Впервые открыта частица, состоящая из трёх кварков разных семейств. Элементарные частицы Частицы и наречия

Так каковы же те силы, которыми нейтроны и протоны скреплены в ядре?

Электрическое взаимодействие связывают с частицей - фотоном. Аналогично этому Юкава предположил, что силы притяжения между протоном и нейтроном обладают полем особого рода, а колебания этого поля ведут себя как частицы. Значит, не исключено, что, помимо нейтронов и протонов, в мире существуют некоторые иные частицы. Юкава сумел вывести свойства этих частиц из уже известных характеристик ядерных сил. Например, он предсказал, что они должны иметь массу, в 200- 300 раз большую, чем электрон. И-о, чудо!- в космических лучах как раз открыли частицу с такой массой! Впрочем, чуть погодя выяснилось, что это совсем не та частица. Назвали ее μ-мезон, или мюон.

И все же несколько попозже, в 1947 или 1948г., обнаружилась частица-π-мезон, или пион,- удовлетворявшая требованиям Юкавы. Выходит, чтобы получить ядерные силы, к протону и нейтрону надо добавить пион. «Прекрасно! - воскликнете вы.- С помощью этой теории мы теперь соорудим квантовую ядродинамику, и пионы послужат тем целям, ради которых их ввел Юкава; посмотрим, заработает ли эта теория, и если да, то объясним все». Напрасные надежды! Выяснилось, что расчеты в этой теории столь сложны, что никому еще не удалось их проделать и извлечь из теории какие-либо следствия, никому не выпала удача сравнить ее с экспериментом. И тянется это уже почти 20 лет!

С теорией что-то не клеится; мы не знаем, верна она или нет; впрочем, мы уже знаем, что в ней чего-то не достает, что какие-то неправильности в ней таятся. Покуда мы топтались вокруг теории, пробуя вычислить следствия, экспериментаторы за это время кое-что открыли. Ну, тот же μ-мезон, или мюон. А мы до сей поры не знаем, на что он годится. Опять же, в космических лучах отыскали множество «лишних» частиц. К сегод¬няшнему дню их уже свыше 30, а связь между ними все еще трудно ухватить, и непонятно, чего природа от них хочет и кто из них от кого зависит. Перед нами все эти частицы пока не предстают как разные проявления одной и той же сущности, и тот факт, что имеется куча разрозненных частиц, есть лишь отражение наличия бессвязной информации без сносной теории. После неоспоримых успехов квантовой электродинамики - какой-то набор сведений из ядерной физики, обрывки знаний, полуопытных-полутеоретических. Задаются, скажем, характером взаимодействия протона с нейтроном и смотрят, что из этого выйдет, не понимая на самом деле, откуда эти силы берутся. Сверх описанного никаких особых успехов не произошло.

Но химических элементов ведь тоже было множество, и внезапно между ними удалось увидеть связь, выраженную периодической таблицей Менделеева. Скажем, калий и натрий - вещества, близкие по химическим свойствам,- в таблице попали в один столбец. Так вот, попробовали соорудить таблицу типа таблицы Менделеева и для новых частиц. Одна подобная таблица была предложена независимо Гелл-Манном в США и Нишиджимой в Японии. Основа их классификации - новое число, наподобие электрического заряда. Оно присваивается каждой частице и называется ее «странностью» S. Число это не меняется (так же как электрический заряд) в реакциях, производимых ядерными силами.

В табл. 2.2 приведены новые частицы. Мы не будем пока подробно говорить о них. Но из таблицы по крайней мере видно, как мало мы еще знаем. Под символом каждой частицы стоит ее масса, выраженная в определенных единицах, называемых мегаэлектронвольт, или Мэв (1 Мэв-это 1,782*10 -27 г ). Не будем входить в исторические причины, заставившие ввести эту единицу. Частицы помассивнее стоят в таблице повыше. В одной колонке стоят частицы одинакового электрического заряда, нейтральные - посерединке, положительные - направо, отрицательные - налево.

Частицы подчеркнуты сплошной линией, «резонансы» - штрихами. Некоторых частиц в таблице нет совсем: нет фотона и гравитона, очень важных частиц с нулевыми массой и зарядом (они не попадают в барион-мезон-лептонную схему классификации), нет и кое-каких новейших резонансов (φ, f, Y* и др.). Античастицы мезонов в таблице приводятся, а для античастиц лептонов и барионов надо было бы составить новую таблицу, сходную с этой, но только зеркально отраженную относительно нулевой колонки. Хотя все частицы, кроме электрона, нейтрино, фотона, гравитона и протона, неустойчивы, продукты их распада написаны только для резонансов. Странность лептонов тоже не написана, так как это понятие к ним неприменимо - они не взаимодействуют сильно с ядрами.

Частицы, стоящие вместе с нейтроном и протоном, называют барионами. Это «лямбда» с массой 1115,4 Мэв и три другие-«сигмы», называемые сигма-минус, сигма-нуль, сигма-плюс, с почти одинаковыми массами. Группы частиц почти одинаковой массы (отличие на 1-2%) называются мулътиплетами. У всех частиц в мультиплете странность одинакова. Первый мультиплет - это пара (дублет) протон - нейтрон, потом идет синглет (одиночка) лямбда, потом - триплет (тройка) сигм, дублет кси и синглет омега-минус. Начиная с 1961 г., начали открывать новые тяжелые частицы. Но частицы ли они? Живут они так мало (распадаются, едва возникнув), что неизвестно, назвать ли их новыми частицами или считать «резонансным» взаимодействием между их продуктами распада, скажем, Λ и π при некоторой фиксированной энергии.

