Достучаться до небес. Научный взгляд на устройство Вселенной

РИС. 41. Струи представляют собой летящие группы частиц, связанных сильным взаимодействием, возникающим вокруг кварков и глюонов. На рисунках показана их регистрация в трекерах и адронном калориметре. (Печатается с разрешения CERN’a.)

Даже после измерения свойств адронной струи очень трудно, если не невозможно, сказать, который из различных кварков или глюонов ее инициировал. Красивый кварк (Ь–кварк) — самый тяжелый кварк с тем же зарядом, что у нижнего кварка (и тем же, что у среднего по массе странного) — исключение из правила. Причина в том, что красивый кварк живет достаточно долго и успевает пролететь некоторое расстояние до распада. При этом расстояние невелико: распад происходит внутри трекера. Действительно: если частицы распадаются практически мгновенно после рождения, поэтому создается впечатление, что продукты их распада начинают свои треки непосредственно в точке взаимодействия, где столкнулись протоны. Красивые кварки, в отличие от других, живут достаточно долго (примерно полторы пикосекунды; этого хватает, чтобы пройти со скоростью света, с которой они летают, примерно полмиллиметра), чтобы начать трек на вполне различимом расстоянии от точки взаимодействия. Внутренние кремниевые детекторы регистрируют этот смещенный узел траектории, как показано на рис. 43.

РИС. 42. Обобщенная картина того, как частицы Стандартной модели распознаются в детекторах. Нейтральные частицы не оставляют следа в трекерах. Как заряженные, так и нейтральные адроны могут оставлять некоторое количество энергии в ECAL, но большую часть энергии выделяют в HCAL. Мюоны пролетают насквозь до внешнего детектора

Когда экспериментаторы восстанавливают трек от распада красивого кварка, то в обратном направлении он не приходит в точку взаимодействия—центр события. Вместо этого создается впечатление, что трек начинается в той точке внутреннего трекера, где распался красивый кварк; в этой точке наблюдается перегиб — переход от траектории прилетевшего туда красивого кварка и улетевших дальше продуктов распада [47] . Благодаря тончайшей сегментации кремниевых детекторов экспериментаторы имеют возможность рассматривать область, прилегающую к пучку, очень подробно и в значительном числе случаев успешно распознавать красивые кварки.

47

Если исходный b–мезон нейтрален, вместо этого будет виден трек, исходящий из точки распада, но не будет предыдущего трека от места его образования. — Прим. авт.

РИС. 43. Адроны, «сделанные» из красивых кварков, живут достаточно долго, чтобы оставить видимый трек в детекторе, прежде чем рассыпаться на другие заряженные частицы. При этом в кремниевом детекторе может образоваться перегиб трека, по которому, собственно, и распознают красивые кварки. На рисунке показан распад истинных кварков

Еще один тип кварка, выделяющийся среди прочих в экспериментальном плане, — истинный кварк (t–кварк); своей особостью он обязан большой массе. Истинный кварк—самый тяжелый из тех трех кварков, заряд которых равен заряду верхнего кварка (третий кварк этой группы называется очарованным). Истинный кварк примерно в 40 раз тяжелее красивого — самого тяжелого кварка с зарядом другого знака — и более чем в 30000 раз тяжелее верхнего кварка, обладающего таким же зарядом.

Истинные кварки достаточно тяжелы, чтобы продукты их распада оставляли различимые треки. При распаде более легких кварков продукты распада, как и первоначальная частица, движутся со скоростями, очень близкими к скорости света, и потому сливаются как будто в единую струю, даже если начало ей положили две или более отдельные частицы. С другой стороны, истинные кварки, если только они не чрезмерно энергичны, наблюдаемо распадаются на красивые кварки и W–бозоны (заряженные слабые калибровочные бозоны); наличие того и другого наглядно свидетельствует о присутствии истинного кварка. Считается, что благодаря своей массе истинный кварк наиболее тесно взаимодействует с частицей Хиггса и другими частицами, вовлеченными в физику слабых взаимодействий, в которой мы надеемся в скором времени разобраться. Свойства истинных кварков и их взаимодействий могут оказаться полезны для понимания фундаментальных физических теорий, на которых основана Стандартная модель.

В ПОИСКАХ ПЕРЕНОСЧИКОВ СЛАБОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Прежде чем закончить разговор о том, как распознаются частицы Стандартной модели, рассмотрим последнюю их группу — слабые калибровочные бозоны: два W и один , переносящие слабое ядерное взаимодействие. Слабые калибровочные бозоны отличаются той особенностью, что, в отличие от фотонов и глюонов, имеют ненулевую массу покоя. Надо сказать, что наличие массы у слабых калибровочных бозонов — частиц, передающих слабое взаимодействие — представляет собой достаточно серьезную фундаментальную загадку. Происхождением своим эти массы — как и массы других элементарных частиц, о которых говорилось в этой главе — обязаны механизму Хиггса, к которому мы перейдем в самом ближайшем будущем.

