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

Otkrytie t-kvarka, otvety i novye voprosy

Do togo kak bylo polucheno vpolne opredelennoe predskazanie (9), poiski t-kvarka velis', kak govoryat, shirokim frontom i byli polucheny pryamye eksperimental'nye ogranicheniya na ego massu, naprimer, M_t > 62 GeV/c² (iz veroyatnostei raspada promezhutochnogo bozona $W^\pm$ ). Interval (9) ukazyvaet na to, chto ne sleduet iskat' raspad W⁺, poskol'ku W okazyvaetsya legche t-kvarka i, razumeetsya, ne mozhet po etomu kanalu raspadat'sya. Znachit, nado, vo-pervyh, iskat' process parnogo rozhdeniya t-kvarka i ego antikvarka pri maksimal'noi dostupnoi energii. Dlya proton-antiprotonnyh soudarenii etot process shematicheski predstavlen na risunke 3. Vo-vtoryh, bol'shaya massa (9) opredelyaet dominiruyushii kanal raspada t-kvarka:

$t \to W^+b , \bar t \to W^- \bar b$ ,

(10)

Takim obrazom, dlya poiska t-kvarka sleduet zaregistrirovat' harakternye dlya W raspady (7) i soprovozhdayushii ih b-kvark. Otlichitel'noi chertoi chastic, soderzhashih b-kvark, yavlyaetsya vremya zhizni, ravnoe primerno 1,5 $\cdot$ 10^-12 c. Netrudno ocenit' dlinu probega takih chastic do raspada:

$l \simeq 1,5 \cdot 10^{-12}c \simeq 4,5 \cdot 10{-2} sm.$

(11)

Izmerenie takih rasstoyanii v vershinnyh detektorah eksperimental'nyh ustanovok vpolne vozmozhno. Itak, posle polucheniya predskazaniya (9) poiski t-kvarka sosredotochilis' na uskoritel'noi ustanovke s maksimal'noi v nastoyashee vremya energiei 1800 GeV, raspolozhennoi v Nacional'noi uskoritel'noi laboratorii im. E. Fermi (SShA). Rezul'tatom etih poiskov i yavilos' otkrytie t-kvarka dvumya bol'shimi gruppami fizikov: CDF i D0 (po-russki chitaetsya de-nol'). Kazhdaya iz etih grupp ob'edinyaet bolee 400 fizikov iz neskol'kih desyatkov universitetov i laboratorii, v osnovnom amerikanskih. Odnako sushestvennyi vklad v rabotu vnesli takzhe fiziki iz drugih stran. V chastnosti, v sozdanii ustanovki D0 i v eksperimental'nyh issledovaniyah na nei znachitel'naya dolya truda rossiiskih fizikov iz Instituta fiziki vysokih energii (Protvino) i iz Moskovskogo universiteta.

Ris. 3. Shematicheskoe izobrazhenie processa rozhdeniya pary kvarkov $t\bar t$ . Shtrihovaya liniya sootvetstvuet obmenu glyuonom.

Osnovnaya trudnost' poiskov t-kvarkov zaklyuchalas' v vydelenii iskomogo redkogo processa iz ogromnogo fona obychnyh processov mnozhestvennogo rozhdeniya legkih chastic. V rezul'tate napryazhennoi raboty, zanyavshei neskol'ko let, i byli naideny pervye tverdo ustanovlennye sobytiya rozhdeniya i raspada t- i $\bar t$ -kvarkov. Chislo sobytii v kazhdom eksperimente ne prevyshaet dvuh desyatkov, odnako sam effekt sushestvovaniya novogo kvarka yavlyaetsya dokazannym. Dostignutaya tochnost' opredeleniya massy eshe ne ochen' vysoka i sostavlyaet

M_t = (176 $\pm$ 13) GeV/c² (CDF);
M_t = (199 $\pm$ 30) GeV/c² (D0).

(12)

