Где ждать открытий в физике
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
За последние годы было сделано так много открытий в физике элементарных частиц, что некоторый антракт, или если хотите, «кофейный перерыв», был просто необходим. Надо было прийти в себя, осмыслить все, что сделано, и несколько отвыкнуть от фейерверка неожиданностей, уже начавших терять свою прелесть и остроту — так их было много.
Судите сами: обнаружены целые классы новых частиц — «очарованных» и «красивых», открыты нейтральные токи, найден тяжелый лептон, возможно, обнаружена масса у нейтрино, утвердились теории электрослабого и сильного взаимодействий — буквально водопад фундаментальных результатов и целый букет Нобелевских премий как свидетельство международного признания — Тингу, Рихтеру, Глэшоу, Вайнбергу, Саламу.
Как будто физикам удалось взломать очередную дверь в бесконечных кладовых природы, и они занялись вытаскиванием найденных там сокровищ на всеобщее обозрение. Конечно, справиться с «дверью» было совсем не просто, и роль отмычек с успехом сыграли новые ускорители частиц, как раз вошедшие в строй за этот период.
Если продолжить сравнение, то получается, что каждая следующая дверь в кладовых гораздо прочнее предыдущей и требуется уже не отмычка, а таран, причем все более и более мощный. Что делают ускорители, более или менее понятно всем, потому что прибор этот много раз описан на страницах всех научных и популярных изданий: заряженные элементарные частицы, чаще всего протоны, ускоряются в них до колоссальных энергий — миллиарды и тысячи миллиардов электрон вольт. Потом они направляются на мишени, которыми служат ядра различных элементов или другие элементарные частицы. Изучая результаты столкновений, физики делают вывод о том, как частицы взаимодействуют, об их внутреннем устройстве, а в конечном счете — о строении материи.
И пока экспериментаторы продолжали делать открытие за открытием, одновременно в нескольких странах разрабатывались проекты ускорителей нового поколения. Все эти проекты основаны на столкновении встречных пучков частиц. Энергия, которая выделяется при налете частицы-снаряда на неподвижную мишень, уже не устраивает экспериментаторов, и они решили организовывать лобовое столкновение пучков. Называют эти новые ускорители коллайдерами — от английского, сталкивать.
Надо отметить еще одну особенность этого поколения машин. Раньше, отправляясь «в незнакомый лес», физики, образно выражаясь, мало себе представляли, что они там отыщут: лосиные рога, бруснику или подснежники. Конечно, ставились определенные задачи — исследовать взаимодействия определенного сорта или изучить конкретный процесс при более высокой энергии. Но постановка «обнаружить такую-то частицу с такой-то массой» не встречалась при подготовке экспериментов в прошлом. Теперь же основная задача для коллайдеров формулируется именно так: обнаружение и изучение свойств промежуточных бозонов. Конечно, как говорил в свое время Великий Комбинатор, полную уверенность может дать только страховой полис, но в существовании промежуточных бозонов сегодня уверено большинство физиков. Даже предположения скептиков о том, что бозонов может и не быть, сопровождаются мягкими замечаниями типа «маловероятно» или «было бы весьма удивительно».
Так вот, промежуточный бозон — переносчик слабого взаимодействия, главное действующее лицо теории электрослабого взаимодействия Вайнберга — Салама. Теория эта многократно подтверждалась в экспериментах, а главный герой до сей поры не появился перед зрителями. Дело в том, что у него очень большая масса — около ста миллиардов электронвольт. Чтобы он родился в столкновении двух частиц, те должны нестись навстречу друг другу с энергиями, в несколько сотен миллиардов электронвольт — именно из этих соображений и были выбраны энергии пучков коллайдеров. Конечно, ускоритель-коллайдер только дает возможность для рождения промежуточных бозонов, а как их зарегистрировать и получить неопровержимые доказательства того, что это именно они, а не другие частицы — отдельная задача. Экспериментальные установки для этой цели очень сложны и интересны, но это — особый разговор.
Итак, погоня за промежуточным бозоном — вот основная цель коллайдеров. И не надо думать, что это слишком уж большая честь: строить «персональный» ускоритель для одной частицы. Есть и другие задачи у этого ускорителя.
