WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
DISCOVERY ОТКРЫТИЕ САМОЙ ТЯЖЕЛОЙ OF THE HEAVIEST ЭЛЕМЕНТАРНОЙ ЧАСТИЦЫ ELEMENTARY PARTICLE B. A. ARBUZOV..

‚ „‰‡‚ ‚ This article discusses the... ‚‡ recent discovery of heavy t-quark. The basic princi ples of the elementary Весной 1995 года физиков облетело известие о particles physics are conтом, что открыт t-кварк. Разумеется, оно вызвало sidered, which have led to большой интерес, однако событие это ожидалось уже довольно давно. Это открытие попадает в разprediction of t-quark ряд предсказанных, сделанных, как говорили раньexistence and to evaluaше, “на кончике пера” или, как можно сказать сейtion of its mass. A parallel час, за дисплеем компьютера.

is drawn between the tВ прошлом столетии чрезвычайно большое впечатление произвело не только на сообщество учеquark discovery and a ных, но и на широкую публику открытие новой плаwell-known discovery of неты Нептун, тоже “на кончике пера”. Некоторые planet Neptune.

нерегулярности, или, как говорят, возмущения, в движении самой удаленной от Солнца, как тогда считали, планеты Уран не удавалось объяснить вли‡fl ‚fl‡ янием других планет, в первую очередь Сатурна и ‰‡‚ fl- Юпитера. Тогда было высказано предположение, что существует еще одна планета, которая и вызы„ t-‚‡‡. ‡вает возмущения в движении Урана. По небольшим ‡‚‡fl ‚ отклонениям наблюдений от расчетов были вычис - лены параметры движения этой планеты – масса, расстояние от Солнца, форма орбиты и положение ‡ ‡, планеты на орбите. Астрономам оставалось только ‚ ‰направить свои телескопы в нужное время на ну懇 t-‚‡‡ - ный участок неба – и они увидели новую планету.

Это был триумф науки. В рациональном XIX веке ‰ ‚это событие вызвало самый широкий интерес.

„ ‡fl „ ‡.

Открытие Нептуна было только самым ярким ‚‰fl ‡‡„fl примером предсказательной силы науки. Вслед за этим открытием последовали многие другие, котоfl t-‚‡‡ рые, правда, не вызывали повышенного интереса ‚ ‚ ‡публики, за исключением, может быть, открытого в ‡ 1919 году отклонения луча света солнечным тяготением, предсказанного общей теорией относитель.

ности А. Эйнштейна.

Однако вернемся в наше время. Чем же интересен t-кварк и почему его открытие вызвало такой большой интерес В чем аналогия с открытием планеты Нептун Для того чтобы объяснить это, начнем с общей картины элементарных частиц, с того, что было известно к 1995 году.

Как известно, окружающее нас вещество и мы сами построены из атомов, состоящих из электронов и ядер, а последние, в свою очередь, состоят из протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны принадлежат, ‹9, © ·‚.., к классу участвующих в сильном взаимодействии аб частиц, называемых адронами. Не участвующий в сильном взаимодействии электрон входит в группу лептонов1.

Как и ядра атомов, адроны, в свою очередь, являются составными частицами. Их составляющие получили название “кварки”; они обладают своеобразными свойствами. Самое необычное свойство состоит в том, что кварки существуют только внутри адронов и не наблюдаются как изолированные объекты. В составе протона и нейтрона присутствуют два сорта кварков: u и d; u-кварк имеет электриРис. 1. Кварковый состав протона (а) и нейтрона ческий заряд 2/3e и d-кварк соответственно - 1/3e, (б). Темный кружок соответствует кварку u, светгде e – элементарный заряд, например заряд протолый кружок – кварку d.

на. Нейтрон n состоит из трех кварков (u, d, d), а протон p также из трех кварков, но в другой комбиготочие обозначает различные перестановки кварнации (см. рис. 1). Другие адроны также состоят ков. Далее, точно так же, как с электрическим заряиз кварков, например, отрицательно заряженный дом связано знакомое нам электромагнитное поле, -мезон – (du), где черта над символом означает с этими цветными зарядами связано поле, получивантикварк, имеющий противоположные своему шее название глюонного. Это глюонное поле свякварку заряды, например, электрический заряд анзывает кварки внутри адронов и вообще осуществтикварка u есть - 2/3e. Кварки сильно взаимодейстляет взаимодействие между ними.

