Текст книги "Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира"

Нейтрино

Итак, кроме трех фермионов (протона, нейтрона и электрона) у нас появились еще три (антипротон, антинейтрон, позитрон), то есть всего шесть частиц. Пока еще не густо. И остались загадки. Например, когда распадаются нейтроны, они превращаются в протоны и испускают электроны. Тщательное изучение процесса показало, что при таком распаде вроде бы нарушается закон сохранения энергии – полная энергия протона и электрона всегда оказывалась немного меньше, чем у их родителя нейтрона.

Решение этой задачи нашел в 1930 году Вольфганг Паули. Он предположил, что лишнюю энергию уносит крошечная нейтральная частица, обнаружить которую весьма трудно. Он назвал свою гипотетическую частицу «нейтроном» – это произошло еще до того, как это имя присвоили тяжелой нейтральной частице, входящей в состав атомного ядра. Позже Энрико Ферми предложил назвать частицу Паули «нейтрино», что в переводе с итальянского означает «нечто маленькое и нейтральное».

Распад нейтрона на протон, электрон и антинейтрино

На самом деле, как мы сейчас знаем, при распаде нейтрона испускается не нейтрино, а антинейтрино, но в принципе Паули был абсолютно прав. Надо сказать, что тогда он был слегка смущен, ведь ему пришлось ввести в научный обиход частицу, которую, как всем казалось, обнаружить нельзя. Зато сейчас все изменилось, и физика нейтрино стала неотъемлемой частью физики элементарных частиц.

И после введения нейтрино с механизмом распада нейтронов не все еще было ясно. Когда частицы взаимодействуют друг с другом, предполагается, что на них действует некая сила, однако распад нейтрона не мог быть вызван ни силами гравитации, ни электромагнитными, ни ядерными силами. И тогда физики приписали распад нейтрона некому «слабому ядерному взаимодействию»: эта сила, очевидно, имела какое-то отношение к нуклонам, но в то же время не была той силой, что удерживает нуклоны вместе и называется «сильным ядерным взаимодействием».

Существование нейтрино установило некоторую симметрию между элементарными частицами. Были две легкие частицы, электрон и нейтрино, которые в конечном итоге окрестили «лептонами» – от древнегреческого слова λεπτόζ (лептос), «малый». И было две тяжелые частицы, протон и нейтрон, которые немного позже назвали «адронами» – от древнегреческого αδρόζ (адрос), «массивный». Адроны подвержены сильному ядерному взаимодействию, в то время как лептоны его не чувствуют. В каждой двойке имеется одна заряженная частица и одна нейтральная. И если вы решите, что это все, что ими исчерпываются основные строительные блоки материи, вас можно понять.

Поколения лептонов

Но в 1936 году появился – как с неба упал – неожиданный гость по имени мюон. Карл Андерсон, первооткрыватель позитрона, и Сет Неддермайер опять принялись исследовать космические лучи – частицы, которые попадают в атмосферу Земли из космоса, и обнаружили новую отрицательно заряженную, как и электрон, частицу, но тяжелее электрона, однако легче, чем мог бы быть антипротон. Ее назвали «мюмезон», но вскоре поняли, что это совсем не мезон, то есть бозон, составленный из кварка и антикварка), и название укоротили до «мюона». В 1930-е годы в лаборатории Калтеха, где работал Карл Андерсон, было обнаружено не менее половины из известных сегодня элементарных частиц. Кто знает, а вдруг спустя одно или два десятилетия половина из открытых к тому времени элементарных частиц будет найдена на БАКе…

Итак, мюон стал настоящим сюрпризом. У физиков уже имелся электрон, зачем им был нужен его более тяжелый кузен? Эту озадаченность физического сообщества лучше всего передает знаменитая острота выдающегося физика, лауреата Нобелевской премии Исидора Айзека Раби по поводу открытия мюона: «Ну и кто его заказал?». Наверняка нечто подобное мы услышим, и не раз, если в экспериментах на БАКе откроется что-то совершенно неожиданное, и теоретикам придется пересматривать свои устоявшиеся модели.

