Астронет > Открытие самой тяжелой элементарной частицы

по текстам по ключевым словам в глоссарии по сайтам перевод по каталогу

Открытие самой тяжелой элементарной частицы

Б.А.Арбузов (Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова)
Опубликовано в Соросовском образовательном журнале, N 9, 1996 г. Содержание

Электрослабое взаимодействие

Электрослабое взаимодействие объединяет электромагнитное и слабое взаимодействия в рамках единого описания. Электромагнитные взаимодействия соответствуют широкому кругу явлений, связанному с электромагнитным полем. Это и закон Кулона, и магнитные явления, и электромагнитные волны (фотоны). На протяжении последних десятилетий выяснилось, что слабые взаимодействия, приводящие к распадам многих частиц, в сильной степени подобны электромагнитным, но приводят к силам, которые в отличие от дальнодействующих кулоновых являются короткодействующими. Короткодействие означает, что частицы, соответствующие полям, осуществляющим перенос взаимодействий, имеют массу не нулевую, как фотоны, а определенную, причем довольно большую.

Тогда вместо закона Кулона для потенциала, например, между двумя лептонами, мы имеем закон Юкавы:

$V(r) = - \frac{g^2}{r}e^{\mu r}, \mu =\frac{Mc}{\hbar}$

здесь M - масса частицы и g - соответствующий полю заряд, который несет на себе лептон, c - скорость света и $\hbar$ = 1,054513 Дж * с - постоянная Планка. Всего таких массивных частиц имеется три: две электрически заряженные W⁺ и $W^-$ и нейтральная Z⁰. Объединенную теорию, описывающую взаимодействия W⁺, $W^-$ , Z⁰ и фотона $\gamma$ между собой и с кварками и лептонами, предложили в 1967 году С. Вайнберг (США) и А. Салам (Пакистан); см., например, [Окунь Л.Б., 1982]. Основные черты теории, которые понадобятся нам в дальнейшем изложении, состоят в следующем. Частицы W⁺, $W^-$ , Z⁰, называемые промежуточными бозонами, имеют массы, значения которых определяются экспериментально наблюдаемыми величинами: временем жизни мюона (напомним, что слабое взаимодействие как раз и приводит к распадам частиц), элементарным электрическим зарядом e и интенсивностью взаимодействия нейтрино с веществом. К середине семидесятых годов уточнение опытов по измерению последней величины привело к предсказанию масс для заряженных частиц W⁺ и $W^-$ и для нейтральной Z⁰:

$M_{W^\pm} \leq$ 80 ГэВ/c², $M_{Z^0} \leq$ 90 ГэВ/c².

(3)

Поясним смысл единицы массы, которая здесь использована: ГэВ = 10⁹ эВ, а электронвольт (эВ) есть известная (внесистемная) единица энергии, равная энергии, приобретаемой одним электроном при прохождении разности потенциалов 1 В. Пользуясь знаменитым соотношением E = Mc², мы связываем единицу энергии с массой. Далее, взаимодействие устроено так, что нейтральный промежуточный бозон Z⁰ может переходить в пары кварк-антикварк и лептон-антилептон, а эти пары в свою очередь могут объединяться в Z⁰. Идут, например, такие процессы:

$\begin{array} {lll} Z \to e^+e^- ,& Z \to \nu_e \bar\nu_e,& Z \to \mu^+ \mu^- , \ldots \\ Z \to u\bar u,& Z \to d\bar d,& Z \to s\bar s, \ldots \\ e^+e^- \to Z,& \nu_e \bar\nu_e \to Z,& \mu^+ \mu^- \to Z, \ldots \\ u\bar u \to Z,& d\bar d \to Z,& s\bar s \to Z, \ldots \end{array}$

(4)

где многоточием мы обозначили пары других лептонов и кварков, которые приведены в формулах (1). Заряженные промежуточные бозоны $W^\pm$ таким же образом взаимодействуют в обе стороны с парами кварк-антикварк и лептон-антилептон, имеющими суммарный заряд $\pm{e}$ :

