| Oglavlenie | Otkrytie t-kvarka >>
Fizika elementarnyh chastic i t-kvark
("Otkrytie t-kvarka" Donal'da Perkinsa
v perevode i s kommentariyami N.Nikitina)
Oglavlenie
- Vstupitel'noe slovo perevodchika
- D.Perkins "Otkrytie t-kvarka"
- Kommentarii perevodchika
- Literatura
- Polnyi tekst stat'i v postscript-formate (3.4M)
- Polnyi tekst stat'i v upakovannom vide (1.1M)
Vstupitel'noe slovo perevodchika
Dannoe vstupitel'noe slovo raschitano na nespecialistov. V nem kratko obrisovvyvayutsya kontury sovremennoi fiziki vysokih energii i dayutsya otvety na nekotorye rasprostranennye voprosy, voznikayushie u lyubitelei nauki pri pervom znakomstve s kvantovoi teoriei. Podgotovlennyi chitatel' mozhet propustit' vstupitel'noe slovo i srazu pereiti k chteniyu stat'i Donal'da Perkinsa "Otkrytie t-kvarka". A chitatel', znakomyi s metodami kvantovoi teorii polya, sposoben ponyat' i ne tol'ko vse napisannoe D.Perkinsom, no i dopolnitel'nye vychisleniya, privedennye v razdele "Kommentarii perevodchika".
Istoriya issledovaniya elementarnyh chastic i fundamental'nyh vzaimodeistvii naschityvaet bolee dvuh s polovinoi tysyach let i voshodit k ideyam drevnegrecheskih naturfilosofov o stroenii Mira. Odnako ser'eznaya nauchnaya razrabotka dannogo voprosa nachalas' tol'ko v konce XIX-go veka. V 1897 godu vydayushiisya angliiskii fizik-eksperimentator Dzh.Dzh.Tomson opredelil otnoshenie zaryada elektrona k ego masse. Tem samym, elektron okonchatel'no obrel status real'nogo fizicheskogo ob'ekta i stal pervoi izvestnoi elementarnoi chasticei v istorii chelovechestva.
Za sto s nebol'shim let fiziki proveli tysyachi slozhneishih i tochneishih eksperimentov, prizvannyh otyskat' drugie elementarnye chasticy i vyyavit' fundamental'nye vzaimodeistviya mezhdu nimi. Rezul'taty eksperimentov ob'yasnyalis' seriei posledovatel'no smenyavshih drug druga teorii. Poslednyaya v ih ryadu - Standartnaya model' vzaimodeistviya elementarnyh chastic (SM), vklyuchayushaya v sebya minimal'nuyu model' elektroslabogo vzaimodeistviya Gleshou-Vainberga-Salama i Kvantovuyu hromodinamiku (KHD). Mozhno skazat', chto na segodnyashnii den' imenno SM yavlyaetsya real'nym itogom mnogoletnei raboty soten tysyach lyudei ot "vysokolobyh" teoretikov do prostyh inzhenerov i laborantov. Shemu SM mozhno ulozhit' v neskol'ko abzacev.
Na segodnyashnii den' schitaetsya, chto v Mire sushestvuyut tri fundamental'nyh vzaimodeistviya. Eto gravitacionnoe, elektroslaboe i sil'noe. Pri energiyah mnogo men'shih, chem primerno 90 GeV (1 GeV, t.e. 1 Gigaelektronvol't = 109 elektronvol't), elektroslaboe vzaimodeistvie "rassheplyaetsya" na dva: horosho vsem znakomoe elektromagnitnoe i proyavlyayusheesya tol'ko v mire elementarnyh chastic slaboe vzaimodeistvie. Zametim, chto sil'noe vzaimodeistvie, analogichno slabomu, proyavlyaetsya isklyuchitel'no v mikromire. Eto svyazano s tem, chto slaboe i sil'noe vzaimodeistviya obladayut konechnymi i ves'ma malymi radiusami deistviya poryadka 10-16 sm i 10-13 sm, sootvetstvenno. Radiusy deistviya gravitacionnogo i elektromagnitnogo vzaimodeistvii - beskonechny, a potomu gravitaciya i elektromagnetizm proyavlyayut sebya na makroskopicheskom urovne. Odnako v mikromire vo vsem diapazone energii, dostupnyh dlya eksperimental'nogo izucheniya, gravitaciya slaba i eyu mozhno prenebrech'.
