Странно, что в дополнение к частицам, существенным для структуры атома, таким как электрон и и- и d-кварки, существуют дополнительные частицы, которые хотя и больше по массе, но имеют те же заряды, что и уже упомянутые частицы. У всех легчайших стабильных кварков и лептонов есть более тяжелые копии. Никто не знает, почему они существуют и для чего они нужны.
Когда физики впервые поняли, что мюон, частица, впервые обнаруженная в космическом излучении, есть не что иное, как более тяжелая версия электрона (тяжелее в 200 раз), физик И. Раби спросил: «А кто его заказал?» Хотя мюон, как и электрон, отрицательно заряжен, он тяжелее электрона, и может в него распадаться. Иными словами, мюон нестабилен (см. рис. 53) и быстро превращается в электрон (и два нейтрино). Насколько мы сейчас знаем, мюон не играет никакой роли в строении вещества здесь, на Земле. Почему же он существует? Это одна из загадок Стандартной модели, которая, как мы надеемся, будет решена при дальнейшем развитии науки.
На самом деле существуют три копии полного набора частиц с одинаковыми зарядами Стандартной модели (рис. 52). Каждая из этих копий носит название поколения или, иногда, семейства. Первое поколение частиц содержит левый и правый электрон, левый и правый u-кварк, левый и правый d-кварк и левое нейтрино. Первое поколение содержит весь стабильный материал, из которого состоят атомы, а следовательно, и все стабильное вещество.
Второе и третье поколения включают нестабильные частицы, которые отсутствуют в «нормальном» известном веществе. Эти частицы не являются точными копиями первого поколения; их заряды тождественны зарядам частиц первого поколения, но сами частицы тяжелее. Они были обнаружены только после того, как были рождены на ускорителях частиц высоких энергий, но смысл их существования остается туманным. Второе поколение включает левый и правый мюон, левый и правый с-кварк и левый и правый s-кварк, а также стабильное левое мюонное нейтрино[106]. Третье поколение включает левый и правый тау-лептон, левый и правый t-кварк (называемый также топ-кварком), левый и правый b-кварк, а также левое тау-нейтрино. Тождественные копии конкретной частицы с определенным зарядом, каждая из которых является членом своего поколения, часто называют ароматами частицы этого типа.
Из рис. 52 можно видеть, что хотя в те времена, когда Гелл-Манн впервые высказал гипотезу о существовании кварков, было известно о существовании только трех ароматов кварков, сейчас мы знаем шесть ароматов: три типа u и три типа d, по одному в каждом поколении. В дополнение к самому u-кварку существуют еще два одинаково заряженных кварка типа и — кварки с и t. Аналогично, d-, s- и b-кварки являются разными ароматами кварка типа d. А мюон и тау-лептон есть более тяжелые ароматы электрона.
Физики все еще пытаются понять причину существования трех поколений и то, почему частицы имеют определенные массы. Это главные вопросы, касающиеся Стандартной модели, которые питают проводимые сейчас исследования. Вместе с коллегами я много работала над этими вопросами, но мы все еще ищем ответы.
Тяжелые ароматы существенно тяжелее легких. Хотя следующий тяжелый b-кварк был открыт в 1977 году, последний самый тяжелый t-кварк ускользал от экспериментаторов до 1995 года. Предметом следующей главы будут два эксперимента по физике частиц, в том числе тот, в котором был открыт t-кварк.
Что стоит запомнить
• Стандартная модель описывает негравитационные взаимодействия и частицы, испытывающие эти взаимодействия. В дополнение к хорошо известному электромагнитному взаимодействию, существуют два взаимодействия, действующих в рамках ядра — сильное взаимодействие и слабое взаимодействие.
• Слабое взаимодействие остается загадкой в Стандартной модели. В то время как два других взаимодействия переносятся безмассовыми частицами, калибровочный бозон, переносящий слабое взаимодействие, имеет массу.
• В дополнение к частицам, переносящим взаимодействия, Стандартная модель содержит частицы, испытывающие эти взаимодействия. Эти частицы разделены на две категории: кварки, испытывающие сильное взаимодействие, и лептоны, не испытывающие этого взаимодействия.
