перелічених вище? З одного боку, зксперименты з виявлення так званої «п'ятої сили «(якщо чотирма добре встановленими вважати гравітаційні, електромагнітні, сильні й слабкі сили) ставляться постійно, але ще жодного з них призвів до позитивному результату. З іншого — хто б довів, що «п'ята сила «принципово неспроможна існувати у природі.

На мікроскопічному рівні всі фундаменальные взаємодії передаюся з допомогою посередників — полів калібрувальних бозонов. Бозоны — оскільки асоційовані з розглянутими полями частки підпорядковуються статистиці Бозе-Ейнштейна, тобто мають цілий спін. Переносник електромагнетизму — фотон () — має спін рівний одиниці. Переносники слабкого взаємодії електрично нейтральний — бозон і електрично заряджені — бозоны, і навіть переносники сильного взаємодії () — глюоны, аналогічно фотонові мають спін, рівний одиниці. Ці частки відкриті експериментально, їх властивості добре вивчені. Вважається, що переносник гравітаційного взаємодії - гравітон — має спін, рівний двом. Гравітон досі що невиявлений і найшвидше, нічого очікувати виявлено ще довго. Слово «калибровочный «свідчить про теоретичний прийом, використовуючи який, переносники фундаментальних взаємодій уводять у теорію. Навіть якісне обговорення даного прийому далеко за межі передмови.

Читателя ні бентежити і те що, що фізики постійно говорять про полях і частинках як про щось взаимозаменяемом, більше, еквівалентному. Справді, в класичних теоріях частинки й поля суть абсолютно різні фізичні об'єкти. Наприклад, електромагнітне полі, і альфа-частка. У квантової теорії обидва поняття отримують природне узагальнення, висхідний до принципу корпускулярно-хвилястого дуалізму Луї де Бройля. Будь-яка микрочастица описується хвильової функцією (чи полем), яка, на свій чергу, (вдруге) квантуется в термінах операторів його й знищення квантів цього поля, тобто у термінах його й знищення частинок. Однією з перших такий підхід в 20-х роках XX-го століття було запропоновано вітчизняним фізиком-теоретиком В. А. Фоком.

У багатьох студентів молодших курсів і в «розсудливих «людей, які мають справи з микромиром, виникає природне нерозуміння, як може бути, що одне і також микрочастица в деяких експериментальних ситуаціях поводиться, уподібнившись хвилі, а деяких — подібно частинки? Підсвідомо хочеться мати якусь наочну картинку настільки дивного поведінки. Спробуємо намалювати одне із можливих варіантів такий картинки.

Предположим, що урбанізовані жителі площині хочуть описати результати досліджень тривимірного куба, половина граней якого — зелені, а половина — червоні. У пласких вчених у наявності є лише двомірні прилади, а ролі понятійного апарату використовується двовимірна геометрія Евкліда. Куб в даному прикладі ж виконує функцію наочного образу мікрочастинки. Куб не зелений, не червоний і плаский. Він цілісний тривимірний об'єкт з 6 гранями різного кольору. Які ж можуть собі уявити куб двомірні вчені? На думку, досліджуваний об'єкт є сукупність квадратів, мають той дивний властивість, що, залежно від постановки експерименту квадрат стає то червоним, то зеленим, але будь-коли червоно-зелений чи зелено-красным. За підсумками своїх експериментів плоскі що можуть створити «квантову механіку «тривимірного кольорового куба, що як істотного елемента буде спиратися на принцип «червоно-зеленого дуалізму ». Взаємодія куба з площиною двомірні вчені цілком може описувати з допомогою «хвильової функції куба », яка редукується після взаємодії або до зеленому, або до червоного квадрату. Переходячи від кубів і площин до реальних микрочастицам, можна сказати, будь-яка микрочастица має цільним властивістю «микрочастичности », для описи яку ми — жителі суто макроскопічного світу — змушені якимось несуперечливим чином маніпулювати виключно макроскопічним поняттям (інших не маємо і сприймаємо!) щільності ймовірності, крайніми проявами що його координатном поданні є макроскопічні поняття хвилі і корпускули. Вочевидь, що представлена наочна картинка страждає поруч дефектів. Пропоную читачам самостійно придумати більш коректний приклад.

