Расцвет физики частиц

Одновременно с открытием РИ в 1964 году произошел расцвет новой области — физики элементарных частиц. В этой деятельности довелось принять участие и мне. Будучи аспирантом, я работал в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, а после защиты докторской в 1963 году в течение 37 лет занимал должность преподавателя физики в Гавайском университете, периодически читая лекции в университетах Гейдельберга, Оксфорда, Рима и Флоренции. В итоге оказалось, что физика частиц играет важную роль в космологии, поэтому позвольте мне на время переключить ваше внимание с очень больших объектов на очень маленькие.

Использование все более мощных ускорителей и все более чувствительных детекторов частиц открыло дверь в огромный новый мир субатомной материи. Кульминацией стало создание в 1970-х годах стандартной модели элементарных частиц и взаимодействий. В этой модели нашлось место всем обнаруженным частицам, и она успешно описывает их взаимодействие.

10 апреля 2014 года, когда эта книга еще была в процессе написания, сотрудники лаборатории ЦЕРН (Европейского центра ядерных исследований) в Женеве подтвердили с высокой степенью статистической значимости существование «экзотической» отрицательно заряженной частицы, названной Z(4430), о существовании которой ранее заявляла другая исследовательская группа. Журналисты предположили, что это пошатнуло стандартную модель. Но это не так. Частица Z(4430) определенно состоит из четырех кварков, она первая в своем роде. Однако ее существование опровергает стандартную модель не более, чем существование ядра гелия с четырьмя нуклонами противоречит ядерной модели.

В табл. 11.1 приведены элементарные частицы и их массы согласно стандартной модели. Масса каждой частицы дана в единицах измерения энергии — миллионах электрон-вольт (МэВ) или миллиардах электронвольт (ГэВ), которые равны энергии покоя частицы, эквивалентной ее массе согласно формуле Е = mc², поскольку c — не более чем произвольная постоянная.

Таблица 11.1.

^{Частицы в стандартной модели. Масса дана в единицах измерения энергии. Античастицы и бозон Хиггса не представлены}

Рассмотрим группу частиц, называемых фермионами. Все они имеют собственный момент импульса, или спин, равный 1/2[15]. Существует три «поколения» фермионов, им соответствуют столбцы, обозначенные «u», «c» и «t». Каждое поколение состоит из двух кварков и двух лептонов. Первое поколение слева состоит из u-кварка с зарядом +2е/3, где e — элементарный электрический заряд, и d-кварка с зарядом -e/3. Ниже расположены лептоны первого поколения: нейтрино электронное ?_e с нулевым зарядом и электрон e с отрицательным зарядом -e. Каждый фермион сопровождает противоположно заряженная античастица, не показанная в таблице (антинейтрино, как и нейтрино, имеют нулевой электрический заряд).

О массе нейтрино мы поговорим в главе 13. Пока достаточно сказать, что одно нейтрино имеет массу порядка 0,1 эВ. Для сравнения масса электрона следующей по порядку возрастания частицы с ненулевой массой равна 511 000 эВ.

Второе и третье поколения имеют схожий состав кварков и электронов, за исключением того, что все они более тяжелые, нестабильные и быстро распадаются на более легкие частицы. К примеру, мюон, ?, средняя продолжительность жизни которого составляет 2,2 мкс, по сути, представляет собой просто более тяжелый электрон массой 106 МэВ. Основной процесс распада этой частицы выглядит так:

?^- ? e^- + ?^-_e + ?_?,

где ?^-_e — антинейтрино электронное. Антимюон ?⁺ распадается сходным образом:

?⁺ ? e⁺ + ?_e + ?^-_?,

Заметьте, что t-кварк в 184 раза массивнее протона (938 МэВ).

В стандартной модели действуют три взаимодействия: электромагнитное, слабое ядерное и сильное ядерное. Гравитация, воздействием которой на субатомном уровне можно пренебречь и которая уже довольно хорошо описывается на макроуровне общей теорией относительности, не включена в эту модель. Общая теория относительности перестает действовать только тогда, когда мы спускаемся до масштаба шкалы Планка, 10 ³⁵ м. Об этом мы побеседуем позже.

Частицы в правом столбце табл. 11.1 — так называемые носители взаимодействий. Это бозоны, частицы с целым спином. В этом случае все они имеют спин, равный 1. Бозоны в стандартной модели иногда называют частицами взаимодействий, поскольку в квантополевых теориях взаимодействий, лежащих в основе стандартной модели, эти частицы — кванты, соответствующие различным силовым полям. К примеру, фотон, обозначаемый у (потому что это носитель гамма-излучения), представляет собой квант электромагнитного поля.

В рамках стандартной модели частицы взаимодействий обычно изображают в роли переносчиков импульса и энергии, курсирующих между взаимодействующими кварками и лептонами. На рис. 11.1 показано взаимодействие двух электронов, обменивающихся фотоном. Это канонический пример диаграммы Фейнмана (были предложены Ричардом Фейнманом в 1948 году)^{217}. Диаграммы Фейнмана, по сути, являются вычислительными инструментами, и их не следует воспринимать слишком буквально[16].

Рис. 11.1. Диаграмма Фейнмана, демонстрирующая взаимодействие двух электронов, обменивающихся фотоном. Авторская иллюстрация

Итак, в стандартной модели фотон является носителем электромагнитного взаимодействия. Такому взаимодействию подвержены все элементарные частицы, кроме нейтрино. Квантовая теория поля, называемая квантовой электродинамикой, успешно описывающая электромагнитное взаимодействие, была разработана в конце 1940-х учеными Синьитиро Томонагой, Джулианом Швингером, Ричардом Фейнманом и Фрименом Дайсоном^{218}. Первые трое разделили в 1965 году Нобелевскую премию по физике, которую не дают более чем троим людям одновременно.