И это было только началом. В 1962 году экспериментаторы Леон Ледерман, Мелвин Шварц и Джек Штейнбергер показали, что в действительности существует два различных вида нейтрино. Есть «электронные нейтрино», которые взаимодействуют с электронами и часто образуются одновременно с ними, но еще есть и «мюонные нейтрино», образующиеся одновременно с мюонами. Когда распадается нейтрон, он испускает электрон, протон и электронное антинейтрино, а когда распадается мюон, он испускает электрон, электронное антинейтрино, но кроме них еще и мюонное нейтрино.

Три поколения лептонов Стандартной модели.

Большие кружки указывают на большие массы.

Затем история повторилась. В 1970-х годах была обнаружена тау-частица (тау-лептон), отрицательно заряженная, как и электрон, но тяжелая – даже тяжелее мюона. Эти три частицы оказались очень похожими – практически кузенами, отличаясь только массами. В частности, все они ощущают действие слабых и электромагнитных сил, но не чувствуют сильное взаимодействие. И тау-частица тоже имеет свое собственное нейтрино, существование которого предполагалось, но до 2000 года поймать его не смогли.

Итак, мы уже знаем по крайней мере шесть лептонов, которые образуют три «семейства» или, как их называют, «поколения»: электрон и его нейтрино, мюон и его нейтрино и тау-частица и ее нейтрино. Совершенно естественно задаться вопросом, не обнаружится ли за ними еще четвертое, пятое и так далее поколения. Сейчас есть некоторые доказательства того, что этими тремя поколениями все лептоны исчерпываются. Известные нейтрино имеют очень малую массу – они, безусловно, намного легче электрона. Теперь понятно, как искать новые легкие частицы, тщательно анализируя распады более тяжелых частиц. Ученые посчитали, сколько видов нейтриноподобных частиц должно существовать, чтобы объяснить эти распады, и получили, что их должно быть три. Конечно, нельзя быть до конца уверенным, что где-то еще не скрываются и другие похожие частицы, допустим, с аномально большими массами, но скорее всего физики нашли все возможные нейтрино (и следовательно, число поколений лептонов исчерпывается тремя).

Кварки и адроны

Меж тем и адронная физика не стояла на месте. Появление ускорителей частиц в середине XX века привело к буму элементарных частиц. Были открыты пионы, каоны, эта-мезоны, ро-мезоны, гипероны и многие другие частицы. Уиллис Лэмб, произнося свою Нобелевскую лекцию в 1955 году, пошутил: «Раньше за открытие новой элементарной частицы обычно награждали Нобелевской премией, а теперь за это следует штрафовать на 10 000 долларов».

Все эти новые частицы были адронами, и, в отличие от лептонов, сильно взаимодействовали с нейтронами и протонами. Вскоре физики начали подозревать, что эти «понаехавшие» адроны вообще не очень «элементарные» частицы и в их основе лежит некая более глубокая базовая структура.

Загадка была разгадана в 1964 году Мюрреем Гелл-Манном и Джорджем Цвейгом, независимо друг от друга предположившими, что адроны состоят из более мелких частиц, названных кварками. Как и лептонов, кварков шесть типов, или, как принято говорить, шесть ароматов: верхний (up), нижний (down), очарованный (charm), странный (strange), истинный (top, truth) и прелестный (beauty, bottom). Верхние, очарованные и истинные кварки имеют электрический заряд +2/3, в то время как нижние, странные и прелестные кварки имеют заряд −1/3. Иногда их разбивают на две группы: кварки «верхнего типа» и «нижнего типа» соответственно.

Три поколения кварков Стандартной модели.

Более крупные частицы представлены более крупными кружками.

В отличие от лептонов каждый аромат кварков в действительности представляет собой не одну частицу, а триплет частиц. Три вида каждого кварка различают, приписав каждому виду определенный цвет: красный, зеленый и синий. Названия забавные, но никакого отношения к реальности они не имеют – на самом деле увидеть кварки невозможно, но если бы вам все-таки удалось это сделать, вы убедились бы, что они точно не раскрашены в разные цвета.