Для ядерных взаимодействий, кроме барионов, необходимы другие частицы - мезоны. Это, во-первых, три разновидности пионов (плюс, нуль и минус), образующие новый триплет. Найдены и новые частицы - К-мезоны (это дублет К + и К 0 ). У каждой частицы бывает античастица, если только частица не оказывается своей собственной античастицей, скажем π + и π - - античастицы друг друга, a π 0 -сам себе античастица. Античастицы и К - с К + , и К 0 с К 0 `. Кроме того, после 1961 г. мы начали открывать новые мезоны, или вроде-мезоны, распадающиеся почти мгновенно. Одна такая диковинка называется омега, ω, ее масса 783, она превращается в три пиона; есть и другое образование, из которого получается пара пионов.

Подобно тому как из очень удачной таблицы Менделеева выпали некоторые редкие земли, точно так же из нашей таблицы выпадают некоторые частицы. Это те частицы, которые с ядрами сильно не взаимодействуют, к ядерному взаимодействию отношения не имеют и между собой сильно тоже не взаимодействуют (под сильным понимается мощный тип взаимодействия, дающего атомную анергию). Называются эти частицы лептоны; к ним относятся электрон (очень легкая частица с массой 0,51 Мэв) и мюон (с массой в 206 раз больше массы электрона). Насколько мы можем судить по всем экспериментам, электрон и мюон различаются только массой. Все свойства мюона, все его взаимодействия ничем не отличаются от свойств электрона - только один тяжелее другого. Почему он тяжелее, какая ему от этого польза, мы не знаем. Кроме них, есть еще нейтральный лептой - нейтрино, с массой нуль. Более того, сейчас известно, что есть два сорта нейтрино: одни, связанные с электронами, а другие - с мюонами.

И наконец, существуют еще две частицы, тоже с ядрами не взаимодействующие. Одну мы знаем уже - это фотон; а если поле тяготения также обладает квантовомеханическими свойствами (хотя пока квантовая теория тяготения не разработана), то, возможно, существует и частица гравитон с массой нуль.

Что такое «масса нуль»? Массы, которые мы приводили, это массы покоящихся частиц. Если у частицы масса нуль, то это значит, что она не смеет покоиться. Фотон никогда не стоит на месте, скорость его равна всегда 300 000 км/сек. Мы с вами еще разберемся в теории относительности и попытаемся глубже вникнуть в смысл понятия массы.

Итак, мы встретились с целым строем частиц, которые все вместе, по-видимому, являются очень фундаментальной частью вещества. К счастью, эти частицы не все отличаются по своему взаимодействию друг от друга. Видимо, есть только четыре типа взаимодействий между ними. Перечислим их в порядке убывающей силы: ядерные силы, электрические взаимодействия, (β-распадное взаимодействие и тяготение. Фотон взаимодействует со всеми заряженными частицами с силой, характеризуе¬мой некоторым постоянным числом 1/137. Детальный закон этой связи известен - это квантовая электродинамика. Тяготение взаимодействует со всякой энергией, но чрезвычайно слабо, куда слабее, чем электричество. И этот закон известен. Потом идут так называемые слабые распады: β-распад, из-за которого нейтрон распадается довольно медленно на протон, электрон и нейтрино. Тут закон выяснен лишь частично. А так называемое сильное взаимодействие (связь мезона с барионом) обладает по этой шкале силой, равной единице, а закон его совершенно темен, хоть и известны кое-какие правила, вроде того, что количество барионов ни в одной реакции не меняется.

Положение, в котором находится современная физика, следует считать ужасным. Я бы подытожил его такими словами: вне ядра мы, видимо, знаем все; внутри него справедлива квантовая механика, нарушений ее принципов там не найдено.

Сцена, на которой действуют все наши знания,- это релятивистское пространство-время; не исключено, что с ним связано и тяготение. Мы не знаем, как началась Вселенная, и мы ни разу не ставили опытов с целью точной проверки наших представлений о пространстве-времени на малых расстояниях, мы только знаем, что вне этих расстояний наши воззрения безошибочны. Можно было бы еще добавить, что правила игры - это принципы квантовой механики; и к новым частицам они, насколько нам известно, приложимы не хуже, чем к старым. Поиски происхождения ядерных сил приводят нас к новым частицам; но все эти открытия вызывают только замешательство. У нас нет полного понимания их взаимных отношений, хотя в некоторых поразительных связях между ними мы уже убедились. Мы, видимо, постепенно приближаемся к пониманию мира заатомных частиц, но неизвестно, насколько далеко мы ушли по этому пути.

От приблизительно 1000 секунд (для свободного нейтрона) до ничтожно малой доли секунды (от 10 −24 до 10 −22 с для резонансов).

Строение и поведение элементарных частиц изучается физикой элементарных частиц .

Все элементарные частицы подчиняются принципу тождественности (все элементарные частицы одного вида во Вселенной полностью одинаковы по всем своим свойствам) и принципу корпускулярно-волнового дуализма (каждой элементарной частице соответствует волна де-Бройля).

