Astronet > Otkrytie samoi tyazheloi elementarnoi chasticy

po tekstam po klyuchevym slovam v glossarii po saitam perevod po katalogu

Otkrytie samoi tyazheloi elementarnoi chasticy

B.A.Arbuzov (Moskovskii gosudarstvennyi universitet im. M.V. Lomonosova)
Opublikovano v Sorosovskom obrazovatel'nom zhurnale, N 9, 1996 g. Soderzhanie

Elektroslaboe vzaimodeistvie

Elektroslaboe vzaimodeistvie ob'edinyaet elektromagnitnoe i slaboe vzaimodeistviya v ramkah edinogo opisaniya. Elektromagnitnye vzaimodeistviya sootvetstvuyut shirokomu krugu yavlenii, svyazannomu s elektromagnitnym polem. Eto i zakon Kulona, i magnitnye yavleniya, i elektromagnitnye volny (fotony). Na protyazhenii poslednih desyatiletii vyyasnilos', chto slabye vzaimodeistviya, privodyashie k raspadam mnogih chastic, v sil'noi stepeni podobny elektromagnitnym, no privodyat k silam, kotorye v otlichie ot dal'nodeistvuyushih kulonovyh yavlyayutsya korotkodeistvuyushimi. Korotkodeistvie oznachaet, chto chasticy, sootvetstvuyushie polyam, osushestvlyayushim perenos vzaimodeistvii, imeyut massu ne nulevuyu, kak fotony, a opredelennuyu, prichem dovol'no bol'shuyu.

Togda vmesto zakona Kulona dlya potenciala, naprimer, mezhdu dvumya leptonami, my imeem zakon Yukavy:

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

zdes' M - massa chasticy i g - sootvetstvuyushii polyu zaryad, kotoryi neset na sebe lepton, c - skorost' sveta i $\hbar$ = 1,054513 Dzh * s - postoyannaya Planka. Vsego takih massivnyh chastic imeetsya tri: dve elektricheski zaryazhennye W⁺ i $W^-$ i neitral'naya Z⁰. Ob'edinennuyu teoriyu, opisyvayushuyu vzaimodeistviya W⁺, $W^-$ , Z⁰ i fotona $\gamma$ mezhdu soboi i s kvarkami i leptonami, predlozhili v 1967 godu S. Vainberg (SShA) i A. Salam (Pakistan); sm., naprimer, [Okun' L.B., 1982]. Osnovnye cherty teorii, kotorye ponadobyatsya nam v dal'neishem izlozhenii, sostoyat v sleduyushem. Chasticy W⁺, $W^-$ , Z⁰, nazyvaemye promezhutochnymi bozonami, imeyut massy, znacheniya kotoryh opredelyayutsya eksperimental'no nablyudaemymi velichinami: vremenem zhizni myuona (napomnim, chto slaboe vzaimodeistvie kak raz i privodit k raspadam chastic), elementarnym elektricheskim zaryadom e i intensivnost'yu vzaimodeistviya neitrino s veshestvom. K seredine semidesyatyh godov utochnenie opytov po izmereniyu poslednei velichiny privelo k predskazaniyu mass dlya zaryazhennyh chastic W⁺ i $W^-$ i dlya neitral'noi Z⁰:

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

(3)

Poyasnim smysl edinicy massy, kotoraya zdes' ispol'zovana: GeV = 10⁹ eV, a elektronvol't (eV) est' izvestnaya (vnesistemnaya) edinica energii, ravnaya energii, priobretaemoi odnim elektronom pri prohozhdenii raznosti potencialov 1 V. Pol'zuyas' znamenitym sootnosheniem E = Mc², my svyazyvaem edinicu energii s massoi. Dalee, vzaimodeistvie ustroeno tak, chto neitral'nyi promezhutochnyi bozon Z⁰ mozhet perehodit' v pary kvark-antikvark i lepton-antilepton, a eti pary v svoyu ochered' mogut ob'edinyat'sya v Z⁰. Idut, naprimer, takie processy:

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

(4)

gde mnogotochiem my oboznachili pary drugih leptonov i kvarkov, kotorye privedeny v formulah (1). Zaryazhennye promezhutochnye bozony $W^\pm$ takim zhe obrazom vzaimodeistvuyut v obe storony s parami kvark-antikvark i lepton-antilepton, imeyushimi summarnyi zaryad $\pm{e}$ :

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

(5)

