Де чекати відкриттів у фізиці
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
За останні роки було зроблено так багато відкриттів у фізиці елементарних частинок, що деякий антракт, або якщо хочете, «кавова перерва», був просто необхідний. Треба було прийти в себе, осмислити все, що зроблено, і дещо відвикнути від феєрверку несподіванок, що вже почали втрачати свою красу і гостроту — так їх було багато.
Судіть самі: виявлені цілі класи нових частинок — «зачарованих» і «красивих», відкриті нейтральні струми, знайдений важкий лептон, можливо, виявлена у нейтрино маса, утвердилися теорії електрослабкої та сильної взаємодій — буквально водоспад фундаментальних результатів і цілий букет Нобелівських премій як свідчення міжнародного визнання — Тингу, Ріхтером, Глэшоу, Вайнбергом, Салам.
Наче фізикам вдалося зламати чергові двері в нескінченних коморах природи, і вони зайнялися витягуванням знайдених там скарбів на загальний огляд. Звичайно, впоратися з «дверима» було зовсім не просто, і роль відмичок з успіхом зіграли нові прискорювачі частинок, що як раз увійшли в лад за цей період.
Якщо продовжити порівняння, то виходить, що кожні наступні двері в коморах набагато міцніше попередніх і потрібна вже не відмичка, а таран, причому все більш і більш потужний. Що роблять прискорювачі, більш-менш зрозуміло всім, тому що прилад цей багато разів описаний на сторінках всіх наукових і популярних видань: заряджені елементарні частинки, найчастіше протони, прискорюються в них до колосальних енергій — мільярди і тисячі мільярдів електрон вольт. Потім вони направляються на мішені, якими служать ядра різних елементів або інші елементарні частинки. Вивчаючи результати зіткнень, фізики роблять висновок про те, як частинки взаємодіють, про їх внутрішній устрій, а в кінцевому рахунку — про будову матерії.
І поки експериментатори продовжували робити відкриття за відкриттям, одночасно в декількох країнах розроблялися проекти прискорювачів нового покоління. Всі ці проекти засновані на зіткненні зустрічних пучків частинок. Енергія, яка виділяється при нальоті частинки-снаряда на нерухому мішень, вже не влаштовує експериментаторів, і вони вирішили організовувати лобове зіткнення пучків. Називають ці нові прискорювачі колайдерами – від англійського, зіштовхувати.
Треба відзначити ще одну особливість цього покоління машин. Раніше, вирушаючи «в незнайомий ліс», фізики, образно висловлюючись, мало собі уявляли, що вони там відшукають: лосині роги, брусницю або проліски. Звичайно, ставилися певні завдання – досліджувати взаємодії певного сорту або вивчити конкретний процес при більш високій енергії. Але постановка «виявити таку-то частку з такою-то масою» не зустрічалася при підготовці експериментів в минулому. Тепер же основне завдання для колайдерів формулюється саме так: виявлення і вивчення властивостей проміжних бозонів. Звичайно, як говорив свого часу Великий комбінатор, повну впевненість може дати тільки страховий поліс, але в існуванні проміжних бозонів сьогодні впевнена більшість фізиків. Навіть припущення скептиків про те, що бозонів може і не бути, супроводжуються м’якими зауваженнями типу «малоймовірно» або «було б вельми дивно».
Так ось, проміжний бозон-переносник слабкої взаємодії, головна дійова особа теорії електрослабкої взаємодії Вайнберга-Салама. Теорія ця багаторазово підтверджувалася в експериментах, а головний герой до цієї пори не з’явився перед глядачами. Справа в тому, що у нього дуже велика маса — близько ста мільярдів електронвольт. Щоб він народився в зіткненні двох частинок, ті повинні нестися назустріч одна одній з енергіями, в кілька сотень мільярдів електронвольт — саме з цих міркувань і були обрані енергії пучків колайдерів. Звичайно, прискорювач-колайдер тільки дає можливість для народження проміжних бозонів, а як їх зареєструвати і отримати неспростовні докази того, що це саме вони, а не інші частинки — окрема задача. Експериментальні установки для цієї мети дуже складні і цікаві, але це — особлива розмова.
Отже, гонитва за проміжним бозоном – ось основна мета колайдерів. І не треба думати, що це надто вже велика честь: будувати «персональний» прискорювач для однієї частинки. Є й інші завдання у цього прискорювача.
