С. И. Середняков (Институт ядерной физики СО РАН)
|
Физика элементарных частиц — в мире, в ИЯФ, на кафедре ФЭЧ С. И. Середняков (Институт ядерной физики СО РАН) |
|
1. Введение 2. Достижения последних лет 3. ВЭПП-2М, КЕДР 4. Вопросы
С. И. Середняков: Во-первых, я хотел сказать, что моя лекция, прежде всего, будет предназначена для студентов первого и второго курса, которые определяют, на какую кафедру им идти, и если кто-то сомневается, то, прослушав лекцию, он может решить: «Я пойду», или наоборот «Нет, я сюда никогда не пойду». Но в любом случае, я надеюсь, что это и тем, и другим принесёт пользу. По опыту прошлой лекции я помню, было много вопросов, касающихся теоретической физики, астрофизики, то есть тем, связанных с физикой элементарных частиц, но я заранее прошу прощения, что не смогу ответить на многие вопросы, в особенности, которые не относятся к физике элементарных частиц.
Моя лекция состоит из трех главных частях: Первая — это физика элементарных частиц вообще, вторая часть — это исследования по физике элементарных частиц в Институте ядерной физики, и третья часть — это что ждёт студентов на кафедре физики элементарных частиц (ФЭЧ). Соответственно, у меня есть план для каждой из этих частей.
Для физики элементарных частиц есть также другой термин — физика высоких энергий (ФВЭ), это одно и то же. У меня есть много слайдов о ФВЭ в ИЯФ, начиная с самых первых экспериментов в мире на встречных пучках, которые проводились в нашем институте, и кончая новыми проектами, прежде всего, проект ВЭПП-2000. Также есть слайды о физике элементарных частиц на кафедре. Для тех, кто придет на кафедру, здесь расписана программа курсов, которую я постараюсь немного прокомментировать.
ФЭЧ изучает законы природы, явления, которые происходят на расстояниях менее 10–13 см. (Рис.1).
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Рис. 1. Шкала размеров |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Выбранная граница — это размер атомного ядра — область ядерной физики. Ядерная физика — это уже отдельная часть физики, а ФЭЧ — это законы природы на расстояниях менее 10–13 см. Здесь уместно сразу вспомнить другие размеры: размер атома — это 10–8 см, размер достаточно большого ядра — 10–12 см, нуклон (нуклон — общее название для протона и нейтрона) — 10–13 см, и всё, что меньше нуклона, это ФЭЧ. Здесь уже начинается сюрприз, что собственно элементарные частицы как бы не имеют размера. По крайней мере, попытка определить размер электрона к успеху не привела. Экспериментальное ограничение — 10–17 см. Если у электрона и есть размер, то он менее 10–17 см.Все существующие элементарные частицы показаны на Рис.1. Верхняя строчка частиц — это кварки, нижняя — лептоны. Вы здесь узнаёте старого знакомого — электрон. Вместе с ним в этой же группе, в этом поколении, находится электронное нейтрино. И здесь же находятся два кварка — u и d-кварки. Согласно сегодняшнему пониманию ФЭЧ, кварки и лептоны являются элементарными частицами. Из этих частиц сделан весь окружающий нас мир. u и d-кварки составляют протон и нейтрон, то есть атомные ядра, электроны — атомные оболочки. Нейтрино играют важнейшую роль в протекании термоядерной реакции на Солнце, если бы не было нейтрино, не было бы Солнца. То есть все эти четыре частицы нужны и вроде бы их хватает, все мы состоим из частиц первого поколения. Но природа зачем-то сделала ещё два поколения, вроде бы такие же частицы, с подобными свойствами, но тяжелее. Они отличаются, во-первых, тем, что имеют большую массу. Мюон подобен электрону, он ничем не отличается от электрона по своим свойствам, его называли «тяжелым электроном». Во второе поколение входят мюонное нейтрино, два кварка, c — очарованный кварк и s — странный кварк. Эти названия особого смысла не имеют, это просто ярлыки, приклеенные к типу частиц. t — top-кварк, b — bottom-кварк, так их называют в английском языке, и соответственно t-лептон и t-нейтрино. Здесь также написано, что нейтрон и протон состоят из трёх кварков, чуть-чуть разный состав. Имеется также большое количество мезонов, которые состоят из кварка и антикварка.
