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 ν_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, μ, 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:

μ^- → e^- + ν^-_e + ν_μ,

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

μ⁺ → e⁺ + ν_e + ν^-_μ,

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^- + ν^-_e.