Частинки лептони: відкриття, особливості та взаємодії

Бурхливі події відбуваються зараз у фізиці елементарних частинок. Фраза може здатися банальною – людина, яка постійно читає популярні журнали, вже звикла до того, що в науці завжди відбуваються бурхливі події. В принципі все вірно: число людей, що займаються наукою взагалі і фізикою елементарних частинок зокрема, весь час зростає, постійно будуються нові, все більш потужні прискорювачі; безперервно вдосконалюється експериментальна техніка. Систематичні зусилля багатьох тисяч серйозних людей не можуть залишитися без результату, і кожен рік додає щось нове до наших знань про фундаментальну структуру матерії. У розвитку будь-якої науки, однак, бувають періоди, коли підспудне накопичення фактів, часом непомітне для неспеціалістів, призводить раптом до якісного стрибка в нашому розумінні природи. У фізиці таких подій було кілька.

Найбільш яскравий і винятковий приклад – це, мабуть, створення квантової механіки. Набагато звичніше ситуація, коли нова теорія не вимагає докорінної ломки світогляду, а задовольняється більш скромною (але теж досить почесною) роллю. Виходячи з небагатьох основних постулатів, вона пояснює незрозумілі до того факти в деякій області явищ і робить передбачення, які потім (якщо теорія правильна) підтверджуються експериментом. Саме така теорія створюється зараз у фізиці елементарних частинок.

Ще не так давно фізиками володіла деяка зневіра. Наші відомості про частинки нагадували тоді купу цегли. Точніше, з цегли – окремих експериментальних фактів – на швидку руку були споруджені тимчасові невибагливі споруди; в них можна було працювати, але жити важкувато.

Сьогодні смуток зник без сліду. Будівельний майданчик мікрофізики має зараз зовсім інший вигляд. Можна сказати, що стіни будівлі майбутньої теорії вже побудовані. Належить ще звести дах, прорубати подекуди вікна, провести оздоблювальні роботи… Хочеться вірити, що головне вже зроблено.

Після такого початку читач має право чекати більш докладних роз’яснень, що, власне, сталося у фізиці частинок. На жаль, виразної відповіді на всі ці важливі і цікаві питання він тут не знайде. Неможливо в рамках однієї статті докладно розповісти про результат багаторічної роботи фізиків. Багато про що наш журнал вже писав, ще більше оповідань попереду.

Головна мета цієї статті інша – я хочу спробувати провести вас на будівельний майданчик мікрофізики і на прикладі одного з недавніх відкриттів продемонструвати сам механізм будівництва, показати, як матеріалізуються з туману непізнаного різні «цеглини» і після деякої прикидки укладаються на призначене для них в кладці місце.

Повинен чесно попередити – відкриття важкого лептона не належить до числа тих великих експериментів, які лягають в основу кладки і визначають подальший розвиток фізики на багато років вперед. Людей, які відкрили важкий лептон, можна порівняти з грибниками, які виявили під ялинками замість рижиків… новий автомобіль. Звичайно, треба віддати їм належне, — помітивши підозрілий блиск металу в глибині заростей, вони не списали його на обман зору, а розчистили до нього шлях і спільними зусиллями викотили на галявину. Автомобіль сфотографували, виміряли з усіх боків, відкрили капот і навіть почали розбиратися в механізмі. Але їздити на ньому поки ніхто не вміє!

Пора, однак, закінчити цю ліричну частину і піти назустріч тому читачеві, який втомився вже від розгорнутих порівнянь і хоче з’ясувати толком, що, по суті, цей автомобіль (він же цегла) собою являє. І знову йому доведеться набратися терпіння і витримати ще один, тепер…

Фізичний вступ

У словах «важкий лептон» міститься певний лінгвістичний парадокс. «Лептос» в перекладі з грецької означає «легкий», а назва «лептони» була придумана для сімейства легких частинок, за аналогією з такими словами, як «електрон» — частинка електрики, «протон» — первинна, основна частинка, «баріон» — важка частинка і т. д. В одному слові неможна висловити все, і назви давалися під враженням найбільш яскравих, найбільш характерних, на думку фізиків того часу, властивостей частинок.

Дійсно, спочатку було відомо всього два лептона – електрон і нейтрино. Маса нейтрино – взагалі нуль, а маса електрона на два порядки менше маси всіх інших відомих частинок. Потім було відкрито ще два лептони – мюон з масою 106 Мев, що в 207 разів більше маси електрона (але все ж менше маси інших частинок) і ще одне безмасове «мюонне» нейтрино.