Кварки нельзя наблюдать по отдельности, а это значит, что они существуют только в некоторых комбинациях внутри адронов (явление конфайнмента), причем эти комбинации всегда «бесцветные». Протоны и нейтроны состоят из трех кварков. Протон – из двух верхних и одного нижнего, а нейтрон – из двух нижних и одного верхнего. Один из этих кварков будет красным, один – зеленым, и один – синим, а вместе они дают белый цвет, который считается бесцветным в принятой терминологии. Позже мы увидим, что внутри нуклонов появляются и исчезают «виртуальные» пары кварк-антикварк, но они возникают в виде комбинаций «кварк определенного цвета – антикварк противоположного цвета», так что общая «белизна» не нарушается.

Глядя на изображения лептонов и кварков, нельзя не заметить некоторые закономерности. В обоих случаях у нас есть шесть типов частиц. И эти шесть типов в точности разбиваются на три пары, по две частицы в каждой, причем в каждой паре электрический заряд отличается от заряда соседней пары на единицу. Можно ли найти более глубокое объяснение такой закономерности? Можно, по крайней мере отчасти. Две частицы в каждой паре – например, электрон и его нейтрино – были бы совершенно идентичными, если бы не вездесущее поле Хиггса, заполнившее пустое пространство. Такая закономерность – демонстрация роли поля Хиггса в качестве нарушителя симметрий, и в следующих главах этой книги мы эту роль рассмотрим более внимательно.

«Неправильная» сила

Все объекты вокруг нас обладают размером и формой, и этим они обязаны фермионам Стандартной модели. А вот взаимодействовать этим фермионам друг с другом позволяют именно силы и связанные с ними частицы – бозоны. Фермионы могут притягивать или отталкивать друг друга, перебрасываясь бозонами. Также они могут терять энергию или распадаться на другие фермионы, выплевывая какие-то бозоны. Без бозонов фермионы просто летели бы вечно каждый по своей прямой, не взаимодействуя ни с чем остальным во Вселенной. И причина, по которой Вселенная стала столь сложной и интересной, в том, что все эти силы разные, и они толкают и тянут фермионы дополняющими друг друга способами.

Бозоны в Стандартной модели. (В этой книге мы включили и гравитоны в Стандартную модель, хотя это не всегда делается.)

Все эти бозоны электрически нейтральны, за исключением W-бозонов, и имеют нулевую массу, за исключением W– и Z-бозонов и бозона Хиггса.

Физики часто говорят, что существуют четыре силы природы, при этом они не включают в расчет поле Хиггса, и не только потому, что потребовалось много времени, чтобы его обнаружить. Бозон Хиггса отличается от других бозонов. У других бозонов – так называемых «калибровочных бозонов» – существует глубинная связь с основными симметриями природы, и об этом мы поговорим в главе 8. Гравитон, правда, тоже немного отличается от них. Каждая элементарная частица имеет определенный внутренний «спин». Фотон, глюоны и W– и Z-бозоны имеют спин, равный единице, в то время как спин гравитона равен двум. (См. Приложение 1, где о спине рассказано более детально.) Мы еще не знаем, как на гравитацию распространить требования квантовой механики, но, видимо, гравитон все же правильнее будет назвать калибровочным бозоном.

А вот бозон Хиггса совершенно иной. Его мы называем «скалярным» бозоном, а это значит, что он имеет нулевой спин. В отличие от калибровочных бозонов бозон Хиггса не навязан нам симметрией или любым другим глубоким принципом природы. Мир без поля Хиггса выглядел бы совсем иначе, но при этом прекрасно описывался бы непротиворечивой физической теорией. При всей его важности бозон Хиггса выглядит инородной заплаткой на красивой математической структуре Стандартной модели. Тем не менее это бозон, и, следовательно, другие частицы могут им перекидываться, а значит, возникает сила природы.

Бозон Хиггса является колебанием поля Хиггса, а поле Хиггса дало массу всем массивным элементарным частицам. Так что бозон Хиггса взаимодействует со всеми массивными частицами из нашего «зоопарка» – кварками, заряженными лептонами, а также W– и Z-бозонами. (Вопрос о массах нейтрино до сих пор полностью не закрыт, так что давайте делать вид, что они не взаимодействуют с полем Хиггса, хотя окончательный приговор по их делу еще не вынесен.) На самом деле все происходит наоборот: чем сильнее частица взаимодействует с полем Хиггса, тем большей массой она обрастает при перемещении в этом поле, заполняющем все пустое пространство.