Poyavlenie elektroslabogo vzaimodeistviya ne dolzhno udivlyat' chitatelei. V techenii vsei svoei istorii fizika dvigaetsya v napravlenii ob'edineniya vzaimodeistvii. N'yuton - pervyi, kto poshel po puti otyskaniya universal'nyh fundamental'nyi fizicheskih zakonov. Zakon vsemirnogo tyagoteniya vpervye prodemonstriroval, chto dva schitavshihsya rannee principial'no razlichnymi dvizheniya: dvizhenie planet po nebu i dvizhenie tel pod deistviem sily tyazhesti u poverhnosti Zemli nuzhno rassmatrivat' s edinyh pozicii. Primerno cherez 150 let D.K.Maksvell pokazal, chto elektricheskie i magnitnye yavleniya sut' dve storony universal'nogo elektromagnitnogo vzaimodeistviya. Fiziki XX-go stoletiya, sredi kotoryh osobenno stoit vydelit' Sh.Gleshou, S.Vainberga, A.Salama i K.Rubbia, teoreticheski i eksperimental'no dokazali, chto vzaimodeistviya stol' raznoi prirody kak slaboe i elektromagnitnoe na samom dele pri dostatochno vysokih energiyah imeyut edinuyu osnovu. Lyubaya teoreticheskaya shema ob'edineniya vzaimodeistvii privnosit v fiziku novye koncepcii i vlechet netrivial'nye eksperimental'nye predskazaniya. Imenno podtverzhdenie poslednih v mnogochislennyh opytah vedet k priznaniyu toi ili inoi "ob'edinitel'noi teorii".
Vozmozhno li, chto s povysheniem maksimal'no dostizhimyh energii uskoritelei elementarnyh chastic uchenye obnaruzhat, chto ostavshiesya tri vzaimodeistviya svodyatsya k men'shemu chislu eshe bolee fundamental'nyh vzaimodeistvii? Teoretiki absolyuno uvereny v polozhitel'nom otvete na dannyi vopros. Predlozhen celyi ryad scenariev podobnogo ob'edineniya (naprimer, teorii velikogo ob'edineniya i supersimmetrichnye teorii). Odnako poka net yasnosti, na kakom masshabe energii dostigaetsya novaya stadiya ob'edineniya i budet li dostupen etot masshtab dlya eksperimenal'noi proverki v XXI-om veke. Mozhet vozniknut' inoi vopros, a ne otkroyut li fiziki novoe fundamental'noe vzaimodeistvie, principial'no otlichnoe ot vseh vysheperechislennyh? S odnoi storony, zksperimenty po obnaruzheniyu tak nazyvaemoi "pyatoi sily" (esli chetyr'mya horosho ustanovlennymi schitat' gravitacionnye, elektromagnitnye, sil'nye i slabye sily) stavyatsya postoyanno, no poka ni odin iz nih ne privel k polozhitel'nomu rezul'tatu. S drugoi - nikto ne dokazal, chto "pyataya sila" principial'no ne mozhet sushestvovat' v prirode.
Na mikroskopicheskom urovne vse fundamenal'nye vzaimodeistviya
peredayusya pri pomoshi posrednikov - polei kalibrovochnyh bozonov.
Bozony - potomu, chto associirovannye s rassmatrivaemymi polyami
chasticy podchinyayutsya statistike Boze-Einshteina, to est' imeyut
celyi spin. Perenoschik elektromagnetizma - foton (
) - imeet
spin ravnyi edinice. Perenoschiki slabogo vzaimodeistviya elektricheski
neitral'nyi 
- bozon i elektricheski zaryazhennye 
- bozony,
a takzhe perenoschiki sil'nogo vzaimodeistviya (
) - glyuony, analogichno
fotonu imeyut spin, ravnyi edinice . Eti chasticy otkryty eksperimental'no,
ih svoistva horosho izucheny. Schitaetsya, chto perenoschik gravitacionnogo
vzaimodeistviya - graviton - imeet spin, ravnyi dvum. Graviton do sih
por ne obnaruzhen i, skoree vsego, ne budet obnaruzhen eshe ochen'
dolgo. Slovo "kalibrovochnyi" ukazyvaet na teoreticheskii priem,
ispol'zuya kotoryi, perenoschiki fundamental'nyh vzaimodeistvii
vvodyatsya v teoriyu. Dazhe kachestvennoe obsuzhdenie dannogo priema
daleko vyhodit za ramki predisloviya.