• Содержащиеся в веществе легкие кварки и лептоны (u-кварк, d-кварк и электрон) — не единственные известные частицы. Существуют и более тяжелые кварки и лептоны: для u-кварка, d-кварка и электрона имеется по две более тяжелых модификации.
• Тяжелые частицы нестабильны, т. е. они распадаются на более легкие кварки и лептоны. Однако они были созданы в экспериментах на ускорителях частиц, и было показано, что более тяжелые частицы участвуют в тех же взаимодействиях, что и обычные легкие, стабильные частицы.
• Каждая группа частиц, состоящая из заряженного лептона, кварка u-типа и кварка d-типа, называется поколением. Существуют три поколения, каждое из которых содержит, соответственно, все более тяжелые модификации частиц каждого типа. Такие разновидности частиц носят название ароматов. Существуют три кварковых аромата u-типа, три кварковых аромата d-типа, три аромата заряженного лептона и три аромата нейтрино.
• Далее я не буду использовать названия и детальное описание каждого конкретного кварка. Однако следует иметь представление о поколениях и ароматах из-за налагаемых этими понятиями сильных ограничений на свойства частиц, которые дают нам важнейшие ключи и ограничения на физику за рамками Стандартной модели.
• Важнейшим среди этих ограничений является то, что различные ароматы кварков и лептонов с одинаковыми зарядами не превращаются друг в друга. Теории, в которых частицы могут легко менять свой аромат, исключены. Далее мы увидим, что это является большим вызовом моделям нарушенной суперсимметрии и другим предлагавшимся расширениям Стандартной модели.
Глава 8
Экспериментальная интерлюдия: проверка Стандартной модели
One way, or another
I’m gonna find you…
Blondie[107]
Икару опять приснилось, что он встретил квантового детектива, на этот раз сыщик знал, что ему нужно, и у него была неплохая идея, где это должно быть. Все, что он должен был делать, — это ждать. Если он не ошибся, то рано или поздно его жертва появится.
Искать тяжелые частицы непросто. Но именно этим делом мы и должны заниматься, если собираемся выяснить лежащую в основе Стандартной модели структуру и в конце концов физический состав Вселенной. Наибольшая часть наших знаний о физике частиц получена с помощью экспериментов на ускорителях частиц высоких энергий, в которых сначала ускоряется быстро летящий пучок частиц, которые затем испытывают соударения с частицами других типов.
В коллайдерах частиц высоких энергий ускоренный пучок частиц на самом деле сталкивается с ускоренным пучком античастиц, так что они встречаются в малой области, содержащей огромное количество энергии. Эта энергия иногда превращается в тяжелые частицы, обычно не встречающиеся в природе. Коллайдеры частиц высоких энергий — то единственное место, где рождаются самые тяжелые известные частицы с момента Большого взрыва, когда значительно более горячая Вселенная содержала все частицы в изобилии. На коллайдерах в принципе можно создавать пары частиц и античастиц любого сорта, если только хватает энергии для рождения конкретной пары, что определяется формулой Эйнштейна E = mc2.
Однако целью физики высоких энергий является не только поиск новых частиц. Эксперименты на коллайдерах высоких энергий дают информацию о фундаментальных законах природы, которые не доступны для наблюдения никаким иным способом, законах, которые действуют в области, слишком малой для того, чтобы ее можно было увидеть непосредственно. Эксперименты при высоких энергиях — единственный способ исследования любых взаимодействий, действующих на необычайно малых расстояниях.
В этой главе пойдет речь о двух экспериментах на коллайдерах, которые, с одной стороны, очень важны для подтверждения предсказаний Стандартной модели, а с другой стороны, накладывают ограничения на то, какие возможные теории за этим стоят. Сами эксперименты производят большое впечатление.
Но они должны также дать вам почувствовать, с чем в будущем предстоит столкнуться физикам, когда они обратятся к поискам новых явлений, например дополнительных измерений.
