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

РИС. 44. W–бозон может распасться на любой заряженный лептон и соответствующее ему нейтрино, или на верхний и нижний кварки, или на очарованный и странный кварки. На самом деле в кварковом секторе имеется смешивание, так что W–бозон может иногда распадаться в кварки разных поколений

Возможные варианты распада, помимо всего прочего, зависят от массы исходной частицы. Дело в том, что продукты распада частицы в сумме должны давать массу, меньшую, чем масса исходной частицы. Так, хотя W–бозон вполне способен взаимодействовать с истинным и красивым кварками, распасться на них он не может, так как масса истинного кварка больше массы W–бозона[48].

Рассмотрим распад W–бозона на два кварка, поскольку в этом случае экспериментаторы могут измерить оба продукта распада (в случае лептона и нейтрино это не так, потому что нейтрино не посредственно не обнаруживается). По закону сохранения энергии и импульса суммарная энергия и импульс конечных кварков равны энергии и импульсу распавшейся частицы, то есть W–бозона.

В этот момент, однако, вмешиваются специальная теория относительности Эйнштейна и квантовая механика, и ситуация становится более интересной. Специальная теория относительности говорит нам о том, как соотносятся масса, энергия и импульс. Большинству людей знаком сокращенный вариант формулы Е = mc2. Эта формула верна для частиц в состоянии покоя; здесь т интерпретируется как т0 — неисчезающая масса покоя частицы, изначально ей присущая. Если частица движется, у нее имеется импульс, и на сцене появляется более полная формула: Е2–р2с2 = т02с2. По этой формуле[49] экспериментаторы могут вычислить массу частицы даже в том случае, если сама она давно распалась. Для этого достаточно измерить суммарный импульс и энергию продуктов распада и, применив это уравнение, вычислить массу первоначальной частицы.

Причина, по которой в этой истории фигурирует квантовая механика, несколько тоньше. Если наблюдать со стороны, то масса частицы не всегда равняется в точности ее реальной и истинной массе. Частицы способны распадаться, а квантово–механическое уравнение неопределенности говорит нам, что для точного измерения энергии необходимо бесконечное время; это значит, что энергию частицы, имеющей ограниченный срок жизни, вообще невозможно знать точно. Величина возможной ошибки тем больше, чем быстрее распадается частица и чем меньше время ее жизни. Следовательно, в любом конкретном измерении можно получить значение массы, близкое, но не равное ее истинному среднему значению. Только проведя множество измерений, экспериментаторы могут выяснить одновременно массу—наиболее вероятную ее величину, к которой сходится среднее значение — и время жизни, поскольку именно продолжительность существования частицы до распада определяет разброс измеренных масс (рис. 45). Это верно не только для W–бозона, но и для любой другой распадающейся частицы.

РИС. 45. Измерения массы нестабильной частицы концентрируются вокруг ее истинной массы, но допускают некоторый разброс в зависимости от времени жизни. На рисунке показана соответствующая зависимость для калибровочного W–бозона

Разобравшись в полученных измерительных данных при помощи описанных в этой главе методов, экспериментаторы могут обнаружить какую‑нибудь частицу Стандартной модели (см. на рис. 46 сводку частиц Стандартной модели и их свойств)[50], а может, и что‑нибудь совершенно новое. Ученые надеются получить на БАКе новые экзотические частицы, которые помогут глубже проникнуть в фундаментальную природу вещества или даже Вселенной в целом. В следующей части книги мы рассмотрим некоторые интересные возможности.

РИС. 46. Частицы Стандартной модели, организованные по типу и массе. В серых кружочках (иногда внутри квадратиков) приведены массы частиц. Число внутри стрелочек, образующих дуги, обозначает величину спина данной частицы. Мы видим здесь загадочное разнообразие элементов Стандартной модели

В феврале 2007 г. физик–теоретик и нобелевский лауреат Мюррей Гелл–Манн выступил на конференции TED («Технологии, развлечения, дизайн») в Калифорнии, где раз в год собираются лидеры науки, техники, литературы, индустрии развлечений и других инновационных сфер, чтобы поделиться новыми достижениями и взглядами по самым разным вопросам. Выступление Мюррея было встречено продолжительной овацией; посвящено оно было истине и красоте в науке. Основную мысль выступления лучше всего можно передать его собственными словами, повторившими мысль Джона Китса: «Истина — это красота, а красота — это истина».

У Гелл–Манна были серьезные причины верить в это заявление. Сам он совершил наиболее значительные из своих открытий, принесшие ему в конце концов Нобелевскую премию, в процессе поиска фундаментального принципа, позволяющего элегантно «обуздать» хаос данных, накопленных учеными в 1960–е гг. Опыт Мюррея говорил о том, что поиск красоты привел его к истине.

Никто в аудитории не оспорил это громкое заявление. В конце концов, большинству людей нравится думать, что красота и истина неразделимы и что поиск одного чаще всего приводит к другому. Но мне, признаюсь, это утверждение всегда представлялось несколько неоднозначным. Конечно, всем хотелось бы верить, что в основе великих научных теорий лежит красота и что истина всегда эстетически прекрасна. Но ведь красота, по крайней мере отчасти, — понятие субъективное и не может быть надежным арбитром истины.