Na samom dele, znaya nabor elementarnyh chastic (1), mozhno poluchit' perehody (4) i (5), poskol'ku nam nado tol'ko znat', chto v perehodah uchastvuyut chasticy, prinadlezhashie nekotoroi odnoi pare, pri etom nuzhno sledit', chtoby sohranyalsya elektricheskii zaryad. S nebol'shoi intensivnost'yu vozmozhny perehody mezhdu kvarkami iz raznyh par, no my ne budem obsuzhdat' zdes' etot malyi effekt. Teoriya byla sozdana, ona horosho opisala izvestnye fakty, no promezhutochnye bozony $W^\pm$ i Z⁰ poka ne byli eksperimental'no zaregistrirovany. Dlya togo chtoby porodit' chasticy s takimi bol'shimi massami (predskazannaya massa $W^\pm$ , naprimer, v 85,5 raz bol'she massy protona), nuzhno stolknut' protony s ochen' vysokoi energiei. Takih energii ne bylo v rasporyazhenii fizikov vo vremya sozdaniya elektroslaboi teorii. Esli, naprimer, my ustroim stolknovenie protonnogo i antiprotonnogo puchkov, v kazhdom iz kotoryh energiya chasticy ravna E, to summarnaya energiya stolknoveniya budet 2E. Pri uslovii 2E > Mc² chastica s massoi M mozhet byt' rozhdena v etom stolknovenii. Kak govoryat, v etom sluchae energii hvataet na realizaciyu izuchaemogo yavleniya. Rassmotrim process

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

gde pod X ponimaetsya nabor vsevozmozhnyh sostoyanii, naprimer, $\bar pn, p\bar p \pi^-$ Kak v reakcii (6) mozhet poyavit'sya $W^\pm$ ? Process proillyustrirovan na risunke 2. Pri etom kvark u iz protona i antikvark iz antiprotona slivayutsya v W⁺ soglasno odnomu iz elementarnyh processov nabora (5). Analogichnym obrazom pary ili mogut dat' pri sliyanii neitral'nyi promezhutochnyi bozon Z⁰. No kak uvidet' rozhdenie $W^\pm$ ili Z⁰? Ved' eti chasticy za schet perehodov (4) i (5) bystro raspadayutsya. Sredi kanalov raspada $W^\pm$ , soglasno (5), est', naprimer, takie:

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

(7)

Pozitron ili polozhitel'no zaryazhennyi myuon s vysokoi effektivnost'yu mozhet byt' zaregistrirovan eksperimental'noi apparaturoi, i eto budet sluzhit' metkoi rozhdeniya $W^\pm$ . Neitrino pri etom uletayut, ne ostavlyaya sleda, i unosyat znachitel'nuyu dolyu energii.

Ris. 2. Shematicheskoe izobrazhenie processa rozhdeniya promezhutochnogo bozona W v proton-antiprotonnom stolknovenii. Kvarki u i $\bar d$ slivayutsya v W⁺.

Chto kasaetsya Z⁰, to zdes' polozhenie eshe luchshe. Ved' soglasno (4) idut raspady

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

(8)

Takim obrazom, nuzhno zaregistrirovat' pary polozhitel'no i otricatel'no zaryazhennyh leptonov, obrazuyushihsya v raspadah (8). Itak, dlya obnaruzheniya tyazhelyh promezhutochnyh bozonov $W^\pm$ i Z⁰ nuzhno bylo imet' vstrechnye puchki protonov i antiprotonov s dostatochno vysokimi energiyami i apparaturu dlya nadezhnoi registracii vysokoenergichnyh elektronov i myuonov. Takaya zadacha byla postavlena v seredine 70-h godov i realizovana k 1983 godu v Evropeiskom centre yadernyh issledovanii (russkoe nazvanie CERN ot francuzskogo CERN) v Zheneve bol'shim kollektivom fizikov, liderom kotorogo byl K. Rubbia (Italiya). Puchki protonov i antiprotonov s energiyami 270 GeV kazhdyi pozvolili zaregistrirovat' pervye neskol'ko desyatkov sluchaev rozhdeniya $W^\pm$ i Z⁰ i ih raspada po kanalam (7) i (8). Massy ih okazalis' v soglasii s predskazaniyami (2). Eto bylo zamechatel'noe otkrytie, kotoroe, po sushestvu, dokazalo pravil'nost' predstavlenii o prirode elementarnyh vzaimodeistvii. Promezhutochnye bozony W i Z stali samymi tyazhelymi iz izvestnyh chastic, naprimer, massa Z v 97 raz bol'she massy protona.