Эта особенность бозона Хиггса – его взаимодействие с частицей тем сильнее, чем она массивнее – имеет решающее значение, когда дело доходит до изучения этого экзотического зверя на БАКе. Сам бозон Хиггса – тяжелая частица, и даже когда он рождается в какой-то реакции, мы не в состоянии непосредственно его увидеть, поскольку он очень быстро распадается на другие частицы. Мы знаем, что скорости его распада в разных реакциях разные: с некоторой вероятностью он будет распадаться, например, на W-бозоны, с другой – на нижние кварки, с третьей – на тау-мезоны и так далее. И эти значения вероятностей распада не произвольны – физики точно знают, как бозон Хиггса должен взаимодействовать с другими частицами (потому что знают массу каждой из них), поэтому можно достаточно точно вычислить ожидаемую вероятность различных видов распадов.

Но в действительности ученые очень хотят ошибиться. Конечно, это большая победа – обнаружить бозон Хиггса, но еще больше хочется найти что-то новое и удивительное. Поиск невидимых частиц, которые трудно создать и которые быстро распадаются на другие частицы, – сложная задача. Она требует терпения, точности в измерениях и тщательного статистического анализа. Хорошая новость состоит в том, что законы физики строги – предсказания того, что мы должны найти, не могут быть истолкованы двояко. Если окажется, что бозон Хиггса отличается от ожиданий ученых, это будет явным признаком того, что Стандартная модель дала сбой, и нам, наконец, открылось окно в новую физику.

Глава 4
История ускорителя

Мы узнаем об истории странного увлечения – сталкивать частицы друг с другом при все более высоких энергиях.

Когда мне было десять лет, в нашей местной библиотеке в Нижнем Баксе, штат Пенсильвания, я наткнулся на научный отдел, и чтение собранных там книг стало моим любимым занятием. Особенно мне нравились книги по астрономии и физике. Одной из книг, которую я штудировал с особой тщательностью, был скромный том под названием «Физика высоких энергий», написанный Хэлом Хеллманом. Я начал изучать эту книгу в конце 1970-х, а написана она была в 1968-м, то есть до того, как была сформулирована Стандартная модель, когда «кварки» еще были экзотическими и страшноватыми теоретическими моделями. Но адроны – частицы, которые, как мы теперь знаем, состоят из кварков и глюонов, – уже были обнаружены: в журнале High Energy Physics было полно четких фотографий треков этих частиц, и в каждой угадывался мимолетный проблеск тайны природы.

Многие из этих фотографий были сделаны на громадном Беватроне – одном из главных ускорителей частиц, работавшем в 1950-1960-е годы. Беватрон был построен в Беркли, в штате Калифорния, но его название произошло не от Беркли, а от слов Billion Electron Volt (биллион, или по-русски миллиард, электронвольт), то есть максимальной энергии, которой удалось добиться на этом ускорителе. (Позже мы расскажем, что электронвольт (эВ) является непонятной, но очень популярной в физике элементарных частиц единицей энергии. Одному миллиарду электронвольт соответствует приставка гига-, то есть один миллиард электронвольт – один ГэВ, а не БэВ, но в то время американцы чаще использовали это обозначение, и к тому же название «Геватрон» казалось им не очень благозвучным. Остановились на названии «Беватрон».)

Беватрон поучаствовал в двух нобелевских открытиях: в 1959 году премию получили Эмилио Сегре и Оуэн Чемберлен за обнаружение антипротона, а в 1968 году – Луис Альварес за открытие огромного числа новых частиц, которые и сосчитать-то трудно – всех этих ужасных адронов. Некоторое время спустя тот же Альварес и его сын Уолтер, обнаружив аномально высокие концентрации иридия в геологических пластах, образовавшихся в период исчезновения динозавров, первыми доказали, что наиболее вероятная причина этого феномена – столкновение Земли с астероидом.