Все элементарные частицы обладают свойством взаимопревращаемости, являющегося следствием их взаимодействий: сильного, электромагнитного, слабого, гравитационного. Взаимодействия частиц вызывают превращения частиц и их совокупностей в другие частицы и их совокупности, если такие превращения не запрещены законами сохранения энергии , импульса, момента количества движения, электрического заряда, барионного заряда и др.

Основные характеристики элементарных частиц: время жизни , масса , спин , электрический заряд , магнитный момент , барионный заряд , лептонный заряд , странность, изотопический спин , чётность , зарядовая чётность , G-чётность , CP-чётность .

Классификация

По времени жизни

• Стабильные элементарные частицы - частицы, имеющие бесконечно большое время жизни в свободном состоянии (протон , электрон , нейтрино , фотон и их античастицы).
• Нестабильные элементарные частицы - частицы, распадающиеся на другие частицы в свободном состоянии за конечное время (все остальные частицы).

По массе

Все элементарные частицы делятся на два класса:

• Безмассовые частицы - частицы с нулевой массой (фотон , глюон).
• Частицы с ненулевой массой (все остальные частицы).

По величине спина

Все элементарные частицы делятся на два класса:

По видам взаимодействий

Элементарные частицы делятся на следующие группы:

Составные частицы

• Адроны - частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий . Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на:
  • мезоны - адроны с целым спином , то есть являющиеся бозонами ;
  • барионы - адроны с полуцелым спином, то есть фермионы . К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома , - протон и нейтрон .

Фундаментальные (бесструктурные) частицы

• Лептоны - фермионы, которые имеют вид точечных частиц (то есть не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10 −18 м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны , мюоны , тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино . Известны 6 типов лептонов.
• Кварки - дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались (для объяснения отсутствия таких наблюдений предложен механизм конфайнмента). Как и лептоны, делятся на 6 типов и считаются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии.
• Калибровочные бозоны - частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:
  • фотон - частица, переносящая электромагнитное взаимодействие ;
  • восемь глюонов - частиц, переносящих сильное взаимодействие ;
  • три промежуточных векторных бозона W + , W − и Z 0 , переносящие слабое взаимодействие ;
  • гравитон - гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие . Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным; однако гравитон не входит в Стандартную модель элементарных частиц .

Размеры элементарных частиц

Несмотря на большое разнообразие элементарных частиц, их размеры укладываются в две группы. Размеры адронов (как барионов, так и мезонов) составляют около 10 −15 м , что близко к среднему расстоянию между входящими в них кварками. Размеры фундаментальных, бесструктурных частиц - калибровочных бозонов, кварков и лептонов - в пределах погрешности эксперимента согласуются с их точечностью (верхний предел диаметра составляет около 10 −18 м ) (см. пояснение ). Если в дальнейших экспериментах окончательные размеры этих частиц не будут обнаружены, то это может свидетельствовать о том, что размеры калибровочных бозонов, кварков и лептонов близки к фундаментальной длине (которая весьма вероятно может оказаться планковской длиной , равной 1,6·10 −35 м).

Следует отметить, однако, что размер элементарной частицы является достаточно сложной концепцией, не всегда согласующейся с классическими представлениями. Во-первых, принцип неопределённости не позволяет строго локализовать физическую частицу. Волновой пакет , представляющий частицу как суперпозицию точно локализованных квантовых состояний , всегда имеет конечные размеры и определённую пространственную структуру, причём размеры пакета могут быть вполне макроскопическими - например, электрон в эксперименте с интерференцией на двух щелях «чувствует» обе щели интерферометра, разнесённые на макроскопическое расстояние. Во-вторых, физическая частица меняет структуру вакуума вокруг себя, создавая «шубу» из кратковременно существующих виртуальных частиц - фермион-антифермионных пар (см. Поляризация вакуума) и бозонов-переносчиков взаимодействий. Пространственные размеры этой области зависят от калибровочных зарядов , которыми обладает частица, и от масс промежуточных бозонов (радиус оболочки из массивных виртуальных бозонов близок к их комптоновской длине волны , которая, в свою очередь, обратно пропорциональна их массе). Так, радиус электрона с точки зрения нейтрино (между ними возможно только слабое взаимодействие) примерно равен комптоновской длине волны W-бозонов , ~3×10 −18 м , а размеры области сильного взаимодействия адрона определяются комптоновской длиной волны легчайшего из адронов, пи-мезона (~10 −15 м ), выступающего здесь как переносчик взаимодействия.

История

Первоначально термин «элементарная частица» подразумевал нечто абсолютно элементарное, первокирпичик материи . Однако, когда в 1950-х и 1960-х годах были открыты сотни адронов с похожими свойствами, стало ясно, что по крайней мере адроны обладают внутренними степенями свободы, то есть не являются в строгом смысле слова элементарными. Это подозрение в дальнейшем подтвердилось, когда выяснилось, что адроны состоят из кварков .

Таким образом, физики продвинулись ещё немного вглубь строения вещества: самыми элементарными, точечными частями вещества сейчас считаются лептоны и кварки. Для них (вместе с калибровочными бозонами) применяется термин «фундаментальные частицы» .