Кварки u, c и t, в каждом поколении «верхние», они имеют дробный электрический заряд +2/3. Кварки d, s и b имеют заряд -1/3. У всех кварков есть барионный заряд 1/3. В каждом поколении сумма электрических зарядов равна нулю, почему-то. Тот, кто создавал это все, наверное, неспроста так сделал, видите, какая красивая картина получается… Кстати, здесь написана термоядерная реакция, которая идет на Солнце, и которая является источником энергии на Земле и нас самих. Реакция протекает с участием электронного нейтрино, входящего в первое поколение.
Таким образом, именно из этих двенадцати элементарных частиц устроен весь мир.
А. С. Золкин: То есть уже твёрдо установлено, что частиц двенадцать?
С. И. Середняков: Установлено твёрдо. Это стало фактом с 1990 года, сравнительно недавно. Был поставлен специальный эксперимент по измерению числа поколений нейтрино. Здесь мы видим три поколения, но возникает совершенно законный вопрос: а может, есть четвертое поколение, пятое шестое. Почему три? Ответ — три! был получен экспериментально.
Кроме кварков и лептонов — их называют частицами материи, это жаргон — есть ещё частицы поля, переносчики взаимодействия, они здесь написаны. Это, во-первых, старый знакомый — фотон или g-квант. Дальше есть переносчики слабого взаимодействия — две очень тяжелые частицы W+, W– и Z-бозоны.
А. С. Золкин: Что значит «очень тяжелые»? С чем можно сравнить?
С. И. Середняков: Сравнить их можно так: Z-бозон в 100 раз тяжелее протона. Протон — тяжелая частица, имеет массу 1 ГэВ.
Имеются также переносчики сильного взаимодействия, глюоны, их восемь штук, но они очень подобные, поэтому можно считать один глюон — восемь разновидностей. А переносчик слабого взаимодействия Z-бозон, играет как бы роль сразу и переносчика, и частицы материи. Он распадается на все имеющиеся здесь частицы, пары uu, dd, ss и так далее. Его суммарная вероятность распада или, как говорят, ширина — пропорциональна количеству всех этих частиц. Можно довольно точно посчитать эту ширину. Когда было произведено сравнение расчета с экспериментальным результатом, то оказалось, что ширина в точности соответствует двенадцати видам частиц. То есть, больше частиц нет. Если бы это было не так, Z-бозон был бы гораздо шире. Это был, конечно, очень дорогой и трудный эксперимент. Эксперимент проводился в двух лабораториях. Первый — в лаборатории Stanford, США, Калифорния. Здесь было сделано измерение с невысокой точностью. Было найдено, что число поколений = 3 + 1. Следующий эксперимент был проведен в CERN, в Женеве, на электрон-позитронном коллайдере LEP. Тут точность была значительно выше. Это один из точных экспериментов в физике в последние годы. Сейчас число поколений составляет: 3.00 + 0.03.
Далее на (Рис.1) показаны массы кварков и лептонов. Разброс по массам составляет много порядков.
Несколько слов нужно сказать дополнительно о шкале расстояний и энергий, о системе единиц. В ФЭЧ используется очень простая система единиц: постоянная Планка и скорость света полагаются равными единице, и тогда все параметры измеряются в энергетических единицах, единственная переменная — это энергия. И в таблице, где показаны массы (Рис.1), они указываются в МэВ-ах или в ГэВ-ах. Для сравнения можно сказать, что масса электрона составляет 0,5 МэВ, масса протона — 940 МэВ. Написаны массы кварков. У кварков есть довольно сильная модельная неопределённость, чем легче кварк, тем у него менее определённая масса. Видно, что частицы первого поколения довольно лёгкие, их масса составляет несколько МэВ. Прямое измерение массы нейтрино даёт верхний предел 3 эВ. Сейчас уже практически есть полная уверенность, что нейтрино имеет массу. Масса частиц второго поколения показана уже в ГэВ-ах. Мы видим, что, например, c-кварк имеет массу 1,5 ГэВ, уже тяжелее, чем протон. Масса t-кварка — 175 ГэВ, тяжелее ядра железа, это самая тяжелая элементарная частица. Он был обнаружен, кстати, совсем недавно, в 1995 году.
Что может произойти в ФЭЧ, скажем, за год? По-видимому, действительно, ничего — все последние открытия — процесс очень длительный. Например, первые указания на массу t-кварка (150 ГэВ) появились в 1991 году. Через год или два указали массу в районе 200 ГэВ. Конечный результат был зафиксирован в 1995 году, к тому времени уже все люди знали, что с точностью 10% масса t-кварка составляет 175 ГэВ. Процесс открытия t-кварка является такой функцией по времени, что вероятность была близка к нулю в 1990 году и 100% составила в 1995 году. То есть, определённого момента обнаружения t-кварка нет.
t-кварк распадается на частицы с известной массой. Обычный способ определения массы — точное измерение импульсов частиц в магнитном поле и идентификация частиц. Эффективная масса кварка — инвариантная функция измеренных импульсов и энергий распадных частиц. В современных детекторах нужно знать измеренные импульсы частиц или энергии и тип частиц.