Идея ускорителей частиц проста: нужно взять некоторое количество частиц, ускорить их до очень высоких скоростей, столкнуть с некоторыми другими частицами и внимательно наблюдать, что получится. Все это похоже на то, как если бы вы шарахнули роскошными швейцарскими часами по другим, не менее роскошным швейцарским часам и, исследуя разлетевшиеся в разные стороны осколки, попытались бы понять, из чего часы были сделаны. К сожалению, аналогия не полная. Когда мы сталкиваем частицы, мы не пытаемся узнать, из чего они сделаны, а надеемся получить совершенно новые частицы, которых не было до столкновения. Продолжив аналогию с часами, можно сказать, что, идея ускорителя состоит в том, что, ударив одними часами Timex по другим таким же, вы надеетесь, что из их осколков соберутся часы Rolex.

Для достижения огромных скоростей в ускорителях используется основное свойство заряженных частиц (например, электронов и протонов): с помощью электрических и магнитных полей их можно ускорить и заставить вращаться. На практике мы используем электрические поля для ускорения частицы до все более высоких скоростей, а магнитные поля – чтобы удерживать их на нужных траекториях, например внутри образующих кольца труб Беватрона или БАКа. С помощью тонкой настройки этих полей, толкающих частицы вперед и удерживающих на нужных траекториях, физики могут искусственно создать такие условия, которые в естественных условиях на Земле не встречаются. (Космические лучи могут обладать даже большей энергией, но такие частицы долетают до нас редко, и их трудно наблюдать.)

Влияние магнитного поля на движение частиц.

Если магнитное поле направлено вверх, оно закручивает положительно заряженные частицы против часовой стрелки, а отрицательно заряженные частицы – по часовой стрелке.

На нейтральные частицы оно вообще не действует.

Неподвижные частицы тоже остаются в покое.

Технологическая задача ясна: ускорить частицы до максимально возможной энергии, столкнуть их друг с другом и посмотреть, какие новые частицы при этом образуются. Каждый из этих этапов труден. БАК представляет собой кульминацию усилий, длившихся не одно десятилетие, в течение которых человечество училось строить все большие и лучшие ускорители.

E = mc²

Когда на Беватроне получили антипротоны, это случилось не потому, что антипротоны прятались в протонах или в соответствующих атомных ядрах, а их оттуда выбили. Наоборот, новые частицы родились именно в результате столкновений. На языке квантовой теории поля говорят так: волны, представляющее исходные частицы, возбудили новые колебания в антипротонном поле, которые мы как раз и считаем частицами-антипротонами.

Для того чтобы это произошло, должно хватить энергии, и это – важнейшее условие. На самом деле физика элементарных частиц началась после появления знаменитого уравнения Эйнштейна E = тc², из которого стало ясно, что масса – это просто другая форма существования энергии. В частности, масса объекта – эта та минимальная энергия, которую объект может иметь. Когда кто-то просто сидит совершенно неподвижно, погруженный в свои мысли, количество энергии, которым он обладает, равно его массе, умноженной на квадрат скорости света. Скорость света с – довольно большое число, она равна 300 000 километров в секунду и здесь просто играет роль коэффициента при преобразовании единиц измерений массы в единицы энергии. В физике элементарных частиц любят использовать единицы, где скорость измеряется в количестве световых лет, пройденных за год, и в этом случае скорость света с равна единице, а масса и энергия просто становятся одной и той же величиной: E = т.

А когда объект движется? Иногда в дискуссиях о теории относительности говорят, что масса частицы растет при приближении ее скорости к скорости света, но это немного всех запутывает. Лучше считать массу объекта установленной раз и навсегда, а именно – энергией, которую тело имело бы, если бы не двигалось, а энергию – увеличивающейся по мере роста его скорости. При приближении скорости тела к скорости света с его энергия стремится к бесконечности. Это один из способов понять, почему скорость света является абсолютным пределом скорости, с которой тела могут двигаться, – ведь массивному телу для движения с такой скоростью требуется бесконечное количество энергии. (Безмассовые частицы, напротив, всегда движутся в точности со скоростью света.) Когда ускоритель частиц разгоняет протоны до все больших энергий, их скорость все больше приближается к скорости света, никогда ее не достигая.