Chitatelya ne dolzhen smushat' i tot fakt, chto fiziki postoyanno govoryat o polyah i chasticah kak o chem-to vzaimozamenyaemom, bolee togo, ekvivalentnom. Deistvitel'no, v klassicheskih teoriyah chasticy i polya sut' sovershenno raznye fizicheskie ob'ekty. Naprimer, elektromagnitnoe pole i al'fa-chastica. V kvantovoi teorii oba ponyatiya poluchayut estestvennoe obobshenie, voshodyashee k principu korpuskulyarno-volnovogo dualizma Lui de Broilya. Lyubaya mikrochastica opisyvaetsya volnovoi funkciei (ili polem), kotoraya, v svoyu ochered', (vtorichno) kvantuetsya v terminah operatorov rozhdeniya i unichtozheniya kvantov etogo polya, to est' v terminah rozhdeniya i unichtozheniya chastic. Odnim iz pervyh podobnyi podhod v 20-h godah XX-go veka byl predlozhen otechestvennym fizikom-teoretikom V.A.Fokom.
U mnogih studentov mladshih kursov i u "zdravomyslyashih" lyudei, ne imeyushih dela s mikromirom, voznikaet estestvennoe neponimanie, kak eto mozhet byt', chto odna i tazhe mikrochastica v nekotoryh eksperimental'nyh situaciyah vedet sebya podobno volne, a v nekotoryh - podobno chastice? Podsoznatel'no hochetsya imet' nekuyu naglyadnuyu kartinku stol' strannogo povedeniya. Popytaemsya narisovat' odin iz vozmozhnyh variantov takoi kartinki.
Predpolozhim, chto zhiteli ploskosti hotyat opisat' rezul'taty issledovanii trehmernogo kuba, polovina granei kotorogo - zelenye, a polovina - krasnye. U ploskih uchenyh v nalichii imeyutsya lish' dvumernye pribory, a v kachestve ponyatiinogo apparata ispol'zuetsya dvumernaya geometriya Evklida. Kub v dannom primere igraet rol' naglyadnogo obraza mikrochasticy. Kub ne zelenyi, ne krasnyi i ne ploskii. On cel'nyi trehmernyi ob'ekt s shest'yu granyami raznogo cveta. Kak zhe mogut sebe predstavit' kub dvumernye uchenye? Po ih mneniyu, issleduemyi ob'ekt est' sovokupnost' kvadratov, imeyushih to strannoe svoistvo, chto v zavisimosti ot postanovki eksperimenta kvadrat stanovitsya to krasnym, to zelenym, no nikogda ne krasno-zelenym ili zeleno-krasnym. Na osnove svoih eksperimentov ploskie uchenye mogut sozdat' "kvantovuyu mehaniku" trehmernogo cvetnogo kuba, kotoraya v kachestve sushestvennogo elementa budet opirat'sya na princip "krasno-zelenogo dualizma". Vzaimodeistvie kuba s ploskost'yu dvumernye uchenye vpolne mogut opisyvat' pri pomoshi "volnovoi funkcii kuba", kotoraya reduciruetsya posle vzaimodeistviya libo k zelenomu, libo k krasnomu kvadratu. Perehodya ot kubov i ploskostei k real'nym mikrochasticam, mozhno skazat', chto lyubaya mikrochastica obladaet cel'nym svoistvom "mikrochastichnosti", dlya opisaniya kotorogo my - zhiteli sugubo makroskopicheskogo mira - vynuzhdeny nekim neprotivorechivym obrazom manipulirovat' isklyuchitel'no makroskopicheskim ponyatiem (drugih ne imeem i ne vosprinimaem!) plotnosti veroyatnosti, krainimi proyavleniyami kotorogo v koordinatnom predstavlenii yavlyayutsya makroskopicheskie ponyatiya volny i korpuskuly. Ochevidno, chto predstavlennaya naglyadnaya kartinka stradaet ryadom defektov. Predlagayu chitatelyam samostoyatel'no pridumat' bolee korrektnyi primer.