Из-за своей тяжести W- и –бозоны долго не живут; они распадаются. Это значит, что слабые калибровочные бозоны, подобно истинным кваркам и другим тяжелым нестабильным частицам, можно распознать только через наблюдение за частицами, рождающимися в процессе распада. А поскольку любые новые тяжелые частицы тоже, вероятно, окажутся нестабильными, мы попробуем на примере распада слабых калибровочных бозонов показать еще одно интересное свойство распадающихся частиц.

W–бозон взаимодействует с любыми частицами, чувствительными к слабому взаимодействию (то есть со всеми частицами, о которых до сих пор шла речь). Это дает W–бозону множество вариантов распада. Он может распасться на любой заряженный лептон (электрон, мюон или тау–частицу) и соответствующее ему нейтрино. Его распад может также породить пару кварков — верхний и нижний или очарованный и странный, как показано на рис. 44.

РИС. 44. W–бозон может распасться на любой заряженный лептон и соответствующее ему нейтрино, или на верхний и нижний кварки, или на очарованный и странный кварки. На самом деле в кварковом секторе имеется смешивание, так что W–бозон может иногда распадаться в кварки разных поколений

Возможные варианты распада, помимо всего прочего, зависят от массы исходной частицы. Дело в том, что продукты распада частицы в сумме должны давать массу, меньшую, чем масса исходной частицы. Так, хотя W–бозон вполне способен взаимодействовать с истинным и красивым кварками, распасться на них он не может, так как масса истинного кварка больше массы W–бозона [48] .

48

Тем не менее взаимодействие между W–бозоном, t–кварком и b–кварком является причиной того, что t–кварк может распасться на b–кварк и W–бозон. —Прим. авт.

Рассмотрим распад W–бозона на два кварка, поскольку в этом случае экспериментаторы могут измерить оба продукта распада (в случае лептона и нейтрино это не так, потому что нейтрино не посредственно не обнаруживается). По закону сохранения энергии и импульса суммарная энергия и импульс конечных кварков равны энергии и импульсу распавшейся частицы, то есть W–бозона.

В этот момент, однако, вмешиваются специальная теория относительности Эйнштейна и квантовая механика, и ситуация становится более интересной. Специальная теория относительности говорит нам о том, как соотносятся масса, энергия и импульс. Большинству людей знаком сокращенный вариант формулы Е = mc². Эта формула верна для частиц в состоянии покоя; здесь т интерпретируется как т₀ — неисчезающая масса покоя частицы, изначально ей присущая. Если частица движется, у нее имеется импульс, и на сцене появляется более полная формула: Е²–р²с² = т₀²с². По этой формуле [49] экспериментаторы могут вычислить массу частицы даже в том случае, если сама она давно распалась. Для этого достаточно измерить суммарный импульс и энергию продуктов распада и, применив это уравнение, вычислить массу первоначальной частицы.

49

Через нее можно также определить релятивистскую массу, которая зависит от импульса и энергии, но следствия будут теми же. —Прим. авт.

Причина, по которой в этой истории фигурирует квантовая механика, несколько тоньше. Если наблюдать со стороны, то масса частицы не всегда равняется в точности ее реальной и истинной массе. Частицы способны распадаться, а квантово–механическое уравнение неопределенности говорит нам, что для точного измерения энергии необходимо бесконечное время; это значит, что энергию частицы, имеющей ограниченный срок жизни, вообще невозможно знать точно. Величина возможной ошибки тем больше, чем быстрее распадается частица и чем меньше время ее жизни. Следовательно, в любом конкретном измерении можно получить значение массы, близкое, но не равное ее истинному среднему значению. Только проведя множество измерений, экспериментаторы могут выяснить одновременно массу—наиболее вероятную ее величину, к которой сходится среднее значение — и время жизни, поскольку именно продолжительность существования частицы до распада определяет разброс измеренных масс (рис. 45). Это верно не только для W–бозона, но и для любой другой распадающейся частицы.

РИС. 45. Измерения массы нестабильной частицы концентрируются вокруг ее истинной массы, но допускают некоторый разброс в зависимости от времени жизни. На рисунке показана соответствующая зависимость для калибровочного W–бозона

Разобравшись в полученных измерительных данных при помощи описанных в этой главе методов, экспериментаторы могут обнаружить какую-нибудь частицу Стандартной модели (см. на рис. 46 сводку частиц Стандартной модели и их свойств) [50] , а может, и что-нибудь совершенно новое. Ученые надеются получить на БАКе новые экзотические частицы, которые помогут глубже проникнуть в фундаментальную природу вещества или даже Вселенной в целом. В следующей части книги мы рассмотрим некоторые интересные возможности.

50

Обратите внимание, что на этой схеме разграничены бозоны и фермионы — два класса частиц, различаемые квантовой механикой. Переносчики взаимодействий и гипотетические частицы Хиггса — бозоны, а все остальные частицы Стандартной модели — фермионы. —Прим. авт.

РИС. 46. Частицы Стандартной модели, организованные по типу и массе. В серых кружочках (иногда внутри квадратиков) приведены массы частиц. Число внутри стрелочек, образующих дуги, обозначает величину спина данной частицы. Мы видим здесь загадочное разнообразие элементов Стандартной модели

Часть IV. МОДЕЛИ, ПРЕДСКАЗАНИЯ И ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