В активно разрабатываемой примерно с середины 1980-х теории струн предполагается, что элементарные частицы и их взаимодействия являются следствиями различных видов колебаний особо малых «струн».

Стандартная модель

Стандартная модель элементарных частиц включает в себя 12 ароматов фермионов, соответствующие им античастицы, а также калибровочные бозоны (фотон , глюоны , W - и Z -бозоны), которые переносят взаимодействия между частицами, и обнаруженный в 2012 году бозон Хиггса , отвечающий за наличие инертной массы у частиц. Однако Стандартная модель в значительной степени рассматривается скорее как теория временная, а не действительно фундаментальная, поскольку она не включает в себя гравитацию и содержит несколько десятков свободных параметров (массы частиц и т. д.), значения которых не вытекают непосредственно из теории. Возможно, существуют элементарные частицы, которые не описываются Стандартной моделью - например, такие, как гравитон (частица, гипотетически переносящая гравитационные силы) или суперсимметричные партнёры обычных частиц. Всего модель описывает 61 частицу .

Фермионы

12 ароматов фермионов разделяются на 3 семейства (поколения) по 4 частицы в каждом. Шесть из них - кварки . Другие шесть - лептоны , три из которых являются нейтрино , а оставшиеся три несут единичный отрицательный заряд: электрон , мюон и тау-лептон .

Античастицы

Также существуют 12 фермионных античастиц, соответствующих вышеуказанным двенадцати частицам.

Кварки

Кварки и антикварки никогда не были обнаружены в свободном состоянии - это объясняется явлением

Барионы (от греческого «барис» - тяжелый) - тяжёлые элементарные частицы, сильно взаимодействующие фермионы, состоящие из трёх кварков. Наиболее стабильные барионы - протон и нейтрон. К основным барионам относятся: протон (uud), антипротон, нейтрон (ddu), антинейтрон, ламбда-гиперион, сигма-гиперион, кси-гиперион, омега-гиперион.

Сотрудники международной коллаборации DZero Национальной лаборатории ускорителей имени Ферми, которая входит в систему исследовательских центров США, открыли новую элементарную частицу-барион. Частица, получившая название «кси-би-минус барион»(Ξ-b), по-своему уникальна. Это не просто очередной барион, содержащий b-кварк, а первая частица, содержащая три кварка трех разных семейств — d-кварк, s-кварк и b-кварк.

Есть у неё и другое название — «каскад-би». Барион несет отрицательный заряд и по массе примерно в шесть раз превосходит протон (масса частицы 5.774±0.019 ГэВ).

Для регистрации новой частицы ученым пришлось проанализировать треки за пять лет работы ускорителя. В итоге удалось обнаружить 19 событий, которые свидетельствовали об образовании нового бариона.

До этого ученые уже получали барион, состоящий из трех различных кварков — лямбда-би барион, состоящий из u-,d- и b- кварка, однако он содержит кварки только двух поколений (см. врез).

Таким образом, впервые за всю историю физики высоких энергий обнаружен барион, состоящий из кварков трех поколений или семейств. Каскад-би состоит из одного d-кварка («нижний» кварк, относящийся к первому семейству), одного s-кварка («странный» кварк, второе семейство) и одного b-кварка («прелестный» кварк, третье семейство). Именно поэтому новая частица Ξ-b по-настоящему уникальна.

Интересно, что, хотя коллаборация базируется в Фермилабе, обладающей мощным ускорителем Тэватрон, нынешнее открытие сделано в Европе — на Большом электрон-позитронном коллайдере в ЦЕРНе (LEP)

Таким образом, ученые продолжают поиски на «втором этаже» барионной пирамиды, открывая барионы, содержащие в себе один «прелестный» или «дно»-кварк (b).

Впервые такие частицы получила тоже команда из Фермилаба. В прошлом году Международная коллаборация CDF, проводящая эксперименты на базе Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми министерства энергетики США (Department of Energy"s Fermi National Accelerator Laboratory), объявила об открытии двух новых элементарных частиц, относящихся к классу барионов. Частицы назвали Σ+b и Σ-b.

В экспериментах физики сталкивали протоны с антипротонами, разгоняя их на самом мощном на настоящий момент ускорителе Теватрон.

На этом ускорителе проводятся эксперименты при соударении пучка протонов, имеющих энергию 1 ТэВ, со встречным пучком антипротонов той же энергии. При столкновении с такой энергией возникал b-кварк, который потом, взаимодействуя с кварками протонов и антипротонов, образовывал две новые частицы.

Эксперимент зарегистрировал 103 события, связанных с рождением положительно заряженных u-u-b частицы (Σ+b) и 134 рождения отрицательно заряженных d-d-b частицы (Σ-b). Для обнаружения такого количества событий ученым пришлось проанализировать треки от 100 триллионов столкновений за пять лет работы Теватрона.

Альфа(а)-лучи - положительно заряженные ионы гелия (Не++), вылетающие из атомных ядер со скоростью 14 000-20 000 км/час. Энергия частиц составляет 4-9 MeV. а-излучение наблюдается, как правило, у тяжелых и преимущественно естественных радиоактивных элементов (радий, торий и др.). Величина пробега а-частицы в воздухе возрастает с увеличением энергии а-излучения.

