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

Экспериментальные установки ATLAS и CMS в Большом адронном коллайдере предназначены для обнаружения и распознавания частиц Стандартной модели. Настоящая цель, разумеется,

РИС. 40. Элементы Стандартной модели физики элементарных частиц с указанными массами. Показаны также отдельно частицы с правым и левым спином. Слабое взаимодействие, способное изменить тип частицы, действует только на левые частицы

состоит в том, чтобы выйти за пределы уже известного — отыскать новые элементы или взаимодействия, которые помогли бы разобраться в многочисленных загадках. Но для этого физики должны научиться без труда выделять фоновые события Стандартной модели и распознавать обычные, хорошо известные частицы, на которые могут распадаться в тех или иных условиях неведомые экзотические частицы. Экспериментаторы БАКа похожи на детективов, которые анализируют имеющиеся данные, чтобы соединить их в единую картину и понять, что здесь было прежде. Чтобы обнаружить что‑то новое, необходимо сначала исключить из картины все известные элементы.

Познакомившись с конструкцией двух основных универсальных детекторов БАКа, мы теперь вновь наведаемся на коллайдер и постараемся разобраться в том, как физики распознают отдельные частицы. Некоторое знакомство с современным состоянием физики элементарных частиц и методов обнаружения частиц Стандартной модели будут полезны и при обсуждении научного потенциала БАКа в части IV.

Специалисты по физике элементарных частиц делят частицы Стандартной модели на две категории. Частицы первого типа известны как лептоны.

В эту категорию попадают частицы, не участвующие в сильном взаимодействии. В первую очередь это электроны; в Стандартной модели присутствуют также две более тяжелые версии электрона, обладающие таким же зарядом, но гораздо большей массой, — мюон и тау–лептон. Оказывается, имеется три, обладающих одинаковым зарядом варианта каждой из встречающихся нам в повседневной жизни частиц Стандартной модели; при этом каждое следующее поколение тяжелее предыдущего. Мы не знаем, почему таких вариантов именно три. Говорят, что лауреат Нобелевской премии по физике 1944 г. Исидор Айзек Раби, услышав о существовании мюона, воскликнул в изумлении: «Кто заказывал?»

Самые легкие лептоны обнаружить проще всего. Хотя и электроны, и фотоны отдают энергию в электромагнитном калориметре, различить их легко: электрон имеет электрический заряд, а фотон — нет. Из этих частиц только электрон, прежде чем отдать энергию калориметру ECAL, оставляет трек во внутреннем детекторе.

Распознать мюоны тоже относительно легко. Подобно всем остальным тяжелым частицам Стандартной модели, мюоны распадаются так быстро, что в обычном веществе их обнаружить невозможно, и вне эксперимента мы на Земле их почти не видим. Однако мюоны живут все же достаточно долго, чтобы успеть добраться до внешних слоев детектора. Поэтому они оставляют за собой длинные, ясно различимые треки, и экпериментаторы могут проследить их путь сквозь все слои от внутреннего детектора до внешних мюонных камер. Мюоны — единственные частицы Стандартной модели, способные добраться до внешних детекторов и оставить в них видимый след, поэтому распознать и выделить их несложно.

Тау–частицы, хотя они и заметны, обнаружить уже не так просто. Тау–частица представляет собой заряженный лептон, подобный электрону и мюону, но превосходит то и другое по массе. Как и большинство тяжелых частиц, она нестабильна; это значит, что тау–частица распадается, оставляя после себя группу других частиц. Любая тау–частица стремительно распадается на легкий заряженный лептон и две частицы под названием нейтрино или на одно нейтрино и частицу под названием пион, участвующую в сильном взаимодействии. Экспериментаторы изучают продукты распада — частицы, на которые распалась первоначальная нестабильная частица, — чтобы определить, не было ли на их месте тяжелой нестабильной частицы, и если таковая была, то какими свойствами обладала. Сам тау–лептон не оставляет трека, но по информации о продуктах распада, которые регистрирует экспериментальная установка, можно распознать эту частицу и ее свойства.

Электрон, мюон и еще более тяжелый тау–лептон имеют одинаковые заряды, равные -1 и противоположные заряду положительно заряженного протона. Кроме того, в коллайдерах рождаются античастицы, соответствующие этим заряженным лептонам, — позитрон, антимюон и антитау–лептон. Эти античастицы имеют заряд +1 и оставляют в детекторах треки, похожие на треки соответствующих частиц, но из‑за противоположного заряда в магнитном поле они отклоняются в противоположную сторону.

Кроме только что описанных трех типов заряженных лептонов Стандартная модель содержит нейтрино — очень легкие лептоны, не несущие никакого электрического заряда. Если три заряженных лептона участвуют как в электромагнитном, так и в слабом взаимодействии, то нейтрино заряда не имеют и потому нечувствительны к электрическим силам. До 1990–х гг. экспериментальные результаты указывали, что нейтрино имеют нулевую массу. Одним из интереснейших открытий того десятилетия стало обнаружение у нейтрино чрезвычайно малой, но неисчезающей массы покоя; это показало, что Стандартная модель физики частиц неполна.

Хотя нейтрино — очень легкие частицы и, соответственно, попадают в энергетический диапазон любого коллайдера, их невозможно непосредственно обнаружить на БАКе. Не имея электрического заряда, они очень неохотно вступают во взаимодействие с веществом — настолько неохотно, что человек, тело которого каждую секунду пронизывает более 50 трлн солнечных нейтрино, может узнать об этом, только если ему кто‑нибудь расскажет.

Несмотря на невидимость нейтрино, физик Вольфганг Паули предсказал их существование в качестве «отчаянной меры», пытаясь объяснить, куда девается энергия при распаде нейтронов. Долгое время казалось, что в этом процессе нарушается закон сохранения энергии, потому что протон и электрон, которые удавалось обнаружить на месте распада нейтрона, вместе не давали полной энергии, которой прежде обладал нейтрон. Даже известные физики, такие как Нильс Бор, в то время готовы были поступиться принципами и признать, что энергия может теряться безвозвратно. Паули оказался верен известным физическим принципам и предположил, что энергия все же сохраняется, просто экспериментаторы не могут увидеть ту электрически нейтральную частицу, которая уносит с собой недостающую ее часть. Он оказался прав.

Паули назвал свою гипотетическую на тот момент частицу нейтроном, но позже это название оказалось занято — его использовали для обозначения составной части атомного ядра, нейтрального партнера протона. Так что Энрико Ферми — итальянскому физику, разработавшему теорию слабых взаимодействий (хотя публика лучше знает его как одного из создателей первого ядерного реактора) — пришлось дать этой частице забавное имя нейтрино, что по–итальянски означает «нейтрончик». Конечно, нейтрино — никакой не нейтрон, но, подобно нейтрону, эта частица не несет на себе электрического заряда. С другой стороны, нейтрино действительно много легче нейтрона.