$\begin{array} {lll} W^+ \leftrightarrow e^+ \nu_e ,& W^+ \leftrightarrow \mu^+ \nu_{\mu} ,& W^+ \leftrightarrow \tau^+ \nu_{\tau} , \\ W^+ \leftrightarrow u\bar d ,& W^+ \leftrightarrow c\bar s,& W^+ \leftrightarrow b\bar t , \\ W^- \leftrightarrow e^- \bar\nu_e ,& W^- \leftrightarrow \mu^- \bar\nu_{\mu} ,& W^- \leftrightarrow \tau^- \bar\nu_{\tau} , \\ W^- \leftrightarrow \bar u d ,& W^- \leftrightarrow \bar c s,& W^- \leftrightarrow \bar b t , \end{array}$

(5)

На самом деле, зная набор элементарных частиц (1), можно получить переходы (4) и (5), поскольку нам надо только знать, что в переходах участвуют частицы, принадлежащие некоторой одной паре, при этом нужно следить, чтобы сохранялся электрический заряд. С небольшой интенсивностью возможны переходы между кварками из разных пар, но мы не будем обсуждать здесь этот малый эффект. Теория была создана, она хорошо описала известные факты, но промежуточные бозоны $W^\pm$ и Z⁰ пока не были экспериментально зарегистрированы. Для того чтобы породить частицы с такими большими массами (предсказанная масса $W^\pm$ , например, в 85,5 раз больше массы протона), нужно столкнуть протоны с очень высокой энергией. Таких энергий не было в распоряжении физиков во время создания электрослабой теории. Если, например, мы устроим столкновение протонного и антипротонного пучков, в каждом из которых энергия частицы равна E, то суммарная энергия столкновения будет 2E. При условии 2E > Mc² частица с массой M может быть рождена в этом столкновении. Как говорят, в этом случае энергии хватает на реализацию изучаемого явления. Рассмотрим процесс

$p + \bar p \to W^+ X$ ,

где под X понимается набор всевозможных состояний, например, $\bar pn, p\bar p \pi^-$ Как в реакции (6) может появиться $W^\pm$ ? Процесс проиллюстрирован на рисунке 2. При этом кварк u из протона и антикварк из антипротона сливаются в W⁺ согласно одному из элементарных процессов набора (5). Аналогичным образом пары или могут дать при слиянии нейтральный промежуточный бозон Z⁰. Но как увидеть рождение $W^\pm$ или Z⁰? Ведь эти частицы за счет переходов (4) и (5) быстро распадаются. Среди каналов распада $W^\pm$ , согласно (5), есть, например, такие:

$W^+ \to e^+ \nu_e , W^+ \to \mu^+ \nu_{\mu}$ ,

(7)

Позитрон или положительно заряженный мюон с высокой эффективностью может быть зарегистрирован экспериментальной аппаратурой, и это будет служить меткой рождения $W^\pm$ . Нейтрино при этом улетают, не оставляя следа, и уносят значительную долю энергии.

Рис. 2. Схематическое изображение процесса рождения промежуточного бозона W в протон-антипротонном столкновении. Кварки u и $\bar d$ сливаются в W⁺.

Что касается Z⁰, то здесь положение еще лучше. Ведь согласно (4) идут распады

$Z \to e^+e^- , Z \to \mu^+ \mu^-$ .

(8)

Таким образом, нужно зарегистрировать пары положительно и отрицательно заряженных лептонов, образующихся в распадах (8). Итак, для обнаружения тяжелых промежуточных бозонов $W^\pm$ и Z⁰ нужно было иметь встречные пучки протонов и антипротонов с достаточно высокими энергиями и аппаратуру для надежной регистрации высокоэнергичных электронов и мюонов. Такая задача была поставлена в середине 70-х годов и реализована к 1983 году в Европейском центре ядерных исследований (русское название ЦЕРН от французского CERN) в Женеве большим коллективом физиков, лидером которого был К. Руббиа (Италия). Пучки протонов и антипротонов с энергиями 270 ГэВ каждый позволили зарегистрировать первые несколько десятков случаев рождения $W^\pm$ и Z⁰ и их распада по каналам (7) и (8). Массы их оказались в согласии с предсказаниями (2). Это было замечательное открытие, которое, по существу, доказало правильность представлений о природе элементарных взаимодействий. Промежуточные бозоны W и Z стали самыми тяжелыми из известных частиц, например, масса Z в 97 раз больше массы протона.