Помимо калібрувальних бозонов існує ціла набір фундаментальних фермионов, котрі з сьогодні вважаються елементарними. Це який суперечить сукупності всіх експериментальних даних. Фундаментальні фермионы мають полуцелый спін, рівний однієї другий, і діляться на дві групи. До першої групи ставляться лептони. Ці частки не беруть участь у сильному взаємодії. Лептонами є електрон (), мюон (), тау-лептон () і відповідні їм нейтрино трьох типів: електронне нейтрино (), мюонне нейтрино () і тау-лептонное нейтрино (). Не сумніваюся, що електрон, мюон і тау-лептон мають маси. Що ж до мас нейтрино, лише 2001 року отримані певні доведення їхніх існування на Нейтринної обсерваторії Садбери (Канада). Другу групу фундаментальних фермионов утворюють кварки. Вони беруть переважають у всіх взаємодію, включаючи сильне. Кварки перечеслены гаразд зростання їх маси. Рисунок1 в наочної формі представляє набір базових частинок Стандартної моделі. Нині все експериментально відкриті частки, які від лептонів і калібрувальних бозонов, складаються з кварків і глюонів. Ці складові частки звуться адронов. Найвідоміші адрони — протон і нейтрон. Протон і нейтрон у межах наївною кварковой моделі складаються з і -кварків. З протона, нейтрона й електрону полягає майже вся матерія у Всесвіті. Інші адрони, кварки і лептони є у Природі на досить малих кількостях. Фізики зазвичай отримують дані частки на прискорювачах, реєструють в космічних променях чи внаслідок радіоактивних распадов.

.

Рис. 1. Кварки, лептони і калібровані бозоны. Усі частки Стандартної моделі, виключаючи бозон Хіггса. Кварки і лептони розбиті на три покоління, відповідні перших трьох столбцам малюнку. Саме такими фундаментальні фермионы входить у лагранжиан Стандартної модели.

Особняком у світі фундаментальних частинок стоїть бозон Хіггса. Ця частинка, по сучасним теоретичним уявленням, необхідна для генерації мас всіх кварків, лептонів й трьох калібрувальних бозонов , і . У деяких теоріях присутній жодна частка Хіггса, а кілька. У найпростішому випадку є один електрично нейтральний бозон Хіггса. Бозоны Хіггса експериментально не виявлено. Можливо, їх узагалі немає у природі. По крайнього заходу, після невдалих пошуків бозона Хіггса на электрон-позитронном коллайдере LEP, така гіпотеза набуває дедалі більшого й більше кількість прибічників. Сподіваються, що із запровадженням до ладу коллайдеров нової генерації, як-от протон-протонный коллайдер LHC в CERNе чи электрон-позитронный лінійний коллайдер TESLA в DESY, бозон Хіггса буде експериментально відкритий або стане зрозуміло, що він неспроможна існувати. Тільки треба почекати близько десятка років. Є певна ймовірність, що хиггсовскую частку зможуть відкрити на чинному протон-антипротонном коллайдере Tevatron у FNAL-е у найближчі дватри роки.

Таков нині повний набір найелементарніших складових нашого світу. Чи може він поповнитися? Цілком можливо. Головним кандидатом є ще ще відкритий бозон Хіггса. Далі, тоді як природі реалізований кожній із варіантів об'єднання трьох фундаментальних взаємодій, то з’явитися нові фундаментальні калібровані бозоны. Якщо ж у природі є суперсиметрія, то число фундаментальних частинок принаймні подвоюється — кожному лептону, кварку і каліброваному бозону необхідно експортувати відповідність частку-суперпартнера. Зазначимо, що відкриття гіпотетичної «п'ятої сили «може поповнити список фундаментальних калібрувальних бозонов.

Уверены чи фізики, що всесвітньо відомий нині рівень матерії найбільш фундаментален, а кварки, лептони і калібровані бозоны не є складовими? Ні, невпевнені. Існують теоретичні моделі, в яких вводяться ще більше фундаментальні і елементарні структури. Наприклад, лептокварки, суперструны чи брани. Але жодна з цих моделей немає експериментального підтвердження. Принаймні, нині немає.