Так, например, а-частицы тория (Th232), имеющие энергию 3,9в MeV, в воздухе пробегают 2,6 см, а а-частицы радия С с энергией 7,68 MeV имеют пробег 6,97 см. Минимальная толщина поглотителя, необходимая для полного поглощения частиц, называется пробегом этих частиц в данном веществе. Пробеги а-частиц в воде и ткани составляют величины 0,02-0,06 мм.

а-частицы поглощаются полностью листком папиросной бумаги или тонким слоем алюминия. Одним из важнейших свойств а-излучения является сильное ионизирующее действие. На пути движения а-частица в газах образует огромное количество ионов. Например, в воздухе при 15° и 750 мм давления одна а-частица дает 150 000-250000 пар ионов в зависимости от ее энергии.

Так, например,удельная ионизация в воздухе а-частиц от радона , имеющих энергию 5,49 MeV, составляет 2500 пар ионов на 1 мм пути. Плотность ионизации в конце пробега а-частиц возрастает, поэтому поражаемость клеток в конце пробега примерно в 2 раза больше, чем в начале пробега.

Физические свойства а-частиц определяют особенности их биологического действия на организм и способы защиты от этого вида излучения. Внешнее облучение а-лучами не представляет опасности, так как достаточно удалиться от источника на несколько (10-20) сантиметров или установить простейший экран из бумаги, ткани, алюминия и других обычных материалов, чтобы излучение было полностью поглощено.

Наибольшую опасность а-лучи представляют при попадании и отложении внутри радиоактивных а-излучающих элементов. В этих случаях происходит непосредственное облучение а-лучами клеток и тканей организма.

Бета(b)-лучи - поток электронов, выбрасываемых из атомных ядер со скоростью приблизительно 100 000-300 000 км/сек. Максимальная энергия р-частиц находится в пределах от 0,01 до 10 MeV. Заряд b-частицы по знаку и величине равен заряду электрона. Радиоактивные превращения типа b-распада широко распространены среди естественных и искусственных радиоактивных элементов.

b-лучи обладают значительно большей проникающей способностью Но сравнению с а-лучами. В зависимости от энергии b-лучей их пробег в воздухе составляет от долей миллиметра до нескольких метров. Так, пробег b-частиц с энергией 2-3 MeV в воздухе составляет 10-15 м, а в воде и ткани измеряется миллиметрами. Например, пробег b-частиц, Испускаемых радиоактивным фосфором (Р32) с максимальной энергией 1,7 MeV, в ткани равен 8 мм.

b-частица с энергией , равной 1 MeV, может образовать на своем пути в воздухе около 30 000 пар ионов. Ионизирующая способность b-частиц в несколько раз меньше, чем таковая а-частиц той же энергии.

Воздействие b-лучей на организм может проявляться как при внешнем, так и при внутреннем облучении, в случае попадания в организм активных веществ, излучающих b-частицы. Для защиты от b-лучей при внешнем облучении необходимо применение экранов из материалов (стекло, алюминий, свинец и др.). Интенсивность излучения можно снизить увеличением расстояния от источника.

Бозон Хиггса пытаются найти десятки лет, но пока безуспешно. Между тем без него ключевые положения современной теории микромира зависают в воздухе.

Исследование частиц началось не так давно. В 1897 году Джозеф Джон Томсон открыл электрон, а через 20 лет Эрнест Резерфорд доказал, что ядра водорода входят в состав ядер прочих элементов, и позднее назвал их протонами. В1930-х были обнаружены нейтрон, мюон и позитрон и предсказано существование нейтрино. Тогда же Хидеки Юкава построил теорию ядерных сил, переносимых гипотетическими частицами в сотни раз тяжелее электрона, но много легче протона (мезонами). В 1947 году следы распадов пи-мезонов (пионов) нашли на фотопластинках, экспонированных в космических лучах. Позднее обнаружили и другие мезоны, причем некоторые из них тяжелее не только протона, но и ядра гелия. Физики также открыли множество барионов, тяжелых и поэтому нестабильных родственников протона и нейтрона. Когда-то все эти частицы называли элементарными, но такая терминология давно устарела. Сейчас элементарными принято считать только несоставные частицы - фермионы (с половинным спином - лептоны и кварки) и бозоны (с целочисленным спином - переносчики фундаментальных взаимодействий).

Элементарные частицы Стандартной модели

Фермионная группа (с полуцелым спином) состоит из лептонов и кварков так называемых трех поколений. Заряженные лептоны - это электрон и его массивные аналоги мюон и тау-частица (и их античастицы). У каждого лептона имеется нейтральный партнер в лице одной из трех разновидностей нейтрино (тоже с античастицами). Семейство бозонов, спин которых равен 1, - это частицы, переносящие взаимодействия между кварками и лептонами. Некоторые из них не имеют массы и электрического заряда - это глюоны, обеспечивающие межкварковые связи в мезонах и барионах, и фотоны, кванты электромагнитного поля. Слабые взаимодействия, проявляющиеся в процессах бета-распада, обеспечивает тройка массивных частиц - двух заряженных и одной нейтральной.