Теперь нужно начать разговор о видах взаимодействия. В масштабе энергий 1-10 ГэВ есть три вида взаимодействия — электромагнитное взаимодействие, слабое взаимодействие, сильное взаимодействие. Электромагнитное взаимодействие всем известно, это взаимодействие электрона и фотона. Это самая точно изученная часть ФЭЧ и эта часть называется квантовой электродинамикой (КЭД). Изучается взаимодействие электронов, мюонов и других точечных частиц с фотонами. В этой физической теории возможны расчеты с фантастической точностью, например, точность может быть 10–12. И эксперимент с такой же точностью может быть поставлен. Например, возьмем электрон. Электрон имеет аномальный магнитный момент, и этот момент составляет 10–3 от полного момента. Аномальный момент экспериментально измерен с точностью 10–8. Расчет в рамках КЭД имеет тоже примерно такую же точность, и оба этих числа согласуются. Таким образом, полный магнитный момент электрона, измеренный и расчетный, совпадает с точностью 11 знаков. Никакая другая область физики не может претендовать на столь высокую точность сравнения эксперимента и теории.
Электромагнитное взаимодействие — это обмен фотонами (Рис.2). Имеется два электрона,
| ||||||
Рис. 2. Диаграммы Фейнмана
|
||||||
они летят мимо друг друга, рассеиваются, и КЭД объясняет это так, что один из электронов излучает виртуальный фотон, фотон поглощается другим электроном или позитроном, при этом происходит обмен импульсами, в результате направления каждой из частиц синхронно изменяются. При этом все законы сохранения энергии-импульса должны выполняться. КЭД — наиболее развитая часть ФЭЧ. Те, кто поступит на кафедру ФЭЧ, на пятом курсе проходят курс КЭД. Когда я учился в НГУ, считалось, что если сдал КЭД, то все, ты уже стал физиком-элементарщиком. Это довольно тяжелый курс. Я думаю, на каждой кафедре может быть такой курс, который надо пройти, и, в принципе, не каждый может пройти. И этот курс КЭД является пороговым, очень важным.Другой вид взаимодействия — слабое взаимодействие, оно определяется современной теорией как обмен W-бозонами. По старой теории слабое взаимодействие — это просто контактное четырехфермионное взаимодействие, которое управляется постоянной Ферми. Этот вид взаимодействия определяет все радиоактивные распады, которые происходят в природе. Оно играет очень важную роль, к нему прицеплены все нейтрино.
При очень высоких энергиях слабое взаимодействие становится все более и более сильным. И при энергии 100 ГэВ его интенсивность сравнивается с интенсивностью электромагнитного взаимодействия. Далее они объединяются, и при энергии выше 100 ГэВ в системе центра масс далее мы имеем единое электрослабое взаимодействие. Физики предсказывают, что при энергии 1015 ГэВ, это фантастически большая энергия, которую даже трудно себе представить, произойдет объединение всех взаимодействий в одно.
Сильное взаимодействие — вещь более сложная. В протоне находятся три кварка. Является ли протон элементарной частицей, если он состоит уже из известных частиц? Можно ли протон считать элементарным, если известно, что в нем находятся три кварка, и он имеет размер 10–13 см? В официальных таблицах протон считается элементарной частицей, и вот по какой причине. Атом — не элементарная частица, понятно, потому что атом вы можете разделить на электрон и ядро, и отдельно иметь электроны и ядра. А вот протон вы не можете разбить на отдельные кварки. Кварки, хоть и являются элементарными частицами, тем не менее, они не могут существовать в свободном виде, так, как, например, существуют электроны. Они могут существовать только внутри частиц — протона, нейтрона, p-мезона. Это явление называется конфайнментом или пленением кварков. Что произойдет, если вы возьмете атом и начнете электрон отрывать от атома? Он оторвется, и все. А что будет, если вы возьметесь за один кварк, и будете пытаться кварк выдернуть из протона? Ничего не получится. Вернее, получится следующее: у вас в руках окажется мезон, например, p0-мезон, состоящий уже из двух кварков и тот же самый протон или нейтрон. Взаимодействие между кварками очень слабое, когда кварки находятся близко, и сильно возрастает при увеличении расстояния, как некая пружина. Можно представить себе магнит — северный и южный полюс. Что будет, если магнит делите пополам? В одной руке северный полюс, в другой южный, да? Нет, в каждой руке будет по отдельному магниту. Так же устроено и сильное взаимодействие, в котором участвуют кварки и глюоны.