Pomimo kalibrovochnyh bozonov sushestvuet celyi nabor fundamental'nyh
fermionov, kotorye na segodnyashnii den' schitayutsya elementarnymi. Eto
predpolozhenie ne protivorechit sovokupnosti vseh eksperimental'nyh
dannyh. Fundamental'nye fermiony imeyut polucelyi spin, ravnyi
odnoi vtoroi, i delyatsya na dve gruppy. K pervoi gruppe otnosyatsya
leptony. Eti chasticy ne uchastvuyut v sil'nom vzaimodeistvii. Leptonami
yavlyayutsya elektron (
), myuon (
), tau-lepton (
)
i sootvetstvuyushie im neitrino treh tipov: elektronnoe neitrino
(
), myuonnoe neitrino (
) i tau-leptonnoe neitrino
(
). Ne vyzyvaet somnenii, chto elektron, myuon i tau-lepton
imeyut massy. Chto kasaetsya mass neitrino, to tol'ko v 2001 godu
polucheny opredelennye dokazatel'stva ih sushestvovaniya na Neitrinnoi
observatorii Sadberi (Kanada). Vtoruyu gruppu fundamental'nyh fermionov
obrazuyut kvarki. Oni uchastvuyut vo vseh vzaimodeistviyah, vklyuchaya
sil'noe. Fizikam izvestno shest' tipov ili, inache, aromatov kvarkov:
- verhnii (up), 
- nizhnii (down), 
- strannyi (strange),
- ocharovatel'nyi (charm), 
- prelestnyi ili snova nizhnii (beauty ili bottom) i
opyat' verhnii 
- (top). Kvarki perechesleny v poryadke vozrastaniya
ih massy. Risunok 1 v naglyadnoi forme predstavlyaet
nabor bazovyh chastic Standartnoi modeli. V nastoyashee vremya vse
eksperimental'no otkrytye chasticy, otlichnye ot leptonov i kalibrovochnyh
bozonov, sostoyat iz kvarkov i glyuonov. Eti sostavnye chasticy nosyat
nazvanie adronov. Naibolee izvestnye adrony - proton i neitron.
Proton i neitron v ramkah naivnoi kvarkovoi modeli sostoyat iz
i -kvarkov. Iz protona, neitrona i elektrona sostoit
pochti vsya materiya vo Vselennoi. Ostal'nye adrony, kvarki i
leptony prisutstvuyut v Prirode v ves'ma malyh kolichestvah.
Fiziki obychno poluchayut dannye chasticy na uskoritelyah, registriruyut
v kosmicheskih luchah ili v rezul'tate radioaktivnyh raspadov.
 |
Ris. 1. Kvarki, leptony i kalibrovochnye bozony. Vse chasticy Standartnoi modeli, isklyuchaya bozon Higgsa. Kvarki i leptony razbity na tri pokoleniya, sootvetstvuyushie pervym trem stolbcam na risunke. Imenno tak fundamental'nye fermiony vhodyat v lagranzhian Standartnoi modeli. |
Osobnyakom v mire fundamental'nyh chastic stoit bozon Higgsa. Eta
chastica, po sovremennym teoreticheskim predstavleniyam, neobhodima
dlya generacii mass vseh kvarkov, leptonov i treh kalibrovochnyh
bozonov 
, 
i . V nekotoryh teoriyah prisutstvuet ne
odna chastica Higgsa, a neskol'ko. V prosteishem zhe sluchae imeetsya
odin elektricheski neitral'nyi bozon Higgsa. Bozony Higgsa
eksperimental'no ne obnaruzheny. Vozmozhno, ih voobshe ne sushestvuet
v prirode. Po krainei mere, posle neudachnyh poiskov bozona Higgsa
na elektron-pozitronnom kollaidere LEP, podobnaya gipoteza
priobretaet vse bol'shee i bol'shee chislo storonnikov. Est' nadezhda,
chto s vvodom v stroi kollaiderov novogo pokoleniya, takih kak
proton-protonnyi kollaider LHC v CERNe ili elektron-pozitronnyi
lineinyi kollaider TESLA v DESY, bozon Higgsa budet eksperimental'no
otkryt ili stanet ponyatno, pochemu on ne mozhet sushestvovat'.
Tol'ko nado podozhdat' poryadka desyati let. Est' opredelennaya
veroyatnost', chto higgsovskuyu chasticu smogut otkryt' na deistvuyushem
proton-antiprotonnom kollaidere Tevatron vo FNAL-e v blizhaishie
dva-tri goda.
Takov na segodnyashnii den' polnyi nabor samyh elementarnyh sostavlyayushih nashego mira. Mozhet li on popolnit'sya? Ves'ma veroyatno. Glavnym kandidatom yavlyaetsya poka eshe ne otkrytyi bozon Higgsa. Dalee, esli v prirode realizovan lyuboi iz variantov ob'edineniya treh fundamental'nyh vzaimodeistvii, to obyazany vozniknut' novye fundamental'nye kalibrovochnye bozony. Esli zhe v prirode imeetsya supersimmetriya, to chislo fundamental'nyh chastic kak minimum udvaivaetsya - kazhdomu leptonu, kvarku i kalibrovochnomu bozonu neobhodimo postavit' v sootvetstvie chasticu-superpartnera. Otmetim, chto otkrytie gipoteticheskoi "pyatoi sily" mozhet popolnit' spisok fundamental'nyh kalibrovochnyh bozonov.