Все сказане вище в недосвідченого читача може викликати питання: «А чого складного то? Шість лептонів, шість кварків, дванадцять (вісім глюонів, фотон, , і ) калібрувальних бозонов. Таку дещицю вивчають понад сотню років чимало тисячі людей. Не безплатно вивчають. Сучасні експерименти над елементарними частинками обходяться кілька десятків мільйонів щорічно… кожен. У чому підступ? ». Ніякого підступу немає. Річ у тім, що з вивченні світу елементарних частинок людині не допоможуть ні зір, ні слух, ні нюх, ні дотик. З іншого боку, допитлива то вона може досліджувати мікросвіт тільки з допомогою макроскопічних приладів. Наша фізіологія немає іншого вибору. Однак що означає, досліджувати мікросвіт з допомогою макроприборов? Якщо закликати допоможе аналогію, це приблизно те ж саме, що на більярді з допомогою кар'єрних екскаваторів. Поки зробиш один вдалий удар, роздавиш незліченну число кульок і поламаєш величезну кількість столів! Сучасні прискорювачі i сучасні детектори — це «кар'єрні екскаватори мікроскопічного більярду ». Вони перелопачують мільйони подій, закодованих в сотнях мільйонів сигналів вимірювальної апаратури, з єдиною метою знайти усього п’ять чи десять подій, здатних вдихнути нове інформацію про взаємодію елементарних частинок.

Возможно, що аналогія, наведена у минулому абзаці, у схильного до філософствування людини породить ціла низка «гострих «запитань до физикам-элементарщикам. Наприклад, а чому фізики взагалі впевнені у реальність існування фундаментальних частинок, насправді їх дивних квантових властивостей? Що це лише плід нашої фантазії або наслідок грубості тих приладів, якими вчені намагаються вивчати настільки тонкі речі як мікрочастинки? Понад те, можливо фізики взагалі неправильно розуміють мікросвіт і цього подібного неправильного розуміння виникла квантова теорія з її математичним апаратом і інтерпретаціями?

Подобные питання ставилися перед квантової механікою і квантової теорією половіючі жита із моменту створення. Дати вичерпний й остаточні них зірвалася досі. Проте друга частина відповідей знайдено. Почати з обговорення грубості макроскопічних приладів. У 30-х роках XX-го століття Альберт Ейнштейн припустив, що у насправді походження квантовомеханической ймовірності то, можливо аналогічно походженню ймовірності класичної статфизике. Нагадаємо, що у класиці ймовірнісна опис виникає через те, що ми силу деяких причин відмовляємося від повної інформації про систему, даваемой точними рівняннями руху, і переходимо до розподілам (ймовірностей) з невідомих нам величинам. Ейнштейн припустив, що це мікрочастинки на додаток до їх відомим характеристикам (масі, спину, зарядам, четностям) мають набором характеристик, не доступних для виміру будь-яким макроприбором, наприклад, з грубості останнього. Ці характеристики назвали прихованими параметрами квантової теорії. Отже, якби фізики могли виміряти приховані параметри, можна було б передбачити результат будь-якого взаємодії мікросвіті не вірогіднісним, а абсолютно детерминистичным чином. Більше 30-ти років вважалося, що теорію прихованих параметрів неможливо ні підтвердити, ані заперечити експериментально. Справді, як і виміряти те, що не можна виміряти з визначення?

Но в 1965 року Дж. Белл відшукав такий спосіб! Виявилося, що є низку експериментальних ситуацій, у яких для певних лінійних комбінацій вимірюваних на досвіді величин все теорії із прихованими параметрами прогнозують результат, менший, ніж квантова механіка. У цьому на можливі приховані параметри як мікрочастинки, і макроприбора накладається лише вимога локальність, тобто. сумісності з теорією відносності. Ці лінійні комбінації, що носять назва нерівностей Белла, обмірювані у кількох дослідах з фотонами і протонами. Результати дослідів повністю збіглися з віщуваннями квантової механіки. Виключити нелокальные приховані параметри експериментально неможливо. Але, з погляду теорії, їх існування суперечить теорії відносності, правильність основних висновків якої підтверджено в сотнях експериментів на прискорювачах, в космічних променях й у атомної промисловості. Тобто, будь-яким тим суто вероятностной квантової механіки доведеться «як додатковий вправи «переформулювати відповідним чином теорію відносності.