Вопрос из аудитории: А почему фотона нет в списке частиц? В таблице, где все остальные частицы?
С. И. Середняков: Фотон есть. Только не в таблице кварки и лептоны, их условно называют частицами материи, по-английски particles of matter, а фотон — это переносчик поля, particle of field. Про него не забыли, ни в коем случае. Все в порядке с фотоном.
Переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны. И оказывается, если посмотреть на протон, то увидим, что кварки имеют массу несколько МэВ, а масса протона — почти 1000 МэВ. Это означает, что кварки интенсивно взаимодействуют с глюонами, и они обросли такой «шубой». Кварк сам маленький, а «шуба» у него в 100 раз больше. Кварк вместе с шубой — это примерно 300 МэВ. Понятие массы «голых» кварков — оно модельно-зависимое. В зависимости от модели может получиться разная масса. Масса непосредственно не измеряется, а извлекается из теоретических предположений. Однако для тяжелого кварка разброс меньше. Чем тяжелее кварк, тем он более похож на нормальную частицу. Системы из тяжелых кварков очень маленькие, комптоновская длина волны пропорциональна обратной массе, чем тяжелее частица, тем меньше атом из неё. А сильное взаимодействие ослабевает на маленьких расстояниях. На малых расстояниях обмен глюонами очень маленький, и кварки чувствуют себя почти как нормальные частицы с определённой массой.
Вопрос из аудитории: А каким образом узнали, что протон состоит из кварков? Или это условная модель?
С. И. Середняков: Нет, это не условность. Кварковая модель развивалась, начиная с 60-х годов, когда впервые были предложены кварки, потому что многие явления и процессы при теоретическом описании получали простейшую формулировку, если предположить, что есть три кварка, все барионы состоят из трех кварков u, d и s. Единственным соображением, из-за чего кварки долгое время не признавали, была проблема того, что их пытались увидеть в свободном виде. Если протон состоит из трех кварков, как атом состоит из электронов и ядра, то разбиваем — и должны увидеть их в свободном виде. Так люди рассуждали 20-30 лет и проводили эксперименты на ускорителях при столкновении протонов. Строились специальные детекторы: поскольку кварки имеют заряд 1/3, а ионизирующая способность пропорциональна квадрату заряда — 1/9. Должны были быть треки, у которых ионизационные потери в девять раз меньше, или если 2/3 в квадрате — в 2 раза меньше. Но не находили. И рассуждали: раз в свободном виде нет кварков, значит, их нет вообще. С другой стороны были эксперименты по глубоко неупругому рассеянию, которые говорили о том, что внутри протонов существуют точечные частицы.
Тем не менее, произошёл поворот в умах. В гипотезу кварков поверили сразу все сомневающиеся после открытия связанного состояния (чармония) двух кварков cc в 1974 году. А сейчас — кварки — общепризнанный факт.
Вопрос: о подтверждении теории.
С. И. Середняков: Было большое количество экспериментов.
В нашем институте проводились эксперименты на встречных пучках e+e– → адроны. Диаграмма Фейнмана (Рис.2) выглядит так: e–, e+, виртуальный фотон и рождаются адроны. Экспериментально было обнаружено, что зависимость сечения от энергии имеет вот такой характер (Рис.3).
| |||||||
Рис. 3. Экспериментальные данные по величине
|
|||||||
Сечение-вероятность процесса. Это было как раз в тот момент, когда были обнаружены кварки, и объяснение было таким: сначала рождаются самые легкие кварки u ,d , и s. С ростом энергии нужно ещё добавить диаграмму, когда рождаются с и c-кварки. Сечение растёт. Следующий этап — добавление диаграммы, когда рождаются b и b-кварки. Дальше соответственно должны быть t и t. Такая картина на основе кварковой системы была предсказана и измерена (Рис.3). Процесс аннигиляции в адроны — счётчик числа кварков. Эти измерения впервые были сделаны у нас в Новосибирске в 1970 году на коллайдере ВЭПП-2. Этот результат трудно объяснить другим образом.
| © 2003 С. И. Середняков |
|