Uvereny li fiziki, chto izvestnyi v nastoyashee vremya uroven' materii naibolee fundamentalen, a kvarki, leptony i kalibrovochnye bozony ne yavlyayutsya sostavnymi? Net, ne uvereny. Sushestvuyut teoreticheskie modeli, v kotoryh vvodyatsya eshe bolee fundamental'nye i elementarnye struktury. Naprimer, leptokvarki, superstruny ili brany. No ni odna iz etih modelei ne imeet eksperimental'nogo podtverzhdeniya. Vo vsyakom sluchae, v nastoyashee vremya ne imeet.
Vse skazannoe vyshe u neiskushennogo chitatelya mozhet vyzvat' vopros:
"A chego slozhnogo to? Shest' leptonov, shest' kvarkov, dvenadcat'
(vosem' glyuonov, foton, , i ) kalibrovochnyh
bozonov. Etakuyu malost' izuchayut bolee sotni let mnogie tysyachi
lyudei. Ne besplatno izuchayut. Sovremennye eksperimenty nad elementarnymi
chasticami obhodyatsya v desyatki millionov dollarov ezhegodno... kazhdyi.
V chem podvoh?". Nikakogo podvoha net. Delo v tom, chto pri izuchenii
mira elementarnyh chastic cheloveku ne pomogut ni zrenie, ni sluh,
ni obonyanie, ni osyazanie. S drugoi storony, lyubopytstvuyushii chelovek
mozhet issledovat' mikromir tol'ko pri pomoshi makroskopicheskih priborov.
Nasha fiziologiya ne ostavlyaet inogo vybora. No chto znachit, issledovat'
mikromir pri pomoshi makropriborov? Esli prizvat' na pomosh' analogiyu,
to eto primerno tozhe samoe, chto igrat' na bil'yarde pri pomoshi
kar'ernyh ekskavatorov. Poka sdelaesh' odin udachnyi udar, razdavish'
nesmetnoe chislo sharov i polomaesh' ogromnoe chislo stolov! Sovremennye
uskoriteli i sovremennye detektory - eto "kar'ernye ekskavatory
mikroskopicheskogo bil'yarda". Oni perelopachivayut milliony sobytii,
zakodirovannyh v sotnyah millionov signalov izmeritel'noi apparatury,
s cel'yu naiti vsego pyat' ili desyat' sobytii, sposobnyh dat' novuyu
informaciyu o vzaimodeistviyah elementarnyh chastic.
Vozmozhno, chto analogiya, privedennaya v predydushem abzace, u sklonnogo k filosofstvovaniyu cheloveka porodit eshe celyi ryad "ostryh" voprosov k fizikam-elementarshikam. Naprimer, a pochemu fiziki voobshe uvereny v real'nosti sushestvovaniya fundamental'nyh chastic, v real'nosti ih udivitel'nyh kvantovyh svoistv? Vdrug eto vsego lish' plod nashei fantazii ili sledstvie grubosti teh priborov, kotorymi uchenye pytayutsya izuchat' stol' tonkie veshi kak mikrochasticy? Bolee togo, vozmozhno fiziki voobshe nepravil'no ponimayut mikromir i v rezul'tate podobnogo nepravil'nogo ponimaniya voznikla kvantovaya teoriya s ee matematicheskim apparatom i interpretaciyami?
Podobnye voprosy stavilis' pered kvantovoi mehanikoi i kvantovoi teoriei polya s momenta sozdaniya. Dat' ischerpyvayushii i okonchatel'nyi otvet na nih ne udalos' do sih por. No chast' otvetov naidena. Nachnem s obsuzhdeniya grubosti makroskopicheskih priborov. V 30-h godah XX-go veka Al'bert Einshtein predpolozhil, chto na samom dele proishozhdenie kvantovomehanicheskoi veroyatnosti mozhet byt' analogichno proishozhdeniyu veroyatnosti v klassicheskoi statfizike. Napomnim, chto v klassike veroyatnostnoe opisanie voznikaet iz-za togo, chto my v silu nekotoryh prichin otkazyvaemsya ot polnoi informacii o sisteme, davaemoi tochnymi uravneniyami dvizheniya, i perehodim k raspredeleniyam (veroyatnostei) po neizvestnym nam velichinam. Einshtein predpolozhil, chto vse mikrochasticy v dopolnenie k ih izvestnym harakteristikam (masse, spinu, zaryadam, chetnostyam) obladayut naborom harakteristik, ne dostupnyh dlya izmereniya lyubym makropriborom, naprimer, v silu grubosti poslednego. Eti harakteristiki nazvali skrytymi parametrami kvantovoi teorii. Takim obrazom, esli by fiziki mogli izmerit' skrytye parametry, to mozhno bylo by predskazat' rezul'tat lyubogo vzaimodeistviya v mikromire ne veroyatnostnym, a absolyutno deterministichnym obrazom. Bolee 30-ti let schitalos', chto teoriyu skrytyh parametrov ne vozmozhno ni podtverdit', ni oprovergnut' eksperimental'no. Deistvitel'no, kak mozhno izmerit' to, chto nel'zya izmerit' po opredeleniyu?