вуют между собой, это взаимодействие и удерживаСвойство бесцветности наблюдаемых частиц и, ет их внутри соответствующей частицы. Природа наоборот, ненаблюдаемости цветных частиц, наэтого взаимодействия была выяснена более 20 лет пример самих кварков, объясняется тем, что если тому назад. Причиной сильного взаимодействия является то, что кроме электрического заряда квар- цветной заряд оказывается нескомпенсированным, глюонное поле становится настолько сильным, что ки имеют еще и новый, крайне своеобразный заряд, обязательно найдет где-то недостающую для комполучивший название цветного, который приводит пенсации частицу, притянет ее и вернет систему в к появлению сил, связывающих кварки в адроны.

Лептоны, в частности электрон и его античастица – бесцветное адронное состояние. Таким образом, позитрон, таким зарядом не обладают (они нейт- разделение адрона на его цветные составляющие ральны или, как говорят, бесцветны) и поэтому силь- произойти не может. Нет аналога ионизации атома.

но не взаимодействуют. В адроне, например в прото- Это общее свойство сильного взаимодействия получило многочисленные экспериментальные подне или нейтроне, цветные заряды составляющих их тверждения.

кварков скомпенсированы и наблюдаемые частицы также являются бесцветными. В бесцветности всех Однако мир элементарных частиц не исчерпыванаблюдаемых частиц и состоит поразительное свойется электроном, позитроном, цветными u- и d-кварство сильных взаимодействий цветных кварков.

ками и их антикварками, а также электромагнитныМы знаем, что атомы обычно электрически нейми и глюонными полями и квантами. Существует тральны, но, например, в сильно нагретом газе пробольшое количество других частиц, которые требуисходит ионизация, то есть один или несколько ют для своего описания расширения числа элеменэлектронов отрываются от атома и вещество (плазтарных составляющих – кварков и лептонов.



ма) теперь состоит из заряженных частиц (ионов и О лептонах. Лептоны, оказывается, объединяютэлектронов). Оказывается, что аналогичный прося в пары. Заряженному электрону соответствует цесс для кварковых атомов – адронов – невозмонейтральная частица нейтрино электронное, а поe жен. В адроне, например в протоне, цветные заряды зитрону – антинейтрино электронное. Таких пар p трех кварков скомпенсированы. Из этого следует, к настоящему времени открыто три: в дополнение к что три кварка должны обязательно иметь различные электронной еще мюон µ (который тяжелее элекзаряды, то есть существуют три разных заряда, три трона в 207 раз) со своим нейтрино и тау-лептон различных цвета. Оказывается, что большего разно(в 3478 раз тяжелее электрона) и его нейтрино.

образия и не нужно. Таким образом, имеется три сорта (цвета) каждого кварка u и каждого кварка d.

Кварки тоже группируются в пары. С одной паНумеруя их индексом i = 1, 2, 3, получаем точное рой мы уже знакомы: u (заряд 2/3e) и d (заряд - 1/3e).

описание компенсации цвета: в протоне должны Следующая пара кварков: c (2/3e) и s (- 1/3e). Накобыть кварки всех трех цветов p = u1u2d3 +..., где мно- нец, существует тяжелый кварк b (- 1/3e), возможный партнер которого с зарядом 2/3e был предскаПроблемам классификации частиц и их основным свой- зан и назван t-кварком. Почему он был предсказан ствам посвящено много книг, например [1].

Совсем на поверхности лежит проявляющаяся.. симметрия между лептонами и кварками: три пары [2]. Основные черты теории, которые понадобятся лептонов – три пары кварков: нам в дальнейшем изложении, состоят в следующем. Частицы W+, W, Z, называемые промежуточ u e ными бозонами, имеют массы, значения которых e d определяются экспериментально наблюдаемыми величинами: временем жизни мюона (напомним, c µ (1) что слабое взаимодействие как раз и приводит к µ s распадам частиц), элементарным электрическим t.