Точное изучение электрослабых взаимодействий

После открытия тяжелых промежуточных бозонов пошла работа по планомерному изучению новых явлений. Точность экспериментов улучшилась. На качественно новый уровень вышли исследования, когда были введены в строй встречные пучки электронов и позитронов в ЦЕРН с энергиями, достаточными для резонансного рождения Z⁰. А именно, энергии каждого пучка 45,51 ГэВ, складываясь, дают точно Mc² для Z⁰-частицы. А это значит, что электроны и позитроны из этих пучков с очень большой вероятностью сливаются в Z⁰-частицу, которая затем распадается по одному из возможных каналов. Изучая каналы распада Z⁰, мы убеждаемся в том, что переходы (4) действительно осуществляются с предсказанной интенсивностью. Дальнейшее повышение точности позволило решить еще более сложные задачи. Дело в том, что, когда мы начинаем вычислять эффекты с высокой точностью, отдельные каналы переходов в (4) начинают влиять друг на друга. Например, промежуточный Z-бозон может перейти, как говорят, в виртуальную пару $t \bar t$ , которая в свою очередь (практически мгновенно) может опять слиться в Z, который распадется на некоторое наблюдаемое состояние. Метод учета таких "петлевых" поправок называется теорией возмущений. Кстати, этот термин пришел из астрономии, где он означает метод точного вычисления орбит планет с учетом влияния притяжения не только Солнца, но и других планет. Действительно, основные движения планеты, например Урана, определяются по закону всемирного тяготения Ньютона притяжением Солнца и соответствуют законам Кеплера. Однако другие планеты также притягивают Уран и тем самым изменяют, "возмущают" его движение по орбите. Последовательный учет такого влияния и получил название теории возмущений. Именно с помощью теории возмущений и были проведены расчеты, предсказавшие место, где надо искать новую планету Нептун и приблизительное значение ее массы. Прослеживается яркая аналогия с влиянием нового, неоткрытого t-кварка на наблюдаемые процессы, в частности в распадах промежуточного бозона Z. Теория возмущений здесь также учитывает, как существование t-кварка влияет на вероятности измеряемых процессов и на их характеристики. Количественно это влияние зависит от величины массы t-кварка и от интенсивности его взаимодействия. Интенсивность предсказывается теорией (как сила тяжести), а масса определяется из соответствия вычисленных малых возмущений с измеренными эффектами (точно так же, как и в случае движения планет). На протяжении нескольких последних лет были проведены очень точные экспериментальные исследования распадов промежуточного бозона Z⁰. Полученная точность позволила измерить малые возмущения за счет петлевых поправок. Среди них важное значение имеют поправки, пропорциональные квадрату массы t-кварка M_t². Сравнение вычислений с опытом позволило определить интервал возможных значений массы t-кварка:

M_t = ( $169_{-27}^{+23}$ )ГэВ/c²

(9)

Таким образом, предсказаны условия, которые необходимо выполнить для открытия t-кварка. Так же как и планета Нептун, t-кварк оказался "на кончике пера".

Назад | Вперед

Публикации с ключевыми словами: элементарные частицы - кварки - t-кварк
Публикации со словами: элементарные частицы - кварки - t-кварк

См. также:

Бозон Хиггса: объяснение в комиксе

Связь кварков с космосом: двенадцать научных вопросов для нового века

Публичная лекция лауреата Нобелевской премии: Рождение творческих идей

Эволюция вселенной

Лептоны

Элементарные частицы

Ее звали Икс

Все публикации на ту же тему >>

Обсудить эту публикацию

Версия для печати

Астрометрия - Астрономические инструменты - Астрономическое образование - Астрофизика - История астрономии - Космонавтика, исследование космоса - Любительская астрономия - Планеты и Солнечная система - Солнце