Надо відзначити, що останні десятиліття така переформулировка стала представляеться менш неможливою. Схоже, що у багатомірних просторах можливо вибрати таку метрики, яка, з одного боку, не порушує ньютоновский закон гравітації і теорію відносності Ейнштейна в четырехмерии, з другого — через додаткові виміру принципово дозволяє передавати сигнали між двома точками четырехмерного простору швидше швидкості світла. Не виключено, що з допомогою подібних теорій буде можливості побудови «причинної квантової механіки «навпаки, буде поставлено експеримент, що дозволить остаточно спростувати будь-які теорії із прихованими параметрами.

Для захоплених і легковірних читачів особливо слід відзначити, шлях, описаний у минулому абзаці, лише ГІПОТЕЗА, яка може виявитися удаваної за більш детального розгляду. З іншого боку, в усіх так гладко з метрики. Хоч як прикро, але докладне обговорення даних питань далеко за межі популярного запровадження фізику елементарних частинок.

Любопытный і, мабуть, дивовижний для нефахівців факт у тому, що передбачення квантової механіки і квантової теорії половіючі жита із експериментальної погляду підтверджені набагато точніше, ніж передбачення класичної механіки і теорії відносності. Наприклад, згоду між теоретичними віщуваннями і експериментальним результатом для аномального магнітного моменту електрона становить 11 знаків після коми, в нас саме характерна точність збіги теорії та експерименту в класичній фізиці 3−4 знака після коми.

В висновок скажімо кілька слів реальність елементарних частинок. Справді, елементарні частки неможливо помацати, ні понюхати, ні побачити, ні спробувати на смак. Інформацію про їхнє існуванні наукові ступені отримують у вигляді громіздких детекторів, які видають в обробці набори електричних чи світлових сигналів. Тільки спеціальним чином аналізуючи отримані сигнали, фізики можуть вивчати властивості елементарних частинок. На погляд, немає жодної гарантії, що у довгою ланцюжку передачі з мікросвіту до макроскопическому спостерігачеві физики-экспериметаторы правильно враховують перешкоди, помилки чи спотворення первинної інформації. Отже, елементарні частки може стати лише мороком, неправильної інтерпретацією перекручених сигналів. Інша річ — макроскопічні об'єкти. Людина може дізнатися лише характеристики макроскопічних об'єктів без будь-яких посередників, тільки з допомогою органів почуттів. Тож у реальності макроскопічного навколишнього світу, зазвичай, не сумнівається. Але здається лише з перший дуже повехностный погляд.

Работа БУДЬ-ЯКОГО органу чуття людини в макросвіті принципово не відмінна роботи макроприбора вивчення мікросвіту. У як приклад розглянемо зір. Нехай людина бачить стіл. Що відбувається на насправді? Сонце випускає величезну кількість фотонів. Вони взаємодіють із атомами столу, переизлучаются в різні боки і мала частина їх потрапляє у очей. Кришталик ока очі, своєю чергою, фокусує фотони на сітківці, де у результаті хімічної реакції з паличками і колбочками виникають електричні сигнали. Ці сигнали по нервових волокнах передаються у головний мозок, який шляхом складного аналізу що надійшла інформації відтворює зображення столу. Природно, що реальність зорового сприйняття можна перевірити з допомогою тих органів почуттів, наприклад, спробувати вкусити стіл зубами чи вдарити по нього кулаком. У результаті таких дій у головний мозок піде незалежний сигнал від зубів чи рук, підтверджує сигнал від очей. Але, аналогічно рассмотреному вище прикладу, реальність елементарних частинок, універсальність їх властивостей підтверджується безліччю детекторів принципово різних конструкцій (камери Вільсона, лічильники Гейгера переважають у всіх модифікаціях, пропорційні камери, черенковские лічильники, ионизационные калориметри десятків різних систем). Цей набір макроприборов значно багатшими, ніж п’ять людських почуттів! А результати незалежних вимірів характеристик мікрочастинок, виконаних цими приладами, чудово узгоджуються друг з одним. Саме тому фізики вважають, що, скажімо, -бозон, отриманий на электрон-позитронном коллайдере в CERNе, щонайменше реальний, ніж стіл чи табурет у вашому квартирі, а кварк всередині протона той самий елемент Всесвіту, як і Президент США, хоча першого, ні другого середньостатистичний (російський) учений живцем бачив.