Але задовго до відкриття важкого лептона, про який мова піде далі, стало ясно, що легкість лептонів — властивість чисто зовнішня, така, що не відображає суті явища.

Тоді яку ж властивість лептонів слід вважати головною, що визначає їх характер і поведінку? Безумовно, їх категоричне небажання брати участь в сильній взаємодії. Свою назву ця взаємодія виправдовує тим, що вона сильніше трьох інших, відомих на сьогодні, принаймні, в тисячу разів. Це вона скріплює кварки в адронах, нуклони в ядрах, запалює Сонце і зірки…

Той факт, що лептони не беруть участі в сильних взаємодіях, мабуть, найбільш яскраво проявився в історії відкриття мюона.

На початку тридцятих років минулого ХХ століття японський фізик Юкава запропонував першу в історії теорію сильної взаємодії. Зробив він це за аналогією з вже наявною на той час теорією електромагнітної взаємодії, згідно з якою заряджені частинки взаємодіють одна з одною, обмінюючись віртуальними фотонами. За теорією Юкави ядерні частинки взаємодіють між собою, теж обмінюючись якимись частинками, які він назвав мезонами (я прошу вибачити за незрозумілі слова, але докладні пояснення відвели б нас занадто далеко в сторону). Мезони тоді ще не були відкриті, але за теоретичними оцінками їх маса повинна була лежати в районі 100-200 Мев.

Яка ж була радість фізиків, коли в 1936 році в космічних променях, відкрили частинку з масою 106 Мев. Незабаром, однак, стало ясно, що це не та частинка, яку чекали. Вона не відчувала сильних взаємодій і вільно проходила через товсті шари речовини, гальмуючись лише за рахунок електромагнітної взаємодії з оболонкою атомів.

Нова частинка – мюон – була лептоном, повністю тотожним електрону з одним-єдиним винятком. Вона важче електрона в 207 разів. (Справжня частинка Юкави – переносник сильної взаємодії л-мезон – була відкрита значно пізніше.)

Відкриття мюона чимало спантеличило фізиків. Він ніяк не вписувався в сформовану на той час картину світу; було абсолютно незрозуміло, кому і навіщо він потрібен. Не дуже зрозуміло це і досі.

Перш ніж почати розмову про недавні відкриття, згадаємо ще про одну властивість лептонів — закон збереження лептонного числа.

Про нього можна було б і не говорити – з безлічі законів збереження, відомих у фізиці, це один з найбільш нецікавих. Деякі закони збереження, наприклад, енергії та імпульсу – пов’язані з глобальними симетріями простору і часу (наприклад, закон збереження імпульсу пов’язаний з однорідністю простору, тобто з тим, що закони природи у всіх точках простору одні й ті ж).

Закон збереження лептонного числа не пов’язаний ні з якою з відомих симетрій і носить скоріше характер рецепту. Про нього, однак, доведеться розповісти, інакше не можна буде зрозуміти, як було зроблено відкриття важкого лептона.

Забудемо поки про мюон. Уявімо, що є всього 4 лептона: електрон, електронне нейтрино і їх античастинки — позитрон і електронне антинейтрино. Закон збереження лептонного числа свідчить, що при взаємодії частинок лептони можуть зникати і з’являтися, але лептонне число L = число лептонів мінус число антилептонів має при цьому зберігатися.

Мюони сильно ускладнюють справу. Як і електронне сімейство, мюонне теж складається з чотирьох членів: сам мюон, мюонне нейтрино і їх двійники з «Задзеркалля» — анти-мюон та мюонне антинейтрино. (Мюон і електронне нейтрино – це дві різні частинки.) Так ось, складність в тому, що є не одне лептоне число, а як мінімум два — електронне і мюоне, які повинні зберігатися у всіх реакціях незалежно, кожне окремо. Це правило непорушно дотримувалося у всіх відомих процесах за участю лептонів. Але тільки до пори до часу.

Так що ж під ялинками?

І ось прийшло повідомлення про відкриття нового явища. Досліджувалися зіткнення електронів і позитронів високої енергії. Добре був відомий раніше ряд процесів, що протікають в повній відповідності з законом збереження лептонних чисел і тому не викликали у фізиків ні тіні здивування.

