Достучаться до небес. Научный взгляд на устройство Вселенной - Лиза Рэндалл

Никто не мог надеяться на то, что кварки и их свойства можно будет увидеть собственными глазами. В этой области реально применимы только непрямые методы исследований. Тем не менее измерения подтвердили существование кварков. То, что предсказания и измеряемые характеристики хорошо согласуются между собой, а также вполне наглядная гипотеза о кварках говорили в пользу их существования.

Со временем физикам и инженерам удалось создать новые, усовершенствованные типы ускорителей, способные разгонять частицы до все более высоких энергий. Чем совершеннее становились ускорители, тем более высокоэнергетические частицы можно было использовать для зондирования структуры вещества — и, соответственно, тем меньшие расстояния исследовать. Открытия, сделанные в этот период, помогли разработать Стандартную модель — ее элементы обнаруживались один за другим.

Эксперименты, аналогичные тем, благодаря которым были открыты кварки, где пучок ускоренных электронов направляется на закрепленный образец вещества, называются экспериментами с неподвижной мишенью. В них один пучок ускоренных электронов направляется на вещество, которое играет роль своеобразной неподвижной мишени.

В современных ускорителях, работающих со сверхвысокими энергиями, все иначе. В них происходят столкновения двух потоков частиц, причем оба потока предварительно разгоняются до высоких энергий (рис. 21). Несложно догадаться, что пучки при этом должны быть точно сфокусированы и направлены в одну и ту же крошечную область — только так можно обеспечить какие бы то ни было столкновения. Это значительно уменьшает число получаемых столкновений, поскольку вероятность того, что частица в пучке взаимодействует с чем‑нибудь во фрагменте вещества, намного больше вероятности ее взаимодействия с частицей во встречном пучке.

РИС. 21. В одних ускорителях элементарных частиц пучок частиц взаимодействует с неподвижной мишенью. В других — два пучка частиц сталкиваются друг с другом

Однако столкновение двух пучков имеет одно серьезное преимущество. При таких столкновениях можно получить гораздо более высокие энергии. Уже Эйнштейн мог бы объяснить, почему современные ученые однозначно предпочитают коллайдеры экспериментам с неподвижной мишенью. Это связано с понятием «инвариантная масса системы». Хотя сегодня даже ребенок знает, что Эйнштейн создал теорию относительности, сам ученый считал, что более подходящим названием для нее было бы теория инвариантов. Подлинной целью его исследований было найти способ, при помощи которого можно было бы уйти от влияния конкретной системы отсчета, то есть найти инвариантные величины, характеризующие систему.

Вероятно, вы больше знакомы с этой идеей на примере пространственных характеристик, таких как линейный размер. Линейный размер неподвижного объекта не зависит от того, как именно он ориентирован в пространстве. Объект имеет фиксированный размер, который никак не связан с вашими наблюдениями, в отличие от его координат, которые зависят от произвольного набора осей и направлений, которые вы выбираете.

Эйнштейн показал, как описать явление, чтобы его характеристики не зависели от ориентации или собственного движения наблюдателя. Инвариантная масса — это мера полной энергии системы. Она говорит о том, объект какой массы может быть в принципе создан из энергии, содержащейся в вашей системе.

Чтобы определить показатель инвариантной массы, можно задать следующий вопрос: если бы ваша система была неподвижна, то есть если бы у нее не было ни скорости, ни импульса, сколько бы энергии она в себе содержала? Если система не имеет импульса, к ней применима формула Эйнштейна Е = mc2. Следовательно, если известна энергия системы в покое, известна и ее инвариантная масса. Если система находится не в покое, следует использовать более сложный вариант той же формулы, где помимо энергии фигурирует и величина импульса.

Предположим, мы сталкиваем между собой два пучка элементарных частиц с одинаковой энергией и равными по величине импульсами, направленными в противоположные стороны. При столкновении импульсы пучков складываются и в сумме дают нуль. Это означает, что система в целом находится в покое. Таким образом, вся энергия ·— сумма энергии частиц в двух отдельных пучках — может быть превращена в массу.

Эксперимент с неподвижной мишенью проходит совсем иначе. Пучок элементарных частиц в нем обладает большим импульсом, а мишень импульса не имеет. Для образования новых частиц доступна не вся энергия частицы, потому что система в целом продолжает двигаться. Из‑за этого движения не вся энергия столкновения может быть пущена на создание новых частиц — ведь некоторая ее часть останется в виде связанной с ними кинетической энергии. Оказывается, доступная энергия системы растет пропорционально всего лишь квадратному корню суммарной энергии частиц в пучке и в мишени. Это означает, к примеру, что если бы мы увеличили энергию протонного пучка в 100 раз и столкнули бы такой протон с другим — неподвижным — протоном, то энергия, пригодная для создания новых частиц, увеличилась бы всего в 10 раз.

Значит между столкновением во встречных пучках и столкновением с неподвижной мишенью есть большая разница. Энергия столкновения пучков намного выше — и она отнюдь не вдвое превосходит энергию столкновения пучка с неподвижной мишенью, как вы, вероятно, могли бы подумать. Такая догадка была бы основана на классическом подходе, который не годится для релятивистских частиц в пучке, летящем со скоростью, близкой к скорости света. Разница суммарной энергии между столкновениями пучок — мишень и пучок — пучок намного больше, поскольку на таких скоростях действует теория относительности. Так что если нам нужны по–настоящему высокие энергии, то выбора у нас не остается: придется обращаться к ускорителю–коллайдеру. В нем два пучка элементарных частиц будут разогнаны до высоких энергий, а затем направлены навстречу друг другу.

БАК — типичный пример ускорителя–коллайдера. В нем сталкиваются два пучка элементарных частиц, которые при помощи магнитов направляют навстречу друг другу. Основными параметрами, определяющими возможности любого коллайдера, являются тип частиц, с которыми он работает, их энергия после разгона и светимость установки (суммарная интенсивность пучков и, следовательно, число происходящих в ускорителе событий).

Итак, столкновение двух пучков позволяет получить более высокие энергии (а значит, исследовать меньшие расстояния), чем эксперименты с неподвижной мишенью, поэтому мы выбираем коллайдер. Возникает следующий вопрос: что сталкивать? Этот вопрос порождает несколько интересных вариантов, из которых нам предстоит выбрать один. В частности, мы должны решить, какие элементарные частицы следует ускорять, чтобы они могли принять участие в столкновении.