Индивидуальные названия элементарных и составных частиц обычно не связаны с именами конкретных ученых. Однако почти 40 лет назад была предсказана еще одна элементарная частица, которой присвоили имя живого человека, шотландского физика Питера Хиггса. Подобно переносчикам фундаментальных взаимодействий, она имеет целочисленный спин и принадлежит к классу бозонов. Однако спин ее равен не 1, а 0, и в этом отношении у нее нет аналогов. Вот уже десятки лет ее ищут на самых крупных ускорителях - закрытом в прошлом году американском «Тэватроне» и функционирующем сейчас Большом адронном коллайдере под пристальным вниманием мировых СМИ. Ведь бозон Хиггса очень нужен современной теории микромира - Стандартной модели элементарных частиц. Если его не удастся обнаружить, ключевые положения этой теории зависнут в воздухе.

Калибровочные симметрии

Начало пути к бозону Хиггса можно отсчитывать от короткой статьи, опубликованной в 1954 году перебравшимся в США китайским физиком Янг Чжэньнином и его коллегой по Брукхэйвенской национальной лаборатории Робертом Миллсом. В те годы экспериментаторы открывали все новые и новые частицы, изобилие которых никак не удавалось объяснить. В поисках перспективных идей Янг и Миллс решили опробовать возможности очень интересной симметрии, которой подчиняется квантовая электродинамика. К тому времени эта теория доказала свою способность давать великолепно согласующиеся с опытом результаты. Правда, в ходе некоторых вычислений там появляются бесконечности, однако от них можно избавляться с помощью математической процедуры, названной перенормировкой.

Симметрию, заинтересовавшую Янга и Миллса, в1918 году ввел в физику немецкий математик Герман Вейль. Он назвал ее калибровочной, и это название сохранилось до наших дней. В квантовой электродинамике калибровочная симметрия проявляется в том, что волновую функцию свободного электрона, которая представляет собой вектор с вещественной и мнимой частью, можно непрерывно поворачивать в каждой точке пространства-времени (из-за чего симметрия называется локальной). Эта операция (на формальном языке - изменение фазы волновой функции) приводит к тому, что в уравнении движения электрона появляются добавки, которые необходимо скомпенсировать, чтобы оно сохранило силу. Для этого туда вводится дополнительный член, который описывает электромагнитное поле, взаимодействующее с электроном. Квантом этого поля оказывается фотон, безмассовая частица с единичным спином. Таким образом из локальной калибровочной симметрии уравнения свободного электрона следует существование фотонов (а также и постоянство электронного заряда). Можно сказать, что эта симметрия предписывает электрону взаимодействовать с электромагнитным полем. Любой фазовый сдвиг становится актом такого взаимодействия - например, испусканием или поглощением фотона.

Связь калибровочной симметрии с электромагнетизмом была выявлена еще в 1920-е годы, однако особого интереса не вызывала. Янг и Миллс первыми попытались применить эту симметрию для конструирования уравнений, описывающих частицы иной природы, нежели электрон. Они занялись двумя «старейшими» барионами - протоном и нейтроном. Хоть эти частицы и не тождественны, но по отношению к ядерным силам они ведут себя практически одинаково и имеют почти одинаковую массу. В 1932 году Вернер Гейзенберг показал, что протон и нейтрон можно формально считать различными состояниями одной и той же частицы. Для их описания он ввел новое квантовое число - изотопический спин. Поскольку сильное взаимодействие не делает различий между протонами и нейтронами, оно сохраняет полный изотопический спин, подобно тому, как электромагнитное взаимодействие сохраняет электрический заряд.

Янг и Миллс задались вопросом, какие локальные калибровочные преобразования сохраняют изоспиновую симметрию. Было ясно, что они не могут совпадать с калибровочными преобразованиями квантовой электродинамики - хотя бы потому, что речь шла уже о двух частицах. Янг и Миллс проанализировали совокупность таких преобразований и выяснили, что они порождают поля, чьи кванты предположительно переносят взаимодействия между протонами и нейтронами. Квантов в данном случае было три: два заряженных (положительно и отрицательно) и один нейтральный. Они имели нулевую массу и единичный спин (то есть были векторными бозонами) и перемещались со скоростью света.

Теория B-полей, как их окрестили соавторы, была очень красива, но не выдерживала испытания опытом. Нейтральный B-бозон можно было отождествить с фотоном, но его заряженные собратья оставались не при деле. Согласно квантовой механике, посредниками в переносе короткодействующих сил могут быть лишь достаточно массивные виртуальные частицы. Радиус ядерных сил не превышает 10 –13 см, и безмассовые бозоны Янга и Миллса явно не могли претендовать на роль их переносчиков. К тому же экспериментаторы никогда не регистрировали таких частиц, хотя в принципе заряженные безмассовые бозоны легко обнаружить. Янг и Миллс доказали, что локальные калибровочные симметрии «на бумаге» могут порождать силовые поля неэлектромагнитной природы, но физическая реальность этих полей была чистой гипотезой.

Электрослабое двуединство

Следующий шаг к бозону Хиггса был сделан в 1957 году. К тому времени теоретики (тот же Янг и Ли Дзундао) предположили, а экспериментаторы доказали, что при бета-распадах не сохраняется четность (иначе говоря, нарушается зеркальная симметрия). Этот неожиданный результат заинтересовал многих физиков, среди которых был и Джулиан Швингер, один из создателей квантовой электродинамики. Он выдвинул гипотезу, что слабые взаимодействия между лептонами (до кварков тогда наука еще не дошла!) переносятся тремя векторными бозонами - фотоном и парой заряженных частиц, аналогичных B-бозонам. Отсюда следовало, что эти взаимодействия состоят в партнерстве с электромагнитными силами. Швингер этой проблемой больше не занимался, однако предложил ее своему аспиранту Шелдону Глэшоу.