No v 1965 godu Dzh.Bell otyskal takoi sposob! Okazalos', chto sushestvuet celyi ryad eksperimental'nyh situacii, v kotoryh dlya opredelennyh lineinyh kombinacii izmeryaemyh na opyte velichin vse teorii so skrytymi parametrami predskazyvayut rezul'tat, men'shii, chem kvantovaya mehanika. Pri etom na vozmozhnye skrytye parametry kak mikrochasticy, tak i makropribora nakladyvaetsya lish' trebovanie lokal'nosti, t.e. sovmestimosti s teoriei otnositel'nosti. Eti lineinye kombinacii, nosyashie nazvanie neravenstv Bella, izmereny v neskol'kih opytah s fotonami i protonami. Rezul'taty opytov polnost'yu sovpali s predskazaniyami kvantovoi mehaniki. Isklyuchit' nelokal'nye skrytye parametry eksperimental'no ne vozmozhno. No, s tochki zreniya teorii, ih sushestvovanie protivorechit teorii otnositel'nosti, pravil'nost' osnovnyh vyvodov kotoroi podtverzhdena v sotnyah eksperimentov na uskoritelyah, v kosmicheskih luchah i v atomnoi promyshlennosti. To est', lyubym nisprovergatelyam sugubo veroyatnostnoi kvantovoi mehaniki pridetsya "v kachestve dopolnitel'nogo uprazhneniya" pereformulirovat' sootvetstvuyushim obrazom teoriyu otnositel'nosti.
Nado otmetit', chto v poslednie desyatiletiya podobnaya pereformulirovka
stala predstavlyaet'sya ne stol' nevozmozhnoi. Pohozhe, chto v mnogomernyh
prostranstvah vozmozhno vybrat' takuyu metriku, kotoraya, s odnoi
storony, ne narushaet n'yutonovskii zakon gravitacii
i teoriyu otnositel'nosti Einshteina v chetyrehmerii, a s drugoi - cherez
dopolnitel'nye izmereniya principial'no pozvolyaet peredavat' signaly
mezhdu dvumya tochkami chetyrehmernogo prostranstva bystree skorosti sveta.
Mozhno predpolozhit', chto s pomosh'yu podobnyh teorii poyavitsya vozmozhnost'
postroeniya "prichinnoi kvantovoi mehaniki" ili naoborot, budet
postavlen eksperiment, kotoryi pozvolit okonchatel'no oprovergnut'
lyubye teorii so skrytymi parametrami.
Dlya vostorzhennyh i legkovernyh chitatelei osobo stoit otmetit', chto put', opisannyi v predydushem abzace, lish' GIPOTEZA, kotoraya mozhet okazat'sya lozhnoi pri bolee pristal'nom rassmotrenii. Krome togo, ne vse tak gladko s vyborom metriki. Kak ni zhal', no podrobnoe obsuzhdenie dannyh voprosov daleko vyhodit za ramki populyarnogo vvedeniya v fiziku elementarnyh chastic.
Lyubopytnyi i, pozhalui, udivitel'nyi dlya nespecialistov fakt zaklyuchaetsya v tom, chto predskazaniya kvantovoi mehaniki i kvantovoi teorii polya s eksperimental'noi tochki zreniya podtverzhdeny gorazdo tochnee, chem predskazaniya klassicheskoi mehaniki i teorii otnositel'nosti. Naprimer, soglasie mezhdu teoreticheskimi predskazaniyami i eksperimental'nym rezul'tatom dlya anomal'nogo magnitnogo momenta elektrona sostavlyaet 11 znakov posle zapyatoi, v to vremya kak harakternaya tochnost' sovpadeniya teorii i eksperimenta v klassicheskoi fizike 3-4 znaka posle zapyatoi.