Правда, можна вдаритися в соліпсизм. Проти брухту соліпсизму немає суто наукового прийому. Прибічникам соліпсизму залишається тільки порадити перестати представляти, що вони читають цю нудну статтю, і зайнятися чимось приємнішим. Читачам, всерйоз заинтересовавшимся обговорюваними вище питаннями, ще глибокого вивчення можна порекомендувати книжки [ 1]-[ 5].

На цьому стисле популярне введення у фізику мікросвіту можна закінчити і стати безпосередньо до книжки Дональда Перкинса.

Одинадцать років тому вони «Энергоатомиздат «випустив переклад третього англійського видання прекрасної книжки британського вченого, професора фізики Оксфордського університету Дональда Перкинса «Введення у фізику високих енергій «(тираж 3000 прим). Книжка воістину унікальна. По-перше, в порівняно невеликий обсяг послідовно і дуже докладно викладено результати всіх ключових експериментів у фізиці мікросвіту і чітко показано, як і кожен з цих експериментів вплинув на становлення теорії елементарних частинок. По-друге, неспроможна не вражати рівень викладу. Книжка може бути корисною і третьекурснику, лише початкуючому у межах курсу загальної фізики вивчати елементарні частки, і старшекурснику, і аспірантові і навіть котрий склався вченому, бажаючому чітко, ясно, швидко і «глибоко збагнути конкретне запитання у фізиці мікросвіту. Багато методичних знахідок знайдуть у Д. Перкинса популяризатори науки. Мені немає відомо жодної так само універсальної книжки!

Однако із моменту появи англійського видання (1987 рік) минуло гідне час. Фізика елементарних частинок пішла далеко вперед. І ось 2000;ом року видавництво «Cambridge University Press «випустило в світло четверте перероблене і доповнене видання «Введение … ». Через двох років книжка у Росії не переведена, хоча ситуація з випуском наукової літератури протягом останніх 3 роки в нас у країні дуже поліпшилася.

Предлагаю мережним читачам переклад одного параграфа з нового видання «Введение… ». У цьому вся параграфі розповідається про відкритті останнього, і найтяжчого з кварків -кварка. З даного параграфа читач не фізик зможе до певної міри зрозуміти експериментальні труднощі й методи їхньої організації обходу, характерні для сучасної фізики елементарних частинок. Відкриття -кварка сталося нещодавно — в 1995 року. На російській мові поки немає одного глибокого, але у водночас і популярного викладу цього великого досягнення фізики частинок.

Переведенный параграф призначений передусім на студентів физичиских спеціальностей вузів, а може стати у пригоді читачам, які цікавляться фундаментальними науковими відкриттями. У цьому російському виданні книжки Д. Перкинса переведений матеріал має відповідати параграфу 5.16.

Данная стаття є складовою мережного проекту «Студентам про новітніх здобутки у фізиці елементарних частинок «[ 6]. У 2001 року у рамках цього проекту опубліковано замітка Г. Фрейзера «Мелодрама під назвою «Час шукати Хиггс «[ 7] про інтригуючих, але, на жаль, безрезультатні пошуки бозона Хіггса на электрон-позитронном коллайдере LEP в CERN-e.

В висновок слід зазначити, що наведені у російському виданні 1991 року попередні експериментальні дані CERN-а по успішному пошуку -кварка в розпаді і виміру 40 ГеВ не підтвердилися. Нині маса найтяжчого кварка вважається рівної ГеВ, тому -кварк не то, можливо продуктом розпаду -бозона. Навпаки, -бозон одна із продуктів розпаду -кварка.

Список литературы

Для підготовки даної роботи було використані матеріали з сайту internet.