Але ось виявилося, що, починаючи з енергії 2 Гев, зіткнення електронів і позитронів призводять до досить дивного результату. На «виході» реакції прилади реєстрували частинки, поява яких явно суперечила закону збереження лептонних чисел. У світлі цього закону такі процеси були просто неможливі.

Я не буду випробовувати ваше терпіння, детально розповідаючи про те, як перевірялися і відкидалися різні гіпотези, висунуті для пояснення цього ефекту. Було висловлено підозру, що в реакціях замішана якась (або якісь) невідома частка, яку слід брати до уваги при підрахунку лептонних чисел. Минуло близько півтора років напруженої роботи, поки не стало остаточно ясно, що відкрито… відразу дві нові елементарні частинки! Одна з них – давно обіцяний мною важкий лептон. Тау-лептон (так запропонували його назвати першовідкривачі) виявився дійсно важким. Він важить приблизно 1780 Мев, що майже в два рази перевершує масу протона. І поряд з тау-лептоном існує ще одне (!) нейтральне безмасове тау-нейтрино – вже третє за рахунком, відмінне від вже відомих електронного і мюонного.

Така розгадка дивного явища, відкритого на прискорювачі. Викладену тут картину ні в якому разі не слід сприймати як умоглядну гіпотетичну побудову. Процеси зазначеного типу розраховуються точно і до кінця. Лише після ретельних вимірювань і порівняння з прогнозами теорії був зроблений висновок, що все відбувається саме так, як тут розказано.

Ми бачимо, що відомі на сьогоднішній день лептони розпадаються на три окремих незалежних сімейства (е, у_е), (u, v_u) (t, v_t). У всіх реакціях повинен тепер виконуватися закон збереження і тау-лептонного числа.

Я вже говорив, що нікому не зрозуміло, навіщо потрібен мюон. Логічно припустити, що тим більше незрозуміло, навіщо потрібен тау-лептон. І, як не дивно, це буде невірно. Нові «цеглинки» – тау-лептон і тау-нейтрино – дуже точно лягли на таке, що раніше пустувало в кладці нової теорії місце.

Справа в тому, що, крім лептонів, в мікросвіті існують, як відомо, кварки. Кварки відрізняються від лептонів тим, що сильно взаємодіють один з одним, групуючись в адрони. В даний час відомо вже п’ять кварків: нейтронний n, дивний s і чарівний b з зарядами — 1/3, а також протонний p і зачарований c з зарядами + 2/3. Не відкритий, але ніхто не сумнівається, що існує і шостий кварк з зарядом +2/3, імені для якого ще немає. Як і лептони, кварки групуються в сімейства: (pn), (сѕ), а шостий кварк — це відсутня поки пара до недавно відкритого в-кварку. Сумарний заряд кварків дорівнює +3.

Лептонів з урахуванням сімейства тау стало шість штук: електрон, мюон і тау з зарядом — 1 і три сорти нейтральних нейтрино (зараз ми говоримо лише про частинки, а не їх антиподи — шість антилептонів і шість антикварків). Сумарний заряд лептонів дорівнює —3.

Разом, повний сумарний заряд кварків і лептонів дорівнює нулю. Є серйозні підстави думати, що це не випадково. Існуюча теорія слабких і електромагнітних взаємодій приводила б до дурниць, так званих «аномалій», якби заряди кварків і лептонів не компенсувалися.

На сьогоднішній день, правда, абсолютно незрозуміло, чому кварків і лептонів так багато — теоретикам цілком би вистачило двох лептонів і двох кварків. Але число кварків і лептонів пов’язано один з одним — з існування сімейства тау випливає існування п’ятого і шостого кварків, і навпаки.

Естетичному почуттю людини завжди лестила гармонія в справах Природи, краса симетрії в її творіннях. Може бути, тому фізики з великим задоволенням відзначають якусь гармонію, яка відкрилася в мікросвіті з виходом на нові рубежі просторово-часових і енергетичних масштабів. Радує (і не тільки око) симетрія між сімействами кварків і лептонів — частинок, що представляють собою зараз основні структурні одиниці матерії. Я навмисно не називаю їх елементарними в справжньому сенсі цього слова, пам’ятаючи уроки історії науки, коли здавалося, що протон і нейтрон — це, що називається, останні «поверхи» мікросвіту. Кварки і лептони представляються зараз точковими, неподільними, хоча з часом і у них може виявитися внутрішня структура.