Работа растянулась на четыре года. После ряда неудачных попыток Глэшоу построил модель слабого и электромагнитного взаимодействий, основанную на объединении калибровочных симметрий электромагнитного поля и полей Янга и Миллса. Помимо фотона в ней фигурировали еще три векторных бозона - два заряженных и один нейтральный. Однако эти частицы опять-таки имели нулевую массу, что создавало проблему. У слабого взаимодействия радиус на два порядка меньше, чем у сильного, и ему тем более требуются очень массивные посредники. К тому же наличие нейтрального переносчика требовало допустить возможность бета-переходов, не меняющих электрического заряда, а в то время такие не были известны. Из-за этого после публикации своей модели в конце 1961 года Глэшоу потерял интерес к объединению слабого и электромагнитного взаимодействий и переключился на другие темы.

Гипотеза Швингера заинтересовала и пакистанского теоретика Абдуса Салама, который вместе с Джоном Уордом построил модель, похожую на модель Глэшоу. Он тоже столкнулся с безмассовостью калибровочных бозонов и даже придумал способ ее устранения. Салам знал, что их массы нельзя ввести «от руки», поскольку теория становилась ненормируемой, но рассчитывал обойти это затруднение с помощью спонтанного нарушения симметрии, так чтобы решения уравнений движения бозонов не обладали калибровочной симметрией, присущей самим уравнениям. Этой задачей он заинтересовал американца Стивена Вайнберга.

Но в 1961 году английский физик Джефри Голдстоун показал, что в релятивистских квантовых теориях поля спонтанное нарушение симметрии вроде бы неизбежно порождает безмассовые частицы. Салам и Вайнберг попытались опровергнуть теорему Голдстоуна, но лишь усилили ее в собственной работе. Загадка выглядела неразрешимой, и они занялись другими областями физики.

Хиггс и другие

Помощь пришла от специалистов по физике конденсированных сред. В 1961 году Ёитиро Намбу отметил, что при переходе нормального металла в сверхпроводящее состояние прежняя симметрия спонтанно нарушается, но при этом не появляется никаких безмассовых частиц. Спустя два года Филип Андерсон на том же примере отметил, что если электромагнитное поле не подчиняется теореме Голдстоуна, то того же можно ожидать и от других калибровочных полей с локальной симметрией. Он даже предсказал, что голдстоуновские бозоны и бозоны полей Янга и Миллса могут как-то ликвидировать друг друга, оставляя после себя массивные частицы.

Этот прогноз оказался пророческим. В 1964 году его оправдали физики из брюссельского Свободного университета Франсуа Энглерт и Роджер Броут, Питер Хиггс и сотрудники лондонского Имперского колледжа Джерри Гуральник, Роберт Хаген и Томас Киббл. Они не только показали, что в полях Янга–Миллса не соблюдаются условия применимости теоремы Голдстоуна, но и нашли способ снабдить возбуждения этих полей ненулевой массой, который сейчас называют механизмом Хиггса.

Эти замечательные работы заметили и оценили отнюдь не сразу. Лишь в 1967 году Вайнберг построил единую модель электрослабого взаимодействия, в которой тройка векторных бозонов получает массу на основе механизма Хиггса, а годом позже это же сделал и Салам. В 1971 году голландцы Мартинус Велтман и Герард "т Хоофт доказали, что эта теория поддается перенормировке и, следовательно, имеет четкий физический смысл. Она прочно встала на ноги после 1973 года, когда в пузырьковой камере Gargamelle (CERN, Швейцария) экспериментаторы зарегистрировали так называемые слабые нейтральные токи, указывающие на существование незаряженного промежуточного бозона (прямая регистрация всех трех векторных бозонов была осуществлена в CERN лишь в 1982–1983 годах). Глэшоу, Вайнберг и Салам получили за нее Нобелевские премии в 1979 году, Велтман и "т Хоофт - в 1999. Эта теория (а вместе с нею и бозон Хиггса) уже давно стала неотъемлемой частью Стандартной модели элементарных частиц.

Механизм Хиггса

В основе механизма Хиггса лежат скалярные поля с бесспиновыми квантами - хиггсовские бозоны. Как считается, они возникли спустя мгновения после Большого взрыва и теперь заполняют всю Вселенную. Такие поля обладают наименьшей энергией при ненулевой величине - это и есть их устойчивое состояние.

Нередко пишут, что элементарные частицы обретают массу в результате торможения хиггсовским полем, но это чересчур механистическая аналогия. В теории электрослабого взаимодействия фигурируют четыре хиггсовских поля (каждое со своими квантами) и четыре векторных бозона - два нейтральных и два заряженных, которые сами по себе не имеют массы. Три бозона, оба заряженных и один нейтральный, поглощают по одному хиггсу и в результате обретают массу и способность переносить короткодействующие силы (их обозначают символами W + , W – и Z 0). Последний бозон ничего не поглощает и остается безмассовым - это фотон. «Съеденные» хиггсы ненаблюдаемы (физики их называют «духами»), в то время как их четвертый собрат должен наблюдаться при энергиях, достаточных для его рождения. В общем, это именно те процессы, которые ухитрился предсказать Андерсон.