Используя магию этого простого уравнения, E = те², физики получают тяжелые частицы из более легких. При столкновениях сохраняется общая энергия, но не общая масса. Масса – это лишь одна из форм энергии, а энергия может быть преобразована из одной формы в другую при условии, что полная энергия остается постоянной. Когда два протона встречаются на больших скоростях, они превратятся в более тяжелые частицы, если их суммарная энергия достаточно велика. Мы даже можем столкнуть совершенно безмассовые частицы и создать из них массивные; два столкнувшихся фотона могут породить электрон-позитронную пару, а два безмассовых глюона, встретившись, породить бозон Хиггса, если только их совокупная энергия больше массы бозона. Бозон Хиггса более чем в сотню раз тяжелее протона, и это – одна из причин того, почему его так трудно получить.

Шкала энергий в электронвольтах. Некоторые значения – приблизительные. В физике элементарных частиц температуру, массу и энергию измеряют в одних и тех же единицах – электронвольтах. Используются также миллиэлектронвольт (1/1000 эВ), кэВ (1000 эВ), МэВ (миллион эВ), ГэВ (миллиард эВ) и ТэВ (триллион эВ).

Физикам, занимающимся элементарными частицами, нравится использовать единицы измерения, в которых посторонние не видят никакого смысла, еще и потому, что это создает ауру таинственности вокруг их деятельности. Кроме того, было бы страшно неудобно использовать одни единицы для массы, а другие – для других видов энергии, так как они постоянно преобразуются друг в друга. Вместо этого всякий раз, когда мы имеем дело с массой, мы просто сразу умножаем ее величину на квадрат скорости света, чтобы превратить в энергию. Таким образом, мы можем измерять все в единицах энергии, что гораздо удобнее.

Излюбленная единица энергии для физиков, работающих с элементарными частицами, – электронвольт, эВ. Один эВ – это количество энергии, которое потребуется для перемещения одного электрона в электростатическом поле между точками с разностью потенциалов в один вольт. Другими словами, требуется девять электронвольт энергии для перемещения электрона с положительного на отрицательный электрод девятивольтового аккумулятора.

Один электронвольт – совсем маленькая энергия. Энергия одного фотона видимого света составляет около двух электронвольт, в то время как кинетическая энергия летящего комара – около триллиона эВ. Количество энергии, которое можно получить, сжигая галлон (примерно 4,5 литра) бензина – больше 10²⁷ эВ, а количество питательной энергии в бигмаке (700 калорий) составляет около 10²⁵ эВ. Таким образом, один эВ – действительно небольшая энергия.

Поскольку масса является формой энергии, физики и массы элементарных частиц измеряют в электронвольтах. Массы протона или нейтрона равны почти миллиарду электронвольт, в то время как масса электрона – полмиллиона эВ. Масса бозона Хиггса, как показало его открытие на БАКе, равна 125 миллиардов эВ. Поскольку один эВ так мал, мы часто используем более удобную единицу – ГэВ, гигаэлектронвольт (один миллиард эВ). Можно также встретить обозначение кэВ для килоэлектронвольт (одна тысяча эВ), МэВ для мегаэлектронвольт (один миллион эВ) и ТэВ для тераэлектронвольт (один триллион эВ). В 2012 году на БАКе столкнулись протоны с суммарной энергией 8 ТэВ, а планируемый максимум энергий для этого ускорителя составляет 14 ТэВ. Это более чем достаточная энергия для того, чтобы родились бозоны Хиггса и другие экзотические частицы, проблема лишь в том, как их обнаружить, когда они появятся.

Можно даже температуру выражать в эВ, поскольку температура – всего лишь средняя энергия молекул в веществе. В таких единицах комнатная температура равна двум сотым электронвольта, а в центре Солнца – около 1 кэВ. Когда температура становится выше массы некоторой частицы, энергия при столкновениях достаточна для создания этой частицы. Даже в центре Солнца, где довольно жарко, температура не столь высока, чтобы рождались электроны (0,5 МэВ), а тем более протоны или нейтроны (массы обоих примерно равны 1 ГэВ), зато в момент Большого взрыва температура была огромной, и этой проблемы не возникало.

Если природа захочет спрятать от нас частицу, самый простой способ – сделать ее такой тяжелой, чтобы мы не смогли произвести ее в лаборатории. Вот почему при строительстве ускорителей всегда преследовалась одна и та же цель – добиваться все более высоких энергий, и вот почему эти установки получают имена вроде Беватрона и Теватрона. Достичь беспрецедентно высоких энергий – все равно что попасть в место, где никто до этого никогда не был.