зарядом e и интенсивностью взаимодействия нейт b рино с веществом. К середине семидесятых годов уточнение опытов по измерению последней велиЭто на поверхности, но под этой, казалось бы, почины привело к предсказанию масс для заряженных верхностной симметрией лежат глубокие основачастиц W+ и W и для нейтральной Z:

ния. Оказывается, что если каждой паре лептонов нет соответствующей пары цветных кварков именMW 80 ГэВ/c2, MZ 90 ГэВ/c2. (3) но с таким распределением зарядов, как мы привели выше, то теория, описывающая взаимодействия Поясним смысл единицы массы, которая здесь искварков и лептонов, так называемые электросла- пользована: ГэВ = 109 эВ, а электронвольт (эВ) есть бые, становится противоречивой. Таким образом, известная (внесистемная) единица энергии, равная существование t-кварка необходимо с общей теоре- энергии, приобретаемой одним электроном при тической точки зрения. Но как его искать, какова прохождении разности потенциалов 1 В. Пользуясь его возможная масса Это фактически аналог во- знаменитым соотношением E = Mc2, мы связываем проса, куда направить телескоп, чтобы увидеть единицу энергии с массой.

Нептун. Вопрос требует более тщательного рассмоДалее, взаимодействие устроено так, что нейттрения. Чтобы перейти к этому, надо пояснить, что ральный промежуточный бозон Z может переходить же такое электрослабое взаимодействие и как оно в пары кварк–антикварк и лептон–антилептон, а устроено.

эти пары в свою очередь могут объединяться в Z.

Идут, например, такие процессы:

+ Z e+e-, Z, Z µ µ, … e e Электрослабое взаимодействие объединяет электромагнитное и слабое взаимодействия в рамках Z uu, Z dd, Z ss, … (4) единого описания. Электромагнитные взаимодей+ e+e- Z, Z, µ µ Z, … e e ствия соответствуют широкому кругу явлений, связанному с электромагнитным полем. Это и закон uu Z, dd Z, ss Z, …, Кулона, и магнитные явления, и электромагнитные где многоточием мы обозначили пары других лептоволны (фотоны). На протяжении последних десянов и кварков, которые приведены в формулах (1).

тилетий выяснилось, что слабые взаимодействия, ± приводящие к распадам многих частиц, в сильной Заряженные промежуточные бозоны W таким степени подобны электромагнитным, но приводят же образом взаимодействуют в обе стороны с парак силам, которые в отличие от дальнодействующих ми кварк–антикварк и лептон–антилептон, имеюкулоновых являются короткодействующими. Ко- щими суммарный заряд ± e:

роткодействие означает, что частицы, соответству+ + ющие полям, осуществляющим перенос взаимо- W+ e+, W+ µ, W+, e µ действий, имеют массу не нулевую, как фотоны, а W+ ud, W+ cs, W+ b, t определенную, причем довольно большую. Тогда (5) - вместо закона Кулона для потенциала, например, W- e-, W- µ, W-, e µ между двумя лептонами, мы имеем закон Юкавы:

W- ud, W- cs, W- bt.

Mc На самом деле, зная набор элементарных частиц ---- V(r) = –g-e–µ r, µ = -------; (2) r (1), можно получить переходы (4) и (5), поскольку нам надо только знать, что в переходах участвуют здесь M – масса частицы и g – соответствующий почастицы, принадлежащие некоторой одной паре, лю заряд, который несет на себе лептон, c – скорость при этом нужно следить, чтобы сохранялся электсвета и = 1,054513 Дж с – постоянная Планка.

рический заряд. С небольшой интенсивностью возВсего таких массивных частиц имеется три: две элеможны переходы между кварками из разных пар, но ктрически заряженные W+ и W и нейтральная Z.





мы не будем обсуждать здесь этот малый эффект.

Объединенную теорию, описывающую взаимодействия W+, W, Z и фотона между собой и с кварка- Теория была создана, она хорошо описала извеми и лептонами, предложили в 1967 году С. Вайн- стные факты, но промежуточные бозоны W± и Zберг (США) и А. Салам (Пакистан); см., например, пока не были экспериментально зарегистрированы.