Знову-таки виникла, розвивалася і утвердилася наука про сильну взаємодію — квантова хромодинаміка. Суть її в тому, що кварки взаємодіють за допомогою обміну глюонами. До сих пір на прискорювачах частинки розганялися до енергій, при яких, стикаючись, все ж взаємодіяли як цілі, хоча і складені з кварків та глюонів. А колосальні енергії колайдерів призводять до того, що зіткнення частинок буквально розвалює їх на частини, і відбувається взаємодія кварків та глюонів самих по собі. Вони, на жаль, не з’являються у вільному стані, але їх безпосередня взаємодія проявляється в специфічній формі — з’являються струмені частинок. Відбувається це так.
У протоні кварк з кварком взаємодіють таким чином, що поблизу один до одного їх тяжіння слабо, а при віддаленні зростає — немає можливості відірвати один від іншого, як ніби вони пов’язані міцною ниткою. Але якщо при зіткненні передати їм дуже велику енергію, вони починають віддалятися, і «натяг» взаємодії, що їх зв’язує, стає таким великим, що з надлишку енергії починають народжуватися частинки, що як би супроводжують почесним ескортом відлітаючий кварк,— в результаті від місця взаємодії розлітаються два струмені частинок. Перші вказівки на те, що такий процес існує, отримані вже на сучасних прискорювачах, але енергія розльоту ще недостатньо велика, «почесний ескорт» малуватий та й слабо виражений. На колайдерах струмені повинні бути «видні» набагато чіткіше. Вивчаючи їх характеристики, фізики ще більше просунуться в розумінні взаємодії кварків. Причому очікуються не тільки кваркові, а й глюоні струмені. Фізика струменів – другий сюжет, який повинен отримати бурхливий розвиток на колайдерах.
Третя мета колайдерів вивчення кентаврів. Фізики взагалі люблять цю міфологічну істоту і з задоволенням використовують її ім’я для назви найдивніших і незрозумілих об’єктів та явищ. Наприклад, кентаврами мікросвіту називали в деяких книжках самі елементарні частинки, маючи на увазі їх корпускулярно-хвильову подвійність. В даному випадку мова йде про дивні і незрозумілі події взаємодії частинок дуже високої енергії. Зареєстрували їх у космічних променях.
Прилетіла з космосу частинка з енергією сто тисяч мільярдів електронвольт, інакше сто Тев, десь в атмосфері стикалася з якимось ядром, а ось вторинні частинки, отримані в результаті зіткнення, експериментатори реєстрували на своїх установках. Це стандартна схема досліду в космічних променях. Через колосальну енергію зіткнення народжувалося близько сотні вторинних частинок, проте всі вони були зарядженими – жодної нейтральної! Але із загальних міркувань симетрії та з досвіду експериментів на прискорювачах випливає, що позитивних, негативних і нейтральних частинок має бути приблизно порівну — рівноправність. Це спостереження – не помилка експерименту, така подія не єдина, їх вже близько десятка.
Чому ж немає нейтральних частинок?
Може бути, при таких великих енергіях «включилася» нова, до сих пір не відома взаємодія? Цілком можливо, але чому це так непримиренно до нейтральних частинок? Поки, на жаль, не виникло жодної гіпотези, що заслуговує на увагу. А спробувати вивчити що-небудь більш ретельно в космічних променях – завдання нелегке. Там вже, як то кажуть, що прилетіло з небес, то і прилетіло. Інша річ – прискорювачі: самі розганяємо частинки до потрібної енергії, самі зіштовхуємо, самі і вивчаємо ті взаємодії, які хочемо. Саме взаємодії, тому що кентаври — це не просто екзотична подія в світі частинок, а швидше за все – прояв нової взаємодії, хоча хто знає…
Проміжні бозони, кваркові та глюонні струмені, кентаври — ось головні герої подій які повинні розвернутися на нових прискорювачах – колайдерах. Є, звичайно, і другорядні: може бути, вдасться знайти хігсівські бозони — частинки, відповідальні за виникнення маси у частинок, є і надія на появу шостого, «істинного» кварка і багато іншого. Але напевно в нових областях енергії з’явиться, як це не раз бувало, безліч зовсім несподіваних ефектів, про які сьогодні ніхто не може навіть мріяти. І справжніми героями фізики можуть стати саме вони.
Автор: А. Семенов.