Tochnoe izuchenie elektroslabyh vzaimodeistvii

Posle otkrytiya tyazhelyh promezhutochnyh bozonov poshla rabota po planomernomu izucheniyu novyh yavlenii. Tochnost' eksperimentov uluchshilas'. Na kachestvenno novyi uroven' vyshli issledovaniya, kogda byli vvedeny v stroi vstrechnye puchki elektronov i pozitronov v CERN s energiyami, dostatochnymi dlya rezonansnogo rozhdeniya Z⁰. A imenno, energii kazhdogo puchka 45,51 GeV, skladyvayas', dayut tochno Mc² dlya Z⁰-chasticy. A eto znachit, chto elektrony i pozitrony iz etih puchkov s ochen' bol'shoi veroyatnost'yu slivayutsya v Z⁰-chasticu, kotoraya zatem raspadaetsya po odnomu iz vozmozhnyh kanalov. Izuchaya kanaly raspada Z⁰, my ubezhdaemsya v tom, chto perehody (4) deistvitel'no osushestvlyayutsya s predskazannoi intensivnost'yu. Dal'neishee povyshenie tochnosti pozvolilo reshit' eshe bolee slozhnye zadachi. Delo v tom, chto, kogda my nachinaem vychislyat' effekty s vysokoi tochnost'yu, otdel'nye kanaly perehodov v (4) nachinayut vliyat' drug na druga. Naprimer, promezhutochnyi Z-bozon mozhet pereiti, kak govoryat, v virtual'nuyu paru $t \bar t$ , kotoraya v svoyu ochered' (prakticheski mgnovenno) mozhet opyat' slit'sya v Z, kotoryi raspadetsya na nekotoroe nablyudaemoe sostoyanie. Metod ucheta takih "petlevyh" popravok nazyvaetsya teoriei vozmushenii. Kstati, etot termin prishel iz astronomii, gde on oznachaet metod tochnogo vychisleniya orbit planet s uchetom vliyaniya prityazheniya ne tol'ko Solnca, no i drugih planet. Deistvitel'no, osnovnye dvizheniya planety, naprimer Urana, opredelyayutsya po zakonu vsemirnogo tyagoteniya N'yutona prityazheniem Solnca i sootvetstvuyut zakonam Keplera. Odnako drugie planety takzhe prityagivayut Uran i tem samym izmenyayut, "vozmushayut" ego dvizhenie po orbite. Posledovatel'nyi uchet takogo vliyaniya i poluchil nazvanie teorii vozmushenii. Imenno s pomosh'yu teorii vozmushenii i byli provedeny raschety, predskazavshie mesto, gde nado iskat' novuyu planetu Neptun i priblizitel'noe znachenie ee massy. Proslezhivaetsya yarkaya analogiya s vliyaniem novogo, neotkrytogo t-kvarka na nablyudaemye processy, v chastnosti v raspadah promezhutochnogo bozona Z. Teoriya vozmushenii zdes' takzhe uchityvaet, kak sushestvovanie t-kvarka vliyaet na veroyatnosti izmeryaemyh processov i na ih harakteristiki. Kolichestvenno eto vliyanie zavisit ot velichiny massy t-kvarka i ot intensivnosti ego vzaimodeistviya. Intensivnost' predskazyvaetsya teoriei (kak sila tyazhesti), a massa opredelyaetsya iz sootvetstviya vychislennyh malyh vozmushenii s izmerennymi effektami (tochno tak zhe, kak i v sluchae dvizheniya planet). Na protyazhenii neskol'kih poslednih let byli provedeny ochen' tochnye eksperimental'nye issledovaniya raspadov promezhutochnogo bozona Z⁰. Poluchennaya tochnost' pozvolila izmerit' malye vozmusheniya za schet petlevyh popravok. Sredi nih vazhnoe znachenie imeyut popravki, proporcional'nye kvadratu massy t-kvarka M_t². Sravnenie vychislenii s opytom pozvolilo opredelit' interval vozmozhnyh znachenii massy t-kvarka:

M_t = ( $169_{-27}^{+23}$ )GeV/c²

(9)

Takim obrazom, predskazany usloviya, kotorye neobhodimo vypolnit' dlya otkrytiya t-kvarka. Tak zhe kak i planeta Neptun, t-kvark okazalsya "na konchike pera".

Nazad | Vpered

Publikacii s klyuchevymi slovami: elementarnye chasticy - kvarki - t-kvark Publikacii so slovami: elementarnye chasticy - kvarki - t-kvark
Sm. takzhe: Bozon Higgsa: ob'yasnenie v komikse Svyaz' kvarkov s kosmosom: dvenadcat' nauchnyh voprosov dlya novogo veka Publichnaya lekciya laureata Nobelevskoi premii: Rozhdenie tvorcheskih idei Evolyuciya vselennoi Leptony Elementarnye chasticy Ee zvali Iks Vse publikacii na tu zhe temu >>

Obsudit' etu publikaciyu

Versiya dlya pechati

Astrometriya - Astronomicheskie instrumenty - Astronomicheskoe obrazovanie - Astrofizika - Istoriya astronomii - Kosmonavtika, issledovanie kosmosa - Lyubitel'skaya astronomiya - Planety i Solnechnaya sistema - Solnce