Неуловимая частица

Первые серьезные попытки отловить бозон Хиггса были предприняты на рубеже ХХ и ХХI веков на Большом электронно-позитронном коллайдере (Large Electron-Positron Collider , LEP) в ЦЕРНе. Эти эксперименты стали воистину лебединой песней замечательной установки, на которой с беспрецедентной точностью были определены массы и времена жизни тяжелых векторных бозонов.

Стандартная модель позволяет предсказать каналы рождений и распадов хиггсовского бозона, но не дает возможности вычислить его массу (которая, к слову, возникает из его способности к самодействию). По самым общим оценкам, она не должна быть меньше 8–10 ГэВ и больше 1000 ГэВ. К началу сеансов на LEP большинство физиков полагало, что скорее всего диапазон составляет 100–250 ГэВ. Эксперименты LEP подняли нижний порог до 114,4 ГэВ. Многие специалисты считали и считают, что если бы этот ускоритель проработал дольше и процентов на десять увеличил энергию сталкивающихся пучков (что было технически возможно), бозон Хиггса удалось бы зарегистрировать. Однако руководство ЦЕРН не захотело отсрочить запуск Большого адронного коллайдера, который предстояло соорудить в этом же туннеле, и в конце 2000 года LEP был закрыт.

Загон для бозона

Многочисленные эксперименты один за другим исключали возможные диапазоны масс бозона Хиггса. На ускорителе LEP был установлен нижний порог - 114,4 ГэВ. На «Тэватроне» исключили массы, превышающие 150 ГэВ. Позднее диапазоны масс были уточнены до интервала 115–135 ГэВ, а в ЦЕРН на Большом адронном коллайдере сдвинули верхнюю границу до 130 ГэВ. Так что бозон Хиггса Стандартной модели, если он существует, замкнут в довольно узкие границы масс.

Следующие циклы поисков проводили на «Тэватроне» (на детекторах CDF и DZero) и на БАК. Как рассказал «ПМ» Дмитрий Денисов, один из руководителей коллаборации DZero, «Тэватрон» начал набирать статистику по хиггсам в 2007 году: «Хоть энергии и хватало, трудностей было немало. Столкновение электронов и позитронов - самый «чистый» способ отловить хиггс, ведь эти частицы не обладают внутренней структурой. Например, при аннигиляции высокоэнергетичной электронно-позитронной пары рождается Z 0 -бозон, который излучает хиггс без всякого фона (правда, в этом случае возможны реакции и погрязнее). Мы же сталкивали протоны и антипротоны, рыхлые частицы, состоящие из кварков и глюонов. Так что главная задача - выделить рождение хиггса на фоне множества похожих реакций. Аналогичная проблема существует и у команд БАК».

Следы невиданных зверей

Существует четыре основных способа (как говорят физики, канала) рождения бозона Хиггса.

Основной канал - это слияние глюонов (gg) при столкновении протонов и антипротонов, которые взаимодействуют посредством петель тяжелых топ-кварков.
Второй канал - это слияние виртуальных векторных бозонов WW или ZZ (WZ), излучаемых и поглощаемых кварками.
Третий канал рождения бозона Хиггса - это так называемое ассоциативное рождение (совместно с W- или Z-бозоном). Этот процесс иногда называют Higgsstrahlung (по аналогии с немецким термином bremsstrahlung - тормозное излучение).
И наконец, четвертый - слияние топ-кварка и антикварка (ассоциативное рождение совместно с топ-кварками, tt) из двух топ-кварк-антикварковых пар, порожденных глюонами.

«В декабре 2011 года с БАК пришли новые сообщения, - продолжает Дмитрий Денисов. - Там искали распады хиггса либо на top -кварк и его антикварк, которые аннигилируют и превращаются в пару гамма-квантов, либо на два Z 0 -бозона, каждый из которых распадается на электрон и позитрон или мюон и антимюон. Полученные данные позволяют предположить, что бозон Хиггса тянет примерно на 124–126 ГэВ, но для окончательных выводов этого недостаточно. Сейчас и наши коллаборации, и физики в ЦЕРН продолжают анализировать результаты экспериментов. Не исключено, что мы и они скоро придем к новым выводам, которые 4 марта будут представлены на международной конференции в Итальянских Альпах, и я предчувствую, что скучать там не придется».

Бозон Хиггса и конец света

Итак, в этом году можно ожидать либо открытия бозона Хиггса Стандартной модели, либо его, так сказать, аннулирования. Разумеется, второй вариант создаст потребность в новых физических моделях, но это же может произойти и в первом случае! Во всяком случае так считает один из самых авторитетных специалистов в этой области, профессор лондонского Королевского колледжа Джон Эллис. По его мнению, открытие «легкого» (не массивней 130 ГэВ) бозона Хиггса создаст неприятную проблему для космологии. Оно будет означать, что наша Вселенная нестабильна и когда-нибудь (возможно, даже в любой момент) перейдет в новое состояние с меньшей энергией. Тогда случится конец света - в самом полном значении этого слова. Остается надеяться, что либо бозон Хиггса не найдут, либо Эллис ошибается, либо Мироздание малость повременит с самоубийством.