На рис. 11.2 показано столкновение электрона и позитрона, аннигилирующих с образованием Z-бозона, который затем воссоздает эту пару. Это только два примера из множества диаграмм, иллюстрирующих взаимодействия частиц.

W-бозон встречается в двух электрически заряженных состояниях, +e и -e. Вместе с Z-бозоном, не имеющим заряда, он относится к слабым бозонам — носителям слабого ядерного взаимодействия, которому подвержены все элементарные частицы, кроме фотонов и глюонов. О глюонах мы вскоре поговорим.

Самая известная реакция слабого взаимодействия — бета-распад ядра, при котором испускаются электрон и антинейтрино. В стандартной модели в этот фундаментальный процесс вовлечены кварки внутри нуклонов (протонов и нейтронов), которые, в свою очередь, взаимодействуют внутри ядра:

d ? u + e^- + ?^-_e.

Рис. 11.2. Электрон и позитрон сталкиваются и аннигилируют, образуя Z-бозон, который затем воссоздает эту пару. Авторская иллюстрация

Чтобы понять, какую роль в этом играет W-бозон, обратитесь к рис. 11.3.

Рис. 11.3. Бета-распад d-кварка. Здесь d-кварк распадается на бозон W^- и u-кварк. W^- пролетает небольшое расстояние (около 10^-18 м), а затем распадается на электрон и антинейтрино электронное. Авторская иллюстрация

Частица, обозначенная в табл. 11.1 буквой g, — это глюон. Было обнаружено восемь различных состояний так называемого цветового заряда глюона, который аналогичен электрическому, но имеет восемь вариантов, метафорически называемых цветами. 1люон является посредником в сильном ядерном взаимодействии, ответственном за удержание нуклонов в ядре. Только кварки взаимодействуют посредством этой силы. В стандартной модели сильное взаимодействие описывается квантовой теорией поля, которую Фейнман назвал квантовой хромодинамикой.

Из сотен новых частиц, открытых в 1960-е, большинство были подвержены сильному ядерному взаимодействию. Этим частицам соответствует родовое понятие адроны. Было обнаружено два типа адронов: барионы, с полуцелым спином, и мезоны, имеющие целый спин. Протон и нейтрон являются барионами. Самый легкий мезон — это пион, или ?-мезон, имеющий три варианта заряженного состояния: ?⁺, ?⁰ и ?. Свою докторскую работу я посвятил К-мезонам, или каонам, имеющим четыре разновидности: К⁺, К^-, К⁰, К^-0. Они состоят из пар «кварк — антикварк», один из которых — это s-кварк или его античастица. Рассматривать эту тему подробнее нужды нет.

Все адроны, кроме нуклонов, очень нестабильны, некоторые имеют настолько короткое время жизни, что едва успевают пересечь ядро атома, прежде чем распасться. Нейтрон нестабилен, поскольку подвержен бета-распаду, его среднее время жизни составляет порядка 15 минут. Хотя большинство ядер имеет в составе нейтроны, они стабильны, поскольку закон сохранения энергии предохраняет их от распада. В открытом космосе сейчас можно обнаружить не так уж много свободных нейтронов (или других адронов, за исключением фотонов), лишь небольшое количество, которое на мгновение появляется в ходе высокоэнергетических столкновений частиц в космических лучах.

Очевидно, что протон очень стабилен, иначе мы бы не наблюдали столько водорода во Вселенной через 13,8 млрд. лет после ее рождения. Однако, как мы вскоре увидим, потенциальная способность протонов распадаться, хоть и спустя большое количество времени, имеет огромные космологические последствия.

Стандартная модель элементарных частиц и взаимодействий появилась отчасти благодаря попытке уложить все эти новые частицы в простую схему. Ее ожидал впечатляющий успех. Вот эта схема: барион состоит из трех кварков, антибарион состоит из трех антикварков, мезон состоит из кварка и антикварка. Пока не было обнаружено ни одного адрона, который нельзя было бы составить из кварков, перечисленных в табл. 11.1, и их антикварков.

Ядра атомов, образующих знакомую нам материю, состоят из u- и d-кварков. Протон имеет кварковый состав uud, а нейтрон — udd. Любой физический объект, с которым мы имеем дело в повседневной жизни, и любой объект, с которым работают ученые всех специальностей, кроме физики частиц и астрофизики частиц, состоит всего из трех элементарных частиц. Это u- d-кварки, образующие ядра атомов, и электроны, облака которых летают вокруг, формируя атомы.

Открытие в 2012 году частицы, которая почти наверняка является долгожданным бозоном Хиггса, стало «вишенкой на торте» стандартной модели. Бозон Хиггса — частица с нулевым спином, обозначаемая Н, — придает массу лептонам и слабым бозонам. Кварки получают небольшую долю своей массы таким же образом, но большая ее часть возникает благодаря другому механизму, в котором участвует сильное взаимодействие, подробнее описывать которое излишне. Фотон и глюон — безмассовые частицы.

Теперь давайте рассмотрим теоретические построения, лежащие в основе стандартной модели. Мы увидим, что они распространяются далеко за пределы этого отдельного случая, охватывая все наши представления о смысле физических законов.