Опять-таки возникла, развивалась и утвердилась наука о сильном взаимодействии — квантовая хромодинамика. Суть ее в том, что кварки взаимодействуют посредством обмена глюонами. До сих пор на ускорителях частицы разгонялись до энергий, при которых, сталкиваясь, все же взаимодействовали как целые, хотя и состоящие из кварков и глюонов. А колоссальные энергии коллайдеров приводят к тому, что столкновение частиц буквально разваливает их на части, и происходит взаимодействие кварков и глюонов самих по себе. Они, к сожалению, не появляются в свободном состоянии, но их непосредственное взаимодействие проявляется в специфической форме — появляются струи частиц. Происходит это так.
В протоне кварк с кварком взаимодействуют таким образом, что вблизи друг к другу их притяжение слабо, а при удалении возрастает — нет возможности оторвать один от другого, как будто они связаны прочной нитью. Но если при столкновении передать им очень большую энергию, они начинают удаляться, и «натяжение» взаимодействия, их связывающего, становится так велико, что из избытка энергии начинают рождаться частицы, как бы сопровождающие почетным эскортом улетающий кварк,— в результате от места взаимодействия разлетаются две струи частиц. Первые указания на то, что такой процесс существует, получены уже на современных ускорителях, но энергия разлета еще недостаточно велика, «почетный эскорт» маловат да и слабо выражен. На коллайдерах струи должны быть «видны» гораздо четче. Изучая их характеристики, физики еще дальше продвинутся в понимании взаимодействия кварков. Причем ожидаются не только кварковые, но и глюонные струи. Физика струй — второй сюжет, который должен получить бурное развитие на коллайдерах.
Третья цель коллайдеров изучение кентавров. Физики вообще любят это мифологическое существо и с удовольствием используют его имя для названия самых странных и непонятных объектов и явлений. Например, кентаврами микромира называли в некоторых книжках сами элементарные частицы, имея в виду их корпускулярно-волновую двойственность. В данном случае речь идет о странных и непонятных событиях взаимодействия частиц очень высокой энергии. Зарегистрировали их в космических лучах.
Прилетела из космоса частичка с энергией сто тысяч миллиардов электронвольт, иначе сто ТэВ, где-то в атмосфере сталкивалась с каким-то ядром, а вот вторичные частицы, получившиеся в результате столкновения, экспериментаторы регистрировали на своих установках. Это стандартная схема опыта в космических лучах. Из-за колоссальной энергии столкновения рождалось около сотни вторичных частиц, однако все они были заряженными — ни одной нейтральной! Но из общих соображений симметрии и из опыта экспериментов на ускорителях следует, что положительных, отрицательных и нейтральных частиц должно быть примерно поровну — равноправие. Это наблюдение — не ошибка эксперимента, такое событие не единственное, их уже около десятка.
Почему же нет нейтральных частиц?
Может быть, при таких больших энергиях «включилось» новое, до сих пор не известное взаимодействие? Вполне возможно, но почему оно так непримиримо к нейтральным частицам? Пока, увы, не возникло ни одной гипотезы, заслуживающей внимания. А попытаться изучить что-нибудь более тщательно в космических лучах — задача нелегкая. Там уж, как говорится, что прилетело с небес, то и прилетело. Иное дело — ускорители: сами разгоняем частицы до нужной энергии, сами сталкиваем, сами и изучаем те взаимодействия, которые хотим. Именно взаимодействия, потому что кентавры — это не просто экзотическое событие в мире частиц, а скорее всего — проявление нового взаимодействия, хотя кто знает…
Промежуточные бозоны, кварковые и глюонные струи, кентавры — вот главные герои событий которые должны развернуться на новых ускорителях-коллайдерах. Есть, конечно, и второстепенные: может быть, удастся найти хиггсовские бозоны — частицы, ответственные за возникновение массы у частиц, есть и надежда на появление шестого, «истинного» кварка и многое другое. Но наверняка в новых областях энергии появится, как это не раз бывало, множество совсем неожиданных эффектов, о которых сегодня никто не может даже мечтать. И истинными героями физики могут стать именно они.
Автор: А. Семенов.