Поки ж можна констатувати початок нового етапу в дослідженні мікросвіту. Центр ваги переміщається в бік нової області – фізики кварків і лептонів, об’єктів одного рівня організації матерії, властивості яких у великій мірі визначають все різноманіття явищ мікросвіту.

Незакінчений висновок

Давайте поглянемо на таблицю елементарних частинок, як вона виглядає зараз.

Раніше можна було зустріти зовсім інші таблиці. Там не було ні кварків, ні глюонів, ні проміжних бозонів, зате були протон і нейтрон, ета-мезон, ксі – із зірочкою, мінус-гіперон і ще кілька сот різних частинок. Всі вони відсутні в нашій таблиці, оскільки ці частинки тепер вже ніяк не можна вважати елементарними. Насправді це складні складові об’єкти, зроблені з кварків і глюонів.

Ні кварки, ні глюони не можна спостерігати безпосередньо — вони «не вилітають». Є тільки непрямі свідчення на користь їх існування.

Що стосується кварків, то таких свідчень дуже багато, вони прекрасно узгоджуються і доповнюють один одного, так що реальність кварків практично безсумнівна. Питання про існування глюонів на сьогоднішній день ще не так ясне – це відзначено відповідним знаком в таблиці.

Знаком питання також відзначені проміжні бозони і бозон Хіггса — гіпотетичні агенти слабкої взаємодії. Є красива і струнка теорія – так звана модель Вайнберга-Салама — що пророкує їх існування. Крім краси і стрункості, ця теорія володіє також тою перевагою, що вона правильно описує експеримент всюди, де порівняння теорії і експерименту вдалося провести. Але вирішальний експеримент – зі спостереження ще попереду.

У таблиці немає гравітону – ймовірно існуючого кванта гравітаційного поля, який іноді можна зустріти в таблицях елементарних частинок. Справа в тому, що більш-менш задовільні теорії сильної, електромагнітної та слабкої взаємодії вже побудовані (зауважимо, що раніше сказати так було не можна). Ці теорії і є свіжозбудовані стіни тієї будівлі, про яку говорилося на початку. У той же час квантова теорія гравітації поки не створена, а про експерименти на цю тему зараз і думати нічого.

Щоб не закінчувати статтю настільки песимістично, спробуємо заглянути в майбутнє. Громадська думка вчених схиляється до того, що майбутня теорія елементарних частинок стане єдиною квантовою теорією поля. Якщо це так, то всі відомі сьогодні види взаємодій (включаючи гравітаційну) суть не що інше, як різні форми прояву глобальної «надвзаємодії».

Об’єднання декількох видів взаємодії в єдине ціле на основі більш загальної теорії – не новина для фізики. Електромагнітна теорія Максвелла, наприклад, показала, що такі на перший погляд різні явища, як електрика, магнетизм і світло, мають одну і ту ж природу. Одна зі стін майбутньої будівлі – теорія Вайнберга-Салама – це єдина теорія слабкої і електромагнітної взаємодії.

У майбутній теорії не повинно залишитися місця для здивованих питань типу «навіщо потрібен тау-лептон?» або «чому сильна взаємодія така сильна, а слабка – така слабка?». Ця теорія повинна відповісти на всі питання, так що ми зможемо, нарешті, сказати, що дійсно знаємо, як влаштований наш світ.

На питання про те, чому ж така чудова теорія досі не створена, можна відповісти двояко.

По-перше, формулювання такої теорії – справа, м’яко кажучи, непроста. Дивлячись на тремтіння наелектризованих гребінцем смужок паперу і, з іншого боку, на тремтіння залізної тирси на листку паперу між полюсами підковоподібного магніту, нелегко було вгадати вид рівнянь Максвелла. Незмірно важче, переводячи погляд з однієї частини таблиці на іншу, зрозуміти, який єдиний закон забезпечує все розмаїття властивостей елементарних частинок.

По-друге, ця теорія, якщо вона буде створена, виявиться на порядок складніше існуючих. Перед фізиками стоять важкі математичні проблеми, і може пройти не один десяток років між формулюванням основ теорії і моментом, коли стане можливим порівняти передбачення теорії з експериментом.

Проте, завдання побудови такої теорії стоїть на порядку денному. Висловлені вже конкретні ідеї про те, як повинна виглядати майбутня теорія. Ідеї ці дуже красиві, і може бути, їх краса не виявиться пустоцвітом.

Автор: А. Смолін.