V zaklyuchenie skazhem neskol'ko slov o real'nosti elementarnyh chastic. Deistvitel'no, elementarnye chasticy nevozmozhno ni potrogat', ni ponyuhat', ni uvidet', ni poprobovat' na vkus. Informaciyu ob ih sushestvovanii uchenye poluchayut posredstvom gromozdkih detektorov, kotorye vydayut dlya obrabotki nabory elektricheskih ili svetovyh signalov. Tol'ko special'nym obrazom analiziruya poluchennye signaly, fiziki mogut izuchat' svoistva elementarnyh chastic. Na pervyi vzglyad, net absolyutno nikakoi garantii, chto v dlinnoi cepochke peredachi signala iz mikromira k makroskopicheskomu nablyudatelyu fiziki-eksperimetatory pravil'no uchityvayut pomehi, oshibki ili iskazheniya pervichnoi informacii. Sledovatel'no, elementarnye chasticy mogut okazat'sya lish' morokom, nepravil'noi interpretaciei iskazhennyh signalov. Inoe delo - makroskopicheskie ob'ekty. Chelovek mozhet uznat' harakteristiki makroskopicheskih ob'ektov bez vsyakih posrednikov, tol'ko pri pomoshi organov chuvstv. Poetomu v real'nosti makroskopicheskogo okruzhayushego mira, kak pravilo, ne somnevaetsya. No tak kazhetsya tol'ko na pervyi ves'ma povehnostnyi vzglyad.
Rabota LYuBOGO organa chuvstv cheloveka v makromire principial'no
ne otlichima ot raboty makropribora dlya izucheniya mikromira. V kachestve
primera rassmotrim zrenie. Pust' chelovek vidit stol. Chto proishodit
na samom dele? Solnce ispuskaet ogromnoe chislo fotonov. Oni vzaimodeistvuyut
s atomami stola, pereizluchayutsya vo vse storony i malaya ih chast' popadaet
v glaz. Hrustalik glaza, v svoyu ochered', fokusiruet fotony na setchatke,
gde v rezul'tate himicheskoi reakcii s palochkami i kolbochkami voznikayut
elektricheskie signaly. Eti signaly po nervnym voloknam peredayutsya v mozg,
kotoryi putem slozhnogo analiza postupivshei informacii vosproizvodit
izobrazhenie stola. Estestvenno, chto real'nost' zritel'nogo vospriyatiya
mozhno proverit' pri pomoshi inyh organov chuvstv, naprimer, poprobovat'
ukusit' stol zubami ili udarit' po nemu kulakom. V rezul'tate podobnyh
deistvii v mozg uidet nezavisimyi signal ot zubov ili ruk, podtverzhdayushii
signal ot glaz. No, analogichno rassmotrenomu vyshe primeru, real'nost'
elementarnyh chastic, universal'nost' ih svoistv podtverzhdaetsya
mnozhestvom detektorov principial'no razlichnyh konstrukcii (kamery
Vil'sona, schetchiki Geigera vo vseh modifikaciyah, proporcional'nye
kamery, cherenkovskie schetchiki, ionizacionnye kalorimetry desyatkov
razlichnyh sistem). Etot nabor makropriborov gorazdo bogache, chem
pyat' chelovecheskih chuvstv! A rezul'taty nezavisimyh izmerenii
harakteristik mikrochastic, vypolnennyh etimi priborami, prekrasno
soglasuyutsya drug s drugom. Imenno poetomu fiziki schitayut, chto, skazhem,
-bozon, poluchennyi na elektron-pozitronnom kollaidere v CERNe,
ne menee realen, chem stol ili taburet v vashei kvartire, a kvark vnutri
protona takoi zhe element Vselennoi, kak i prezident SShA, hotya ni pervogo,
ni vtorogo srednestatisticheskii (rossiiskii) uchenyi zhiv'em ne videl.
Pravda, vsegda mozhno udarit'sya v solipsizm. Protiv loma solipsizma net sugubo nauchnogo priema. Storonnikam solipsizma ostaetsya tol'ko posovetovat' perestat' predstavlyat', chto oni chitayut dannuyu nudnuyu stat'yu, i zanyat'sya chem-nibud' bolee priyatnym. Chitatelyam, vser'ez zainteresovavshimsya obsuzhdaemymi vyshe voprosami, dlya bolee glubokogo izucheniya mozhno porekomendovat' knigi [1]-[5].