, ‹9, Для того чтобы породить частицы с такими больши- Итак, для обнаружения тяжелых промежуточных ми массами (предсказанная масса W±, например, в бозонов W± и Z нужно было иметь встречные пучки 85,5 раз больше массы протона), нужно столкнуть протонов и антипротонов с достаточно высокими протоны с очень высокой энергией. Таких энергий энергиями и аппаратуру для надежной регистрации не было в распоряжении физиков во время созда- высокоэнергичных электронов и мюонов. Такая зания электрослабой теории. дача была поставлена в середине 70-х годов и реализована к 1983 году в Европейском центре ядерных Если, например, мы устроим столкновение происследований (русское название ЦЕРН от французтонного и антипротонного пучков, в каждом из коского CERN) в Женеве большим коллективом физиторых энергия частицы равна E, то суммарная энергия столкновения будет 2E. При условии 2E > Mc2 ков, лидером которого был К. Руббиа (Италия). Пучки протонов и антипротонов с энергиями 270 ГэВ частица с массой M может быть рождена в этом каждый позволили зарегистрировать первые нестолкновении. Как говорят, в этом случае энергии сколько десятков случаев рождения W и Z и их распахватает на реализацию изучаемого явления. Расда по каналам (7) и (8). Массы их оказались в согласмотрим процесс сии с предсказаниями (2). Это было замечательное открытие, которое, по существу, доказало правильp + p W+ + X, (6) ность представлений о природе элементарных взаигде под X понимается набор всевозможных состоя- модействий. Промежуточные бозоны W и Z стали саний, например, pn, pp, … Как в реакции (6) мо- мыми тяжелыми из известных частиц, например, жет появиться W Процесс проиллюстрирован на масса Z в 97 раз больше массы протона.

рисунке 2. При этом кварк u из протона и антикварк + d из антипротона сливаются в W согласно одному из элементарных процессов набора (5). Аналогич ным образом пары uu или dd могут дать при слиянии нейтральный промежуточный бозон Z. Но как После открытия тяжелых промежуточных бозоувидеть рождение W или Z Ведь эти частицы за счет нов пошла работа по планомерному изучению нопереходов (4) и (5) быстро распадаются. Среди кана- вых явлений. Точность экспериментов улучшилась.

лов распада W, согласно (5), есть, например, такие: На качественно новый уровень вышли исследования, когда были введены в строй встречные пучки + + + W e+, W µ. (7) e µ электронов и позитронов в ЦЕРН с энергиями, достаточными для резонансного рождения Z. А Позитрон или положительно заряженный мюон с именно, энергии каждого пучка 45,51 ГэВ, складывысокой эффективностью может быть зарегистриваясь, дают точно Mc2 для Z -частицы. А это значит, рован экспериментальной аппаратурой, и это будет что электроны и позитроны из этих пучков с очень служить меткой рождения W. Нейтрино при этом большой вероятностью сливаются в Z -частицу, коулетают, не оставляя следа, и уносят значительную торая затем распадается по одному из возможных долю энергии.

каналов. Изучая каналы распада Z, мы убеждаемся Что касается Z, то здесь положение еще лучше.

в том, что переходы (4) действительно осуществляВедь согласно (4) идут распады ются с предсказанной интенсивностью.

+ Z e+e-, Z µ µ. (8) Дальнейшее повышение точности позволило решить еще более сложные задачи. Дело в том, что, Таким образом, нужно зарегистрировать пары покогда мы начинаем вычислять эффекты с высокой ложительно и отрицательно заряженных лептонов, точностью, отдельные каналы переходов в (4) начиобразующихся в распадах (8).

нают влиять друг на друга. Например, промежуточный Z-бозон может перейти, как говорят, в виртуальd ную пару t t, которая в свою очередь (практически p u мгновенно) может опять слиться в Z, который расu падется на некоторое наблюдаемое состояние. МеW + тод 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 d не только Солнца, но и других планет. Действительp u но, основные движения планеты, например Урана, u определяются по закону всемирного тяготения Ньютона притяжением Солнца и соответствуют Рис. 2. Схематическое изображение процесса законам Кеплера. Однако другие планеты также рождения промежуточного бозона W в протон-анпритягивают Уран и тем самым изменяют, “возмутипротонном столкновении. Кварки u и d сливаются в W+. щают” его движение по орбите. Последовательный.. учет такого влияния и получил название теории p u возмущений. Именно с помощью теории возмущеu ний и были проведены расчеты, предсказавшие место, где надо искать новую планету Нептун и при- d t близительное значение ее массы.

Прослеживается яркая аналогия с влиянием нового, неоткрытого t-кварка на наблюдаемые проt d цессы, в частности в распадах промежуточного боu зона Z. Теория возмущений здесь также учитывает, как существование t-кварка влияет на вероятности u p измеряемых процессов и на их характеристики. Количественно это влияние зависит от величины массы t-кварка и от интенсивности его взаимодейст- Рис. 3. Схематическое изображение процесса рождения пары кварков tt. Штриховая линия совия. Интенсивность предсказывается теорией (как ответствует обмену глюоном.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.