Sravnivaya eti rezul'taty s predskazaniem (9), my ubezhdaemsya v horoshem soglasii, osobenno s bolee tochnym rezul'tatom gruppy CDF. Takim obrazom, otkrytie samoi tyazheloi iz izvestnyh nam chastic sostoyalos' v tochnom sootvetstvii s predskazaniem ee massy. Eto eshe raz pokazyvaet, chto my pravil'no ponimaem osnovnye zakonomernosti fiziki elementarnyh chastic, fiziki mikromira. Odnako, kak vsegda byvaet, novoe otkrytie, novoe dostizhenie porozhdaet i novye voprosy. Okazalos', chto nablyudavshayasya veroyatnost' rozhdeniya pary v processe, predstavlennom na ris. 3, neskol'ko bol'she, chem raschetnaya. Tochnost' izmereniya etoi veroyatnosti, ili secheniya rozhdeniya t-kvarkov v proton-antiprotonnyh stolknoveniyah v etih pervyh eksperimentah eshe ne vysoka i poetomu fakt rashozhdeniya opyta s teoriei ne yavlyaetsya okonchatel'no ustanovlennym. Prevyshenie eksperimental'no izmerennoi velichiny nad teoreticheskoi proyavlyaetsya v oboih eksperimentah i uzhe vyzyvaet ser'eznye voprosy o prichinah etogo yavleniya. Vozmozhno, zdes' proyavlyayutsya novye, neizvestnye poka svoistva t-kvarka, otlichayushie ego ot legkih kvarkov. I eshe v odnom yavlenii nablyudaetsya rashozhdenie teorii s eksperimentom, svyazannoe, vozmozhno, s neobychnymi svoistvami t-kvarkov. Rech' idet o raspade promezhutochnogo bozona $Z \to b\bar b$ , odnom iz kanalov (4). Kak vidno iz (1), b-kvark vhodit v odnu paru s t-kvarkom, poetomu vzaimnoe vliyanie ih drug na druga yavlyaetsya maksimal'no vozmozhnym. Razumeetsya, samym maksimal'nym obrazom neobychnost' t-kvarka proyavilas' by v raspade $Z \to t\bar t$ , esli by on osushestvlyalsya. No udvoennaya massa t-kvarka namnogo prevyshaet massu Z, i takoi raspad nevozmozhen. Poetomu my mozhem rasschityvat' na proyavleniya svoistv t-kvarka na drugie processy za schet popravok teorii vozmushenii. Itak, o raspade $Z \to b\bar b$ . Otnoshenie veroyatnosti etogo raspada k summarnoi veroyatnosti raspada Z po vsem adronnym kanalam oboznachaetsya R_b i yavlyaetsya velichinoi, kotoruyu, s odnoi storony, mozhno s vysokoi tochnost'yu rasschitat' teoreticheski, a, s drugoi storony, s vysokoi tochnost'yu izmerit' eksperimental'no. Poslednee obstoyatel'stvo naibolee vazhno i svyazano s tem, chto registraciya probegov b-chastic (11) v vershinnyh detektorah ustanovok pozvolyaet nadezhno otdelyat' izuchaemye sobytiya ot fonovyh, dobivayas' sushestvennogo umen'sheniya eksperimental'nyh pogreshnostei v izmerenii intensivnosti etogo processa:

R_{b (eksp)} = 0,2219 $\pm$ 0,0016

(13)

pri R_{b (rasch.)} = 0,2157. Otlichie eksperimental'nogo znacheniya ot teoreticheskogo namnogo prevoshodit vozmozhnye oshibki eksperimenta (na yazyke matematicheskoi statistiki ono sostavlyaet pochti chetyre standartnyh otkloneniya). Etot rezul'tat vyzyvaet obosnovannuyu obespokoennost' fizikov. Poluchaetsya, chto prakticheski odnovremenno s otkrytiem t-kvarka obnaruzheny yavleniya, vozmozhno, svidetel'stvuyushie o novyh, neobychnyh ego svoistvah. Izuchaetsya variant teorii, v kotorom t-kvark, v otlichie ot bolee legkih kvarkov, imeet dopolnitel'noe vzaimodeistvie s elektromagnitnym polem, kotoroe svyazano s proishozhdeniem ego bol'shoi massy, privodyashee, s odnoi storony, k dopolnitel'nomu rozhdeniyu t-kvarkov v processe, sootvetstvuyushem ris.3, a, s drugoi storony, uvelichivayushee znachenie R_b . Raschety pokazyvayut, chto utochnenie teorii uchetom dopolnitel'nogo vzaimodeistviya vedet k sblizheniyu ee rezul'tatov s eksperimental'nymi dannymi. Predlagayutsya, estestvenno, i drugie ob'yasneniya effektov, kotorye my tol'ko chto obsudili. Po-vidimomu, v blizhaishie gody sovokupnye usiliya fizikov pozvolyat naiti pravil'noe ob'yasnenie etim yavleniyam. Tak ili inache, obstoyatel'stva otkrytiya t-kvarka i odnovremennogo vozniknoveniya novyh problem, kotorye, v svoyu ochered', razreshayutsya v rezul'tate dal'neishih nauchnyh issledovanii, yavlyayutsya yarkoi illyustraciei togo, kak zhivet i razvivaetsya nauka.

Zaklyuchenie

V dannoi stat'e opisano nedavnee yarkoe otkrytie v fizike elementarnyh chastic. Odnako nauchnaya deyatel'nost' nikoim obrazom ne sostoit iz odnih otkrytii. Razvitie nauki proishodit za schet povsednevnoi, kropotlivoi raboty, kotoraya, na pervyi vzglyad, ne imeet nichego obshego s romantikoi otkrytii. Odni starayutsya s maksimal'noi tochnost'yu vychislit' kakoi-nibud' effekt, drugie - potochnee ego izmerit'. Chashe vsego eti dva metoda dayut soglasuyushiesya rezul'taty. Odnako tem bol'shii interes vyzyvayut nebol'shie, no tverdo ustanovlennye otkloneniya vychislenii ot opyta. Tak bylo v sluchae s vozmusheniyami dvizheniya planety Uran, chto privelo v 1846 godu k otkrytiyu novoi planety Neptun. Tak bylo s malymi popravkami k raspadam promezhutochnogo bozona Z, izuchenie kotoryh privelo k predskazaniyu massy t-kvarka, blestyashe podtverdivshemusya v 1995 godu. Vozmozhno, chto-to podobnoe proizoidet i s malymi otkloneniyami v raspade $Z \to b\bar b$ .

Literatura

Nambu E. Kvarki. M.: Mir, 1984.
Okun' L.B. Leptony i kvarki. M.: Nauka, 1982.

Nazad

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