Na etom kratkoe populyarnoe vvedenie v fiziku mikromira mozhno zakonchit' i pereiti neposredstvenno k knige Donal'da Perkinsa.
Odinadcat' let nazad "Energoatomizdat" vypustil perevod tret'ego angliiskogo izdaniya prekrasnoi knigi britanskogo uchenogo, professora fiziki Oksfordskogo universiteta Donal'da Perkinsa "Vvedenie v fiziku vysokih energii" (tirazh 3000 ekz). Kniga poistine unikal'naya. Vo-pervyh, v sravnitel'no nebol'shom ob'eme posledovatel'no i ves'ma podrobno izlozheny rezul'taty vseh klyuchevyh eksperimentov v fizike mikromira i chetko pokazano, kak kazhdyi iz etih eksperimentov povliyal na stanovlenie teorii elementarnyh chastic. Vo-vtoryh, ne mozhet ne porazhat' uroven' izlozheniya. Kniga mozhet byt' polezna i tret'ekursniku, tol'ko nachinayushemu v ramkah kursa obshei fiziki izuchat' elementarnye chasticy, i starshekursniku, i aspirantu i dazhe slozhivshemusya uchenomu, zhelayushemu chetko, yasno, bystro i gluboko uyasnit' sebe konkretnyi vopros v fizike mikromira. Mnogo interesnyh metodicheskih nahodok naidut u D.Perkinsa populyarizatory nauki. Mne ne izvestno ni odnoi stol' zhe universal'noi knigi!
Odnako s momenta vyhoda angliiskogo izdaniya (1987 god) proshlo poryadochnoe vremya. Fizika elementarnyh chastic shagnula daleko vpered. I vot v 2000-om godu izdatel'stvo "Cambridge University Press" vypustilo v svet chetvertoe pererabotannoe i dopolnennoe izdanie "Vvedeniya ...". Spustya dva goda kniga v Rossii ne perevedena, hotya situaciya s vypuskom nauchnoi literatury za poslednie tri goda u nas v strane ves'ma uluchshilas'.
Predlagayu setevym chitatelyam perevod odnogo paragrafa iz novogo
izdaniya "Vvedeniya...". V etom paragrafe rasskazyvaetsya ob otkrytii
poslednego i samogo tyazhelogo iz kvarkov -kvarka. Iz dannogo
paragrafa chitatel' ne fizik smozhet do nekotoroi stepeni ponyat'
eksperimental'nye trudnosti i metody ih obhoda, harakternye dlya
sovremennoi fiziki elementarnyh chastic. Otkrytie -kvarka proizoshlo
otnositel'no nedavno - v 1995 godu. Na russkom yazyke poka net ni
odnogo glubokogo, no v tozhe vremya i dostatochno populyarnogo izlozheniya
etogo krupnogo dostizheniya fiziki chastic.
Perevedennyi paragraf prednaznachen prezhde vsego dlya studentov fizichiskih special'nostei VUZov, no mozhet okazat'sya poleznym chitatelyam, interesuyushimsya fundamental'nymi nauchnymi otkrytiyami. V poslednem russkom izdanii knigi D.Perkinsa perevedennyi material dolzhen sootvetstvovat' paragrafu 5.16.
Dannaya stat'ya yavlyaetsya sostavnoi chast'yu setevogo proekta "Studentam o noveishih dostizheniyah v fizike elementarnyh chastic" [6]. V 2001 godu v ramkah dannogo proekta byla opublikovana zametka G.Freizera "Melodrama pod nazvaniem "Vremya iskat' Higgs" [7] ob intriguyushih, no, uvy, bezrezul'tatnyh poiskah bozona Higgsa na elektron-pozitronnom kollaidere LEP v CERN-e.
V zaklyuchenie neobhodimo otmetit', chto privedennye v russkom
izdanii 1991 goda predvaritel'nye eksperimental'nye dannye
CERN-a po uspeshnomu poisku -kvarka v raspade
i izmereniyu
40 GeV ne
podtverdilis'. V nastoyashee vremya massa samogo tyazhelogo kvarka
schitaetsya ravnoi
GeV, poetomu -kvark
ne mozhet byt' produktom raspada -bozona. Naoborot,
-bozon yavlyaetsya odnim iz produktov raspada -kvarka.
| Oglavlenie | Otkrytie t-kvarka >>
|
Publikacii s klyuchevymi slovami:
fizika elementarnyh chastic - kvarki
Publikacii so slovami: fizika elementarnyh chastic - kvarki | |
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >> | |
